CN113839629A - 一种电磁兼容交流电压源的混合型开关功率放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁兼容交流电压源的混合型开关功率放大电路，属于电子技术领域，包括积分器、过载检测关断单元、开关功放单元、峰值电流检测衰减电路、升压互感器、输出换档单元、隔离反馈单元和共模干扰抑制单元，解决了功率放大电路的效率高、峰值电流输出能力高、输出稳定的技术问题，本发明交流电压电源具有低失真度和高稳定度的优势，增强小信号电路部分的抗干扰性能，满足不同浪涌测试设备退耦网络容性负载需求，高功率高效率开关功放搭配升压互感器，满足测试终端的瞬态和持续功率输出需求，浪涌冲击响应灵敏，过流时动态衰减输出电压，不关断功放输出，持续工作损耗小，保证电路长时间持续稳定工作。

Description

一种电磁兼容交流电压源的混合型开关功率放大电路

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种电磁兼容交流电压源的混合型开关功率放大电路。

背景技术

自动化设备在电力系统中得到越来越多广泛的应用，挑战其长期可靠运行的众多因素中，电磁干扰是不可或缺的一个部分，为了满足电磁兼容标准要求，电力终端设备都需要经过EMC实验室的测试才能投入市场使用。

电磁兼容抗干扰度试验包含，电快速瞬变脉冲群，浪涌(冲击)，电压暂降，短时中断和电压变化等。在实际测试过程中施加干扰的模式通常包含差模和共模，这当中浪涌(冲击)的差模干扰对交流电压源的影响最为剧烈。这是因为共模干扰是相对于大地的干扰信号，采用共模滤波器，压敏电阻和气体放电管，可以在不影响交流输出的情况下，就近将其能量泄放；但是差模干扰的能量将会直接灌进交流电源。浪涌发生器的组合波发生器产生的开路电压最高能够达到4kV，通常测试过程中，交流电压源和浪涌发生器之间会串联一个LC混合退耦网络，该退耦网络可以将4kV脉冲电压峰值降低并有效抑制其瞬间电流。尽管如此，最终到达交流电压源的能量还是很高。与此同时，退耦网络对交流电压源来说等效成一个纯容性负载，各家退耦网络厂商的实际配置各有差异。而实际测试过程中，三相同时接到退耦网络，对于单相交流电源的等效容性负载高达100uF。以最常见的市电220V为例，伴随着异步冲击波形施加，最终叠加到220V正弦波上的尖峰波形最高达到600V。

电磁兼容交流电压源，作为EMC测试的模拟市电供电端，相较于常见的交流电压源方案，尤其对抗干扰能力，较大纯容性负载，提出了更高的要求。

当前电磁兼容交流电压源设计存在的缺陷：

1.功率放大电路部分采用线性功放搭配互感器升压输出。该方式能够控制精度和失真度在全量程都达到0.1％以内。存在的问题，由于线性功放效率相对于开关功放效率低，同样输出功率的功放需要额外更多的辅助散热保证其稳定工作。

2.功率放大电路部分采用开关功放搭配互感器升压输出。为了抑制浪涌产生的电流倒灌，互感器原边采用电阻限流的方式。存在的问题，原边电阻限流限制功率输出，同时降低了整体的效率，特别是在输出重载时需要对电阻进行额外的加强散热。为了进一步降低峰值电流倒灌对功放的影响，降低了开环增益，使得负载调整变慢，输出稳定度降低。除此之外，精度和失真度性能受制于开环增益和功放模块的具体设计。

以上两种使用互感器存在相同的问题，互感器在初始冷态输入信号时，容易由于偏磁导致功放输出过流保护。

3.功率放大电路部分采用开关功放直接输出交流电压。可以提高整体效率，存在问题，由于高压开关管很难兼顾到开关频率，损耗，开关延迟等多方面因素。精度和失真度难以在全量程控制到0.1％以内。

4.功率放大电路部分采用多路开关功放串联输出，能够提高效率并且减少每级开关管的应力，精度和失真度也能够得到提升，但是对电路的可靠性和一致性提出更高的要求。

以上两种开关功放直推的方式，在纯容性负载上有较强的限制(例如小于20uF)否则将会导致电路的不稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种电磁兼容交流电压源的混合型开关功率放大电路，解决了功率放大电路的效率高、峰值电流输出能力高、输出稳定的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电磁兼容交流电压源的混合型开关功率放大电路，包括积分器、过载检测关断单元、开关功放单元、峰值电流检测衰减电路、升压互感器、输出换档单元、隔离反馈单元和共模干扰抑制单元，积分器的输入端连接输入信号，积分器的输出端一端连接过载检测关断单元的输入端、另一端连接开关功放单元，过载检测关断单元的输出端连接开关功放单元，开关功放单元连接峰值电流检测衰减电路，峰值电流检测衰减电路连接升压互感器，升压互感器连接共模干扰抑制单元。

输出换档单元的输入端连接升压互感器、输出端连接隔离反馈单元的输入端，隔离反馈单元的输出端连接积分器的输入端。

优选的，所述开关功放单元包括第一开关功放和第二开关功放，第一开关功放的输入端和第二开关功放的输入端均连接所述积分器的输入端，第一开关功放的输出端通过所述峰值电流检测衰减电路连接所述升压互感器的原边的一端，升压互感器的原边的另一端连接第二开关功放的输出端。

优选的，所述过载检测关断单元包括了一个过载比较器、一个延迟锁存器和一个局部直流伺服放大器，过载比较器的输入端连接所述积分器的输出端，过载比较器的输出端连接延迟锁存器的输入端，延迟锁存器的输出端连接并使能或关断所述开关功放单元。

优选的，所述峰值电流检测衰减电路包括串联场效应管单元、PWM波隔离驱动单元、迟滞比较单元和隔离电流检测单元，串联场效应管单元的输入端连接由开关功放单元输出的交流输入信号、输出端连接隔离电流检测单元，隔离电流检测单元输出交流输出信号。

隔离电流检测单元还连接迟滞比较单元，迟滞比较单元连接PWM波隔离驱动单元，PWM波隔离驱动单元连接串联场效应管单元。

优选的，所述输出换档单元包括继电器1a、继电器2a、继电器3a、继电器4a、继电器1b、继电器2b、继电器3b和继电器4b，所述升压互感器的副边的一端连接继电器1a的公共端，所述升压互感器的副边的另一端连接地线，继电器1a的常开端、继电器2a的常开端、继电器3a的常开端和继电器4a的常开端均连接在一起；

继电器2a的公共端连接所述升压互感器的4脚，继电器3a的公共端连接所述升压互感器的5脚，继电器4a的公共端连接所述升压互感器的6脚；

继电器1b的常开端、继电器2b的常开端、继电器3b的常开端和继电器4b的常开端均连接在一起，继电器1b的公共端、继电器2b的公共端、继电器3b的公共端和继电器4b的公共端分别通过电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5连接隔离反馈单元的输入端；

继电器1b的常开端与继电器4a的常开端连接在一起。

优选的，所述隔离反馈单元包括隔离变压器X11和反相器X8，隔离变压器X11的原边的一端为所述隔离反馈单元的输入端、另一端连接地线。

隔离变压器X11的副边的一端连接反相器X8的输入端，反相器X8的输出端连接所述积分器的输入端。

优选的，所述输出换档单元还包括限幅电路，限幅电路的输入端连接继电器4a的常开端、输出端连接地线。

优选的，所述共模干扰抑制单元由一个抗共模电感及其外围电路构成，抗共模电感1脚连接继电器4a的常开端、2脚连接负载、3脚连接地线、4脚连接负载。

本发明的有益效果：

本发明所述的一种电磁兼容交流电压源的混合型开关功率放大电路，解决了功率放大电路的效率高、峰值电流输出能力高、输出稳定的技术问题，本发明结合积分器，中低压开关功放和升压互感器自身具备较大的开环增益和良好的相位裕度，因此本交流电压电源具有低失真度和高稳定度的优势，输出反馈全隔离，有效抑制共模干扰，同时将差模干扰导入到功率电路部分，增强小信号电路部分的抗干扰性能，满足不同浪涌测试设备退耦网络容性负载需求，高功率高效率开关功放搭配升压互感器，满足测试终端的瞬态和持续功率输出需求，浪涌冲击响应灵敏，过流时动态衰减输出电压，不关断功放输出，持续工作损耗小，保证电路长时间持续稳定工作。

附图说明

图1是本发明的整体电路图方框图；

图2是发明的峰值电流检测衰减电路的电路图方框图；

图3是发明的整体电路图；

图4是本发明的峰值电流检测衰减电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图4所示的一种电磁兼容交流电压源的混合型开关功率放大电路，包括积分器、过载检测关断单元、开关功放单元、峰值电流检测衰减电路、升压互感器、输出换档单元、隔离反馈单元和共模干扰抑制单元，积分器的输入端连接输入信号，积分器的输出端一端连接过载检测关断单元的输入端、另一端连接开关功放单元，过载检测关断单元的输出端连接开关功放单元，开关功放单元连接峰值电流检测衰减电路，峰值电流检测衰减电路连接升压互感器，升压互感器连接共模干扰抑制单元。

输出换档单元的输入端连接升压互感器、输出端连接隔离反馈单元的输入端，隔离反馈单元的输出端连接积分器的输入端。

优选的，所述开关功放单元包括第一开关功放和第二开关功放，第一开关功放的输入端和第二开关功放的输入端均连接所述积分器的输入端，第一开关功放的输出端通过所述峰值电流检测衰减电路连接所述升压互感器的原边的一端，升压互感器的原边的另一端连接第二开关功放的输出端。

如图3中所示，本发明的第一开关功放为开关功放X6，第二开关功放为开关功放X7，开关功放单元采用BTL结构的自振荡开关功率放大电路，保证对应于互感器输入的的满量程输出电压失真度小于0.1％。与此同时，开关功放X6和开关功放X7的内部均对自身存在的LC滤波器存在极点做了补偿，使得整体大闭环不存在额外几十kHz的谐振点，有助于整体电路的稳定性提升。

优选的，所述过载检测关断单元包括了一个过载比较器、一个延迟锁存器和一个局部直流伺服放大器，过载比较器的输入端连接所述积分器的输出端，过载比较器的输出端连接延迟锁存器的输入端，延迟锁存器的输出端连接并使能或关断所述开关功放单元。

本发明的积分器如图3所示为积分器X3，积分器X3通过组合的零极点配置，起到降低开环带宽，提高开环增益，同时对总体互感器输出端(含容性负载网络)带来的具有一定变化区间的极点做出补偿，以满足电路整体稳定性要求。积分器X3还通过一个局部直流伺服放大器，有利于在起始输出数个周波后，调整到开关功放输入信号的直流分量逐步调到零位，从而防止偏磁导致的过流保护。另外，积分器X3的后期电路设有过载检测关断单元，一旦开关功放保护关断，将会停止整个大闭环功放的工作，使得积分器输出值偏大，检测到偏大的信号，用于通知主控芯片当前电路工作异常状态，以便下发关断整体输出的使能信号。

优选的，所述峰值电流检测衰减电路包括串联场效应管单元、PWM波隔离驱动单元、迟滞比较单元和隔离电流检测单元，串联场效应管单元的输入端连接由开关功放单元输出的交流输入信号、输出端连接隔离电流检测单元，隔离电流检测单元输出交流输出信号。

隔离电流检测单元还连接迟滞比较单元，迟滞比较单元连接PWM波隔离驱动单元，PWM波隔离驱动单元连接串联场效应管单元。

如图4所示，串联场效应管单元包括了串联在一起的场效应管M1和场效应管M2，PWM波隔离驱动单元包括反相器X33，迟滞比较单元包括比较器X22和参考电源V1，隔离电流检测单元包括放大器X11和电阻R1。

本发明的峰值电流检测衰减电路在电路正常工作时，仅相当于固定导通电阻。场效应关导通和检流电阻累计在50毫欧以内，因此额外导通损耗控制10W以内，同时也不需要冗余的散热器辅助散热。

在电路遇到大的峰值电流时，例如浪涌测试或者功放输出短路，该电路能够有效且可靠地控制峰值电流在设定区间范围内，例如70A±8A。其根本原因在于响应及时的开关信号(微秒级响应时间，几十到两百kHz以内的开关频率)，自身等效的感性负载(使得电流不会突变)，以及功放输出的对电源钳位(使得瞬间关断时，电感储能倒灌回电源而不会对开关功放的功率场效应管产生额外的应力)。

为了适配到实际生产测试中器件的参数的不一致性，本实施例的触发限流的阈值也能够方便地做到一定范围内可调，同时满足正常功率输出和异常电流及时限制的要求。

9.优选的，所述输出换档单元包括继电器1a、继电器2a、继电器3a、继电器4a、继电器1b、继电器2b、继电器3b和继电器4b，所述升压互感器的副边的一端连接继电器1a的公共端，所述升压互感器的副边的另一端连接地线，继电器1a的常开端、继电器2a的常开端、继电器3a的常开端和继电器4a的常开端均连接在一起；

继电器2a的公共端连接所述升压互感器的4脚，继电器3a的公共端连接所述升压互感器的5脚，继电器4a的公共端连接所述升压互感器的6脚；

继电器1b的常开端、继电器2b的常开端、继电器3b的常开端和继电器4b的常开端均连接在一起，继电器1b的公共端、继电器2b的公共端、继电器3b的公共端和继电器4b的公共端分别通过电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5连接隔离反馈单元的输入端；

继电器1b的常开端与继电器4a的常开端连接在一起。

如图3所示，升压互感器为互感器X10，其包含原边输入，副边4档输出，即通过继电器1a、继电器2a、继电器3a和继电器4a输出，并有一个公共端。在该电路里，需要互感器的副边输出。在典型应用220V时，输出端漏感控制到几百uH内，搭配一定的容性负载，结合本实施例中提到的积分器零极点配置能够有效保证该功放电路的稳定性。

升压互感器中，升压互感器3脚为副边的一端，4脚为副边的第一个中心抽头，5脚为副边的第二个中心抽头，6脚为副边的第三个中心抽头，7脚为副边的另一端。

本实施例中，继电器1a、继电器2a、继电器3a和继电器4a输出分别为380V、220V、110V和57V。

优选的，所述隔离反馈单元包括隔离变压器X11和反相器X8，隔离变压器X11的原边的一端为所述隔离反馈单元的输入端、另一端连接地线。

隔离变压器X11的副边的一端连接反相器X8的输入端，反相器X8的输出端连接所述积分器的输入端。

优选的，所述输出换档单元还包括限幅电路，限幅电路的输入端连接继电器4a的常开端、输出端连接地线。

优选的，所述共模干扰抑制单元由一个抗共模电感及其外围电路构成，抗共模电感1脚连接继电器4a的常开端、2脚连接负载、3脚连接地线、4脚连接负载。

为了满足不同范围的试验电源要求，对应到不同量程的互感器输出，需要对应量程的反馈，以满足不同的闭环负反馈的增益设定。另外，为了避免干扰信号，影响到小信号电路部分的工作(尤其是模拟地回路)，采用了取样互感器，进行了电压转电流，隔离后再转成电压，从而避免的功率地对内部小信号模拟地回路的影响。用于抑制差模干扰的压敏电阻和气体放电管也在该电路部分之中。

共模电感和电容网络共同工作在功放输出端，在最短时间在最短路径起到抑制共模干扰的作用。

本发明功率放大电路部分采用开关功放搭配互感器升压输出，同时兼顾并解决整体的效率和峰值电流输出能力问题，使用前级积分器降低开环带宽，增加开环增益的基础上，控制互感器的输出漏感低于某一特定值，在满容性负载范围内，同时调整积分器的零极点分布，使得整体的相位裕度满足稳定性要求，同时也提升了整个大闭环功放输出的稳定度。增加峰值电流检测衰减电路，仅在浪涌冲击时刻限制最大电流，保证正常输出功率时的效率。增加局部直流伺服电路结合匹配的信号缓升加值，用以解决首次加值带来的互感器偏磁带来的开关功放过流保护的问题。

本发明所述的一种电磁兼容交流电压源的混合型开关功率放大电路，解决了功率放大电路的效率高、峰值电流输出能力高、输出稳定的技术问题，本发明结合积分器，中低压开关功放和升压互感器自身具备较大的开环增益和良好的相位裕度，因此本交流电压电源具有低失真度和高稳定度的优势，输出反馈全隔离，有效抑制共模干扰，同时将差模干扰导入到功率电路部分，增强小信号电路部分的抗干扰性能，满足不同浪涌测试设备退耦网络容性负载需求，高功率高效率开关功放搭配升压互感器，满足测试终端的瞬态和持续功率输出需求，浪涌冲击响应灵敏，过流时动态衰减输出电压，不关断功放输出，持续工作损耗小，保证电路长时间持续稳定工作。

Claims (8)

1.一种电磁兼容交流电压源的混合型开关功率放大电路，其特征在于：包括积分器、过载检测关断单元、开关功放单元、峰值电流检测衰减电路、升压互感器、输出换档单元、隔离反馈单元和共模干扰抑制单元，积分器的输入端连接输入信号，积分器的输出端一端连接过载检测关断单元的输入端、另一端连接开关功放单元，过载检测关断单元的输出端连接开关功放单元，开关功放单元连接峰值电流检测衰减电路，峰值电流检测衰减电路连接升压互感器，升压互感器连接共模干扰抑制单元；

输出换档单元的输入端连接升压互感器、输出端连接隔离反馈单元的输入端，隔离反馈单元的输出端连接积分器的输入端。

2.权利要求1所述的一种电磁兼容交流电压源的混合型开关功率放大电路，其特征在于：所述开关功放单元包括第一开关功放和第二开关功放，第一开关功放的输入端和第二开关功放的输入端均连接所述积分器的输入端，第一开关功放的输出端通过所述峰值电流检测衰减电路连接所述升压互感器的原边的一端，升压互感器的原边的另一端连接第二开关功放的输出端。

3.权利要求1所述的一种电磁兼容交流电压源的混合型开关功率放大电路，其特征在于：所述过载检测关断单元包括了一个过载比较器、一个延迟锁存器和一个局部直流伺服放大器，过载比较器的输入端连接所述积分器的输出端，过载比较器的输出端连接延迟锁存器的输入端，延迟锁存器的输出端连接并使能或关断所述开关功放单元。

4.权利要求2所述的一种电磁兼容交流电压源的混合型开关功率放大电路，其特征在于：所述峰值电流检测衰减电路包括串联场效应管单元、PWM波隔离驱动单元、迟滞比较单元和隔离电流检测单元，串联场效应管单元的输入端连接由开关功放单元输出的交流输入信号、输出端连接隔离电流检测单元，隔离电流检测单元输出交流输出信号；

隔离电流检测单元还连接迟滞比较单元，迟滞比较单元连接PWM波隔离驱动单元，PWM波隔离驱动单元连接串联场效应管单元。

5.权利要求1所述的一种电磁兼容交流电压源的混合型开关功率放大电路，其特征在于：所述输出换档单元包括继电器1a、继电器2a、继电器3a、继电器4a、继电器1b、继电器2b、继电器3b和继电器4b，所述升压互感器的副边的一端连接继电器1a的公共端，所述升压互感器的副边的另一端连接地线，继电器1a的常开端、继电器2a的常开端、继电器3a的常开端和继电器4a的常开端均连接在一起；

继电器2a的公共端连接所述升压互感器的4脚，继电器3a的公共端连接所述升压互感器的5脚，继电器4a的公共端连接所述升压互感器的6脚；

继电器1b的常开端、继电器2b的常开端、继电器3b的常开端和继电器4b的常开端均连接在一起，继电器1b的公共端、继电器2b的公共端、继电器3b的公共端和继电器4b的公共端分别通过电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5连接隔离反馈单元的输入端；

继电器1b的常开端与继电器4a的常开端连接在一起。

6.权利要求1所述的一种电磁兼容交流电压源的混合型开关功率放大电路，其特征在于：所述隔离反馈单元包括隔离变压器X11和反相器X8，隔离变压器X11的原边的一端为所述隔离反馈单元的输入端、另一端连接地线；

隔离变压器X11的副边的一端连接反相器X8的输入端，反相器X8的输出端连接所述积分器的输入端。

7.权利要求5所述的一种电磁兼容交流电压源的混合型开关功率放大电路，其特征在于：所述输出换档单元还包括限幅电路，限幅电路的输入端连接继电器4a的常开端、输出端连接地线。

8.权利要求5所述的一种电磁兼容交流电压源的混合型开关功率放大电路，其特征在于：所述共模干扰抑制单元由一个抗共模电感及其外围电路构成，抗共模电感1脚连接继电器4a的常开端、2脚连接负载、3脚连接地线、4脚连接负载。

Images