一种减少开关损耗的电磁轴承功率放大器拓扑结构

本申请涉及电力电子，具体涉及一种减少开关损耗的电磁轴承功率放大器拓扑结构。

背景技术：

1、随着高转速设备的发展，普通的机械轴承、滑动轴承已无法适应设备中日益复杂的结构与性能要求。电磁轴承的出现，使得传统机械轴承中存在的滑动或者滚动摩擦消失，解决了高转速设备受制于机械摩擦力的问题。电磁轴承系统的每一个自由度都需要用两路功率放大器来进行驱动，要求功率放大器具有足够的响应速度和带宽、尽量小的纹波，功率放大器性能直接影响着电磁轴承转子系统的稳定性及悬浮动态性能。

2、虽然现有的功率放大器已经较为成熟，具有较高的实用性，但开关管的硬开关控制会面临开关管自身的寿命问题和功率放大器的效率问题，另一方面，受限于功率放大器的使用场景，整个磁悬浮轴承系统需要至少八路功率放大器，因此每一路功率放大器中实现软开关控制的辅助电路结构不能有太多的开关管和其他辅助器件。

3、公开号为cn220015828u的实用新型专利公开了《一种两电平pwm型开关功率放大器》，能够提高响应速度和带宽，减小电流纹波，提高电磁轴承转子系统的稳定性及悬浮动态性能。但该开关功率放大器采用硬开关控制方式，电磁轴承功率放大器的开关管若长期工作在硬开关的状态，其使用寿命难以保障，甚至危及电磁轴承的可靠性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种减少开关损耗的电磁轴承功率放大器拓扑结构，能够在现有两电平pwm型开关功率放大器的基础上，实现开关管的软开关控制，既保留现有两电平pwm型开关功率放大器的优点，又能够延长开关管的使用寿命，减小开关损耗和电流尖峰干扰，提高系统的工作效率。

2、本发明采取的技术方案是：一种减少开关损耗的电磁轴承功率放大器拓扑结构，包括pi控制模块、pwm调制模块、脉冲整形电路模块、隔离驱动电路模块、辅助谐振电路、功率半桥电路和电流反馈模块；所述pi控制模块用于对输入的参考电压信号和电流反馈模块反馈的电流信号的差值进行pi控制；pwm调制模块的输入端与pi控制模块的输出端连接，结合载波信号和pi控制模块的输出信号输出调制信号；脉冲整形电路模块的输入端与pwm调制模块的输出端连接，对所述调制信号进行边沿检测和延时处理，输出辅助谐振电路和功率半桥电路的驱动信号；所述隔离驱动电路模块的输入端与脉冲整形电路模块的输出端连接，对辅助谐振电路和功率半桥电路的驱动信号进行升压；辅助谐振电路和功率半桥电路连接，辅助谐振电路用于对功率半桥电路中的主开关器件提供零电压开关条件；电流反馈模块连接功率半桥电路，采集功率半桥电路的电流信号并反馈至pi控制模块，形成闭环控制。

3、进一步地，所述辅助谐振电路为并联谐振电路，包括电源、第一辅助开关、第二辅助开关、反并联二极管、辅助二极管、谐振电容、第一耦合谐振电感和第二耦合谐振电感；电源的正极与第一辅助开关的漏极和反并联二极管的阴极连接，负极与第二辅助开关的源极连接；第一耦合谐振电感的同名端与第二耦合谐振电感的异名端、第一辅助开关的源极和反并联二极管的阳极连接，异名端与第二辅助开关的漏极连接；第二耦合谐振电感的同名端与辅助二极管的阴极连接，异名端与谐振电容的一端连接；辅助二极管的阳极与第二辅助开关的源极和谐振电容的另一端连接。

4、进一步地，所述功率半桥电路包括两个对称设置的桥臂、负载等效电阻和负载电感；所述桥臂包括串联连接的主开关和续流二极管，所述主开关两端并联有反并联二极管和电容，所述续流二极管两端也并联有电容；所述负载等效电阻、电流反馈模块和负载电感依次串联后，两端分别与两个桥臂中主开关和续流二极管的串联点连接；所述电流反馈模块为电流传感器。

5、进一步地，所述pi控制模块包括运放芯片，所述运放芯片的信号输入引脚与输入的参考电压信号和电流反馈模块反馈的电流信号连接，信号输出引脚与pwm调制模块连接。

6、进一步地，所述电流pi控制模块还包括电流采样电阻，电流反馈模块反馈的电流信号流经所述电流采样电阻后，再输入运放芯片。

7、进一步地，所述pwm调制模块包括pwm调制芯片和第二可调电阻器，pwm调制芯片的信号输入引脚与所述运放芯片的信号输出引脚连接，信号输出引脚与脉冲整形模块连接，所述第二可调电阻器与所述pwm调制芯片连接。

8、进一步地，所述脉冲整流电路包括边沿检测电路和延时处理电路；所述边沿检测电路包括脉冲边沿检测芯片，所述延时处理电路包括pwm信号延迟芯片；所述脉冲边沿检测芯片的信号输入引脚与pwm调制芯片的信号输出引脚连接，所述pwm信号延迟芯片的信号输入引脚与pwm调制芯片的信号输出引脚和脉冲边沿检测芯片的信号输出引脚连接，pwm信号延迟芯片的信号输出引脚与隔离驱动电路模块连接。

9、进一步地，所述隔离驱动电路模块包括辅助开关隔离驱动电路和主开关隔离驱动电路，辅助开关隔离驱动电路和主开关隔离驱动电路结构相同，均包括两个驱动芯片、两个电阻和一个电容；输入信号通过两个电阻分别输入两个驱动芯片，所述电容连接其中一个驱动芯片，并且电容一端作为悬浮地；辅助开关隔离驱动电路的输入信号为脉冲边沿检测芯片输出的信号，主开关隔离驱动电路的输入信号为pwm信号延迟芯片输出的信号；辅助开关隔离驱动电路的悬浮地与第一耦合谐振电感的同名端和第二耦合谐振电感的异名端连接，主开关隔离驱动电路的悬浮地与负载等效电阻连接。

10、本发明的有益效果在于：

11、(1)本发明能够精准地控制电磁轴承系统中一个线圈绕组的电流大小，根据给定的电压控制信号来输出相应的电磁轴承线圈驱动电流，且具有响应速度快、高带宽、低纹波等特点；

12、(2)本发明在功率半桥电路的电路拓扑结构的基础上，增加了辅助谐振电路模块，且该辅助谐振电路模块的结构相对简单，成本低，控制方法较为简单；通过辅助谐振电路可以让功率半桥电路中两个主开关管均工作在软开关的工作状态，能够延长开关管的使用寿命，减小开关损耗和电流尖峰干扰，提高系统的工作效率；

13、(3)本发明允许输入的直流母线电压为50v，允许输入信号的带宽为1khz，允许输入的控制信号为0～5v，主开关管的工作频率为30khz，输出的电感线圈上电流为0～5a，输出的电感线圈电流越大，功率半桥电路中两个主开关管减少开关损耗的效果越明显；

14、(4)本发明能够提高电磁轴承转子振动控制实验平台的集成度；相较于传统设计具有更加简单紧凑的结构，有效减小了体积，并且安装过程更加便捷。

技术特征：

1.一种减少开关损耗的电磁轴承功率放大器拓扑结构，其特征在于，包括pi控制模块、pwm调制模块、脉冲整形电路模块、隔离驱动电路模块、辅助谐振电路、功率半桥电路和电流反馈模块；所述pi控制模块用于对输入的参考电压信号和电流反馈模块反馈的电流信号的差值进行pi控制；pwm调制模块的输入端与pi控制模块的输出端连接，结合载波信号和pi控制模块的输出信号输出调制信号；脉冲整形电路模块的输入端与pwm调制模块的输出端连接，对所述调制信号进行边沿检测和延时处理，输出辅助谐振电路和功率半桥电路的驱动信号；所述隔离驱动电路模块的输入端与脉冲整形电路模块的输出端连接，对辅助谐振电路和功率半桥电路的驱动信号进行升压；辅助谐振电路和功率半桥电路连接，辅助谐振电路用于对功率半桥电路中的主开关器件提供零电压开关条件；电流反馈模块连接功率半桥电路，采集功率半桥电路的电流信号并反馈至pi控制模块，形成闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种减少开关损耗的电磁轴承功率放大器拓扑结构，其特征在于，所述辅助谐振电路为并联谐振电路，包括电源、第一辅助开关、第二辅助开关、反并联二极管、辅助二极管、谐振电容、第一耦合谐振电感和第二耦合谐振电感；电源的正极与第一辅助开关的漏极和反并联二极管的阴极连接，负极与第二辅助开关的源极连接；第一耦合谐振电感的同名端与第二耦合谐振电感的异名端、第一辅助开关的源极和反并联二极管的阳极连接，异名端与第二辅助开关的漏极连接；第二耦合谐振电感的同名端与辅助二极管的阴极连接，异名端与谐振电容的一端连接；辅助二极管的阳极与第二辅助开关的源极和谐振电容的另一端连接。

3.根据权利要求2所述的一种减少开关损耗的电磁轴承功率放大器拓扑结构，其特征在于，所述功率半桥电路包括两个对称设置的桥臂、负载等效电阻和负载电感；所述桥臂包括串联连接的主开关和续流二极管，所述主开关两端并联有反并联二极管和电容，所述续流二极管两端也并联有电容；所述负载等效电阻、电流反馈模块和负载电感依次串联后，两端分别与两个桥臂中主开关和续流二极管的串联点连接；所述电流反馈模块为电流传感器。

4.根据权利要求3所述的一种减少开关损耗的电磁轴承功率放大器拓扑结构，其特征在于，所述脉冲整流电路包括边沿检测电路和延时处理电路；所述边沿检测电路包括脉冲边沿检测芯片，所述延时处理电路包括pwm信号延迟芯片；所述脉冲边沿检测芯片的信号输入引脚与pwm调制模块连接，所述pwm信号延迟芯片的信号输入引脚与pwm调制模块和脉冲边沿检测芯片的信号输出引脚连接，pwm信号延迟芯片的信号输出引脚与隔离驱动电路模块连接。

5.根据权利要求4所述的一种减少开关损耗的电磁轴承功率放大器拓扑结构，其特征在于，所述隔离驱动电路模块包括辅助开关隔离驱动电路和主开关隔离驱动电路，辅助开关隔离驱动电路和主开关隔离驱动电路结构相同，均包括两个驱动芯片、两个电阻和一个电容；输入信号通过两个电阻分别输入两个驱动芯片，所述电容连接其中一个驱动芯片，并且电容一端作为悬浮地；辅助开关隔离驱动电路的输入信号为脉冲边沿检测芯片输出的信号，主开关隔离驱动电路的输入信号为pwm信号延迟芯片输出的信号；辅助开关隔离驱动电路的悬浮地与第一耦合谐振电感的同名端和第二耦合谐振电感的异名端连接，主开关隔离驱动电路的悬浮地与负载等效电阻连接。

技术总结
本申请涉及一种减少开关损耗的电磁轴承功率放大器拓扑结构，它包括PI控制模块、PWM调制模块、脉冲整形电路模块、隔离驱动电路模块、辅助谐振电路、功率半桥电路和电流反馈模块；通过对输入的参考电压信号和反馈的电流信号的差值进行PI调节，结合载波信号输出PWM调制信号，经过脉冲整形电路得到驱动信号，再通过隔离驱动电路驱动开关管，由辅助谐振电路为功率半桥电路提供零电压开关条件，并通过电流反馈模块采集的电流信号进行反馈，形成闭环控制。本发明能够在现有两电平PWM型开关功率放大器的基础上实现软开关控制，既保留现有功率放大器的优点，又能延长开关管的使用寿命，减小开关损耗和电流尖峰干扰，提高系统的工作效率。

技术研发人员：黄志勇,陈亮亮,刘斌,靳晓光,伍家驹,祝长生,程柳峰,郭至城,李美敏
受保护的技术使用者：南昌航空大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24