一种单相交流信号功率放大控制系统的制作方法

本发明涉及一种电源控制驱动技术，特别是一种单相交流信号功率放大控制系统。

背景技术：

现有技术产生闭环的同步单相交流信号的功率放大方法，通常是采用高速数字处理器实现。如图1所示：通过交流采样电路采样需要同步放大的交流信号，通过A/D转换芯片或者MCU内置的A/D芯片转换为数字量，MCU对数字信号进行分析处理，通过算法产生同相位、同频率的PWM信号驱动开关器件，得到大功率交流信号；反馈的大电压、电流信号通过电压/电流采样处理电路（如AD采样电路）转换为数字量反馈给MCU，MCU采用 PID算法控制功率开关得到目标所需要的电压或电流。然而该控制电路的相位差因程序算法复杂、程序延时等因素导致相位差精度不高，同时程序还会存在跑飞的失效风险。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种控制简单可靠，无需程序算法，相位精度高，响应时间短的单相交流信号功率放大控制系统。

本发明的技术方案是：一种单相交流信号功率放大控制系统，包括PFC芯片A、PFC芯片B、交流采样电路、反向电路、负值处理电路、SPWM驱动电路、逆变电路和滤波电路；

所述交流采样电路的输入端连接需要被功率放大的交流信号；

所述交流采样电路的第一输出端经负值处理电路连接PFC芯片A的电流采样输入端；

所述交流采样电路的第二输出端依次经反向电路和负值处理电路连接PFC芯片B的电流采样输入端；

所述PFC芯片A和PFC芯片B的驱动输出端连接SPWM驱动电路的输入端；SPWM驱动电路的输出端连接逆变电路和滤波电路；

所述滤波电路的输出电流端和输出电压端经电压/电流采样处理电路分别连接至PFC芯片A和PFC芯片B的电压反馈输入引脚。

进一步，所述电压/电流采样处理电路包括电压/电流采样及均值/有效值检测电路、给定电压外置匹配电路，所述滤波电路的输出电流端和输出电压端依次经电压/电流采样及均值/有效值检测电路和给定电压外置匹配电路连接至PFC芯片A和PFC芯片B的电压反馈输入引脚。

进一步，所述给定电压外置匹配电路的给定电压连接外部给定电压；或者给定电压为所述需要被功率放大的交流信号，所述交流信号经交流采样电路连接均值/有效值检测电路的输入端，均值/有效值检测电路的输出端连接给定电压外置匹配电路的给定电压。

进一步，所述给定电压外置匹配电路的给定电压经控制开关连接外部给定电压或均值/有效值检测电路的输出端，实现二者之间的切换。本发明可以采用控制开关来切换，也可以是两路信号选任意一个作为输入。

进一步，所述交流采样电路的第三输出端经过零检测及正保持电路连接SPWM驱动电路的输入端。

进一步，所述反向电路的输出端还连接所述过零检测及正保持电路的输入端。

进一步，所述逆变电路为由四个开关管构成的逆变桥；所述滤波电路连接逆变桥的中间点；滤波电路为LC滤波电路。

进一步，所述驱动电路包括驱动芯片和与驱动芯片连接的外围元器件。

进一步，所述给定电压外置匹配电路包括第一运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器，所述第一运算放大器的同相输入端连接电压/电流采样及均值/有效值检测电路的输出端，所述第二运算放大器的反相输入端连接给定电压，所述第一运算放大器和第二运算放大器的输出端经电阻连接第三运算放大器的同相输入端。

进一步，所述电压/电流采样处理电路包括电压/电流采样单元和均值/有效值检测单元，电压/电流采样单元用于采集滤波电路输出的电压/电流交流信号；交流信号通过均值或者有效值进行处理,得到直流信号。

进一步，所述开关管为IGBT管或MOS管或其他开关器件。

本发明的有益效果：无须软件算法，不需要AD采样，全部采用模拟芯片即可实现交流信号的功率放大，相位误差小，通过本发明的控制系统，相位差可以达到1度以下，同时节约了单片机芯片及AD芯片，不需要软件开发成本，大大降低开发及成品成本。

附图说明

图1是现有技术的电路结构示意图；

图2是本发明实施例的电路结构示意图；

图3是本发明实施例给定电压外置匹配电路的电路原理图；

图4是本发明实施例SPWM驱动电路的电路原理图；

图5是本发明实施例负值处理电路的电路原理图；

图6是本发明实施例SPWM驱动电路的控制原理图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图2所示：一种单相交流信号功率放大控制系统，包括PFC芯片A、PFC芯片B、交流采样电路、反向电路、负值处理电路、SPWM驱动电路、逆变电路和滤波电路。

交流采样电路的输入端连接需要被功率放大的交流信号。交流采样电路的第一输出端经负值处理电路连接PFC芯片A的电流采样输入端。交流采样电路的第二输出端依次经反向电路和负值处理电路连接PFC芯片B的电流采样输入端。

PFC芯片A和PFC芯片B的驱动输出端连接SPWM驱动电路的输入端。SPWM驱动电路的输出端连接逆变电路和滤波电路。滤波电路的输出电流端和输出电压端经电压/电流采样处理电路分别连接至PFC芯片A和PFC芯片B的电压反馈输入引脚。

本发明中，采用采用两片PFC芯片分别产生SPWM信号正半波和负半波，即PFC芯片A产生SPWM信号正半波，PFC芯片B产生SPWM信号负半波。通过SPWM驱动电路驱动逆变电路，产生的大功率SPWM信号经过滤波电路滤波，生成正弦波信号,实现对AC小信号的功率放大。

上述方案无须软件算法，不需要AD采样，全部采用模拟电路芯片即可实现交流信号的功率放大，相位差可以达到1度以下，同时节约了单片机、DSP或MCU芯片以及AD芯片，不需要软件开发成本，降低了开发及生产维护成本、效率。

其中，负值处理电路有两个，分别与PFC芯片A和PFC芯片B连接，且两个负值处理电路结构相同。交流信号经过负值处理电路后只留下正半波信号，送至PFC芯片A；而交流信号依次经反向电路和负值处理电路后只留下负半波信号，送至PFC芯片B。通过SPWM信号正半波和负半波的交替运行，能够使电源持续提供恒频恒压、无崎变的纯正弦波交流电。

进一步地，电压/电流采样处理包括电压/电流采样及均值/有效值检测电路、给定电压外置匹配电路，滤波电路的输出电流端和输出电压端依次经电压/电流采样及均值/有效值检测电路和给定电压外置匹配电路连接至PFC芯片A和PFC芯片B的电压反馈输入引脚。

其中，给定电压外置匹配电路有两个，分别与PFC芯片A和PFC芯片B连接，且两个负值处理电路结构相同。

本发明的电压/电流采样及均值/有效值检测电路包括电压/电流采样单元和均值/有效值检测单元，电压/电流采样单元用于采集滤波电路输出的电压/电流交流信号；交流信号通过均值或者有效值进行处理,得到直流信号，输送给给定电压外置匹配电路。同时给定电压外置匹配电路的给定电压可为外部给定电压或者采样的AC信号本身的有效值/平均值，两路信号选任意一个作为输入。AC信号本身的有效值/平均值通过将需要被功率放大的交流信号依次经交流采样电路、均值/有效值检测电路输出获得。

给定电压外置匹配电路的作用是:由于大部分PFC芯片的输出给定电压已内置,无专门的输出给定电压引脚，而放大后的功率信号的电压或电流幅度是需要根据实际情况进行改变的。通过设置给定电压外置匹配电路，目标给定参考可通过外部参考给定,也可以通过交流信号本身的幅度大小来给定,交流信号通过均值或者有效值进行处理,得到直流信号。给定电压外置匹配电路把含有的给定电压信号和实际的电压/电流采样及均值/有效值检测电路的输出信号进行整合送到PFC芯片A和PFC芯片B的电压反馈输入引脚，从而实现放大后的功率信号的电压或电流幅度的灵活调节。

进一步地，交流采样电路的第三输出端经过零检测及正保持电路连接SPWM驱动电路的输入端。反向电路的输出端连接过零检测及正保持电路的输入端。

过零检测及正保持电路的作用是: 当交流信号为正半波时用于禁止PFC芯片B的信号输出驱动；当交流信号为负半波时，用于禁止PFC芯片A的信号输出驱动。

以下为本发明的一个优选实施例：

本实施例的PFC芯片A和PFC芯片B的型号为ICE2PCS05，其中电流采样输入端为ICE2PCS05芯片的第3引脚，驱动输出端为ICE2PCS05芯片的第8引脚，电压反馈输入端为ICE2PCS05芯片的第6引脚。

本实施例中，逆变电路为由四个开关管Q1~Q4构成的逆变桥，SPWM驱动电路的输出端分别连接每个开关管的门极和发射极，开关管的集电极连接直流电源。滤波电路为LC滤波电路，包括电感L和电容C。LC滤波电路连接于四个开关管的发射极之间。LC滤波电路的输出电流端IM和输出电压端VM分别连接电压/电流采样及均值/有效值检测电路的输入端。

如图3所示：本实施例中，给定电压外置匹配电路包括运算放大器U1、运算放大器U2和运算放大器U3，运算放大器U1的同相输入端经电阻R5连接电压/电流采样及均值/有效值检测电路的输出端；运算放大器U2的反相输入端分别经电阻R1和R2连接给定电压Vref和+3V电压；运算放大器U1和运算放大器U2的输出端分别经电阻R6和R7连接运算放大器U3的同相输入端，运算放大器U3的输出端连接PFC芯片A和PFC芯片B的电压反馈输入端。

如图4所示：本实施例中，SPWM驱动电路包括HCNW3120驱动芯片，HCNW3120驱动芯片的第6、7引脚经过电阻R10连接两个三极管VT1和VT2，三极管VT1的发射极连接三极管VT2的发射极，三极管VT1和VT2的两个发射极之间输出大功率驱动信号，驱动四个开关管Q1~Q4。其中三极管VT1为NPN型三极管，三极管VT2为PNP型三极管。

本实施例中，反向电路为反相器。

如图5所示：本实施例中，负值处理电路包括运算放大器U4，运算放大器U4的同相输入端经电阻R13连接交流采样电路或反向电路；运算放大器U4的输出端经电阻R14和二极管D1连接PFC芯片A和PFC芯片B的电流采样输入端；运算放大器U4的输出端经电阻R14和二极管D1还连接运算放大器U4的反向相输入端。

本实施例的工作原理为：交流采样电路对交流信号源AC产生的交流信号进行采集，其一个输出端经负值处理电路后只留下正半波信号送至PFC芯片A的电流采样输入脚；其另一个输出端依次经反向电路和负值处理电路后只留下负半波信号；PFC芯片A和PFC芯片B产生高频载波的SPWM信号经SPWM驱动电路驱动四个开关管Q1~Q4。如图6所示：具体为：

PFC芯片A的驱动输出PWMA的正输出驱动开关管Q2、Q3，PWMA的负输出驱动开关管Q1、Q4；

PFC芯片B的驱动输出PWMB的正输出驱动开关管Q1、Q4，PWMB的负输出驱动开关管Q2、Q3。

其中，当交流信号为正半波时，通过过零检测及正保持电路得到正弦波为正半波时的一个脉冲信号，通过此脉冲信号，禁止PFC芯片B的信号输出驱动，允许PFC芯片A的信号输出驱动，实现PFC芯片A产生的驱动信号经过开关管及滤波电路后得到输入正弦波信号的正半波。当交流信号为负半波时，经过过反向电路，再通过过零检测及正保持电路，得到输入信号为负半波时的一个脉冲信号，通过此脉冲信号，禁止PFC芯片A的信号输出驱动，允许PFC芯片B的信号输出驱动，实现PFC芯片B产生的驱动信号经过开关管及滤波电路后得到输入正弦波信号的负半波。

经过LC滤波电路进行滤波，生成正弦波信号，实现对交流信号源AC所产生的交流信号的功率放大。通过电压/电流采样单元采集输出电压或电流信号，送至给定电压外置匹配电路，与给定电压进行比较，给定电压外置匹配电路通过将给定信号和实际的电压/电流输出信号进行处理整合，使得LC滤波电路输出与交流信号源AC输入同频同相的信号，并送到PFC芯片A和PFC芯片B的电压反馈输入引脚，得到恒频恒压、无崎变的纯正弦波交流电。

以上的电路结构仅是本发明对部分电路举例的一个优选实施例，但并不限定本发明的电路结构范围。上述电路均可以采用现有技术中与本发明功能相同的任何电路结构。