一种减小并联型线性滤波器线性调整管功耗的装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术属于高电压、大功率电源领域。针对目前并联型线性滤波器需要的线性调整管数量多、散热成本高、价格昂贵的问题，提供一种减小并联型线性滤波器线性调整管功耗的装置，通过在线性调整管支路串联合适的电阻，并对串联电阻进行电流注入，调整串联电阻的电压，从而降低线性调整管电压，减小调整管功耗。该装置不影响线性调整管的电流控制特性，在不影响其滤波效果的前提下，将主要功率应力转移到成本较低的调整管串联电阻以及效率更高的可控电源上，可减少目前并联线性滤波器中线性调整管的使用数量，大大节约整体成本。

A device to reduce the power consumption of linear regulator of parallel linear filter

【技术实现步骤摘要】
一种减小并联型线性滤波器线性调整管功耗的装置
本技术属于高电压、大功率电源领域。具体地，涉及一种减小并联型线性滤波器线性调整管功耗的装置。
技术介绍
随着科技的飞速发展，某些精密实验和精密装置对电源的稳定性要求越来越高，高稳定度的直流电源得到了越来越广泛的使用。例如，位于安徽合肥中科院物理科学研究院的稳态强磁场实验装置，对电源输出电流的稳定度要求为50ppm；位于上海瑞金医院的首台国产质子治疗示范装置中，质子加速器励磁电源的电流的稳定度要求达到1ppm。在对稳定性要求较高的电源中，无源滤波器的滤波效果无法满足要求，通常使用有源滤波器或同时使用无源滤波器和有源滤波器来滤除电源中的纹波。线性滤波器分为串联型线性滤波器和并联型线性滤波器两种。串联型线性滤波器的特点是负载电流全部经过滤波器，因此体积和重量大，成本高。并联型滤波器分为PWM型并联滤波器和线性并联滤波器。专利CN1116731C公开了一种使用PWM控制的并联型有源滤波器，通过检测纹波电流进行补偿，并与无源滤波器联合使用，电流稳定度小于10ppm。PWM型并联有源滤波器的缺点是存在高频开关纹波，对某些对纹波敏感的科学实验，如核磁共振、比热测量及磁化测量等实验造成干扰。线性并联滤波器利用半导体在线性放大区内电流只与控制信号相关的特性，控制半导体吸收电源输出纹波电流，从而达到滤除电源纹波的目的。专利CN201810411004提出一种吸电流并联型线性滤波器，使用IGBT为线性调整管，吸收电源输出电流纹波，实现高稳定度平顶脉冲磁场。该方案与PWM控制的并联型有源滤波器相比，无高频开关纹波，能够达到更高的稳定度。目前并联性线性滤波器普遍存在的问题是：线性调整管承受较高电压，功耗很大，通常需要多个并联，价格昂贵。某些文献中提到在线性调整管支路上串联限流电阻后，可以在特定工作区间内降低调整管的功耗，但是该方法在调整管电流变化较大的应用场景下效果并不理想。以负载端电压为100V、线性滤波器通过的最大电流(即旁路电流)为100A举例，在旁路电流达到最大时，半导体两端电压最低，为使半导体仍能够维持线性放大区特性，半导体两端电压不能低于一定值，以半导体选用IGBT为例，通常为5V。以此为例，串联电阻的阻值应保证在最大旁路电流下IGBT端电压为5V，即此时IGBT功耗的计算式为P＝UI＝(100-I×R)×I＝100I-0.95I2(2)对该函数求极值可知其最大功率为2632W，此时旁路电流为53A。若使用PWM型有源滤波器，并假设IGBT饱和压降为2V，占空比为50％，开关损耗和导通损耗相等，则IGBT功耗在旁路电流最大时取极值，为Pmax＝2×100＝200W(3)从中可以看出，在旁路电流达到最大电流的一半时，并联型线性滤波器中半导体器件的损耗可能为PWM型并联有源滤波器的十几倍，需要半导体的数量多，散热成本高，价格昂贵，通常只用于精密的科学装置和商业装置。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本技术旨在解决目前对精度和噪声要求很高的高电压、大功率、宽电流范围场景下，并联型线性滤波器需要的线性调整管数量多的问题。通过在线性调整管支路串联合适的电阻，并对串联电阻进行电流注入，调整串联电阻的电压，从而降低线性调整管电压，减小调整管功耗，该方法不影响线性调整管的电流控制特性，在不影响其滤波效果的前提下，将主要功率应力转移到成本较低的调整管串联电阻以及效率更高的可控电源上，可以减少目前并联线性滤波器中线性调整管的使用数量，大大节约整体成本。本技术提供一种减小并联型线性滤波器线性调整管功耗的装置，包括主电源U1、开关K1、负载分压电阻R1、负载电阻R2、线性调整管Q1，所述主电源U1、开关K1、负载分压电阻R1、负载电阻R2依次串联构成主回路，该系统还包括调整管分压电阻R3、二极管D1、可控电源U2。在IGBT上串联有调整管分压电阻，通过可控电源控制该分压电阻上的电压，使IGBT的集电极发射极电压保持为5V，降低IGBT的功耗，并保持其线性放大区的工作特性。二极管D1阳极连接在可控电源输出侧防止电流反灌。进一步地，该装置还包括负载电流传感器、线性调整管电流传感器、电压传感器、控制器、线性隔离驱动，负载电流传感器、线性调整管电流传感器、电压传感器与控制器的输入端相连，控制器的输出端连接线性隔离驱动和可控电源U2，线性隔离驱动为调整管Q1产生连续可调的驱动电压。在线性放大区内，IGBT集电极发射极电流与门极电压存在确定的关系，且受集电极发射极电压的影响很小，可以看作电流源。通过此电流源吸收电源和电路参数变化产生的纹波，使得负载电流保持稳定。进一步地，负载电流传感器、线性调整管电流传感器分别采集负载电流信号I1和旁路电流信号I2，电压传感器采集调整管Q1的集电极发射极电压信号V1，外部给定参考电流信号Iref和参考电压信号Vref，所述电流传感器信号I1、I2、电压传感器信号V1、参考电流信号Iref和参考电压信号Vref输入至控制器，经过运算后产生输出电压信号V2和可控电源控制信号G1，电压信号V2、旁路电流信号I2输入至线性隔离驱动，线性隔离驱动的输出电压V3用于直接驱动调整管Q1。进一步地，所述线性隔离驱动包括运算电路、隔离电路、偏置电路、差分放大电路、低通滤波电路、功率放大电路，运算电路、隔离电路、差分放大电路、低通滤波电路、功率放大电路依次连接，偏置电路的输出与差分放大电路连接。更进一步地，所述可控电源U2为开关电源，并工作于欠补偿方式。即在IGBT通过电流较小时，可控电源的最大输出电流不能够将IGBT两端电压补偿至参考电压，当IGBT电流逐渐增大至阈值点后，可控电源电流和IGBT电流的和才能够将调整管分压电阻R3的电压提高到可以将IGBT电压补偿至参考电压的程度。在达到该阈值点后，随着IGBT电流增大，可控电源电流随之减小，但是两者的和保持不变，以保持调整管分压电阻R3和调整管Q1电压的稳定。进一步地，线性调整管(Q1)为IGBT、BJT或MOSFET，吸收电源和电路参数变化产生的纹波，使得负载电流保持稳定。通过本技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，可以大大减小并联型线性滤波器工作在高电压、大功率时的功耗，从而减小系统成本，同时不会对其滤波效果带来负面影响，而且其控制系统相对简单，不需要复杂的时序控制。附图说明图1为本技术实施例的系统结构图；图2为本技术实施例提供的线性隔离驱动结构图；图3为本技术实施例提供的控制算法结构图；图4为IGBT电压与IGBT电流的关系；图5为IGBT功率与IGBT电流的关系；图6为可控电源电流与IGBT电流的关系；在所附图中，U1为主电源；U2为可控电源；K1为开关；R1为串联在电源和负载之间的负载分压电阻，由电源内阻和线路阻抗组成；R2为负载；R3为调整管分压电阻；Q1为IGBT；D1为防反灌二极管；V1为Q1电压；V2为控制器输出电压；V本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种减小并联型线性滤波器线性调整管功耗的装置，包括主电源(U

【技术特征摘要】
1.一种减小并联型线性滤波器线性调整管功耗的装置，包括主电源(U1)、开关(K1)、负载分压电阻(R1)、负载电阻(R2)、线性调整管(Q1)，所述主电源(U1)、开关(K1)、负载分压电阻(R1)、负载电阻(R2)依次串联构成主回路，其特征在于：该装置还包括调整管分压电阻(R3)、二极管(D1)、可控电源(U2)；
线性调整管(Q1)的集电极连接于负载分压电阻(R1)、负载电阻(R2)之间，调整管分压电阻(R3)的一端与线性调整管(Q1)的发射极相连，调整管分压电阻(R3)的另一端与主电源(U1)的负极相连；二极管(D1)的阴极与线性调整管(Q1)的发射极相连，二极管(D1)的阳极与可控电源(U2)的正极相连，可控电源(U2)的负极与主电源(U1)的负极相连。


2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括负载电流传感器(1)、线性调整管电流传感器(2)、电压传感器(3)、控制器(4)、线性隔离驱动(5)，负载电流传感器(1)、线性调整管电流传感器(2)、电压传感器(3)与控制器的输入端相连，控制器(4)的输出端连接线性隔离驱动(5)和可控电源(U2)，线性隔离驱动(5)为线性调整管(Q1)产生连续可调的驱动电压。


3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，负载电流传感器(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩小涛，王正磊，张绍哲，谢剑峰，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：新型
国别省市：湖北;42