[发明专利]一种三电平双电流滞环功率放大器

说明书

技术领域

本发明涉及一种功率放大器，特别是一种三电平双电流滞环功率放大器。 

背景技术

随着电力电子技术的发展，开关型功率放大器以其效率高、能承受大电流大电压的特点，得到了广泛应用。例如在主动电磁轴承领域，目前普遍采用高效率的开关功放取代线性功放。无论线性功率放大器还是开关功率放大器，功率放大器按控制类型可分为电流控制型功率放大器和电压控制型功率放大器。以电磁线圈的电流为控制量的称为电流控制型，以电磁线圈的电压为控制量的称电压控制型。例如在电磁轴承系统中，电压控制型功放由于输出的是电磁线圈的电压，需要把电压转化为线圈电流以驱动电磁线圈产生磁力，因此电压与电流的转换存在一个积分环节，使其控制系统的模型多出一阶，增加了控制系统设计的复杂性。电流控制型功放采用电流反馈，直接控制电磁线圈中的电流，控制手段直接简单，因此在中小型主动电磁轴承系统中得到广泛采用。 

电流型开关功率放大器按其调制方式可分为三角波载波比较方式、滞环比较方式和采样保持方式。三角波载波比较方式特点是频率固定，但其输出电压与输出电流之间有较明显的相位差。滞环比较方式的优点是电流跟踪性能好，无相位差，电路实现简单，成本低廉。采用采样保持方式的开关功放开关频率是固定的，总是发生在时钟的边沿，不能在任意时间开通。这样就可能会漏掉接近最小宽度的脉冲，即采样保持型功放对小信号不敏感，引起的控制误差大小取决于开关频率的大小。 

电流型开关功率放大器按其工作电平又可分为两电平和三电平两种形式。两电平开关功率放大器放由于设计简单、容易实现而被广泛使用，三电平功率放大器的电流纹波小于两电平功率放大器，且纹波大小几乎与母线电压无关，因此近年来得到很大应用。 

目前，国内对三电平开关功放的研究做了不少工作，但也存在一些问题。如改进的采样保持策略的三电平调制方式，控制电路复杂，只能采用各种分立的数模器件组合，很少采用模块化产品，可靠性低。利用相移SPWM技术的三电平开关功结构过于复杂，用于中小型主动电磁轴承明显不合适。此外利用全数字技术的开关功放虽然能达到比较好的性能，但硬件成本太高，需要高速的数模转换器和数字控制器，对于中小型功率放大器，它们的价格占了功率放大 器的大部分成本。 

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单，成本低，性能优越的三电平双电流滞环功率放大器。 

本发明的三电平双电流滞环功率放大器，包括： 

误差比较模块，用于电流参考信号与电流反馈信号的误差比较，其正负输入端分别与电流参考信号及电流反馈信号相连； 

PI电流控制器模块，PI电流控制器模块的输入端与误差比较模块的输出端相连； 

双电流滞环比较模块，用于将电流误差信号与设定的内外双滞环环宽作比较产生开关脉冲信号，包括两个滞环比较器、两个电平转换电路和多路模拟开关，第二滞环比较器的滞环宽度是第一滞环比较器滞环宽度的1.5～5倍，两个滞环比较器的输入端分别与PI电流控制器模块的输出端相连，第一滞环比较器的输出端经第一电平转换电路与多路模拟开关的输入端相连，第二滞环比较器的输出端经第二电平转换电路与多路模拟开关的控制端相连； 

光耦隔离驱动模块，用于将输入的开关脉冲信号隔离放大，光耦隔离驱动模块的输入端与多路模拟开关的输出端相连； 

功率变换模块，包括H桥电路和电磁线圈，H桥电路的控制端与光耦隔离驱动模块的输出端相连，H桥电路的输出端与电磁线圈相连。 

电流反馈模块，包括电流传感器和比例放大器，电流传感器的原边与功率变换模块的电磁线圈相连，电流传感器的副边连接比例放大器的输入端，比例放大器输出的电流反馈信号连接到误差比较模块的负输入端。 

工作时，误差比较模块通过比较电流参考信号和由电流传感器反馈回来的实际电流信号得到误差信号；PI电流控制器模块对电流误差信号进行比例微分处理；双滞环电流模块根据PI电流控制器模块输出的误差信号与设定的双电流滞环环宽比较，产生开关脉冲信号；光耦隔离驱动模块将输入的开关脉冲信号进行隔离和进一步放大；光耦隔离驱动模块输出信号输入到功率变换模块中H桥电路的控制端，通过控制H桥电路中的全控型开关管的通断来控制电磁线圈中电流的大小；电流反馈模块中的电流传感器将电磁线圈中的电流大小转换成电压信号，通过比例放大器，反馈到误差比较模块中的负输入端。通过本功率放大器，实现了在电磁线圈中产生与给定电流参考信号相应的电流。