本實(shí)用新型涉及了一種開關(guān)器件,尤其是涉及一種用于模塊化串聯(lián)的電磁軸承用的開關(guān)功率放大器,屬電磁軸承開關(guān)功率放大器領(lǐng)域技術(shù)。
背景技術(shù):
為了使支撐在電磁軸承上的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)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。由于開關(guān)功率放大器的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài),損耗較小,且器件的功率等級(jí)也較高,因此目前被廣泛應(yīng)用于電磁軸承系統(tǒng)中。
常見的開關(guān)功率放大器主電路有兩種:一種是采用半導(dǎo)體功率開關(guān)器件和二級(jí)管互補(bǔ)導(dǎo)通的半橋結(jié)構(gòu);另一種是每一個(gè)橋臂上均采用半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的全橋結(jié)構(gòu)。半橋結(jié)構(gòu)開關(guān)功率放大器的電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,且無需考慮橋臂的直通問題,但由于受器件尤其是二級(jí)管功率等級(jí)的限制,只適合于中等電壓的場(chǎng)合。全橋結(jié)構(gòu)開關(guān)功率放大器的電路結(jié)構(gòu)采用四個(gè)可控的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件,結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,控制橋臂開關(guān)時(shí)需要加死區(qū)時(shí)間來防止橋臂的直通。但由于半導(dǎo)體功率開關(guān)器件導(dǎo)通壓降通常小于同等功率級(jí)別的二級(jí)管的導(dǎo)通壓降,因此理論損耗比半橋結(jié)構(gòu)要小,而且可以通過本實(shí)用新型提出的模塊串聯(lián)的方法滿足高電壓場(chǎng)合的需求。
為了使支撐在電磁軸承上的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)能夠滿足高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性,就需要提高開關(guān)功率放大器的響應(yīng)速度,提高開關(guān)功率放大器的母線電壓是提高開關(guān)功率放大器的響應(yīng)速度的一個(gè)重要手段,而這又對(duì)開關(guān)功率放大器中的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件提出了一個(gè)新的要求。為了使半導(dǎo)體功率開關(guān)器件滿足在高電壓等級(jí)下工作的需求,最簡(jiǎn)單的方法就是采用更高耐壓的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件來設(shè)計(jì)開關(guān)功率放大器。但是由于高電壓等級(jí)的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的損耗要比低電壓等級(jí)的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的損耗大,用該方法設(shè)計(jì)的開關(guān)功率放大器在低電壓場(chǎng)合的性能并不是最好的,所以用這種方法設(shè)計(jì)的開關(guān)功率放大器,其使用可移植性較差。特別是,一旦開關(guān)功率放大器出現(xiàn)故障,檢修或者重新制作都比較耗時(shí)。
因此,需要尋求一種以低電壓等級(jí)的功率開關(guān)器件設(shè)計(jì)的開關(guān)功率放大器為基本功率模塊,各個(gè)功率模塊可以通過外部接線以及外部控制方便地實(shí)現(xiàn)功率模塊串聯(lián),實(shí)現(xiàn)可以在不同的電壓等級(jí)的場(chǎng)合選擇對(duì)應(yīng)數(shù)量的功率模塊串聯(lián)使用,使得整體的損耗最小。即使其中一個(gè)功率模塊出現(xiàn)故障,也能立即更換一個(gè)新的功率模塊投入使用,最終實(shí)現(xiàn)無論在什么場(chǎng)合,都實(shí)現(xiàn)開關(guān)功率放大器的高效率、高可靠度、高響應(yīng)速度地工作。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足而提供了一種用于模塊化串聯(lián)的電磁軸承用的開關(guān)功率放大器,可通過外部簡(jiǎn)單接線和數(shù)字控制器對(duì)電磁繼電器的控制實(shí)現(xiàn)模塊化串聯(lián),解決傳統(tǒng)開關(guān)功率放大器響應(yīng)慢,可移植性差,排故困難等缺點(diǎn)。
本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:
本實(shí)用新型包括數(shù)字控制器、電流傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和至少一個(gè)功率模塊,功率模塊以模塊化方式串聯(lián)后的兩端作為電壓輸入端,電流傳感器和負(fù)載串聯(lián)后作為輸出端連接在功率模塊中,電流傳感器的輸出端經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路與數(shù)字控制器連接,數(shù)字控制器連接各個(gè)功率模塊,并控制各個(gè)功率模塊之間的連接和每個(gè)功率模塊的內(nèi)部導(dǎo)通狀態(tài)。
單個(gè)所述功率模塊包括四個(gè)半導(dǎo)體功率開關(guān)器件及其各自的驅(qū)動(dòng)電路、兩個(gè)電磁繼電器及其各自的驅(qū)動(dòng)電路與多個(gè)外部接線端口和均壓器件,四個(gè)半導(dǎo)體功率開關(guān)器件以兩個(gè)相串聯(lián)的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件為一組而分為兩組半導(dǎo)體功率開關(guān)器件,其中第一組半導(dǎo)體功率開關(guān)器件兩端作為電壓輸入端的兩端,第二組半導(dǎo)體功率開關(guān)器件兩端分別各串聯(lián)一個(gè)電磁繼電器后并聯(lián)到電壓輸入端,第一組半導(dǎo)體功率開關(guān)器件中的兩個(gè)半導(dǎo)體功率開關(guān)器件之間的引出端和第二組半導(dǎo)體功率開關(guān)器件中的兩個(gè)半導(dǎo)體功率開關(guān)器件之間的引出端作為所述開關(guān)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并聯(lián)連接在電壓輸入端。
所述數(shù)字控制器連接功率模塊中的各個(gè)半導(dǎo)體功率開關(guān)器件和電磁繼電器的驅(qū)動(dòng)電路,通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路控制每個(gè)半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的通斷來控制每個(gè)功率模塊的內(nèi)部導(dǎo)通狀態(tài),同時(shí)通過電磁繼電器的驅(qū)動(dòng)電路控制其中電磁繼電器的通斷來控制各個(gè)功率模塊之間的導(dǎo)通連接。
所述的電壓輸入端、第二組半導(dǎo)體功率開關(guān)器件兩端的兩個(gè)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端口。
當(dāng)多個(gè)所述功率模塊串聯(lián)時(shí),相鄰所述功率模塊之間通過電磁繼電器對(duì)應(yīng)相連接,電流傳感器和負(fù)載串聯(lián)后連接在所有功率模塊串聯(lián)后位于中部的電磁繼電器兩端或者輸出端上。
當(dāng)只有一個(gè)功率模塊使用時(shí),電流傳感器和負(fù)載串聯(lián)后連接在該功率模塊的輸出端上。
當(dāng)包括奇數(shù)個(gè)所述功率模塊串聯(lián)時(shí),相鄰所述功率模塊之間通過電磁繼電器對(duì)應(yīng)相連接,電流傳感器和負(fù)載串聯(lián)后連接在所有功率模塊串聯(lián)后位于中間的功率模塊的輸出端上。
當(dāng)包括偶數(shù)個(gè)所述功率模塊串聯(lián)時(shí),相鄰所述功率模塊之間通過電磁繼電器對(duì)應(yīng)相連接,電流傳感器和負(fù)載串聯(lián)后連接在所有功率模塊串聯(lián)后位于中間的兩個(gè)功率模塊之間的電磁繼電器兩端上。
本實(shí)用新型中,各個(gè)功率模塊分立設(shè)計(jì),輸入端、電流傳感器和負(fù)載端為公共接線端的結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型可根據(jù)實(shí)際場(chǎng)合,利用數(shù)字控制器和接線點(diǎn)的連接,實(shí)現(xiàn)單個(gè)或者多個(gè)功率模塊的串聯(lián)使用。相鄰功率模塊之間通過接線點(diǎn)和電磁繼電器方便地實(shí)現(xiàn)串聯(lián)。
在低電壓場(chǎng)合,可以只使用一個(gè)功率模塊來實(shí)現(xiàn)最低的損耗,在高電壓場(chǎng)合可通過對(duì)電磁繼電器的控制和適當(dāng)?shù)耐獠拷泳€方便地實(shí)現(xiàn)多個(gè)功率模塊串聯(lián)使用,因此本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)在大范圍電壓等級(jí)場(chǎng)合都能得到性能較好的開關(guān)功率放大器。
當(dāng)一個(gè)功率模塊發(fā)生故障時(shí),本實(shí)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(tǒng)的故障,而無需像圖2所示的傳統(tǒng)開關(guān)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(gè)功率模塊發(fā)生故障,也能立即更換同樣的模塊投入使用。最終實(shí)現(xiàn)無論在什么場(chǎng)合,都實(shí)現(xiàn)開關(guān)功率放大器的高效率、高可靠度、高響應(yīng)速度地工作。
本實(shí)用新型的有益效果是:
本實(shí)用新型模塊化串聯(lián)開關(guān)功率放大器與傳統(tǒng)開關(guān)功率放大器相比,有以下優(yōu)點(diǎn):能根據(jù)實(shí)際場(chǎng)合,靈活選擇投入使用的功率模塊數(shù)量,實(shí)現(xiàn)開關(guān)功率放大器的最優(yōu)性能;功率模塊統(tǒng)一設(shè)計(jì),更換方便,排除故障簡(jiǎn)單;并且在低電壓工作場(chǎng)合用本實(shí)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(shí)用新型的整個(gè)開關(guān)功率放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型的背景技術(shù)中傳統(tǒng)的開關(guān)功率放大器。
圖3是本實(shí)用新型的單個(gè)功率模塊電路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本實(shí)用新型中考慮單個(gè)功率模塊工作時(shí)的連接示意圖。
圖5是本實(shí)用新型中考慮兩個(gè)功率模塊串聯(lián)投入使用時(shí)的連接示意圖。
圖6是本實(shí)用新型中考慮三個(gè)功率模塊串聯(lián)投入使用時(shí)的連接示意圖。
圖1中:a1~h1……an~hn分別對(duì)應(yīng)圖3中的各個(gè)模塊的a~h外部接線點(diǎn),x、y是電流傳感器和負(fù)載電感的外部接線點(diǎn),q11~q14……qn1~qn4為對(duì)應(yīng)模塊半導(dǎo)體器件的開關(guān)信號(hào),q15、q16……qn5、qn6為對(duì)應(yīng)模塊電磁繼電器的控制信號(hào);
圖2中:(a)為全橋開關(guān)功率放大器電路,(b)為半橋開關(guān)功率放大器電路;
圖3中:a、b、c、d、e、f、g、h為單個(gè)功率模塊的接線點(diǎn),R、C為均壓電阻和電容,Q1、Q2、Q3、Q4為功率半導(dǎo)體開關(guān)器件,Q5、Q6為電磁繼電器,q1、q2、q3、q4的驅(qū)動(dòng)為半導(dǎo)體開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路,q5、q6的驅(qū)動(dòng)是繼電器的驅(qū)動(dòng)電路;
圖4中:為了簡(jiǎn)化說明,忽略了圖3中的均壓和驅(qū)動(dòng)部分,充電回路為a1、Q11、c1、d1、Q14、h1、g1、b1,放電回路為b1、Q13、c1、d1、Q12、f1、e1、a1;
圖5中:充電回路為a1、Q11、Q13、g1、f2、Q22、Q24、h2、g2、b2,放電回路為b2、Q23、Q21、e2、h1、Q14、Q12、f1、e1、a1。
圖6中:充電回路為a1、Q11、Q13、g1、e2、Q21、c2、d2、Q24、h2、f3、Q32、Q34、h3、g3、b3,放電回路為b3、Q33、Q31、e3、g2、Q23、c2、d2、Q22、f2、h1、Q14、Q12、f1、e1、a1。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
本實(shí)例以單個(gè)功率模塊運(yùn)行、兩個(gè)功率模塊串聯(lián)運(yùn)行以及三個(gè)功率模塊串聯(lián)運(yùn)行的情況下進(jìn)行說明。本實(shí)用新型不僅僅限于一個(gè)、兩個(gè)或者三個(gè)功率模塊串聯(lián)使用,以這三種電路為例只是為了說明單個(gè)以及模塊化串聯(lián)的接線方式和工作原理。
單個(gè)功率模塊的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示,該功率模塊是由四個(gè)半導(dǎo)體功率開關(guān)器件組成的全橋結(jié)構(gòu),上下兩邊各有一個(gè)電磁繼電器,輸入側(cè)有均壓電容和電阻,各半導(dǎo)體功率開關(guān)器件以及電磁繼電器都有其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路,設(shè)計(jì)多個(gè)接線點(diǎn)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(dǎo)體開關(guān)器件,Q5、Q6為電磁繼電器,q1、q2、q3、q4的驅(qū)動(dòng)為半導(dǎo)體開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路,q5、q6的驅(qū)動(dòng)是繼電器的驅(qū)動(dòng)電路。并且a、b、c、d、e、f、g、h為功率模塊的外部接線點(diǎn),a、b是電壓輸入端,c、d是輸出端,e、f和g、h分別為兩個(gè)電磁繼電器的開關(guān)端口。
使用該模塊時(shí),需要結(jié)合圖1中的電流傳感器和以數(shù)字控制器為核心的控制電路,控制電路的一個(gè)作用是給出半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào),實(shí)現(xiàn)開關(guān)功率放大器的基本功能;另一個(gè)作用是控制各模塊的電磁繼電器的導(dǎo)通和關(guān)斷,并且與外部接線相配合,可以方便地實(shí)現(xiàn)功率模塊的串聯(lián)投入和故障切除。
本實(shí)用新型的工作過程和原理為:
首先以一個(gè)功率模塊的使用為例。如圖4所示,在較低的電壓場(chǎng)合中,以模塊1為例,數(shù)字控制器給出電磁繼電器的控制信號(hào)q15和q16,使得模塊1中電磁繼電器Q15和Q16處于導(dǎo)通狀態(tài)。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(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)整電路,輸入到數(shù)字控制器的AD接口,通過數(shù)字控制器給出q11~q14的4個(gè)開關(guān)信號(hào)來控制功率放大器中的對(duì)應(yīng)四個(gè)半導(dǎo)體功率開關(guān)器件,從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)功率放大器的基本功能。當(dāng)Q11、Q14導(dǎo)通時(shí),電感處于充電狀態(tài),充電回路為a1、Q11、c1、d1、Q14、h1、g1、b1,此時(shí)Q12、Q13關(guān)斷,關(guān)斷的功率開關(guān)器件承受的電壓為輸入直流母線電壓。Q11、Q14關(guān)斷時(shí),電感處于放電狀態(tài),放電回路為b1、Q13、c1、d1、Q12、f1、e1、a1,此時(shí)Q12、Q13導(dǎo)通,關(guān)斷的功率開關(guān)器件承受的電壓仍然為輸入直流母線電壓??紤]安全裕量,這里每個(gè)功率開關(guān)器件都需要能夠承受1.5倍的輸入直流母線電壓。
應(yīng)用在較高電壓等級(jí)的磁軸承場(chǎng)合時(shí),考慮兩個(gè)功率模塊串聯(lián)使用,如圖5所示。以模塊1和模塊2的串聯(lián)為例,此時(shí)需要控制電磁繼電器Q15、Q26為導(dǎo)通,Q16、Q25為關(guān)斷,a1、b2連接輸入直流母線電壓,把g1、e2、x以及h1、f2、y對(duì)應(yīng)連接,相當(dāng)于模塊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(tǒng)的整體負(fù)載端使用。此時(shí)Q11、Q13串聯(lián),串聯(lián)后這兩個(gè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持一致,相當(dāng)于圖4中的Q11的驅(qū)動(dòng)信號(hào);Q12、Q14串聯(lián),串聯(lián)后這兩個(gè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持一致,相當(dāng)于圖4中的Q12的驅(qū)動(dòng)信號(hào);Q21、Q23串聯(lián),串聯(lián)后這兩個(gè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持一致,相當(dāng)于圖4中的Q13的驅(qū)動(dòng)信號(hào);Q22、Q24串聯(lián),串聯(lián)后這兩個(gè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持一致,相當(dāng)于圖4中的Q14的驅(qū)動(dòng)信號(hào);
同理,Q11、Q13、Q22、Q24導(dǎo)通時(shí),電感處于充電狀態(tài),充電回路為a1、Q11、Q13、g1、f2、Q22、Q24、h2、g2、b2,此時(shí)Q12、Q14、Q21、Q23關(guān)斷,關(guān)斷的串聯(lián)功率開關(guān)器件整體承受的電壓為輸入直流母線電壓。Q11、Q13、Q22、Q24關(guān)斷時(shí),電感處于放電狀態(tài),放電回路為b2、Q23、Q21、e2、h1、Q14、Q12、f1、e1、a1。此時(shí)Q12、Q14、Q21、Q23導(dǎo)通,關(guān)斷的串聯(lián)功率開關(guān)器件整體承受的電壓仍然為輸入直流母線電壓。假設(shè)功率開關(guān)器件完全一樣(若不能完全一樣,也可用大阻值電阻進(jìn)行均壓),則每個(gè)功率開關(guān)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,這里每個(gè)功率開關(guān)器件都需要能夠承受0.75倍的輸入直流母線電壓。
進(jìn)一步提高電壓等級(jí)時(shí),考慮三個(gè)模塊串聯(lián)使用,如圖6所示。以模塊1、模塊2和模塊3的串聯(lián)為例,此時(shí)需要控制電磁繼電器Q15、Q36為導(dǎo)通,Q16、Q25、Q26、Q35為關(guān)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(fù)載端的x、y相連。此時(shí)Q11、Q13、Q21串聯(lián),串聯(lián)后這兩個(gè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持一致,相當(dāng)于圖4中的Q11的驅(qū)動(dòng)信號(hào);Q12、Q14、Q22串聯(lián),串聯(lián)后這兩個(gè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持一致,相當(dāng)于圖4中的Q12的驅(qū)動(dòng)信號(hào);Q23、Q31、Q33串聯(lián),串聯(lián)后這兩個(gè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持一致,相當(dāng)于圖4中的Q13的驅(qū)動(dòng)信號(hào);Q24、Q32、Q34串聯(lián),串聯(lián)后這兩個(gè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持一致,相當(dāng)于圖4中的Q14的驅(qū)動(dòng)信號(hào);
同理,Q11、Q13、Q21、Q24、Q32、Q34導(dǎo)通時(shí),電感處于充電狀態(tài),充電回路為a1、Q11、Q13、g1、e2、Q21、c2、d2、Q24、h2、f3、Q32、Q34、h3、g3、b3,此時(shí)Q12、Q14、Q22、Q23、Q31、Q33關(guān)斷,關(guān)斷的串聯(lián)功率開關(guān)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(guān)斷時(shí),電感處于放電狀態(tài),放電回路為b3、Q33、Q31、e3、g2、Q23、c2、d2、Q22、f2、h1、Q14、Q12、f1、e1、a1,此時(shí)Q12、Q14、Q22、Q23、Q31、Q33導(dǎo)通,關(guān)斷的串聯(lián)功率開關(guān)器件整體承受的電壓為輸入直流母線電壓。每個(gè)功率開關(guān)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,這里每個(gè)功率開關(guān)器件都需要能夠承受0.5倍的輸入直流母線電壓。
四個(gè)以上的功率模塊串聯(lián)使用原理與上述相同,這里不再贅述。需要提出的是,奇數(shù)個(gè)模塊投入使用時(shí),對(duì)應(yīng)模塊的c、d端接負(fù)載,偶數(shù)個(gè)模塊投入使用時(shí),對(duì)應(yīng)相鄰兩個(gè)模塊之間的電磁繼電器接線端接負(fù)載。當(dāng)其中一個(gè)模塊故障時(shí),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(gè)故障模塊切除,再投入使用一個(gè)全新的模塊,在緊急使用的場(chǎng)合排除故障比較方便。綜上所述,本實(shí)用新型的用于模塊化串聯(lián)的電磁軸承用開關(guān)功率放大器能夠根據(jù)所需要的特定場(chǎng)合,選擇合適的模塊數(shù)量投入使用,從而使得開關(guān)功率放大器的性能達(dá)到最優(yōu),彌補(bǔ)了傳統(tǒng)開關(guān)功率放大器可移植性不強(qiáng)等缺點(diǎn)。
以上實(shí)施例只是本實(shí)用新型的一個(gè)具體的實(shí)施電路原理圖,并不以此限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。任何基于本實(shí)用新型所作的等效變換電路,均屬于本實(shí)用新型保護(hù)范圍。