CN111176357B - 双极性高压快速稳态输出控制系统 - Google Patents

双极性高压快速稳态输出控制系统 Download PDF

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CN111176357B CN202010063022.8A CN202010063022A CN111176357B CN 111176357 B CN111176357 B CN 111176357B CN 202010063022 A CN202010063022 A CN 202010063022A CN 111176357 B CN111176357 B CN 111176357B
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Abstract

一种双极性高压快速稳态输出控制系统，该系统包括正极反馈控制单元、负极反馈控制单元、组合光耦调控单元、高压直流单元、可调节滤波单元和反馈调控单元。本发明提供的系统采用了正极反馈控制单元、负极反馈控制单元和组合光耦调控单元可实现双极性高压输出，在需要低电流、高电压稳定输出设备中可实现高压响应迅速、输出精度高以及电路工作的可靠性高，同时系统由多个模块构成，工艺要求较低、体积小，满足小型集成设备的要求，基于较低功率的前提下可以保证高压操作时的安全需求。

Description

双极性高压快速稳态输出控制系统
技术领域
本发明涉的高压控制技术领域，尤其涉及一种双极性高压快速稳定输出控制系统。
背景技术
对于当今离子探测、测量和控制领域中，双极性的可控高压电已经得到了十分广泛的应用，而当前的高压控制技术大多使用在电力系统中，对高功率、大电流的工作模式之下隔离控制设备通常使用的是IGBT作为隔离驱动或采用光耦隔离控制IGBT，而对于低功率、低电流，如几毫安时的响应速度和响应特性就并不理想，其静态偏置较高就影响了低电流时的准确度，多级结构也会降低传输效率和响应速度，这类设计方案对于大功率输出设备具有可靠性的优点，但是对于低功率输入，就有功耗损失占比大，控制速度相对较慢的缺点。
在现有的技术方案中，针对低电流、高电压稳定输出通常是用直接光耦控制，来保证低电流下的输出，但是现今的方案存在隔离高压输出电流能力弱、高压输出响应速度慢和高压输出的稳定性不高的缺点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的是提供一种双极性高压快速稳态输出控制系统，以解决低电流、高电压稳定输出的隔离高压输出电流能力弱、高压输出响应速度慢和高压输出的稳定性不高的问题。
(二)技术方案
一种双极性高压快速稳态输出控制系统，该系统包括正极反馈控制单元1、负极反馈控制单元2、组合光耦调控单元3、高压直流单元4、可调节滤波单元5和反馈调控单元6，其中：
正极反馈控制单元1，用于将接收自反馈调控单元6的第一反馈电压信号与外部的数字控制系统的第二电压输入信号进行差值计算后再放大，得到一第一电压输出信号，然后将该第一电压输出信号输出至组合光耦调控单元3；
负极反馈控制单元2，用于将接收自反馈调控单元6的第三反馈电压信号与外部的数字控制系统的第三电压输入信号进行差值计算后再放大，得到一第二电压输出信号，然后将该第二电压输出信号输出至组合光耦调控单元3；
组合光耦调控单元3，用于将接收的第一电压输出信号和第二电压输出信号整合并转换成第三输出高压信号和小电压信号，然后将第三输出高压信号输出至可调节滤波单元5，将小电压信号输出至正极反馈控制单元 1和负极反馈控制单元2；
高压直流单元4，用于为组合光耦调控单元3提供能量；
可调节滤波单元5，用于对接收自组合光耦调控单元3的第三输出高压信号进行滤波，得到平稳直流高压，然后将平稳直流高压传输至反馈调控单元6和负载；
反馈调控单元6，用于对接收自可调节滤波单元5的平稳直流高压进行分压隔离操作，得到第四反馈电压信号，然后将该第四反馈电压信号传输给外部的数字控制系统、正极反馈控制单元1和负极反馈控制单元2。
上述方案中，正极反馈控制单元1包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2和第三运算放大器U3，其中：
第一运算放大器U1，用于将接收自外部的数字控制系统的第二电压输入信号与反馈调控单元6的第四反馈电压信号进行比较得到一第一输出信号，并将该第一输出信号输出至第二运算放大器U2；
第三运算放大器U3，用于将接收自反馈调控单元6的第一反馈电压信号进行放大得到一第二输出信号，并将该第二输出信号输出至第二运算放大器U2；
第二运算放大器U2，用于将接收自第一运算放大器U1的第一输出信号与接收自第三运算放大器U3的第二输出信号进行比较，得到第一电压输出信号，然后将该第一电压输出信号输出至组合光耦调控单元3。
其中，第一电压输出信号通过以下公式计算得到：
Figure BDA0002373428170000031
其中，
Figure BDA0002373428170000034
表示第一电压输出信号，Uinput1表示接收自外部的数字控制系统的第二电压输入信号，UFB表示接收自反馈调控单元6的第四反馈电压信号，A1表示第一运算放大器U1的开环放大倍数，A2表示第二运算放大器U2的开环放大倍数，U8_2表示接收自组合光耦调控单元3的小电压信号，R1表示第一电阻，R2表示第二电阻。
上述方案中，负极反馈控制单元2包括第一运算放大器U1、第五运算放大器U5和第六运算放大器U6，其中：
第一运算放大器U1，用于将接收自外部的数字控制系统的第三电压输入信号与反馈调控单元6的第四反馈电压信号进行比较得到一第三输出信号，并将该第三输出信号输出至第五运算放大器U5；
第六运算放大器U6，用于将接收自反馈调控单元6的第三反馈电压信号进行比例放大得到一第四输出信号，并将该第四输出信号输出至第五运算放大器U5；
第五运算放大器U5，用于将接收自第一运算放大器U1的第三输出信号与接收自第六运算放大器U6的第四输出信号进行比较，得到第二电压输出信号，然后将该第二电压输出信号输出至组合光耦调控单元3。
其中，第二电压输出信号通过以下公式计算得到：
Figure BDA0002373428170000032
其中，
Figure BDA0002373428170000033
表示第二电压输出信号，其中Uinput2表示接收自外部的数字控制系统的第三电压输入信号，UFB表示接收自反馈调控单元 6 的第四反馈电压信号 ，A1是第一运算放大器U1的开环放大倍数，A5是第五运算放大器U5的开环放大倍数，U9_2表示接收自组合光耦调控单元3的小电压信号，R7表示第七电阻，R8表示第八电阻，R9表示第九电阻。
上述方案中，可调节滤波单元5对第三输出高压进行滤波除掉的是高次谐波。
上述方案中，组合光耦调控单元3包括：高压光耦和限流电路，其中：
高压光耦具有隔离控制和电流传输的能力，输入电流与输出电流呈比例关系，用来控制组合光耦调控单元输出端的电流；
限流电路用于产生小电压信号，并将小电压信号传输给正极反馈控制单元1和负极反馈控制单元2。
其中，高压光耦至少为2个。
上述方案中，高压直流单元4包括电池、发电机和变压器。
上述方案中，第三输出高压信号用于控制负载上的电压和减小反馈信号的干扰。
(三)有益效果
1、本发明提供的双极性高压快速稳态输出控制系统采用了正极反馈控制单元、负极反馈控制单元和组合光耦调控单元可实现双极性高压输出，在需要低电流、高电压稳定输出设备中可实现高压响应迅速、输出精度高以及电路工作的可靠性高。
2、本发明提供的双极性高压快速稳态输出控制系统采用多个模块构成，工艺要求较低、体积小，满足小型集成设备的要求，同时基于较低功率的背景下可以保证高压操作时的安全需求。
附图说明
图1是依照本发明实施例的双极性高压快速稳态输出控制系统的结构示意图；
图2是依照本发明实施例的双极性高压快速稳态输出控制系统中组合光耦调控单元的参考电路图；
图3是依照本发明实施例的双极性高压快速稳态输出控制系统的电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是依照本发明实施例的双极性高压快速稳态输出控制系统的结构示意图，该系统包括正极反馈控制单元1、负极反馈控制单元2、组合光耦调控单元3、高压直流单元4、可调节滤波单元5和反馈调控单元6，其中：
正极反馈控制单元1，用于将接收自反馈调控单元6的第一反馈电压信号与外部的数字控制系统的第二电压输入信号进行差值计算再放大，得到一第一电压输出信号，然后将该第一电压输出信号输出至组合光耦调控单元3；
负极反馈控制单元2，用于将接收自反馈调控单元6的第三反馈电压信号与外部的数字控制系统的第三电压输入信号进行差值计算再放大，得到一第二电压输出信号，然后将该第二电压输出信号输出至组合光耦调控单元3；
组合光耦调控单元3，用于将接收的第一电压输出信号和第二电压输出信号整合并转换成第三输出高压信号和小电压信号，然后将第三输出高压信号输出至可调节滤波单元5，将小电压信号输出至正极反馈控制单元 1和负极反馈控制单元2；
高压直流单元4，用于为组合光耦调控单元3提供能量；
可调节滤波单元5，用于对接收自组合光耦调控单元3的第三输出高压信号进行滤波，得到平稳直流高压，然后将平稳直流高压传输至反馈调控单元6和负载；
反馈调控单元6，用于对接收自可调节滤波单元5的平稳直流高压进行分压隔离操作，得到第四反馈电压信号，然后将该第四反馈电压信号传输给外部的数字控制系统、正极反馈控制单元1和负极反馈控制单元2。
具体的，如图3所示，图3是依照本发明实施例的双极性高压快速稳态输出控制系统的电路图，正极反馈控制单元1包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2和第三运算放大器U3，其中：
第一运算放大器U1，用于将接收自外部的数字控制系统的第二电压输入信号与反馈调控单元6的第四反馈电压信号FB进行比较得到一第一输出信号，并将该第一输出信号输出至第二运算放大器U2；
第三运算放大器U3，用于将接收自反馈调控单元6的第一反馈电压信号进行放大得到一第二输出信号，并将该第二输出信号输出至第二运算放大器U2；
第二运算放大器U2，用于将接收自第一运算放大器U1的第一输出信号与接收自第三运算放大器U3的第二输出信号进行比较，得到第一电压输出信号，然后将该第一电压输出信号输出至组合光耦调控单元3。第一电压输出信号通过以下公式计算得到：
Figure BDA0002373428170000061
其中，
Figure BDA0002373428170000062
表示第一电压输出信号，Uinput1表示接收自外部的数字控制系统的第二电压输入信号，UFB表示接收自反馈调控单元6的第四反馈电压信号，A1是第一运算放大器U1的开环放大倍数，A2是第二运算放大器 U2的开环放大倍数，U8_2是接收自组合光耦调控单元3的小电压信号， R1表示第一电阻，R2表示第二电阻。
第二运算放大器U2将接收自第一运算放大器U1的第一输出信号和第三运算放大器U3的第二输出信号进行比较是为了引入组合光耦调控单元3的输出信号，从而稳定正极反馈控制单元1输入端的信号，改善了整个电路的传输函数，提升电路的直流传输特性和稳定性。
反馈信号2-1是组合光耦调控单元3传输至正极反馈控制单元1的信号，第三运算放大器U3的负端与并联的第一电阻R1和第二电阻R2的一端口相连接，并联的第一电阻R1和第二电阻R2的另一端口接地。第三运算放大器U3的负端与并联的第一电容C1和第三电阻R3的一端口相连接，并联的第一电容C1和第三电阻R3的另一端口与第三运算放大器U3的输出端相连接，其中的第一电容C1是用来调整运放的输出相位和减少高频信号的影响，进而实现一个正向等比例放大电路。第三运算放大器U3的输出端经过第四电阻R4连接到二级比较器第二运算放大器U2的负端，通过该方式引入高压光耦输入负端的参数，以负反馈的方式来稳定输入端的电压值。第一运算放大器U1和第二运算放大器U2作为比较器使用，第一运算放大器U1的输出端信号第一输出信号经过第五电阻R5传输至第二运算放大器U2的正端，该第一输出信号与第三运算放大器U3的输出信号第二输出信号进行比较，得到第一电压输出信号，第一电压输出信号作为组合光耦调控单元3正端的输入，进而控制第七高压光耦U7和第八高压光耦U8。
负极反馈控制单元2包括第一运算放大器U1、第五运算放大器U5和第六运算放大器U6，其中：
第一运算放大器U1，用于将接收自外部的数字控制系统的第三电压输入信号与反馈调控单元6的第四反馈电压信号FB进行比较得到一第三输出信号，并将该第三输出信号输出至第五运算放大器U5；
第六运算放大器U6，用于将接收自反馈调控单元6的第三反馈电压信号进行比例放大得到一第四输出信号，并将该第四输出信号输出至第五运算放大器U5；
第五运算放大器U5，用于将接收自第一运算放大器U1的第三输出信号与接收自第六运算放大器U6的第四输出信号进行比较，得到第二电压输出信号，然后将该第二电压输出信号输出至组合光耦调控单元3。第二电压输出信号通过以下公式计算得到：
Figure BDA0002373428170000071
其中，
Figure BDA0002373428170000072
表示第二电压输出信号，其中Uinput2表示接收自外部的数字控制系统的第三电压输入信号，UFB表示接收自反馈调控单元 6 的第四反馈电压信号 ，A1表示第一运算放大器U1的开环放大倍数，A5表示第五运算放大器U5的开环放大倍数，U9_2表示接收自组合光耦调控单元3的小电压信号，R7表示第七电阻，R8表示第八电阻，R9表示第九电阻。
负极反馈控制单元2中第六运算放大器U6的负端连接到并联的第七电阻R7和第八电阻R8的一侧端口相连接，并联的第七电阻R7和第八电阻R8的另一侧端口接收组合光耦调控单元3的小电压信号，同时第六运算放大器U6的负端与第九电阻R9、第十电阻R10和第三电容C3的串并联回路的一侧端口相连接，第九电阻R9、第十电阻R10和第三电容C3 的串并联回路的另一侧端口与第六运算放大器U6的输出端相连接，第六运算放大器U6的正端与第六电阻R6一端口相连接，第六电阻R6的另一端口接地，进而实现一个反向比例放大电路，第六运算放大器U6的输出端与第十一电阻R11的一端口相连接，第十一电阻R11的另一端口第五运算放大器U5的负端相连接，通过该方式引入组合光耦调控单元3中第十三电阻R13前的参数，以负反馈的方式来稳定输入端的电压值。
组合光耦调控单元包括：高压光耦和限流电路，如图2所示，图2是依照本发明实施例的双极性高压快速稳态输出控制系统中组合光耦调控单元的参考电路图。在本发明实施例中，组合光耦调控单元具体使用的是多高压光耦并联结构，高压光耦至少为2个，采用多高压光耦并联结构目的在于增强电流输出能力，保证多高压光耦并联结构输出的稳定性，高压光耦具有隔离控制和电流传输的能力，输入电流与输出电流具有一定的比例，由此来控制输出端的电流，进而控制负载上的电压，在高压光耦输入端上接收第二运算放大器U2和第五运算放大器U5的输出电压，在输入端产生电流，根据一定的电流传输比，在输出端产生对应的电流，所述电流在经过二阶滤波电路中的第十四电阻R14、第十五电阻R15、第五电容 C5、第六电容C6、第七电容C7和第八电容C8后，所述电流在第十六电阻R16、第十七电阻R17高精度的高压电阻上面产生大压差，从而使高压迅速稳定，并通过分压的模式获取低压的反馈，减少了中间级对速度的延迟，需要注意的是在高压光耦输出端HV_P、HV_N的高压直流输入才是真正提供功率输出的部分，运用高压光耦是对输出进行隔离和控制。限流电路用于产生小电压信号，并将小电压信号传输给正极反馈控制单元1和负极反馈控制单元2。
其组合光耦调控单元工作模式可简单描述为，当外部控制信号为正电压输入时，组合光耦调控单元3的小电压信号与外部的数字控制系统传输来的电压输入信号比较后的输出结果与光耦输入端上第十二电阻R12的信号进行放大输出进行比较，再将输出结果输出到高压光耦输入端，此时第七高压光耦U7和第八高压光耦U8导通，第九高压光耦U9和第十高压光耦U10反向截止，使正高压输出，同时产生第四反馈电压信号FB；当外部控制信号为负电压输入时，组合光耦调控单元3的小电压信号与外部的数字控制系统传输来的电压输入信号进行比较后的输出结果与光耦输入端上第十三电阻R13的信号进行放大输出进行比较，再输出到高压光耦输入端，此时第七高压光耦U7和第八高压光耦U8反向截止，第九高压光耦U9和第十高压光耦U10正向导通，使负高压输出，同时产生第四反馈电压信号，整个电路按照这种方式进行快速调整，达到稳定状态。
高压直流单元4，用于为组合光耦调控单元3提供能量，高压直流单元4包括电池、发电机和变压器。
可调节滤波单元5，用于对接收自组合光耦调控单元3的第三输出高压信号进行滤波，得到平稳直流高压，然后将平稳直流高压传输至反馈调控单元6和负载；
其中，可调节滤波单元5对第三输出高压进行滤波除掉的是高次谐波，第三输出高压信号用于控制负载上的电压和减小反馈信号的干扰。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双极性高压快速稳态输出控制系统，其特征在于，该系统包括正极反馈控制单元(1)、负极反馈控制单元(2)、组合光耦调控单元(3)、高压直流单元(4)、可调节滤波单元(5)和反馈调控单元(6)，其中：
正极反馈控制单元(1)，用于将接收自反馈调控单元(6)的第一反馈电压信号与外部的数字控制系统的第二电压输入信号进行差值计算再放大，得到一第一电压输出信号，然后将该第一电压输出信号输出至组合光耦调控单元(3)；
负极反馈控制单元(2)，用于将接收自反馈调控单元(6)的第三反馈电压信号与外部的数字控制系统的第三电压输入信号进行差值计算再放大，得到一第二电压输出信号，然后将该第二电压输出信号输出至组合光耦调控单元(3)；
组合光耦调控单元(3)，用于将接收的第一电压输出信号和第二电压输出信号整合并转换成第三输出高压信号和小电压信号，然后将第三输出高压信号输出至可调节滤波单元(5)，将小电压信号输出至正极反馈控制单元(1)和负极反馈控制单元(2)；
高压直流单元(4)，用于为组合光耦调控单元(3)提供能量；
可调节滤波单元(5)，用于对接收自组合光耦调控单元(3)的第三输出高压信号进行滤波，得到平稳直流高压，然后将平稳直流高压传输至反馈调控单元(6)和负载；
反馈调控单元(6)，用于对接收自可调节滤波单元(5)的平稳直流高压进行分压隔离操作，得到第四反馈电压信号，然后将该第四反馈电压信号传输给外部的数字控制系统、正极反馈控制单元(1)和负极反馈控制单元(2)。
2.根据权利要求1所述的双极性高压快速稳态输出控制系统，其特征在于，所述正极反馈控制单元(1)包括第一运算放大器(U1)、第二运算放大器(U2)和第三运算放大器(U3)，其中：
第一运算放大器(U1)，用于将接收自外部的数字控制系统的第二电压输入信号与反馈调控单元(6)的第四反馈电压信号进行比较得到一第一输出信号，并将该第一输出信号输出至第二运算放大器(U2)；
第三运算放大器(U3)，用于将接收自反馈调控单元(6)的第一反馈电压信号进行放大得到一第二输出信号，并将该第二输出信号输出至第二运算放大器(U2)；
第二运算放大器(U2)，用于将接收自第一运算放大器(U1)的第一输出信号与接收自第三运算放大器(U3)的第二输出信号进行比较，得到第一电压输出信号，然后将该第一电压输出信号输出至组合光耦调控单元(3)。
3.根据权利要求2所述的双极性高压快速稳态输出控制系统，其特征在于，所述第一电压输出信号通过以下公式计算得到：
Figure FDA0002373428160000021
其中，
Figure FDA0002373428160000022
表示第一电压输出信号，Uinput1表示接收自外部的数字控制系统的第二电压输入信号，UFB表示接收自反馈调控单元(6)的第四反馈电压信号，A1表示第一运算放大器(U1)的开环放大倍数，A2表示第二运算放大器(U2)的开环放大倍数，U8_2表示接收自组合光耦调控单元(3)的小电压信号，R1表示第一电阻，R2表示第二电阻。
4.根据权利要求1所述的双极性高压快速稳态输出控制系统，其特征在于，所述负极反馈控制单元(2)包括第一运算放大器(U1)、第五运算放大器(U5)和第六运算放大器(U6)，其中：
第一运算放大器(U1)，用于将接收自外部的数字控制系统的第三电压输入信号与反馈调控单元(6)的第四反馈电压信号进行比较得到一第三输出信号，并将该第三输出信号输出至第五运算放大器(U5)；
第六运算放大器(U6)，用于将接收自反馈调控单元(6)的第三反馈电压信号进行比例放大得到一第四输出信号，并将该第四输出信号输出至第五运算放大器(U5)；
第五运算放大器(U5)，用于将接收自第一运算放大器(U1)的第三输出信号与接收自第六运算放大器(U6)的第四输出信号进行比较，得到第二电压输出信号，然后将该第二电压输出信号输出至组合光耦调控单元(3)。
5.根据权利要求4所述的双极性高压快速稳态输出控制系统，其特征在于，所述第二电压输出信号通过以下公式计算得到：
Figure FDA0002373428160000031
其中，
Figure FDA0002373428160000032
表示第二电压输出信号，其中Uinput2表示接收自外部的数字控制系统的第三电压输入信号，UFB表示接收自反馈调控单元 (6) 的第四 反馈电压信号 ，A1表示第一运算放大器(U1)的开环放大倍数，A5表示第五运算放大器(U5)的开环放大倍数，U9_2表示接收自组合光耦调控单元(3)的小电压信号，R7表示第七电阻，R8表示第八电阻，R9表示第九电阻。
6.根据权利要求1所述的双极性高压快速稳态输出控制系统，其特征在于，所述可调节滤波单元(5)对第三输出高压进行滤波除掉的是高次谐波。
7.根据权利要求1所述的双极性高压快速稳态输出控制系统，其特征在于，所述组合光耦调控单元(3)包括：高压光耦和限流电路，其中：
高压光耦具有隔离控制和电流传输的能力，输入电流与输出电流呈比例关系，用来控制组合光耦调控单元输出端的电流；
限流电路用于产生小电压信号，并将小电压信号传输给正极反馈控制单元(1)和负极反馈控制单元(2)。
8.根据权利要求7所述的双极性高压快速稳态输出控制系统，其特征在于，所述高压光耦至少为2个。
9.根据权利要求1所述的双极性高压快速稳态输出控制系统，其特征在于，所述高压直流单元(4)包括电池、发电机和变压器。
10.根据权利要求1所述的双极性高压快速稳态输出控制系统，其特征在于，所述第三输出高压信号用于控制负载上的电压和减小反馈信号的干扰。
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