一種用於模塊化串聯的電磁軸承用的開關功率放大器的製作方法
2024-03-07 04:41:15
本實用新型涉及了一種開關器件，尤其是涉及一種用於模塊化串聯的電磁軸承用的開關功率放大器，屬電磁軸承開關功率放大器領域技術。
背景技術：
為了使支撐在電磁軸承上的旋轉機械的轉子系統具有良好的性能，迫切需求一種高效率高、工作頻帶寬、電流輸出能力大的功率放大器。由於開關功率放大器的半導體功率開關器件工作在開關狀態，損耗較小，且器件的功率等級也較高，因此目前被廣泛應用於電磁軸承系統中。
常見的開關功率放大器主電路有兩種：一種是採用半導體功率開關器件和二級管互補導通的半橋結構；另一種是每一個橋臂上均採用半導體功率開關器件的全橋結構。半橋結構開關功率放大器的電路結構相對簡單，且無需考慮橋臂的直通問題，但由於受器件尤其是二級管功率等級的限制，只適合於中等電壓的場合。全橋結構開關功率放大器的電路結構採用四個可控的半導體功率開關器件，結構相對複雜，控制橋臂開關時需要加死區時間來防止橋臂的直通。但由於半導體功率開關器件導通壓降通常小於同等功率級別的二級管的導通壓降，因此理論損耗比半橋結構要小，而且可以通過本實用新型提出的模塊串聯的方法滿足高電壓場合的需求。
為了使支撐在電磁軸承上的旋轉機械的轉子系統能夠滿足高速旋轉運轉狀態下的動態特性，就需要提高開關功率放大器的響應速度，提高開關功率放大器的母線電壓是提高開關功率放大器的響應速度的一個重要手段，而這又對開關功率放大器中的半導體功率開關器件提出了一個新的要求。為了使半導體功率開關器件滿足在高電壓等級下工作的需求，最簡單的方法就是採用更高耐壓的半導體功率開關器件來設計開關功率放大器。但是由於高電壓等級的半導體功率開關器件的損耗要比低電壓等級的半導體功率開關器件的損耗大，用該方法設計的開關功率放大器在低電壓場合的性能並不是最好的，所以用這種方法設計的開關功率放大器，其使用可移植性較差。特別是，一旦開關功率放大器出現故障，檢修或者重新製作都比較耗時。
因此，需要尋求一種以低電壓等級的功率開關器件設計的開關功率放大器為基本功率模塊，各個功率模塊可以通過外部接線以及外部控制方便地實現功率模塊串聯，實現可以在不同的電壓等級的場合選擇對應數量的功率模塊串聯使用，使得整體的損耗最小。即使其中一個功率模塊出現故障，也能立即更換一個新的功率模塊投入使用，最終實現無論在什麼場合，都實現開關功率放大器的高效率、高可靠度、高響應速度地工作。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於克服現有技術不足而提供了一種用於模塊化串聯的電磁軸承用的開關功率放大器，可通過外部簡單接線和數字控制器對電磁繼電器的控制實現模塊化串聯，解決傳統開關功率放大器響應慢，可移植性差，排故困難等缺點。
本實用新型採用的技術方案是：
本實用新型包括數字控制器、電流傳感器、信號調理電路和至少一個功率模塊，功率模塊以模塊化方式串聯後的兩端作為電壓輸入端，電流傳感器和負載串聯後作為輸出端連接在功率模塊中，電流傳感器的輸出端經信號調理電路與數字控制器連接，數字控制器連接各個功率模塊，並控制各個功率模塊之間的連接和每個功率模塊的內部導通狀態。
單個所述功率模塊包括四個半導體功率開關器件及其各自的驅動電路、兩個電磁繼電器及其各自的驅動電路與多個外部接線埠和均壓器件，四個半導體功率開關器件以兩個相串聯的半導體功率開關器件為一組而分為兩組半導體功率開關器件，其中第一組半導體功率開關器件兩端作為電壓輸入端的兩端，第二組半導體功率開關器件兩端分別各串聯一個電磁繼電器後並聯到電壓輸入端，第一組半導體功率開關器件中的兩個半導體功率開關器件之間的引出端和第二組半導體功率開關器件中的兩個半導體功率開關器件之間的引出端作為所述開關功率放大器輸出端的兩端。
所述的均壓器件包括電阻R和電容C，電阻R和電容C並聯連接在電壓輸入端。
所述數字控制器連接功率模塊中的各個半導體功率開關器件和電磁繼電器的驅動電路，通過半導體功率開關器件的驅動電路控制每個半導體功率開關器件的通斷來控制每個功率模塊的內部導通狀態，同時通過電磁繼電器的驅動電路控制其中電磁繼電器的通斷來控制各個功率模塊之間的導通連接。
所述的電壓輸入端、第二組半導體功率開關器件兩端的兩個電磁繼電器和輸出端的兩端作為所述功率模塊的外部接線埠。
當多個所述功率模塊串聯時，相鄰所述功率模塊之間通過電磁繼電器對應相連接，電流傳感器和負載串聯後連接在所有功率模塊串聯後位於中部的電磁繼電器兩端或者輸出端上。
當只有一個功率模塊使用時，電流傳感器和負載串聯後連接在該功率模塊的輸出端上。
當包括奇數個所述功率模塊串聯時，相鄰所述功率模塊之間通過電磁繼電器對應相連接，電流傳感器和負載串聯後連接在所有功率模塊串聯後位於中間的功率模塊的輸出端上。
當包括偶數個所述功率模塊串聯時，相鄰所述功率模塊之間通過電磁繼電器對應相連接，電流傳感器和負載串聯後連接在所有功率模塊串聯後位於中間的兩個功率模塊之間的電磁繼電器兩端上。
本實用新型中，各個功率模塊分立設計，輸入端、電流傳感器和負載端為公共接線端的結構。
本實用新型可根據實際場合，利用數字控制器和接線點的連接，實現單個或者多個功率模塊的串聯使用。相鄰功率模塊之間通過接線點和電磁繼電器方便地實現串聯。
在低電壓場合，可以只使用一個功率模塊來實現最低的損耗，在高電壓場合可通過對電磁繼電器的控制和適當的外部接線方便地實現多個功率模塊串聯使用，因此本實用新型可實現在大範圍電壓等級場合都能得到性能較好的開關功率放大器。
當一個功率模塊發生故障時，本實用新型利用外部接線可快速切除更換其中出故障的功率模塊，快速排除系統的故障，而無需像圖2所示的傳統開關功率放大器無法替換或者只能替換整塊器件。即使其中一個功率模塊發生故障，也能立即更換同樣的模塊投入使用。最終實現無論在什麼場合，都實現開關功率放大器的高效率、高可靠度、高響應速度地工作。
本實用新型的有益效果是：
本實用新型模塊化串聯開關功率放大器與傳統開關功率放大器相比，有以下優點：能根據實際場合，靈活選擇投入使用的功率模塊數量，實現開關功率放大器的最優性能；功率模塊統一設計，更換方便，排除故障簡單；並且在低電壓工作場合用本實用新型比用高電壓器件的功放器件的工作效率更高，損耗更小。
附圖說明
圖1是本實用新型的整個開關功率放大器的結構示意圖。
圖2是本實用新型的背景技術中傳統的開關功率放大器。
圖3是本實用新型的單個功率模塊電路結構示意圖。
圖4是本實用新型中考慮單個功率模塊工作時的連接示意圖。
圖5是本實用新型中考慮兩個功率模塊串聯投入使用時的連接示意圖。
圖6是本實用新型中考慮三個功率模塊串聯投入使用時的連接示意圖。
圖1中：a1～h1……an～hn分別對應圖3中的各個模塊的a～h外部接線點，x、y是電流傳感器和負載電感的外部接線點，q11～q14……qn1～qn4為對應模塊半導體器件的開關信號，q15、q16……qn5、qn6為對應模塊電磁繼電器的控制信號；
圖2中：(a)為全橋開關功率放大器電路，(b)為半橋開關功率放大器電路；
圖3中：a、b、c、d、e、f、g、h為單個功率模塊的接線點，R、C為均壓電阻和電容，Q1、Q2、Q3、Q4為功率半導體開關器件，Q5、Q6為電磁繼電器，q1、q2、q3、q4的驅動為半導體開關器件的驅動電路，q5、q6的驅動是繼電器的驅動電路；
圖4中：為了簡化說明，忽略了圖3中的均壓和驅動部分，充電迴路為a1、Q11、c1、d1、Q14、h1、g1、b1，放電迴路為b1、Q13、c1、d1、Q12、f1、e1、a1；
圖5中：充電迴路為a1、Q11、Q13、g1、f2、Q22、Q24、h2、g2、b2，放電迴路為b2、Q23、Q21、e2、h1、Q14、Q12、f1、e1、a1。
圖6中：充電迴路為a1、Q11、Q13、g1、e2、Q21、c2、d2、Q24、h2、f3、Q32、Q34、h3、g3、b3，放電迴路為b3、Q33、Q31、e3、g2、Q23、c2、d2、Q22、f2、h1、Q14、Q12、f1、e1、a1。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型的技術方案作進一步描述。
本實例以單個功率模塊運行、兩個功率模塊串聯運行以及三個功率模塊串聯運行的情況下進行說明。本實用新型不僅僅限於一個、兩個或者三個功率模塊串聯使用，以這三種電路為例只是為了說明單個以及模塊化串聯的接線方式和工作原理。
單個功率模塊的電路結構如圖3所示，該功率模塊是由四個半導體功率開關器件組成的全橋結構，上下兩邊各有一個電磁繼電器，輸入側有均壓電容和電阻，各半導體功率開關器件以及電磁繼電器都有其對應的驅動電路，設計多個接線點方便模塊化連接。
具體來說，其中R、C為均壓電阻和電容，Q1、Q2、Q3、Q4為功率半導體開關器件，Q5、Q6為電磁繼電器，q1、q2、q3、q4的驅動為半導體開關器件的驅動電路，q5、q6的驅動是繼電器的驅動電路。並且a、b、c、d、e、f、g、h為功率模塊的外部接線點，a、b是電壓輸入端，c、d是輸出端，e、f和g、h分別為兩個電磁繼電器的開關埠。
使用該模塊時，需要結合圖1中的電流傳感器和以數字控制器為核心的控制電路，控制電路的一個作用是給出半導體功率開關器件的驅動信號，實現開關功率放大器的基本功能；另一個作用是控制各模塊的電磁繼電器的導通和關斷，並且與外部接線相配合，可以方便地實現功率模塊的串聯投入和故障切除。
本實用新型的工作過程和原理為：
首先以一個功率模塊的使用為例。如圖4所示，在較低的電壓場合中，以模塊1為例，數字控制器給出電磁繼電器的控制信號q15和q16，使得模塊1中電磁繼電器Q15和Q16處於導通狀態。a1、b1與輸入直流電壓相連接，c1與x相連接，d1與y相連接。電流傳感器輸出的信號經過信號調整電路，輸入到數字控制器的AD接口，通過數字控制器給出q11～q14的4個開關信號來控制功率放大器中的對應四個半導體功率開關器件，從而實現開關功率放大器的基本功能。當Q11、Q14導通時，電感處於充電狀態，充電迴路為a1、Q11、c1、d1、Q14、h1、g1、b1，此時Q12、Q13關斷，關斷的功率開關器件承受的電壓為輸入直流母線電壓。Q11、Q14關斷時，電感處於放電狀態，放電迴路為b1、Q13、c1、d1、Q12、f1、e1、a1，此時Q12、Q13導通，關斷的功率開關器件承受的電壓仍然為輸入直流母線電壓。考慮安全裕量，這裡每個功率開關器件都需要能夠承受1.5倍的輸入直流母線電壓。
應用在較高電壓等級的磁軸承場合時，考慮兩個功率模塊串聯使用，如圖5所示。以模塊1和模塊2的串聯為例，此時需要控制電磁繼電器Q15、Q26為導通，Q16、Q25為關斷，a1、b2連接輸入直流母線電壓，把g1、e2、x以及h1、f2、y對應連接，相當於模塊1原本的繼電器Q16和模塊2原本的繼電器Q25的部分作為功率放大器系統的整體負載端使用。此時Q11、Q13串聯，串聯後這兩個開關驅動信號保持一致，相當於圖4中的Q11的驅動信號；Q12、Q14串聯，串聯後這兩個開關驅動信號保持一致，相當於圖4中的Q12的驅動信號；Q21、Q23串聯，串聯後這兩個開關驅動信號保持一致，相當於圖4中的Q13的驅動信號；Q22、Q24串聯，串聯後這兩個開關驅動信號保持一致，相當於圖4中的Q14的驅動信號；
同理，Q11、Q13、Q22、Q24導通時，電感處於充電狀態，充電迴路為a1、Q11、Q13、g1、f2、Q22、Q24、h2、g2、b2，此時Q12、Q14、Q21、Q23關斷，關斷的串聯功率開關器件整體承受的電壓為輸入直流母線電壓。Q11、Q13、Q22、Q24關斷時，電感處於放電狀態，放電迴路為b2、Q23、Q21、e2、h1、Q14、Q12、f1、e1、a1。此時Q12、Q14、Q21、Q23導通，關斷的串聯功率開關器件整體承受的電壓仍然為輸入直流母線電壓。假設功率開關器件完全一樣（若不能完全一樣，也可用大阻值電阻進行均壓），則每個功率開關器件承受的電壓為直流母線電壓的0.5倍，考慮1.5倍的安全裕量，這裡每個功率開關器件都需要能夠承受0.75倍的輸入直流母線電壓。
進一步提高電壓等級時，考慮三個模塊串聯使用，如圖6所示。以模塊1、模塊2和模塊3的串聯為例，此時需要控制電磁繼電器Q15、Q36為導通，Q16、Q25、Q26、Q35為關斷，a1、b3連接輸入直流母線電壓，把g1、e2相連，h1、f2相連，g2、e3相連，h2、f3相連，c2、d2分別與電流傳感器以及負載端的x、y相連。此時Q11、Q13、Q21串聯，串聯後這兩個開關驅動信號保持一致，相當於圖4中的Q11的驅動信號；Q12、Q14、Q22串聯，串聯後這兩個開關驅動信號保持一致，相當於圖4中的Q12的驅動信號；Q23、Q31、Q33串聯，串聯後這兩個開關驅動信號保持一致，相當於圖4中的Q13的驅動信號；Q24、Q32、Q34串聯，串聯後這兩個開關驅動信號保持一致，相當於圖4中的Q14的驅動信號；
同理，Q11、Q13、Q21、Q24、Q32、Q34導通時，電感處於充電狀態，充電迴路為a1、Q11、Q13、g1、e2、Q21、c2、d2、Q24、h2、f3、Q32、Q34、h3、g3、b3，此時Q12、Q14、Q22、Q23、Q31、Q33關斷，關斷的串聯功率開關器件整體承受的電壓為輸入直流母線電壓。同理，Q11、Q13、Q21、Q24、Q32、Q34關斷時，電感處於放電狀態，放電迴路為b3、Q33、Q31、e3、g2、Q23、c2、d2、Q22、f2、h1、Q14、Q12、f1、e1、a1，此時Q12、Q14、Q22、Q23、Q31、Q33導通，關斷的串聯功率開關器件整體承受的電壓為輸入直流母線電壓。每個功率開關器件承受的電壓為直流母線電壓的0.33倍，考慮1.5倍的安全裕量，這裡每個功率開關器件都需要能夠承受0.5倍的輸入直流母線電壓。
四個以上的功率模塊串聯使用原理與上述相同，這裡不再贅述。需要提出的是，奇數個模塊投入使用時，對應模塊的c、d端接負載，偶數個模塊投入使用時，對應相鄰兩個模塊之間的電磁繼電器接線端接負載。當其中一個模塊故障時，可以通過更改外部接線和控制繼電器的通斷狀況，直接把整個故障模塊切除，再投入使用一個全新的模塊，在緊急使用的場合排除故障比較方便。綜上所述，本實用新型的用於模塊化串聯的電磁軸承用開關功率放大器能夠根據所需要的特定場合，選擇合適的模塊數量投入使用，從而使得開關功率放大器的性能達到最優，彌補了傳統開關功率放大器可移植性不強等缺點。
以上實施例只是本實用新型的一個具體的實施電路原理圖，並不以此限定本實用新型的保護範圍。任何基於本實用新型所作的等效變換電路，均屬於本實用新型保護範圍。