一种用于模块化串联的电磁轴承用的开关功率放大器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种用于模块化串联的电磁轴承用的开关功率放大器。包括数字控制器、电流传感器、信号调理电路和至少一个功率模块，功率模块以模块化方式串联后的两端作为电压输入端，电流传感器和负载串联后作为输出端连接在功率模块中，电流传感器的输出端经信号调理电路与数字控制器连接，数字控制器连接各个功率模块，并控制各个功率模块之间的连接和每个功率模块的内部导通状态。本实用新型专利技术能灵活选择投入使用实现开关功率放大器的最优性能，功率模块统一设计，更换方便，排除故障简单，在低电压工作场合用本实用新型专利技术比用高电压器件的功放器件的工作效率更高，损耗更小。

Switching power amplifier for modular series electromagnetic bearing

The utility model discloses a switching power amplifier used for a modularized series electromagnetic bearing. Including digital controller, current sensor, signal conditioning circuit and at least one power module, power module series ends in a modular way as the input voltage, current sensor and load series as the output end is connected with the power module, the output current sensor signal conditioning circuit and the digital controller is connected, digital controller each power module, the internal control and the conduction state between each power module is connected with each power module. The utility model can flexibly select and put into use to achieve the optimal performance of the switching power amplifier, power module design, convenient replacement, simple troubleshooting, in low voltage work of the utility model is used for power amplifier device with high voltage devices than the higher working efficiency, less loss.

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及了一种开关器件，尤其是涉及一种用于模块化串联的电磁轴承用的开关功率放大器，属电磁轴承开关功率放大器领域技术。
技术介绍
为了使支撑在电磁轴承上的旋转机械的转子系统具有良好的性能，迫切需求一种高效率高、工作频带宽、电流输出能力大的功率放大器。由于开关功率放大器的半导体功率开关器件工作在开关状态，损耗较小，且器件的功率等级也较高，因此目前被广泛应用于电磁轴承系统中。常见的开关功率放大器主电路有两种：一种是采用半导体功率开关器件和二级管互补导通的半桥结构；另一种是每一个桥臂上均采用半导体功率开关器件的全桥结构。半桥结构开关功率放大器的电路结构相对简单，且无需考虑桥臂的直通问题，但由于受器件尤其是二级管功率等级的限制，只适合于中等电压的场合。全桥结构开关功率放大器的电路结构采用四个可控的半导体功率开关器件，结构相对复杂，控制桥臂开关时需要加死区时间来防止桥臂的直通。但由于半导体功率开关器件导通压降通常小于同等功率级别的二级管的导通压降，因此理论损耗比半桥结构要小，而且可以通过本技术提出的模块串联的方法满足高电压场合的需求。为了使支撑在电磁轴承上的旋转机械的转子系统能够满足高速旋转运转状态下的动态特性，就需要提高开关功率放大器的响应速度，提高开关功率放大器的母线电压是提高开关功率放大器的响应速度的一个重要手段，而这又对开关功率放大器中的半导体功率开关器件提出了一个新的要求。为了使半导体功率开关器件满足在高电压等级下工作的需求，最简单的方法就是采用更高耐压的半导体功率开关器件来设计开关功率放大器。但是由于高电压等级的半导体功率开关器件的损耗要比低电压等级的半导体功率开关器件的损耗大，用该方法设计的开关功率放大器在低电压场合的性能并不是最好的，所以用这种方法设计的开关功率放大器，其使用可移植性较差。特别是，一旦开关功率放大器出现故障，检修或者重新制作都比较耗时。因此，需要寻求一种以低电压等级的功率开关器件设计的开关功率放大器为基本功率模块，各个功率模块可以通过外部接线以及外部控制方便地实现功率模块串联，实现可以在不同的电压等级的场合选择对应数量的功率模块串联使用，使得整体的损耗最小。即使其中一个功率模块出现故障，也能立即更换一个新的功率模块投入使用，最终实现无论在什么场合，都实现开关功率放大器的高效率、高可靠度、高响应速度地工作。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术不足而提供了一种用于模块化串联的电磁轴承用的开关功率放大器，可通过外部简单接线和数字控制器对电磁继电器的控制实现模块化串联，解决传统开关功率放大器响应慢，可移植性差，排故困难等缺点。本技术采用的技术方案是：本技术包括数字控制器、电流传感器、信号调理电路和至少一个功率模块，功率模块以模块化方式串联后的两端作为电压输入端，电流传感器和负载串联后作为输出端连接在功率模块中，电流传感器的输出端经信号调理电路与数字控制器连接，数字控制器连接各个功率模块，并控制各个功率模块之间的连接和每个功率模块的内部导通状态。单个所述功率模块包括四个半导体功率开关器件及其各自的驱动电路、两个电磁继电器及其各自的驱动电路与多个外部接线端口和均压器件，四个半导体功率开关器件以两个相串联的半导体功率开关器件为一组而分为两组半导体功率开关器件，其中第一组半导体功率开关器件两端作为电压输入端的两端，第二组半导体功率开关器件两端分别各串联一个电磁继电器后并联到电压输入端，第一组半导体功率开关器件中的两个半导体功率开关器件之间的引出端和第二组半导体功率开关器件中的两个半导体功率开关器件之间的引出端作为所述开关功率放大器输出端的两端。所述的均压器件包括电阻R和电容C，电阻R和电容C并联连接在电压输入端。所述数字控制器连接功率模块中的各个半导体功率开关器件和电磁继电器的驱动电路，通过半导体功率开关器件的驱动电路控制每个半导体功率开关器件的通断来控制每个功率模块的内部导通状态，同时通过电磁继电器的驱动电路控制其中电磁继电器的通断来控制各个功率模块之间的导通连接。所述的电压输入端、第二组半导体功率开关器件两端的两个电磁继电器和输出端的两端作为所述功率模块的外部接线端口。当多个所述功率模块串联时，相邻所述功率模块之间通过电磁继电器对应相连接，电流传感器和负载串联后连接在所有功率模块串联后位于中部的电磁继电器两端或者输出端上。当只有一个功率模块使用时，电流传感器和负载串联后连接在该功率模块的输出端上。当包括奇数个所述功率模块串联时，相邻所述功率模块之间通过电磁继电器对应相连接，电流传感器和负载串联后连接在所有功率模块串联后位于中间的功率模块的输出端上。当包括偶数个所述功率模块串联时，相邻所述功率模块之间通过电磁继电器对应相连接，电流传感器和负载串联后连接在所有功率模块串联后位于中间的两个功率模块之间的电磁继电器两端上。本技术中，各个功率模块分立设计，输入端、电流传感器和负载端为公共接线端的结构。本技术可根据实际场合，利用数字控制器和接线点的连接，实现单个或者多个功率模块的串联使用。相邻功率模块之间通过接线点和电磁继电器方便地实现串联。在低电压场合，可以只使用一个功率模块来实现最低的损耗，在高电压场合可通过对电磁继电器的控制和适当的外部接线方便地实现多个功率模块串联使用，因此本技术可实现在大范围电压等级场合都能得到性能较好的开关功率放大器。当一个功率模块发生故障时，本技术利用外部接线可快速切除更换其中出故障的功率模块，快速排除系统的故障，而无需像图2所示的传统开关功率放大器无法替换或者只能替换整块器件。即使其中一个功率模块发生故障，也能立即更换同样的模块投入使用。最终实现无论在什么场合，都实现开关功率放大器的高效率、高可靠度、高响应速度地工作。本技术的有益效果是：本技术模块化串联开关功率放大器与传统开关功率放大器相比，有以下优点：能根据实际场合，灵活选择投入使用的功率模块数量，实现开关功率放大器的最优性能；功率模块统一设计，更换方便，排除故障简单；并且在低电压工作场合用本技术比用高电压器件的功放器件的工作效率更高，损耗更小。附图说明图1是本技术的整个开关功率放大器的结构示意图。图2是本技术的
技术介绍
中传统的开关功率放大器。图3是本技术的单个功率模块电路结构示意图。图4是本技术中考虑单个功率模块工作时的连接示意图。图5是本技术中考虑两个功率模块串联投入使用时的连接示意图。图6是本技术中考虑三个功率模块串联投入使用时的连接示意图。图1中：a1～h1……an～hn分别对应图3中的各个模块的a～h外部接线点，x、y是电流传感器和负载电感的外部接线点，q11～q14……qn1～qn4为对应模块半导体器件的开关信号，q15、q16……qn5、qn6为对应模块电磁继电器的控制信号；图2中：(a)为全桥开关功率放大器电路，(b)为半桥开关功率放大器电路；图3中：a、b、c、d、e、f、g、h为单个功率模块的接线点，R、C为均压电阻和电容，Q1、Q2、Q3、Q4为功率半导体开关器件，Q5、Q6为电磁继电器，q1、q2、q3、q4的驱动为半导体开关器件的驱动电路，q5、q6的驱动是继电器的驱动电路；图4中：为了简化说明，忽本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于模块化串联的电磁轴承用的开关功率放大器，其特征在于：包括数字控制器、电流传感器、信号调理电路和至少一个功率模块，功率模块以模块化方式串联后的两端作为电压输入端，电流传感器和负载串联后作为输出端连接在功率模块中，电流传感器的输出端经信号调理电路与数字控制器连接，数字控制器连接各个功率模块；单个所述功率模块包括四个半导体功率开关器件及其各自的驱动电路、两个电磁继电器及其各自的驱动电路与多个外部接线端口和均压器件，四个半导体功率开关器件以两个相串联的半导体功率开关器件为一组而分为两组半导体功率开关器件，其中第一组半导体功率开关器件两端作为电压输入端的两端，第二组半导体功率开关器件两端分别各串联一个电磁继电器后并联到电压输入端，第一组半导体功率开关器件中的两个半导体功率开关器件之间的引出端和第二组半导体功率开关器件中的两个半导体功率开关器件之间的引出端作为所述开关功率放大器输出端的两端。

【技术特征摘要】
1.一种用于模块化串联的电磁轴承用的开关功率放大器，其特征在于：包括数字控制器、电流传感器、信号调理电路和至少一个功率模块，功率模块以模块化方式串联后的两端作为电压输入端，电流传感器和负载串联后作为输出端连接在功率模块中，电流传感器的输出端经信号调理电路与数字控制器连接，数字控制器连接各个功率模块；单个所述功率模块包括四个半导体功率开关器件及其各自的驱动电路、两个电磁继电器及其各自的驱动电路与多个外部接线端口和均压器件，四个半导体功率开关器件以两个相串联的半导体功率开关器件为一组而分为两组半导体功率开关器件，其中第一组半导体功率开关器件两端作为电压输入端的两端，第二组半导体功率开关器件两端分别各串联一个电磁继电器后并联到电压输入端，第一组半导体功率开关器件中的两个半导体功率开关器件之间的引出端和第二组半导体功率开关器件中的两个半导体功率开关器件之间的引出端作为所述开关功率放大器输出端的两端。2.根据权利要求1所述的一种用于模块化串联的电磁轴承用的开关功率放大器，其特征在于：所述的均压器件包括电阻R和电容C，电阻R和电容C并联连接在电压输入端。3.根据权利要求1所述的一种用于模块化串联的电磁轴承用的开关功率放大器，其特征在于：所述数字控制器连接功率模块中的各个半导体功率开关器件和电磁继电器...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝长生，余忠磊，于洁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：新型
国别省市：浙江;33