CN205123689U - 一种电流型线性功率放大器 - Google Patents

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刘同栓
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Abstract

本实用新型涉及一种电流型线性功率放大器，电路采用双电源互补推挽结构，包括PI调节器、功放保护与故障处理电路、正负桥臂隔离驱动电路、IGBT功率输出模块、霍尔电流传感器、电流负反馈电路、相位补偿电路及负载。本实用新型采用线性光耦模拟隔离电路传输IGBT驱动信号，霍尔电流传感器传输电流反馈信号，实现了IGBT功率输出模块与控制电路、保护电路的电气隔离，根据负载要求调整动力电源供电电压时对控制电路没有影响，电路调试简单。IGBT器件单管电流容量大、耐压等级高，线性功率放大器输出电压与电流指标显著提高。

Description

一种电流型线性功率放大器
技术领域
本实用新型涉及功率放大技术领域，具体的说，涉及一种电流型线性功率放大器。
背景技术
线性功率放大器因为效率低、体积大等缺点已逐渐被开关型功率放大器取代，但是由于开关型功率放大器电磁干扰比较大，在对电磁干扰敏感的场合线性功率放大器仍然无可替代。在以感应同步器为测角元件的转台控制系统中应用开关型功率放大器作为电机驱动器会影响系统精度，即便以光电码盘作为测角元件的转台系统，因为用户被测产品的电磁兼容性要求有时也需要配备线性功率放大器作为电机驱动器。传统的线性功率放大器采用多级三极管或场效应管电路构成，受电路结构和器件参数所限，输出电压及输出电流较小，不能满足需要高电压、大电流输出的高精度转台控制系统的电机驱动要求。
发明内容
本实用新型提出一种电流型线性功率放大器，能够实现高电压、大电流输出。
本实用新型的技术方案为：
一种电流型线性功率放大器，所述的功率放大器电路为双电源互补推挽结构，包括正电源VCC、负电源VEE、PI调节器、功放保护与故障处理电路、正负桥臂隔离驱动电路、IGBT功率输出模块、霍尔电流传感器、电流负反馈电路、相位补偿电路以及负载。
输入信号和电流负反馈电路的输出信号共同作为PI调节器的输入信号，PI调节器的输出信号作为正负桥臂隔离驱动电路的输入信号，正负桥臂隔离驱动电路有G+输出端、S+输出端、G-输出端以及S-输出端，分别与IGBT功率输出模块的正桥臂栅极输入端、IGBT功率输出模块的输出端、负桥臂栅极输入端、IGBT功率输出模块的负电源端对应连接，IGBT功率输出模块的输出端连接到霍尔电流传感器的电流输入端，霍尔电流传感器的电流输出端连接到相位补偿电路和负载，霍尔电流传感器的输出信号作为电流负反馈电路的输入信号，电流负反馈电路的输出信号还作为功放保护与故障处理电路的输入信号，功放保护与故障处理电路的输出送至PI调节器，IGBT功率输出模块的正电源端与正电源VCC连接，IGBT功率输出模块的负电源端与负电源VEE连接。
IGBT功率输出模块包含n个IGBT器件(VT1～VTn)，n个电阻(R1～Rn)，其中n为大于2的偶数，n个IGBT器件和n个电阻分为奇偶两组，奇数组包括n为奇数的IGBT器件(VT1～VTn-1)和电阻(R1～Rn-1)，奇数组整体构成IGBT功率输出模块的正桥臂，偶数组包括n为偶数的IGBT器件(VT2～VTn)和电阻(R2～Rn)，偶数组整体构成IGBT功率输出模块的负桥臂，奇数组所有IGBT器件的集电极都连接到一起作为正电源端，奇数组中的每个IGBT器件的发射极均连接一个奇数组中的电阻，而所有奇数组中电阻的另一端与偶数组中所有IGBT器件的集电极都连接到一起作为IGBT功率输出模块的输出端，偶数组中每个IGBT器件的发射极均串接一个偶数组中的电阻，所有偶数组中电阻的另一端都连接到一起作为IGBT功率输出模块的负电源端，所有奇数组IGBT器件的栅极连接到一起作为正桥臂栅极输入端，所有偶数组IGBT器件的栅极连接到一起作为负桥臂栅极输入端。
正负桥臂隔离驱动电路包括一个可调三端稳压器电路、两个线性光耦模拟隔离传输电路、以及由第一运算放大器U2、第二运算放大器U3、电阻(R1～R8)构成的信号分解处理电路，可调三端稳压器电路的输出分别经电阻R1与第一运算放大器U2的同相输入端连接、经电阻R6与第二运算放大器U3的同相输入端连接，第二运算放大器U3的同相输入端同时经电阻R4接地，前级电路的输出信号作为正负桥臂隔离驱动电路的输入信号Vin，Vin分别经电阻R2与第一运算放大器U2的同相输入端连接、经电阻R7与第二运算放大器U3的反相输入端连接，第二运算放大器U3的反相输入端同时经电阻R8接第二运算放大器U3的输出端，第一运算放大器U2的反相输入端分别经电阻R3接地、经电阻R5接第一运算放大器U2的输出端，第一运算放大器U2和第二运算放大器U3的输出分别接线性光耦模拟隔离传输电路的输入，第一运算放大器U2的输出经线性光耦模拟隔离传输电路后产生正桥臂栅极信号G+，独立电源VP1的地(GND1)作为输出端S+，第二运算放大器U3的输出经线性光耦模拟隔离传输电路后产生负桥臂栅极信号G-，独立电源VP2的地(GND2)作为输出端S-。
本发明中的相位补偿电路为串联接的电阻和电容，电容另一端接地，当然电路结构不唯一。
本实用新型的技术方案具有以下优点：
1、采用线性光耦模拟隔离传输电路传输IGBT驱动信号，霍尔电流传感器传输电流反馈信号，实现了IGBT功率输出模块与控制电路、保护电路的电气隔离，根据负载要求调整动力电源供电电压时对控制电路没有影响，电路调试简单。
2、IGBT器件单管电流容量大、耐压等级高，功率放大器输出电压电流指标显著提高。
附图说明
图1本实用新型电路结构示意图
图2正负桥臂隔离驱动电路原理图
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行详细说明。
如图1本实用新型电路结构示意图所示，一种电流型线性功率放大器，电路采用双电源互补推挽结构，包括PI调节器、功放保护与故障处理电路、正负桥臂隔离驱动电路、IGBT功率输出模块、霍尔电流传感器、电流负反馈电路、相位补偿电路及负载。
PI调节器由运算放大器OP07搭建的比例积分电路实现，用于调整电流环带宽、增益等技术指标；电流负反馈电路由运算放大器OP07搭建的反向比例放大电路实现，接收霍尔电流传感器传送的电流幅值信号，构成电流闭环；功放保护与故障处理电路由运算放大器LM324、比较器LM339、CD4000系列门电路CD4050与CD4068、锁存器CD4508以及温度传感器等实现，共包括失控、过流、过载、过温、欠压、过压六种保护，当出现上述任何一种情况时故障处理电路锁存故障信息并切断IGBT驱动信号和动力电源。
图2所示为正负桥臂隔离驱动电路原理图，图2中线性光耦模拟隔离传输电路为AVAGO公司生产的高精度线性光耦HCNR201实用参考电路，特别之处在于所用运算放大器选用高输出电流器件TCA0372，图2中可调三端稳压器电路提供偏置电平VT，通过由第一运算放大器U2、第二运算放大器U3、电阻(R1～R8)构成的信号分解处理电路，将Vin分解为正负两路并叠加到偏置电平VT之上，处理之后产生正桥臂栅极信号VG+＝VT+Vin与负桥臂栅极信号VG-＝VT-Vin。当Vin为正信号时，VG+增大，正桥臂IGBT导通，VG-减小，负桥臂IGBT截止；当Vin为负信号时，VG+减小，正桥臂IGBT截止，VG-增大，负桥臂IGBT导通；当VIN＝0时，VG+＝VG-＝VT，该电平为IGBT导通门槛电压，通过调整VT使零输入时IGBT处于微导通状态，消除交越失真。
IGBT器件采用BSM400GA120DN2，该器件最大功率2800W，最大工作电压1200V，最大工作电流400A，器件数据手册给出了连续直流输出安全工作区相关数据，VCE＝100V时，IC＝25A，VCE＝200V时，IC＝15A。不同应用需要的输出电压电流指标不同，首先根据输出电压指标要求确定动力电源电压幅值，再根据安全工作区相关数据确定IGBT单管输出电流，如果单管IGBT不能满足电流输出指标，则采用多支路并联方式提高电流输出能力。图1中R1～Rn为均流电阻，用于平衡各支路输出电流，均流电阻采用25W/0.1欧金属膜电阻，并且同IGBT一起安装于散热片上。
当功率放大器所驱动负载为直流电机等感性负载时，图1中由电阻R0、电容C1构成相位补偿电路对反馈电流相位进行补偿，提高电流闭环稳定性。R0采用20～50欧/25W金属膜电阻，C1采用耐压400V～650V电容值1u～3.3u的CBB电容。当驱动纯阻性负载时则无需相位补偿电路。
在某型三轴转台控制系统中，依照本实用新型所述技术方案实现了内框功率放大器输出100V/25A，中框功率放大器输出150V/25A，外框功率放大器输出100V/50A，并且输出电压电流能力还可以进一步提高。

Claims (4)

1.一种电流型线性功率放大器，其特征在于，所述的功率放大器电路为双电源互补推挽结构，包括正电源VCC、负电源VEE、PI调节器、功放保护与故障处理电路、正负桥臂隔离驱动电路、IGBT功率输出模块、霍尔电流传感器、电流负反馈电路、相位补偿电路以及负载；
输入信号和电流负反馈电路的输出信号共同作为PI调节器的输入信号，PI调节器的输出信号作为正负桥臂隔离驱动电路的输入信号，正负桥臂隔离驱动电路有G+输出端、S+输出端、G-输出端以及S-输出端，分别与IGBT功率输出模块的正桥臂栅极输入端、IGBT功率输出模块的输出端、负桥臂栅极输入端、IGBT功率输出模块的负电源端对应连接，IGBT功率输出模块的输出端连接到霍尔电流传感器的电流输入端，霍尔电流传感器的电流输出端连接到相位补偿电路和负载，霍尔电流传感器的输出信号作为电流负反馈电路的输入信号，电流负反馈电路的输出信号还作为功放保护与故障处理电路的输入信号，功放保护与故障处理电路的输出送至PI调节器，IGBT功率输出模块的正电源端与正电源VCC连接，IGBT功率输出模块的负电源端与负电源VEE连接。
2.根据权利要求1所述的一种电流型线性功率放大器，其特征在于，IGBT功率输出模块包含n个IGBT器件(VT1～VTn)，n个电阻(R1～Rn)，其中n为大于2的偶数，n个IGBT器件和n个电阻分为奇偶两组，奇数组包括n为奇数的IGBT器件(VT1～VTn-1)和电阻(R1～Rn-1)，奇数组整体构成IGBT功率输出模块的正桥臂，偶数组包括n为偶数的IGBT器件(VT2～VTn)和电阻(R2～Rn)，偶数组整体构成IGBT功率输出模块的负桥臂，奇数组所有IGBT器件的集电极都连接到一起作为正电源端，奇数组中的每个IGBT器件的发射极均连接一个奇数组中的电阻，而所有奇数组中电阻的另一端与偶数组中所有IGBT器件的集电极都连接到一起作为IGBT功率输出模块的输出端，偶数组中每个IGBT器件的发射极均串接一个偶数组中的电阻，所有偶数组中电阻的另一端都连接到一起作为IGBT功率输出模块的负电源端，所有奇数组IGBT器件的栅极连接到一起作为正桥臂栅极输入端，所有偶数组IGBT器件的栅极连接到一起作为负桥臂栅极输入端。
3.根据权利要求1所述的一种电流型线性功率放大器，其特征在于，正负桥臂隔离驱动电路包括一个可调三端稳压器电路、两个线性光耦模拟隔离传输电路、以及由第一运算放大器U2、第二运算放大器U3、电阻(R1～R8)构成的信号分解处理电路，可调三端稳压器电路的输出分别经电阻R1与第一运算放大器U2的同相输入端连接、经电阻R6与第二运算放大器U3的同相输入端连接，第二运算放大器U3的同相输入端同时经电阻R4接地，前级电路的输出信号作为正负桥臂隔离驱动电路的输入信号Vin，Vin分别经电阻R2与第一运算放大器U2的同相输入端连接、经电阻R7与第二运算放大器U3的反相输入端连接，第二运算放大器U3的反相输入端同时经电阻R8接第二运算放大器U3的输出端，第一运算放大器U2的反相输入端分别经电阻R3接地、经电阻R5接第一运算放大器U2的输出端，第一运算放大器U2和第二运算放大器U3的输出分别接线性光耦模拟隔离传输电路的输入，第一运算放大器U2的输出经线性光耦模拟隔离传输电路后产生输出信号端G+，独立电源VP1的地(GND1)作为输出端S+，第二运算放大器U3的输出经线性光耦模拟隔离传输电路后产生输出信号端G-，独立电源VP2的地(GND2)作为输出端S-。
4.根据权利要求1所述的一种电流型线性功率放大器，其特征在于：相位补偿电路为串联接的电阻和电容，电容另一端接地。
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