CN204349924U - 三电平功率放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种三电平功率放大器，包括滞环比较控制电路、桥式电路和驱动电路,由运算放大器OP1、OP2、OP3和比较器COMP1、COMP2组成滞环控制电路，场效应管Q1、Q2、碳化硅二极管D1、D2构成桥式电路，Q1、D2和D1、Q2构成两个桥臂，电感和电流互感器连在桥臂中点，运算放大器OP1构成电压跟随器，比较器COMP1正输入端连运算放大器OP1输出端，比较器COMP1负输入端连电流互感器，比较器COMP1输出端经驱动电路连到场效应管Q1栅极；运算放大器OP2和OP23组成场效应管Q2给定，比较器COMP2正输入端连运算放大器OP3输出端，比较器COMP2负输入端连电流互感器，比较器COMP2输出端经驱动电路连到场效应管Q2栅极，具有简单高效，响应速度快，效率高，EMI干扰小的特点。

Description

三电平功率放大器

技术领域

本实用新型涉及一种三电平功率放大器及控制方法，尤其涉及一种可以提高响应时间和响应速度的三电平功率放大器及可以简单高效、降低损耗并提高电路整体效率的三电平功率放大器。

背景技术

随着电力电子器件及控制技术的发展，采用现代电力电子技术实现功率放大是目前经常采用的方式，作为各种电源及仪器设备常用的关键元件，通常要求具有较快的动态响应速度，较小的体积进而要求较高的能量效率，同时EMI干扰要小，防止对周围的产品造成干扰。滞环控制是通过比较跟踪控制，作为一种非线性砰-砰控制方法，在各类闭环跟踪控制系统中广泛应用。而现有的三电平功率放大器响应速度慢，无法满足快速响应要求，同时其控制方法复杂，效率低。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种通过采用滞环控制方法，实现不大于1ms的响应时间，大大提高三电平功率放大器的响应速度，同时通过采用COOLMOS及碳化硅二极管，降低损耗和提高电路整体效率的三电平功率放大器。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种三电平功率放大器，包括滞环比较控制电路、桥式电路和设置在滞环比较控制电路和桥式电路之间的驱动电路,其中由3个运算放大器OP1、OP2、OP3和2个比较器COMP1、COMP2组成滞环控制电路，由场效应管Q1、场效应管Q2、碳化硅二极管D1、碳化硅二极管D2构成桥式电路，驱动电路DRV连接在滞环比较控制电路和桥式电路之间，其特征在于:

场效应管Q1、碳化硅二极管D2和碳化硅二极管D1、场效应管Q2分别构成桥式电路的两个桥臂，采用电感L模拟实际负载，并将该负载和电流互感器TA连接在两个桥臂的中点，同时桥式电路的桥臂的上端连接300V电压源VIN；

运算放大器OP1反相输入端和输出端之间连接电阻，同相输入端连接电阻，两个电阻与运算放大器OP1一起构成电压跟随器，比较器COMP1的正输入端连接运算放大器OP1的输出端，用于接收运算放大器OP1作为给定的参考信号，比较器COMP1的负输入端连接电流互感器TA，接收从电流互感器TA反馈的电流信号，比较器COMP1的输出端经驱动电路DRV放大后连接到场效应管Q1的栅极；

运算放大器OP2反相输入端和电流参考信号之间连接并联的两个电阻，反相输入端和输出端连接电阻，运算放大器OP3的反相输入端和运算放大器OP2输出端之间连接电阻，反相输入端和输出端之间连接电阻，运算放大器OP2和OP23组成场效应管Q2的给定，比较器COMP2的正输入端连接运算放大器OP3的输出端，用于接收运算放大器OP3给定的参考信号，比较器COMP2的负输入端连接电流互感器TA，接收电流互感器TA的反馈信号，比较器COMP2的输出端经驱动电路DRV放大后连接到场效应管Q2的栅极。

场效应管Q1、场效应管Q2的型号采用德国英飞凌的COOLMOS-IPW60R041C6，碳化硅二极管D1、碳化硅二极管D2的型号采用英飞凌的IDG40G065C5，采用10mH的电感L模拟实际负载。

所述运算放大器的型号为OP27。所述比较器的型号为LM393。

当电流的给定信号大于电流反馈信号的时候，场效应管Q1一直开通，当电流反馈信号大于电流给定信号的话，场效应管Q1关断；当电流给定信号加上滞环信号大于电流反馈信号的时候，场效应管Q2一直开通，当电流反馈信号大于电流给定信号加滞环信号的话，场效应管Q2关断；场效应管Q1、场效应管Q2都开通的时候，电感线圈的电流上升，当场效应管Q1、场效应管Q2都关断的时候，电感线圈电流下降，当场效应管Q1、场效应管Q2有一个开通，一个关断的时候，电感线圈的电流维持不变，形成一个零态，整个电路就形成个三电平的电路。

与现有技术相比，本实用新型具有如下突出优点：

1、电路简单:没用用任何电源控制芯片，只有由3个运算放大器OP1、OP2、OP3和2个比较器COMP1、COMP2组成滞环控制电路，

2、电路响应速度快，实现不大于1ms的响应时间，大大提高了三电平功率

放大器的响应速度。从图5可以看出，不到1ms的时间，电流反馈就跟踪上电流给定。当电流给定和电流反馈偏差大的时候，开关管一直开通或关断，保证最快的跟踪速度，当电流反馈接近电流给定的时候，开关管PWM工作，保证跟踪精度。从图9可以看出，当给定电流是400Hz的时候，跟踪电流和给定电流的最大误差也不超过10us。从图10可以看出，电感线圈2端的电压波形是三电平的，电压只从0和400V之间和0从-400V 之间变动，减少了电路的EMI干扰。

3、由于电路使用的导通电阻很小的COOLMOS，导通损耗很小，采用了碳化硅二极管，没有反向恢复电流，减小了开关损耗，这样，整体提高了电路的效率。 通过采用COOLMOS及碳化硅二极管，降低损耗，提高了电路的整体效率。

因此本实用新型具有简单高效，响应速度快，效率高，EMI干扰小的特点。本实用新型的控制回路简单可靠，响应速度快，1ms内快速跟踪上电流给定，降低了导通损耗和开关损耗，提高了功率放大器的效率。

附图说明

图1 是本实用新型的电路连接结构示意图。

图2 是本实用新型的电流给定波形图。

图3 是本实用新型的电流反馈信号图。

图4 是本实用新型的电流给定信号和电流发馈信号图。

图5 是本实用新型的电流反馈开始跟踪电流给定时的波形图。

图6 是本实用新型的电流反馈跟踪上电流给定时的波形图。

图7 是本实用新型的开关管Q1的驱动波形图。

图8 是本实用新型的开关管Q2的驱动波形图。

图9是本实用新型的反馈电流跟踪给定电流稳态时最大误差的波形图。

图10是本实用新型的电感线圈两端的电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本实用新型作进一步详细描述：本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了实施方式和操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

工作原理：当电流的给定信号大于电流反馈信号的时候，开关管Q1一直开通，当电流反馈信号大于电流给定信号的话，Q1关断；当电流给定信号加上滞环信号大于电流反馈信号的时候，Q2一直开通，当电流反馈信号大于电流给定信号加滞环信号的话，Q2关断。Q1,Q2都开通的时候，电感线圈的电流上升，当Q1,Q2都关断的时候，电感线圈电流下降，当Q1,Q2有一个开通，一个关断的时候，电感线圈的电流维持不变，形成一个零态，整个电路就形成个三电平的电路。

仿真的电路波形：图2是电流的给定波形，是个400Hz的正弦波加上一个直流偏置，图3是电流的反馈信号，图4是电流给定信号和电流反馈信号在一起比较的波形。图5是电流反馈开始跟踪电流给定到跟踪上的波形，图6是电流反馈跟踪上电流给定后的波形。图7是开关管Q7的驱动波形，图8是开关管Q8的驱动波形。图9是反馈电流跟踪给定电流的最大的误差的波形。图10是电感线圈两端的电压波形。

如图1所示，本实用新型公开了一种三电平功率放大器，包括滞环比较控制电路、桥式电路和设置在滞环比较控制电路和桥式电路之间的驱动电路,其中由3个运算放大器OP1、OP2、OP3和2个比较器COMP1、COMP2组成滞环控制电路，由场效应管Q1、场效应管Q2、碳化硅二极管D1、碳化硅二极管D2构成桥式电路，驱动电路DRV连接在滞环比较控制电路和桥式电路之间，其特征在于:

场效应管Q1、碳化硅二极管D2和碳化硅二极管D1、场效应管Q2分别构成桥式电路的两个桥臂，采用电感L模拟实际负载，并将该负载和电流互感器TA连接在两个桥臂的中点，同时桥式电路的桥臂的上端连接300V电压源VIN；

运算放大器OP1反相输入端和输出端之间连接电阻，同相输入端连接电阻，两个电阻与运算放大器OP1一起构成电压跟随器，比较器COMP1的正输入端连接运算放大器OP1的输出端，用于接收运算放大器OP1作为给定的参考信号，比较器COMP1的负输入端连接电流互感器TA，接收从电流互感器TA反馈的电流信号，比较器COMP1的输出端经驱动电路DRV放大后连接到场效应管Q1的栅极；

运算放大器OP2反相输入端和电流参考信号之间连接并联的两个电阻，反相输入端和输出端连接电阻，运算放大器OP3的反相输入端和运算放大器OP2输出端之间连接电阻，反相输入端和输出端之间连接电阻，运算放大器OP2和OP23组成场效应管Q2的给定，比较器COMP2的正输入端连接运算放大器OP3的输出端，用于接收运算放大器OP3给定的参考信号，比较器COMP2的负输入端连接电流互感器TA，接收电流互感器TA的反馈信号，比较器COMP2的输出端经驱动电路DRV放大后连接到场效应管Q2的的栅极。

场效应管Q1、Q2的型号采用德国英飞凌的COOLMOS-IPW60R041C6，碳化硅二极管D1、碳化硅二极管D2的型号采用英飞凌的IDG40G065C5，采用10mH的电感L模拟实际负载。所述运算放大器的型号为OP27。所述比较器的型号为LM393。

当电流的给定信号大于电流反馈信号的时候，场效应管Q1一直开通，当电流反馈信号大于电流给定信号的话，场效应管Q1关断；当电流给定信号加上滞环信号大于电流反馈信号的时候，场效应管Q2一直开通，当电流反馈信号大于电流给定信号加滞环信号的话，场效应管Q2关断；场效应管Q1、场效应管Q2都开通的时候，电感线圈的电流上升，当场效应管Q1、场效应管Q2都关断的时候，电感线圈电流下降，当场效应管Q1、场效应管Q2有一个开通，一个关断的时候，电感线圈的电流维持不变，形成一个零态，整个电路就形成个三电平的电路。

采用本实用新型可以进行滞环控制方法，其具体步骤如下：

步骤1）、将负载电流经过电流互感器检测得到电压值ui；

步骤2）、电压跟随器对电流给定信号检测输出u1，电压值ui与电压跟随器的输出u1通过比较器COMP1比较，得到Q1的驱动信号；运算放大器OP2和OP3实现电流给定信号的比例输出u2，电压值ui与u2通过比较器COMP2比较，得到Q2的驱动信号；

步骤3）、比较器COMP1和COMP2的输出通过驱动电路放大后生成场效应管Q1和Q2的驱动控制信号，通过控制Q1和Q2的开通和关断，实现功率放大器的滞环控制。

Claims (5)

1.一种三电平功率放大器，包括滞环比较控制电路、桥式电路和设置在滞环比较控制电路和桥式电路之间的驱动电路,其中由3个运算放大器OP1、OP2、OP3和2个比较器COMP1、COMP2组成滞环控制电路，由场效应管Q1、场效应管Q2、碳化硅二极管D1、碳化硅二极管D2构成桥式电路，驱动电路DRV连接在滞环比较控制电路和桥式电路之间，其特征在于:

场效应管Q1、碳化硅二极管D2和碳化硅二极管D1、场效应管Q2分别构成桥式电路的两个桥臂，采用电感L模拟实际负载，并将该负载和电流互感器TA连接在两个桥臂的中点，同时桥式电路的桥臂的上端连接300V电压源VIN；

运算放大器OP1反相输入端和输出端之间连接电阻，同相输入端连接电阻，两个电阻与运算放大器OP1一起构成电压跟随器，比较器COMP1的正输入端连接运算放大器OP1的输出端，用于接收运算放大器OP1作为给定的参考信号，比较器COMP1的负输入端连接电流互感器TA，接收从电流互感器TA反馈的电流信号，比较器COMP1的输出端经驱动电路DRV放大后连接到场效应管Q1的栅极；

运算放大器OP2反相输入端和电流参考信号之间连接并联的两个电阻，反相输入端和输出端连接电阻，运算放大器OP3的反相输入端和运算放大器OP2输出端之间连接电阻，反相输入端和输出端之间连接电阻，运算放大器OP2和OP23组成场效应管Q2的给定，比较器COMP2的正输入端连接运算放大器OP3的输出端，用于接收运算放大器OP3给定的参考信号，比较器COMP2的负输入端连接电流互感器TA，接收电流互感器TA的反馈信号，比较器COMP2的输出端经驱动电路DRV放大后连接到场效应管Q2的栅极。

2.如权利要求1所述的三电平功率放大器，其特征在于：场效应管Q1、场效应管Q2的型号采用德国英飞凌的COOLMOS-IPW60R041C6，碳化硅二极管D1、碳化硅二极管D2的型号采用英飞凌的IDG40G065C5，采用10mH的电感L模拟实际负载。

3.如权利要求1所述的三电平功率放大器，其特征在于：所述运算放大器的型号为OP27。

4.如权利要求1所述的三电平功率放大器，其特征在于：所述比较器的型号为LM393。

5.如权利要求1所述的三电平功率放大器，其特征在于：当电流的给定信号大于电流反馈信号的时候，场效应管Q1一直开通，当电流反馈信号大于电流给定信号的话，场效应管Q1关断；当电流给定信号加上滞环信号大于电流反馈信号的时候，场效应管Q2一直开通，当电流反馈信号大于电流给定信号加滞环信号的话，场效应管Q2关断；场效应管Q1、场效应管Q2都开通的时候，电感线圈的电流上升，当场效应管Q1、场效应管Q2都关断的时候，电感线圈电流下降，当场效应管Q1、场效应管Q2有一个开通，一个关断的时候，电感线圈的电流维持不变，形成一个零态，整个电路就形成个三电平的电路。