一种大容性负载的开关式驱动功放的制作方法

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种大容性负载的开关式驱动功放。

背景技术：

现有技术中，容性负载驱动功放多采用直流放大式和开关式两种方法实现。当大容性负载工作在千赫兹级时，容性负载随着工作频率增高，交流阻抗减少，驱动功放在高压、高频输出时电流远超过低频或直流工作状态。在电学中，容性负载因与驱动电路的输出阻抗r构成的rc回路会对驱动功放的动态性能产生影响，因此对容性负载驱动功放性能的要求较高。随着电力电子的发展，以运算放大器、模拟功率器件为核心的直流放大式驱动功放具有原理简单、驱动方式容易的优点，但当应用于高压、高频、大功率输出场合时，存在电路功率损耗大、转换效率低等缺陷，尤其在大容性负载情况下，存在高频、高压下，输出大电流困难的问题。

对于大容性负载，存在瞬间大电流充电问题，轻则干扰驱动，影响可靠性，重则损毁器件。在mos管选型方案中，第一代si双极晶体管虽在低频相位控制中已得到广泛应用，但由于工作频率受到限制，不适用于大容性负载的使用场合；第二代mosfet虽有所改善，但以此牺牲了高压工作能力，功率mosfet以更快的速率随击穿电压增加而变坏。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种大容性负载的开关式驱动功放，包括数字/模拟变换控制电路、pwm整流电路、多路半桥逆变电路、电源电路与大容性负载，还包括多路半桥逆变电路；所述数字/模拟变换控制电路第一输出端与pwm整流电路输入端相连；所述电源电路分别与pwm整流电路、多路半桥逆变电路相连；所述pwm整流电路输出端、数字/模拟变换控制电路输出端分别与多路半桥逆变电路输入端相连；所述数字/模拟变换控制电路用于信号源输入端以及输出spwm信号，spwm信号用于驱动多路半桥逆变电路；所述多路半桥逆变电路与大容性负载相连。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：整流电路实现ac-dc的单位功率因素整流，输出0至千伏级的稳定直流电压给多路半桥逆变电路，数字/模拟变换控制电路产生spwm信号驱动多路半桥逆变电路中mosfet管，将整流电路输出的直流电压逆变为由spwm信号决定幅值频率的正弦波电压信号，最终作用于大容性负载。

本发明的有益效果在于：本发明采用多路半桥逆变电路并联拓扑结构，利用移相式spwm驱动方式控制核心放大管，产生高压、高频、大电流输出给大容性负载。

附图说明

图1是本发明的系统图；

图2是多路半桥逆变电路的电路图；

图3是spwm调制波形示意图；

图4是多路半桥逆变电路输出电压波形图；

图5是大容性负载驱动电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如附图1所示，本发明一种大容性负载的开关式驱动功放，包括数字/模拟变换控制电路、pwm整流电路、多路半桥逆变电路、电源电路与大容性负载，还包括多路半桥逆变电路；所述数字/模拟变换控制电路第一输出端与pwm整流电路输入端相连；所述电源电路分别与pwm整流电路、多路半桥逆变电路相连；所述pwm整流电路输出端、数字/模拟变换控制电路输出端分别与多路半桥逆变电路输入端相连；所述数字/模拟变换控制电路用于信号源输入端以及输出spwm信号，spwm信号用于驱动多路半桥逆变电路；所述多路半桥逆变电路与大容性负载相连。

具体的，如附图2所示，所述多路半桥逆变电路包括至少两个并联的半桥电路；所述半桥电路包括第一开关管单元与第二开关管单元；所述第一开关管单元包括第一开关管；所述第二开关管单元包括第二开关管；所述数字/模拟变换控制电路的控制输出端与第一开关管栅极、第二开关管栅极相连；所述电源电路第一输出端接第一开关管源极；第一开关管漏极接第二开关管源极；第二开关管漏极接电源电路第二输出端。

具体的，所述第一开关管单元与第二开关管单元均包括第一电容、二极管与电阻；电容第一端与开关管源极相连；电容第二端与二极管正极、电阻第一端相连；二极管负极、电阻第二端与开关管漏极相连。

具体的，所述数字/模拟变换控制电路包括传感器、模数转换单元、dsp控制器与隔离驱动电路；传感器通过模数转换单元与dsp控制器第一输入端相连；dsp控制器第二输入端用于信号源输入；dsp控制器输出端通过隔离驱动电路与多路半桥逆变电路输入端相连。

电源电路采用线性稳压器，用于输出直流电压。pwm整流电路采用整流器。多路半桥逆变电路输入端设置限幅电路，对多路半桥逆变电路实施过压保护，避免损坏开关管，dsp控制器通过pwm整流电路与限幅电路输入端相连；限幅电路并联接多路半桥逆变电路。

多路半桥逆变电路的输出端通过滤波电路与容性负载相连，实现对容性负载的驱动。电压/电流传感器检测滤波电路输出端的电压电流，通过模数转换单元输出至dsp控制器，实现电路过压过流监控。

本发明基于多路半桥逆变电路级联拓扑结构，设半桥逆变电路为n路，需要2n个幅值和频率完全相同的三角波作为载波且任意2个相邻载波的相移为同一调制波与2n个相位均匀移动的三角载波分别进行比较，该种波形生成方式和波形叠加产生的移相式spwm波形(如附图3所示，设f0为载波信号频率)，能够使原本输出电路中混有的纹波在经过相互叠加后起到抵消作用，有效的减少输出谐波，提高驱动功放带宽，实现高频输出。

整流电路实现ac-dc的单位功率因素整流，输出0至千伏级的稳定直流电压给多路半桥逆变电路，数字/模拟变换控制电路产生spwm信号驱动多路半桥逆变电路中mosfet管，将整流电路输出的直流电压逆变为由spwm信号决定幅值频率的正弦波电压信号(如附图4所示多路半桥逆变电路输出电压波形图，横轴为时间，①为电流曲线，②为电压曲线；以及附图5所示滤波处理后的大容性负载驱动电压波形图)，最终作用于大容性负载。

本发明采用具有优异性能的sic半导体材料，sicmos管禁带宽度大，本征温度高，击穿电压高，导通电阻小从而开关损耗小，加上对温度的适应性好，能够实现大电流输出。

本发明提出了基于开关式拓扑结构的驱动功放，通过采用多路半桥逆变电路并联拓扑结构，利用移相式spwm驱动方式控制核心放大管，产生高压、高频、大电流输出给大容性负载。在测试系统应用中，测试选用pi公司p-056.90p型号压电陶瓷，等效静电容为5μf，输入小信号幅值为0～10v时，输出电压达到1000v，输出功率4kw，驱动功放频响为5hz～2000hz，输出电流≥4a，电压增益≥100。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种大容性负载的开关式驱动功放，包括数字/模拟变换控制电路、pwm整流电路、多路半桥逆变电路、电源电路与大容性负载，其特征在于，还包括多路半桥逆变电路；所述数字/模拟变换控制电路第一输出端与pwm整流电路输入端相连；所述电源电路分别与pwm整流电路、多路半桥逆变电路相连；所述pwm整流电路输出端、数字/模拟变换控制电路输出端分别与多路半桥逆变电路输入端相连；所述数字/模拟变换控制电路用于信号源输入端以及输出spwm信号，spwm信号用于驱动多路半桥逆变电路；所述多路半桥逆变电路与大容性负载相连。

2.根据权利要求1所述一种大容性负载的开关式驱动功放，其特征在于，所述多路半桥逆变电路包括至少两个并联的半桥电路；所述半桥电路包括第一开关管单元与第二开关管单元；所述第一开关管单元包括第一开关管；所述第二开关管单元包括第二开关管；所述数字/模拟变换控制电路的控制输出端与第一开关管栅极、第二开关管栅极相连；所述电源电路第一输出端接第一开关管源极；第一开关管漏极接第二开关管源极；第二开关管漏极接电源电路第二输出端。

3.根据权利要求2所述一种大容性负载的开关式驱动功放，其特征在于，所述第一开关管单元与第二开关管单元均包括第一电容、二极管与电阻；第一电容第一端与开关管源极相连；第一电容第二端与二极管正极、电阻第一端相连；二极管负极、电阻第二端与开关管漏极相连。

4.根据权利要求2所述一种大容性负载的开关式驱动功放，其特征在于，所述第一开关管与第二开关管均为sicmos管。

5.根据权利要求1所述一种大容性负载的开关式驱动功放，其特征在于，所述数字/模拟变换控制电路包括传感器、模数转换单元、dsp控制器与隔离驱动电路；传感器通过模数转换单元与dsp控制器第一输入端相连；dsp控制器第二输入端用于信号源输入；dsp控制器输出端通过隔离驱动电路与多路半桥逆变电路输入端相连。

技术总结
本发明公开了一种大容性负载的开关式驱动功放，包括数字/模拟变换控制电路、PWM整流电路、多路半桥逆变电路、电源电路与大容性负载，还包括多路半桥逆变电路；所述多路半桥逆变电路与大容性负载相连。本发明采用多路半桥逆变电路并联拓扑结构，利用移相式SPWM驱动方式控制核心放大管，产生高压、高频、大电流输出给大容性负载。

技术研发人员：代明香;王宇飞;毛勇建;李明海;李晓琳;邓婷;何建军;师伟鹏;郭旭军
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院总体工程研究所
技术研发日：2020.11.06
技术公布日：2021.01.15