本實用新型涉及了一種開關器件，尤其是涉及一種用于模塊化串聯(lián)的電磁軸承用的開關功率放大器，屬電磁軸承開關功率放大器領域技術。

背景技術：

為了使支撐在電磁軸承上的旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)具有良好的性能，迫切需求一種高效率高、工作頻帶寬、電流輸出能力大的功率放大器。由于開關功率放大器的半導體功率開關器件工作在開關狀態(tài)，損耗較小，且器件的功率等級也較高，因此目前被廣泛應用于電磁軸承系統(tǒng)中。

常見的開關功率放大器主電路有兩種：一種是采用半導體功率開關器件和二級管互補導通的半橋結構；另一種是每一個橋臂上均采用半導體功率開關器件的全橋結構。半橋結構開關功率放大器的電路結構相對簡單，且無需考慮橋臂的直通問題，但由于受器件尤其是二級管功率等級的限制，只適合于中等電壓的場合。全橋結構開關功率放大器的電路結構采用四個可控的半導體功率開關器件，結構相對復雜，控制橋臂開關時需要加死區(qū)時間來防止橋臂的直通。但由于半導體功率開關器件導通壓降通常小于同等功率級別的二級管的導通壓降，因此理論損耗比半橋結構要小，而且可以通過本實用新型提出的模塊串聯(lián)的方法滿足高電壓場合的需求。

為了使支撐在電磁軸承上的旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)能夠滿足高速旋轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的動態(tài)特性，就需要提高開關功率放大器的響應速度，提高開關功率放大器的母線電壓是提高開關功率放大器的響應速度的一個重要手段，而這又對開關功率放大器中的半導體功率開關器件提出了一個新的要求。為了使半導體功率開關器件滿足在高電壓等級下工作的需求，最簡單的方法就是采用更高耐壓的半導體功率開關器件來設計開關功率放大器。但是由于高電壓等級的半導體功率開關器件的損耗要比低電壓等級的半導體功率開關器件的損耗大，用該方法設計的開關功率放大器在低電壓場合的性能并不是最好的，所以用這種方法設計的開關功率放大器，其使用可移植性較差。特別是，一旦開關功率放大器出現(xiàn)故障，檢修或者重新制作都比較耗時。

因此，需要尋求一種以低電壓等級的功率開關器件設計的開關功率放大器為基本功率模塊，各個功率模塊可以通過外部接線以及外部控制方便地實現(xiàn)功率模塊串聯(lián)，實現(xiàn)可以在不同的電壓等級的場合選擇對應數(shù)量的功率模塊串聯(lián)使用，使得整體的損耗最小。即使其中一個功率模塊出現(xiàn)故障，也能立即更換一個新的功率模塊投入使用，最終實現(xiàn)無論在什么場合，都實現(xiàn)開關功率放大器的高效率、高可靠度、高響應速度地工作。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術不足而提供了一種用于模塊化串聯(lián)的電磁軸承用的開關功率放大器，可通過外部簡單接線和數(shù)字控制器對電磁繼電器的控制實現(xiàn)模塊化串聯(lián)，解決傳統(tǒng)開關功率放大器響應慢，可移植性差，排故困難等缺點。

本實用新型采用的技術方案是：

本實用新型包括數(shù)字控制器、電流傳感器、信號調(diào)理電路和至少一個功率模塊，功率模塊以模塊化方式串聯(lián)后的兩端作為電壓輸入端，電流傳感器和負載串聯(lián)后作為輸出端連接在功率模塊中，電流傳感器的輸出端經(jīng)信號調(diào)理電路與數(shù)字控制器連接，數(shù)字控制器連接各個功率模塊，并控制各個功率模塊之間的連接和每個功率模塊的內(nèi)部導通狀態(tài)。

單個所述功率模塊包括四個半導體功率開關器件及其各自的驅(qū)動電路、兩個電磁繼電器及其各自的驅(qū)動電路與多個外部接線端口和均壓器件，四個半導體功率開關器件以兩個相串聯(lián)的半導體功率開關器件為一組而分為兩組半導體功率開關器件，其中第一組半導體功率開關器件兩端作為電壓輸入端的兩端，第二組半導體功率開關器件兩端分別各串聯(lián)一個電磁繼電器后并聯(lián)到電壓輸入端，第一組半導體功率開關器件中的兩個半導體功率開關器件之間的引出端和第二組半導體功率開關器件中的兩個半導體功率開關器件之間的引出端作為所述開關功率放大器輸出端的兩端。

所述的均壓器件包括電阻R和電容C，電阻R和電容C并聯(lián)連接在電壓輸入端。

所述數(shù)字控制器連接功率模塊中的各個半導體功率開關器件和電磁繼電器的驅(qū)動電路，通過半導體功率開關器件的驅(qū)動電路控制每個半導體功率開關器件的通斷來控制每個功率模塊的內(nèi)部導通狀態(tài)，同時通過電磁繼電器的驅(qū)動電路控制其中電磁繼電器的通斷來控制各個功率模塊之間的導通連接。

所述的電壓輸入端、第二組半導體功率開關器件兩端的兩個電磁繼電器和輸出端的兩端作為所述功率模塊的外部接線端口。

當多個所述功率模塊串聯(lián)時，相鄰所述功率模塊之間通過電磁繼電器對應相連接，電流傳感器和負載串聯(lián)后連接在所有功率模塊串聯(lián)后位于中部的電磁繼電器兩端或者輸出端上。

當只有一個功率模塊使用時，電流傳感器和負載串聯(lián)后連接在該功率模塊的輸出端上。

當包括奇數(shù)個所述功率模塊串聯(lián)時，相鄰所述功率模塊之間通過電磁繼電器對應相連接，電流傳感器和負載串聯(lián)后連接在所有功率模塊串聯(lián)后位于中間的功率模塊的輸出端上。

當包括偶數(shù)個所述功率模塊串聯(lián)時，相鄰所述功率模塊之間通過電磁繼電器對應相連接，電流傳感器和負載串聯(lián)后連接在所有功率模塊串聯(lián)后位于中間的兩個功率模塊之間的電磁繼電器兩端上。

本實用新型中，各個功率模塊分立設計，輸入端、電流傳感器和負載端為公共接線端的結構。

本實用新型可根據(jù)實際場合，利用數(shù)字控制器和接線點的連接，實現(xiàn)單個或者多個功率模塊的串聯(lián)使用。相鄰功率模塊之間通過接線點和電磁繼電器方便地實現(xiàn)串聯(lián)。

在低電壓場合，可以只使用一個功率模塊來實現(xiàn)最低的損耗，在高電壓場合可通過對電磁繼電器的控制和適當?shù)耐獠拷泳€方便地實現(xiàn)多個功率模塊串聯(lián)使用，因此本實用新型可實現(xiàn)在大范圍電壓等級場合都能得到性能較好的開關功率放大器。

當一個功率模塊發(fā)生故障時，本實用新型利用外部接線可快速切除更換其中出故障的功率模塊，快速排除系統(tǒng)的故障，而無需像圖2所示的傳統(tǒng)開關功率放大器無法替換或者只能替換整塊器件。即使其中一個功率模塊發(fā)生故障，也能立即更換同樣的模塊投入使用。最終實現(xiàn)無論在什么場合，都實現(xiàn)開關功率放大器的高效率、高可靠度、高響應速度地工作。

本實用新型的有益效果是：

本實用新型模塊化串聯(lián)開關功率放大器與傳統(tǒng)開關功率放大器相比，有以下優(yōu)點：能根據(jù)實際場合，靈活選擇投入使用的功率模塊數(shù)量，實現(xiàn)開關功率放大器的最優(yōu)性能；功率模塊統(tǒng)一設計，更換方便，排除故障簡單；并且在低電壓工作場合用本實用新型比用高電壓器件的功放器件的工作效率更高，損耗更小。

附圖說明

圖1是本實用新型的整個開關功率放大器的結構示意圖。

圖2是本實用新型的背景技術中傳統(tǒng)的開關功率放大器。

圖3是本實用新型的單個功率模塊電路結構示意圖。

圖4是本實用新型中考慮單個功率模塊工作時的連接示意圖。

圖5是本實用新型中考慮兩個功率模塊串聯(lián)投入使用時的連接示意圖。

圖6是本實用新型中考慮三個功率模塊串聯(lián)投入使用時的連接示意圖。

圖1中：a₁～h₁……a_n～h_n分別對應圖3中的各個模塊的a～h外部接線點，x、y是電流傳感器和負載電感的外部接線點，q₁₁～q₁₄……q_n1～q_n4為對應模塊半導體器件的開關信號，q₁₅、q₁₆……q_n5、q_n6為對應模塊電磁繼電器的控制信號；

圖2中：(a)為全橋開關功率放大器電路，(b)為半橋開關功率放大器電路；

圖3中：a、b、c、d、e、f、g、h為單個功率模塊的接線點，R、C為均壓電阻和電容，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄為功率半導體開關器件，Q₅、Q₆為電磁繼電器，q₁、q₂、q₃、q₄的驅(qū)動為半導體開關器件的驅(qū)動電路，q₅、q₆的驅(qū)動是繼電器的驅(qū)動電路；

圖4中：為了簡化說明，忽略了圖3中的均壓和驅(qū)動部分，充電回路為a₁、Q₁₁、c₁、d₁、Q₁₄、h₁、g₁、b₁，放電回路為b₁、Q₁₃、c₁、d₁、Q₁₂、f₁、e₁、a₁；

圖5中：充電回路為a₁、Q₁₁、Q₁₃、g₁、f₂、Q₂₂、Q₂₄、h₂、g₂、b₂，放電回路為b₂、Q₂₃、Q₂₁、e₂、h₁、Q₁₄、Q₁₂、f₁、e₁、a₁。

圖6中：充電回路為a₁、Q₁₁、Q₁₃、g₁、e₂、Q₂₁、c₂、d₂、Q₂₄、h₂、f₃、Q₃₂、Q₃₄、h₃、g₃、b₃，放電回路為b₃、Q₃₃、Q₃₁、e₃、g₂、Q₂₃、c₂、d₂、Q₂₂、f₂、h₁、Q₁₄、Q₁₂、f₁、e₁、a₁。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本實用新型的技術方案作進一步描述。

本實例以單個功率模塊運行、兩個功率模塊串聯(lián)運行以及三個功率模塊串聯(lián)運行的情況下進行說明。本實用新型不僅僅限于一個、兩個或者三個功率模塊串聯(lián)使用，以這三種電路為例只是為了說明單個以及模塊化串聯(lián)的接線方式和工作原理。

單個功率模塊的電路結構如圖3所示，該功率模塊是由四個半導體功率開關器件組成的全橋結構，上下兩邊各有一個電磁繼電器，輸入側有均壓電容和電阻，各半導體功率開關器件以及電磁繼電器都有其對應的驅(qū)動電路，設計多個接線點方便模塊化連接。

具體來說，其中R、C為均壓電阻和電容，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄為功率半導體開關器件，Q₅、Q₆為電磁繼電器，q₁、q₂、q₃、q₄的驅(qū)動為半導體開關器件的驅(qū)動電路，q₅、q₆的驅(qū)動是繼電器的驅(qū)動電路。并且a、b、c、d、e、f、g、h為功率模塊的外部接線點，a、b是電壓輸入端，c、d是輸出端，e、f和g、h分別為兩個電磁繼電器的開關端口。

使用該模塊時，需要結合圖1中的電流傳感器和以數(shù)字控制器為核心的控制電路，控制電路的一個作用是給出半導體功率開關器件的驅(qū)動信號，實現(xiàn)開關功率放大器的基本功能；另一個作用是控制各模塊的電磁繼電器的導通和關斷，并且與外部接線相配合，可以方便地實現(xiàn)功率模塊的串聯(lián)投入和故障切除。

本實用新型的工作過程和原理為：

首先以一個功率模塊的使用為例。如圖4所示，在較低的電壓場合中，以模塊1為例，數(shù)字控制器給出電磁繼電器的控制信號q₁₅和q₁₆，使得模塊1中電磁繼電器Q₁₅和Q₁₆處于導通狀態(tài)。a₁、b₁與輸入直流電壓相連接，c₁與x相連接，d₁與y相連接。電流傳感器輸出的信號經(jīng)過信號調(diào)整電路，輸入到數(shù)字控制器的AD接口，通過數(shù)字控制器給出q₁₁～q₁₄的4個開關信號來控制功率放大器中的對應四個半導體功率開關器件，從而實現(xiàn)開關功率放大器的基本功能。當Q₁₁、Q₁₄導通時，電感處于充電狀態(tài)，充電回路為a₁、Q₁₁、c₁、d₁、Q₁₄、h₁、g₁、b₁，此時Q₁₂、Q₁₃關斷，關斷的功率開關器件承受的電壓為輸入直流母線電壓。Q₁₁、Q₁₄關斷時，電感處于放電狀態(tài)，放電回路為b₁、Q₁₃、c₁、d₁、Q₁₂、f₁、e₁、a₁，此時Q₁₂、Q₁₃導通，關斷的功率開關器件承受的電壓仍然為輸入直流母線電壓?？紤]安全裕量，這里每個功率開關器件都需要能夠承受1.5倍的輸入直流母線電壓。

應用在較高電壓等級的磁軸承場合時，考慮兩個功率模塊串聯(lián)使用，如圖5所示。以模塊1和模塊2的串聯(lián)為例，此時需要控制電磁繼電器Q₁₅、Q₂₆為導通，Q₁₆、Q₂₅為關斷，a₁、b₂連接輸入直流母線電壓，把g₁、e₂、x以及h₁、f₂、y對應連接，相當于模塊1原本的繼電器Q₁₆和模塊2原本的繼電器Q₂₅的部分作為功率放大器系統(tǒng)的整體負載端使用。此時Q₁₁、Q₁₃串聯(lián)，串聯(lián)后這兩個開關驅(qū)動信號保持一致，相當于圖4中的Q₁₁的驅(qū)動信號；Q₁₂、Q₁₄串聯(lián)，串聯(lián)后這兩個開關驅(qū)動信號保持一致，相當于圖4中的Q₁₂的驅(qū)動信號；Q₂₁、Q₂₃串聯(lián)，串聯(lián)后這兩個開關驅(qū)動信號保持一致，相當于圖4中的Q₁₃的驅(qū)動信號；Q₂₂、Q₂₄串聯(lián)，串聯(lián)后這兩個開關驅(qū)動信號保持一致，相當于圖4中的Q₁₄的驅(qū)動信號；

同理，Q₁₁、Q₁₃、Q₂₂、Q₂₄導通時，電感處于充電狀態(tài)，充電回路為a₁、Q₁₁、Q₁₃、g₁、f₂、Q₂₂、Q₂₄、h₂、g₂、b₂，此時Q₁₂、Q₁₄、Q₂₁、Q₂₃關斷，關斷的串聯(lián)功率開關器件整體承受的電壓為輸入直流母線電壓。Q₁₁、Q₁₃、Q₂₂、Q₂₄關斷時，電感處于放電狀態(tài)，放電回路為b₂、Q₂₃、Q₂₁、e₂、h₁、Q₁₄、Q₁₂、f₁、e₁、a₁。此時Q₁₂、Q₁₄、Q₂₁、Q₂₃導通，關斷的串聯(lián)功率開關器件整體承受的電壓仍然為輸入直流母線電壓。假設功率開關器件完全一樣（若不能完全一樣，也可用大阻值電阻進行均壓），則每個功率開關器件承受的電壓為直流母線電壓的0.5倍，考慮1.5倍的安全裕量，這里每個功率開關器件都需要能夠承受0.75倍的輸入直流母線電壓。

進一步提高電壓等級時，考慮三個模塊串聯(lián)使用，如圖6所示。以模塊1、模塊2和模塊3的串聯(lián)為例，此時需要控制電磁繼電器Q₁₅、Q₃₆為導通，Q₁₆、Q₂₅、Q₂₆、Q₃₅為關斷，a₁、b₃連接輸入直流母線電壓，把g₁、e₂相連，h₁、f₂相連，g₂、e₃相連，h₂、f₃相連，c₂、d₂分別與電流傳感器以及負載端的x、y相連。此時Q₁₁、Q₁₃、Q₂₁串聯(lián)，串聯(lián)后這兩個開關驅(qū)動信號保持一致，相當于圖4中的Q₁₁的驅(qū)動信號；Q₁₂、Q₁₄、Q₂₂串聯(lián)，串聯(lián)后這兩個開關驅(qū)動信號保持一致，相當于圖4中的Q₁₂的驅(qū)動信號；Q₂₃、Q₃₁、Q₃₃串聯(lián)，串聯(lián)后這兩個開關驅(qū)動信號保持一致，相當于圖4中的Q₁₃的驅(qū)動信號；Q₂₄、Q₃₂、Q₃₄串聯(lián)，串聯(lián)后這兩個開關驅(qū)動信號保持一致，相當于圖4中的Q₁₄的驅(qū)動信號；

同理，Q₁₁、Q₁₃、Q₂₁、Q₂₄、Q₃₂、Q₃₄導通時，電感處于充電狀態(tài)，充電回路為a₁、Q₁₁、Q₁₃、g₁、e₂、Q₂₁、c₂、d₂、Q₂₄、h₂、f₃、Q₃₂、Q₃₄、h₃、g₃、b₃，此時Q₁₂、Q₁₄、Q₂₂、Q₂₃、Q₃₁、Q₃₃關斷，關斷的串聯(lián)功率開關器件整體承受的電壓為輸入直流母線電壓。同理，Q₁₁、Q₁₃、Q₂₁、Q₂₄、Q₃₂、Q₃₄關斷時，電感處于放電狀態(tài)，放電回路為b₃、Q₃₃、Q₃₁、e₃、g₂、Q₂₃、c₂、d₂、Q₂₂、f₂、h₁、Q₁₄、Q₁₂、f₁、e₁、a₁，此時Q₁₂、Q₁₄、Q₂₂、Q₂₃、Q₃₁、Q₃₃導通，關斷的串聯(lián)功率開關器件整體承受的電壓為輸入直流母線電壓。每個功率開關器件承受的電壓為直流母線電壓的0.33倍，考慮1.5倍的安全裕量，這里每個功率開關器件都需要能夠承受0.5倍的輸入直流母線電壓。

四個以上的功率模塊串聯(lián)使用原理與上述相同，這里不再贅述。需要提出的是，奇數(shù)個模塊投入使用時，對應模塊的c、d端接負載，偶數(shù)個模塊投入使用時，對應相鄰兩個模塊之間的電磁繼電器接線端接負載。當其中一個模塊故障時，可以通過更改外部接線和控制繼電器的通斷狀況，直接把整個故障模塊切除，再投入使用一個全新的模塊，在緊急使用的場合排除故障比較方便。綜上所述，本實用新型的用于模塊化串聯(lián)的電磁軸承用開關功率放大器能夠根據(jù)所需要的特定場合，選擇合適的模塊數(shù)量投入使用，從而使得開關功率放大器的性能達到最優(yōu)，彌補了傳統(tǒng)開關功率放大器可移植性不強等缺點。

以上實施例只是本實用新型的一個具體的實施電路原理圖，并不以此限定本實用新型的保護范圍。任何基于本實用新型所作的等效變換電路，均屬于本實用新型保護范圍。