一种具有短路容错功能的多桥臂开关功放电路

1.本发明属于磁轴承电路技术领域，具体涉及一种具有短路容错功能的多桥臂开关功放电路。


背景技术：

2.与传统的机械轴承相比，磁悬浮轴承具有无接触、无磨损、无需润滑、精度高、功耗低，阻尼、刚度可调可控，智能控制等突出优点，被广泛应用在透平机械、飞轮储能、航空、医疗、核能等领域。在这些领域中，安全性与可靠性受到广泛关注。而磁悬浮轴承系统作为典型的机电一体化控制系统，结构复杂，一旦发生故障，极易引发安全事故，因此如何进一步提高运行时的安全性和可靠性是磁悬浮轴承技术研究的关键。通常而言，磁悬浮轴承的应用环境较为特殊，若轴承出现故障，其后果往往难以估量。而磁悬浮轴承的功率放大器是整个闭环系统中最为关键的设备，其性能的好坏基本决定了磁悬浮轴承整体的使用效果。因此磁悬浮轴承的开关功放系统必须具有一定的容错性。
3.在磁悬浮轴承系统运行过程中，开关功放拓扑为了提高系统动态响应，减小电流纹波，获得更好的控制效果，开关元件需要长期工作在10～100khz的工作频率下，不停切换不同的工作模态，极易因过热、过压、过流等原因发生开路或短路故障，且其自身结构是无法实现容错控制，即控制算法是无法实现容错的。
4.目前检索到的几乎所有资料都未做短路故障下的容错运行的尝试，然而，开关管的失效情形几乎全是短路失效，断路失效几乎都是触发信号的丢失导致的，并非器件本身故障。所以严格来说当前的断路容错并无太大的实际意义。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有短路容错功能的多桥臂开关功放电路，在五相六桥臂开关功放拓扑的基础上增加了备用桥臂、负载桥臂故障切换电路以及公共桥臂故障切换电路，构成了冗余结构，且公共桥臂与负载之间以及各相负载桥臂与对应负载之间通过保险丝连接。
6.本发明提供一种具有短路容错功能的多桥臂开关功放电路，包括公共桥臂(1)、负载桥臂故障切换电路(2)、公共桥臂故障切换电路(3)、负载桥臂(4)和备用桥臂(5)，公共桥臂(1)通过保险丝连接各相负载，各相负载通过保险丝与各相负载桥臂(4)连接，公共桥臂(1)通过公共桥臂故障切换电路(3)连接备用桥臂(5)，负载通过负载桥臂故障切换电路(2)连接备用桥臂(5)。
7.作为本发明的进一步技术方案，公共桥臂故障切换电路(3)由双向开关sn构成，开关管sn的一端通过保险丝连接公共桥臂(1)的上管s
n1
与下管s
n2
之间，其另一端连接备用桥臂(5)的上管s
np
与下管s
dn
之间。
8.进一步的，备用桥臂(5)为相串联的上管s
np
与下管s
dn
，公共桥臂(1)包括相串联的上管s
n1
与下管s
n2
，相串联的上管s
n1
与下管s
n2
和为相串联的上管s
np
与下管s
dn
并联于电源u
dc
的两端。
9.进一步的，负载桥臂故障切换电路(2)由双向开关sa、双向开关sb、双向开关sc、双向开关sd和双向开关se构成，
10.公共桥臂(1)的上管s
n1
与下管s
n2
之间经保险丝、a相负载后分为两路，一路连接双向开关sa的一端，双向开关sa的另一端连接备用桥臂(5)的上管s
np
与下管s
dn
之间，另一路通过保险丝连接负载桥臂(4)的上管s
a1
和下管s
a2
之间；
11.公共桥臂(1)的上管s
n1
与下管s
n2
之间经保险丝、b相负载后分为两路，一路连接双向开关sb的一端，双向开关sb的另一端连接备用桥臂(5)的上管s
np
与下管s
dn
之间，另一路通过保险丝连接负载桥臂(4)的上管s
b1
和下管s
b2
之间；
12.公共桥臂(1)的上管s
n1
与下管s
n2
之间经保险丝、c相负载后分为两路，一路连接双向开关sc的一端，双向开关sc的另一端连接备用桥臂(5)的上管s
np
与下管s
dn
之间，另一路通过保险丝连接负载桥臂(4)的上管s
c1
和下管s
c2
之间；
13.公共桥臂(1)的上管s
n1
与下管s
n2
之间经保险丝、d相负载后分为两路，一路连接双向开关sd的一端，双向开关sd的另一端连接备用桥臂(5)的上管s
np
与下管s
dn
之间，另一路通过保险丝连接负载桥臂(4)的上管s
d1
和下管s
d2
之间；
14.公共桥臂(1)的上管s
n1
与下管s
n2
之间经保险丝、e相负载后分为两路，一路连接双向开关se的一端，双向开关se的另一端连接备用桥臂(5)的上管s
np
与下管s
dn
之间，另一路通过保险丝连接负载桥臂(4)的上管s
e1
和下管s
e2
之间。
15.进一步的，负载桥臂(4)包括串联的上管s
a1
和下管s
a2
、串联的上管s
b1
和下管s
b2
、串联的上管s
c1
和下管s
c2
、串联的上管s
d1
和下管s
d2
和串联的上管s
e1
和下管s
e2
；串联的上管s
a1
和下管s
a2
、串联的上管s
b1
和下管s
b2
、串联的上管s
c1
和下管s
c2
、串联的上管s
d1
和下管s
d2
和串联的上管s
e1
和下管s
e2
与电源u
dc
的两端相并联。
16.本发明的优点在于，适用于五自由度磁悬浮轴承，电路整体采用六桥臂五相输出，在现有的五路输出的六桥臂开关功放电路的基础上增加了一个备用桥臂、构成了冗余结构，使磁悬浮轴承系统具备短路故障下容错运行的能力，此外，本发明还为磁悬浮轴承开关功放控制系统的相关研究和应用提供了全新的思路，行业应用前景广阔。
附图说明
17.图1为本发明的电路示意图；
18.图2为五相六桥臂拓扑图；
19.图3为本发明的公共桥臂上管短路故障熔断保险丝电路运行示意图；
20.图4为本发明的公共桥臂上管短路故障电路运行示意图。
21.图5为本发明的公共桥臂下管短路故障熔断保险丝电路运行示意图；
22.图6为本发明的公共桥臂下管短路故障电路运行示意图。
23.图7为本发明的a相负载桥臂上管短路故障熔断保险丝电路运行示意图；
24.图8为本发明的a相负载桥臂上管短路故障电路运行示意图。
25.图9为本发明的a相负载桥臂下管短路故障熔断保险丝电路运行示意图；
26.图10为本发明的a相负载桥臂下管短路故障电路运行示意图。
具体实施方式
27.请参阅图1，本实施例提供本发明一种具有短路容错功能的多桥臂开关功放电路，包括公共桥臂(1)、负载桥臂故障切换电路(2)、公共桥臂故障切换电路(3)、负载桥臂(4)和备用桥臂(5)，公共桥臂(1)通过保险丝连接各相负载，各相负载通过保险丝与各相负载桥臂(4)连接，公共桥臂(1)通过公共桥臂故障切换电路(3)连接备用桥臂(5)，负载通过负载桥臂故障切换电路(2)连接备用桥臂(5)。
28.公共桥臂故障切换电路(3)由双向开关sn构成，开关管sn的一端通过保险丝连接公共桥臂(1)的上管s
n1
与下管s
n2
之间，其另一端连接备用桥臂(5)的上管s
np
与下管s
dn
之间。
29.备用桥臂(5)为相串联的上管s
np
与下管s
dn
，公共桥臂(1)包括相串联的上管s
n1
与下管s
n2
，相串联的上管s
n1
与下管s
n2
和为相串联的上管s
np
与下管s
dn
并联于电源u
dc
的两端。
30.负载桥臂故障切换电路(2)由双向开关sa、双向开关sb、双向开关sc、双向开关sd和双向开关se构成，
31.公共桥臂(1)的上管s
n1
与下管s
n2
之间经保险丝、a相负载后分为两路，一路连接双向开关sa的一端，双向开关sa的另一端连接备用桥臂(5)的上管s
np
与下管s
dn
之间，另一路通过保险丝连接负载桥臂(4)的上管s
a1
和下管s
a2
之间；
32.公共桥臂(1)的上管s
n1
与下管s
n2
之间经保险丝、b相负载后分为两路，一路连接双向开关sb的一端，双向开关sb的另一端连接备用桥臂(5)的上管s
np
与下管s
dn
之间，另一路通过保险丝连接负载桥臂(4)的上管s
b1
和下管s
b2
之间；
33.公共桥臂(1)的上管s
n1
与下管s
n2
之间经保险丝、c相负载后分为两路，一路连接双向开关sc的一端，双向开关sc的另一端连接备用桥臂(5)的上管s
np
与下管s
dn
之间，另一路通过保险丝连接负载桥臂(4)的上管s
c1
和下管s
c2
之间；
34.公共桥臂(1)的上管s
n1
与下管s
n2
之间经保险丝、d相负载后分为两路，一路连接双向开关sd的一端，双向开关sd的另一端连接备用桥臂(5)的上管s
np
与下管s
dn
之间，另一路通过保险丝连接负载桥臂(4)的上管s
d1
和下管s
d2
之间；
35.公共桥臂1的上管s
n1
与下管s
n2
之间经保险丝、e相负载后分为两路，一路连接双向开关se的一端，双向开关se的另一端连接备用桥臂(5)的上管s
np
与下管s
dn
之间，另一路通过保险丝连接负载桥臂(4)的上管s
e1
和下管s
e2
之间。
36.负载桥臂4包括串联的上管s
a1
和下管s
a2
、串联的上管s
b1
和下管s
b2
、串联的上管s
c1
和下管s
c2
、串联的上管s
d1
和下管s
d2
和串联的上管s
e1
和下管s
e2
；串联的上管s
a1
和下管s
a2
、串联的上管s
b1
和下管s
b2
、串联的上管s
c1
和下管s
c2
、串联的上管s
d1
和下管s
d2
和串联的上管s
e1
和下管s
e2
与电源u
dc
的两端相并联。
37.该电路短路容错的工作原理如下，
38.当公共桥臂(1)的上开关管s
n1
发生短路故障时，关断公共桥臂下开关管s
n2
，打开切换电路开关sn，保证备用桥臂下开关管s
dn
一直导通，形成回路，熔断公共桥臂保险丝，如图3所示。
39.保险丝熔断后，保证切换开关sn一直导通，实现备用桥臂对公共桥臂的替换，如图4所示。
40.当公共桥臂下开关管s
n2
发生短路故障时，关断公共桥臂上开关管s
n1
，打开切换电路开关sn，保证冗余桥臂上开关管s
up
一直导通，形成回路，熔断公共桥臂(1)的保险丝，如图
5所示。
41.保险丝熔断后，保证切换开关sn一直导通，实现备用桥臂对公共桥臂的替换，如图6所示。
42.当a相负载桥臂上开关管s
a1
发生短路故障时，关断a相负载桥臂下开关管s
a2
，打开切换开关sa，保证冗余桥臂下开关管s
dn
一直导通，形成回路，熔断a相负载桥臂保险丝，如图7所示。
43.保险丝熔断后，保证切换开关sa一直导通，实现备用桥臂对a相负载桥臂的替换，如图8所示。
44.当a相负载桥臂下管s
a2
发生短路故障时，关断a相负载桥臂上开关管s
a1
，打开切换开关sa，保证冗余桥臂下开关管s
up
一直导通，形成回路，熔断a相负载桥臂保险丝，如图9所示。
45.保险丝熔断后，保证切换开关sa一直导通，实现备用桥臂对a相负载桥臂的替换，如图10所示。
46.另外四个b、c、d、e负载桥臂短路容错原理与a相负载桥臂相同。
47.在实际工况中，当磁悬浮系统正常工作时，多桥臂开关功放拓扑的故障切换电路的开关管sn、sa、sb、sc、sd和se全部关断，此时拓扑可以看成是五相六桥臂拓扑作为磁悬浮轴承开关功放，如图2所示。此时可独立的输出五路电流，从而产生五个悬浮力控制磁悬浮轴承五个自由度的悬浮。
48.由于短路故障会带来很大的电流，因此在备用桥臂的选型时需要选择通态电流大的mosfet，检索可知，耐压100v，通态电流达到200a以上的mosfet仍有相当数量的可供选择，且单价低于20元。具备实际实现的硬件基础和经济性。
49.通过该结构可实现短路状态的快速保险丝熔断，熔断后，绕组将连接至备用桥臂，与故障桥臂完全断开，实现了短路的切除、容错运行。
50.综上所述，本电路适用于五自由度磁悬浮轴承，电路整体采用六桥臂五相输出，在现有的五路输出的六桥臂开关功放电路的基础上增加了一个备用桥臂、构成了冗余结构，使磁悬浮轴承系统具备短路故障下容错运行的能力。
51.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。