软开关功率放大器制造技术

本发明专利技术公开了软开关功率放大器，属于电机驱动控制领域。软开关功率放大器包括：直流电源单元、逆变回路、谐振网络和滤波网络；谐振网络连接于所述直流电源单元供电端与所述逆变回路的输出端之间；所述逆变回路用以将所述直流电源单元输出的直流转换为交流通过所述滤波网络输送至负载。本发明专利技术由于该功率放大器的半导体开关器件工作在软开关状态，因此，具有电流控制精度高、动态响应快、效率高、噪声低等特点。

【技术实现步骤摘要】
软开关功率放大器
本专利技术属于电机驱动控制领域，尤其涉及一种软开关功率放大器。
技术介绍
PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)硬开关功率放大器因其成本低，控制简单，被广泛的应用于伺服驱动系统中。随着驱动器功率等级的提高，其硬开关的特性导致功率放大器开关损耗大，发热严重，降低了系统的可靠性和寿命，特别是在一些高精密场合，提高开关频率以此加快系统的响应速度和增加电流控制精度是非常有必要的。由于受到了开关损耗的限制，硬开关难以实现驱动器的高频化，因此为了提高系统效率和开关频率，出现了软开关功率放大器。现有的软开关功率放大器电路如图1所示，该电路通过增加无源无损吸收电路来实现软开关技术，利用无源器件自身的谐振过程改善功率开关器件的开关状况，减小开关管的关断损耗，同时使开关管导通期间无源无损吸收电路存储的能量得到有效转移，它实现了两个高频功率开关器件的软开关，减小了开关损耗，提高了系统的动态响应。由于采用了无源软开关的方式，其缺点主要是ZCS(ZeroCurrentSwitch，零电流开关)/ZVS(ZeroVoltageSwitch，零电压开关)条件与开关频率、负载等的变化有关，当开关频率(负载)等因素发生变化时，不能很好的保证电路的谐振模态的运行；主电路中的反并联二极管的电压应力大，并且两个低频管仍处于硬开关的状态。特别是在将该电路应用于精密运动控制场合，两个低频管在输出电流过零时进行切换，会导致输出电流过零畸变，所以提高开关频率后的输出电流纹波仍然很大，无法满足应用要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有软开关功率放大器的上述问题，现提供一种旨在实现桥式拓扑电路工作于全周期偏置电流模式，减小了输出电流纹波以及电压应力，并且在全负载(大电流、小电流)情况下都能实现软开关，以满足在大功率或者超精密运动控制场合下的需求的软开关功率放大器。一种软开关功率放大器，包括：直流电源单元、逆变回路、谐振网络和滤波网络；谐振网络连接于所述直流电源单元供电端与所述逆变回路的输出端之间；所述逆变回路用以将所述直流电源单元输出的直流转换为交流通过所述滤波网络输送至负载。优选的，所述逆变回路包括至少一个第一类半桥开关功率单元，每个所述第一类半桥开关功率单元包括由两个并联桥臂组成的第一类双压降半桥逆变器，当所述第一类半桥开关功率单元为多个时，所述第一类半桥开关功率单元之间并联连接；所述桥臂包括第一类桥臂和第二类桥臂，所述第一类桥臂与所述第二类桥臂并联桥臂组成的所述第一类双压降半桥逆变器；所述第一类桥臂的正极端连接所述直流电源单元的正极端，所述第一类桥臂的负极端连接直流电源单元的负极端；所述第二类桥臂的负极端连接所述直流电源单元的正极端，所述第二类桥臂的正极端连接直流电源单元的负极端。上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本专利技术的目的。本专利技术的有益效果在于，本专利技术的软开关功率放大器能够实现桥式拓扑电路工作于全周期偏置电流模式，减小了输出电流纹波以及电压应力，并且在全负载(大电流、小电流)情况下都能实现软开关，解决了现有软开关功率放大器的缺点，以满足在大功率或者超精密运动控制场合下的需求。该软开关功率放大器具有电流控制精度高、动态响应快、效率高、噪声低等特点，在电机高性能驱动、交直流电源等领域具有广泛的应用前景。附图说明图1为现有的软开关功率放大器的电路图；图2为本专利技术的半桥并联软开关功率放大器的一种实施例的电路图；图3为本专利技术的半桥软开关功率放大器的一种实施例的电路图；图4为本专利技术的全桥并联软开关功率放大器的一种实施例的电路图；图5为本专利技术的全桥软开关功率放大器的一种实施例的电路图；图6为本专利技术的三相全桥并联软开关功率放大器的一种实施例的电路图；图7为本专利技术的三相全桥软开关功率放大器的一种实施例的电路图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不作为本专利技术的限定。一种软开关功率放大器，包括：直流电源单元、逆变回路、谐振网络和滤波网络；谐振网络连接于直流电源单元供电端与逆变回路的输出端之间；逆变回路用以将直流电源单元输出的直流转换为交流通过滤波网络输送至负载。在本实施例中，软开关功率放大器能够实现桥式拓扑电路工作于全周期偏置电流模式，减小了输出电流纹波以及电压应力，并且在全负载(大电流、小电流)情况下都能实现软开关，解决了现有软开关功率放大器的缺点，以满足在大功率或者超精密运动控制场合下的需求。该软开关功率放大器具有电流控制精度高、动态响应快、效率高、噪声低等特点，在电机高性能驱动、交直流电源等领域具有广泛的应用前景。在优选的实施例中，逆变回路包括至少一个第一类半桥开关功率单元，每个第一类半桥开关功率单元包括由两个并联桥臂组成的第一类双压降半桥逆变器，当第一类半桥开关功率单元为多个时，第一类半桥开关功率单元之间并联连接；桥臂包括第一类桥臂和第二类桥臂，第一类桥臂与第二类桥臂并联桥臂组成的第一类双压降半桥逆变器；第一类桥臂的正极端连接直流电源单元的正极端，第一类桥臂的负极端连接直流电源单元的负极端；第二类桥臂的负极端连接直流电源单元的正极端，第二类桥臂的正极端连接直流电源单元的负极端。在本实施例中，直流电源单元包括正直流电源和负直流电源。当逆变回路包括一个双压降半桥逆变器时，软开关功率放大器为半桥软开关功率放大器，如图3所示，半桥逆变回路由功率开关器件S1,S2，二极管D1,D2和谐振电容Cs1,Cs2组成，功率开关器件S1的负极端和二极管D1的阴极端连接形成一个桥臂，功率开关器件S2的正极端和二极管D2的阳极端连接形成另一个桥臂，将两个桥臂并联形成一个半桥；谐振电容Cs1,Cs2分别按顺序与相应的功率开关器件S1,S2,并联。当逆变回路包括多个并联的双压降半桥逆变器时，软开关功率放大器为半桥并联软开关功率放大器，如图2所示，半桥并联逆变回路由功率开关器件S1,S2,……,S2i-1,S2i,……,S2N-1,S2N，二极管D1,D2,……,D2i-1,D2i,……,D2N-1,D2N和谐振电容Cs1,Cs2,……,Cs2i-1,Cs2i,……,Cs2N-1,Cs2N组成。功率开关器件S1的负极端和二极管D1的阴极端连接形成一个桥臂，功率开关器件S2的正极端和二极管D2的阳极端连接形成另一个桥臂，将两个桥臂并联形成一个半桥；功率开关器件S2N-1的负极端和二极管D2N-1的阴极端连接形成一个分流桥臂，功率开关器件S2N的正极端和二极管D2N的阳极端连接形成另一个分流桥臂，将两个桥臂并联形成另一个半桥，两个半桥并联形成了大电流下的双降压多半桥逆变器。双降压多半桥逆变器的正极端连接至直流电源正极端，双降压多半桥逆变器的负极端连接至直流电源负极端。同理，相应的功率开关器件功率开关器件S2i-1的负极端和二极管D2i本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种软开关功率放大器，其特征在于，包括：直流电源单元、逆变回路、谐振网络和滤波网络；谐振网络连接于所述直流电源单元供电端与所述逆变回路的输出端之间；所述逆变回路用以将所述直流电源单元输出的直流转换为交流通过所述滤波网络输送至负载。

【技术特征摘要】
1.一种软开关功率放大器，其特征在于，包括：直流电源单元、逆变回路、谐振网络和滤波网络；谐振网络连接于所述直流电源单元供电端与所述逆变回路的输出端之间；所述逆变回路用以将所述直流电源单元输出的直流转换为交流通过所述滤波网络输送至负载。2.根据权利要求1所述的软开关功率放大器，其特征在于，所述逆变回路包括至少一个第一类半桥开关功率单元，每个所述第一类半桥开关功率单元包括由两个并联桥臂组成的第一类双压降半桥逆变器，当所述第一类半桥开关功率单元为多个时，所述第一类半桥开关功率单元之间并联连接；所述桥臂包括第一类桥臂和第二类桥臂，所述第一类桥臂与所述第二类桥臂并联桥臂组成的所述第一类双压降半桥逆变器；所述第一类桥臂的正极端连接所述直流电源单元的正极端，所述第一类桥臂的负极端连接直流电源单元的负极端；所述第二类桥臂的负极端连接所述直流电源单元的正极端，所述第二类桥臂的正极端连接直流电源单元的负极端。3.根据权利要求2所述的软开关功率放大器，其特征在于，所述谐振网络包括由第一分压电容Cd1、第二分压电容Cd2、第三分压电容Cd3和2N个谐振模块构成的2N个谐振回路，所述谐振模块的个数与所述桥臂的个数相同，其中N为正整数；所述分压电容Cd1、第二分压电容Cd2和第三分压电容Cd3依次串联于所述直流电源单元两端，所述分压电容Cd1的一端连接所述直流电源单元的正极端，所述分压电容Cd3的一端连接所述直流电源单元的负极端；所述谐振模块包括：第一类谐振模块和第二类谐振模块，所述第一类谐振模块与所述第一类桥臂对应，所述第二类谐振模块与所述第二类桥臂对应；所述第一类谐振模块的输入端连接于所述第一分压电容Cd1与第二分压电容Cd2之间，第一类谐振模块的输出端与所述第一类桥臂的输出端连接，以形成一路所述谐振回路；所述第二类谐振模块的输入端连接于所述第二分压电容Cd2与第三分压电容Cd3之间，第二类谐振模块的输出端与所述第二类桥臂的输出端连接，以形成一路所述谐振回路。4.根据权利要求2所述的软开关功率放大器，其特征在于，所述滤波网络包括由第一滤波电容Cf1、第二滤波电容Cf2和2N个滤波模块构成的2N个滤波回路，所述滤波模块的个数与所述桥臂的个数相同，其中N为正整数；所述第一滤波电容Cf1和第二滤波电容Cf2串联于所述直流电源单元两端，所述第一滤波电容Cf1的一端连接所述直流电源单元的正极端，所述第二滤波电容Cf2的一端连接所述直流电源单元的负极端，所述负载的一端连接于所述第一滤波电容Cf1与第二滤波电容Cf2之间，所述负载的另一端接地；所述滤波模块包括：第一类滤波模块和第二类滤波模块，所述第一类滤波模块与所述第一类桥臂对应，所述第二类滤波模块与所述第二类桥臂对应；所述第一类滤波模块的输入端连接所述第一类桥臂的输出端，所述第一类滤波模块的输出端连接于所述第一滤波电容Cf1与第二滤波电容Cf2之间；所述第二类滤波模块的输入端连接所述第二类桥臂的输出端，所述第二类滤波模块的输出端连接于所述第一滤波电容Cf1与第二滤波电容Cf2之间。5.根据权利要求2所述的软开关功率放大器，其特征在于，所述逆变回路还包括至少一个第二类半桥开关功率单元，所述第二类半桥开关功率单元的个数与所述第一类半桥开关功率单元的个数相同；所述第二类半桥开关功率单元与第一类半桥开关功率单元一一对应，所述第一类半桥开关功率单元与相应的所述第二类半桥开关功率单元并联形成双压降全桥逆变器；所述桥臂还包括第三类桥臂和第四类桥臂，所述第三类桥臂与所述第四类桥臂并联桥臂组成的第二类双压降半桥逆变器；所述第三类桥臂的正极端连接所述直流电源单元的正极端，所述第三类桥臂的负极端连接直流电源单元的负极端；所述第四类桥臂的负极端连接所述直流电源单元的正极端，所述第四类桥臂的正极端连接直流电源单元的负极端。6.根据权利要求5所述的软开关功率放大器，其特征在于，所述谐振网络包括由第一分压电容Cd1、第二分压电容Cd2、第三分压电容Cd3和4N个谐振模块构成的4N个谐振回路，所述谐振模块的个数与所述桥臂的个数相同，其中N为正整数；所述分压电容Cd1、第二分压电容Cd2和第三分压电容Cd3依次串联于所述直流电源单元两端，所述分压电容Cd1的一端连接所述直流电源单元的正极端，所述分压电容Cd3的一端连接所述直流电源单元的负极端；所述谐振模块包括：第一类谐振模块、第二类谐振模块、第三类谐振模块和第四类谐振模块，所述第一类谐振模块与所述第一类桥臂对应，所述第二类谐振模块与所述第二类桥臂对应，所述第三类谐振模块与所述第三类桥臂对应，所述第四类谐振模块与所述第四类桥臂对应；所述第一类谐振模块的输入端连接于所述第一分压电容Cd1与第二分压电容Cd2之间，第一类谐振模块的输出端与所述第一类桥臂的输出端连接，以形成一路所述谐振回路；所述第二类谐振模块的输入端连接于所述第二分压电容Cd2与第三分压电容Cd3之间，第二类谐振模块的输出端与所述第二类桥臂的输出端连接，以形成一路所述谐振回路；所述第三类谐振模块的输入端连接于所述第一分压电容Cd1与第二分压电容Cd2之间，第三类谐振模块的输出端与所述第三类桥臂的输出端连接，以形成一路所述谐振回路；所述第四类谐振模块的输入端连接于所述第二分压电容Cd2与第三分压电容Cd3之间，第四类谐振模块的输出端与所述第四类桥臂的输出端连接，以形成一路所述谐振回路。7.根据权利要求5所述的软开关功率放大器，其特征在于，所述滤波网络包括由第一滤波电容Cf1、第二滤波电容Cf2、第三滤波电容Cf3、第四滤波电容Cf4和4N个滤波模块构成的4N个滤波回路，所述滤波模块的个数与所述桥臂的个数相同，其中N为正整数；所述第一滤波电容Cf1和第二滤波电容Cf2串联于所述直流电源单元两端，所述第一滤波电容Cf1的一端连接所述直流电源单元的正极端，所述第二滤波电容Cf2的一端连接所述直流电源单元的负极端，所述负载的一端连接于所述第一滤波电容Cf1与第二滤波电容Cf2之间；所述第三滤波电容Cf3和第四滤波电容Cf4串联于所述直流电源单元两端，所述第三滤波电容Cf3的一端连接所述直流电源单元的正极端，所述第四滤波电容Cf4的一端连接所述直流电源单元的负极端，所述负载的另一端连接于所述第三滤波电容Cf3与第四滤波电容Cf4之间；所述滤波模块包括：第一类滤波模块、第二类滤波模块、第三类滤波模块和第四类滤波模块，所述第一类滤波模块与所...

【专利技术属性】
技术研发人员：寇宝泉，韦坚，张海林，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23