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一种水冷式高压功率放大器
申请号	CN201410840630.X	申请日	2014-12-31	公开(公告)号	CN104578712A	公开(公告)日	2015-04-29
申请人	北京航天斯达科技有限公司; 北京航天希尔测试技术有限公司; 天津航天瑞莱科技有限公司; 北京强度环境研究所;			发明人	张红彩; 张巧寿; 王一东; 底红岩;
摘要	本发明提供了一种水冷式高压功率放大器，包括控制模块，以及依次连接的启动电路、整流电路和功率模块；所述控制模块的输入端与功率模块的输出端连接；所述控制模块的一个输出支路与所述功率模块连接，另一个输出支路与显示保护电路连接；所述功率模块的输出端为所述放大器的输出端；所述控制模块依据所述功率模块的输出信号和给定信号，对功率模块进行反馈控制，调节其内部全控器件的开通和关断，以调整所述输出信号。与现有技术相比，本发明提供的一种水冷式高压功率放大器，解决了普通高压功放的冷却问题，提高了功放单模块的输出功率，适用于大推力的电动振动台试验，满足电动振动台为卫星和导弹等大型设备进行整机的可靠性试验。
权利要求	1.一种水冷式高压功率放大器，其特征在于，所述放大器包括控制模块，以及依次连接的启动电路、整流电路和功率模块；所述控制模块的输入端与功率模块的输出端连接；所述控制模块的一个输出支路与所述功率模块连接，另一个输出支路与显示保护电路连接；所述功率模块的输出端为所述放大器的输出端；所述控制模块依据所述功率模块的输出信号和给定信号，对功率模块进行反馈控制，调节其内部全控器件的开通和关断，以调整所述输出信号。 2.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述功率模块包括逆变单元和滤波单元；所述逆变单元，用于将所述整流电路输出的直流电调节为脉冲型交流电；所述滤波单元，对所述脉冲型交流电滤波后经功率模块的输出端输出。 3.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述控制模块包括信号处理电路，以及第一PWM调制电路和第二PWM调制电路；所述第一PWM调制电路，接收所述功率模块的输出信号和所述给定信号；所述信号处理电路，比较所述输出信号和给定信号，依据二者的差值向所述功率模块发送调制信号；所述第二PWM调制电路，将所述调制信号发送到功率模块，控制全控器件的开通和关断。 4.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述控制模块和所述功率模块之间还连接有驱动电路；所述驱动电路包括驱动芯片、控制信号接口电路、电源滤波电路、输入信号调理电路、错误信号处理电路、死区时间生成电路、全控器件接口电路、有源箝位电路、过流保护电路和全控器件吸收电路；所述控制信号接口电路，用于将控制模块输出的调制信号一分为二，分别发送到功率模块中逆变单元的两个全控器件单元；所述电源滤波电路，包括一个电容阵列，用于滤除所述驱动芯片电源上的杂波信号；所述输入信号调理电路，对所述控制信号接口电路传输的调制信号滤波后，将其发送到驱动芯片；所述全控器件接口电路，依据所述驱动芯片输出的驱动信号，开通或断开逆变单元中的全控器件；所述全控器件吸收电路，用于吸收全控器件在开通和断开时产生的尖峰电压；所述有源钳位电路，用于钳住全控器件的集电极电位；所述过流保护电路，检测全控器件中集电极与发射极之间的电位；所述驱动芯片比较所述电位与阈值电压，若所述电位超过阈值电压，则关断所述全控器件；所述错误信号处理电路，接收所述驱动芯片传输的错误信息，并将所述错误信息通过控制信号接口电路发送到控制模块；所述错误信号包括电源欠压信号、全控器件短路信号和全控器件过流信号；所述死区时间生成电路，用于向所述驱动芯片提供死区时间，防止全控器件的上下桥臂直通。 5.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述显示保护电路，用于监测所述功率模块中全控器件的工作状态；所述启动电路，用于控制交流接触器的通断，以实现所述放大器的软启动；所述整流电路，将启动电路输出的三相交流电压转换为直流电压。 6.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述功率模块包括设置在其背板上的水冷散热器；所述功率模块中逆变单元的两个全控器件单元分别安装在水冷散热器的两侧面上。 7.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述整流电路包括水冷散热器；所述整流电路中各整流单元均设置水冷散热器的同一侧面，所述水冷散热器的另一侧通过支架固定在放大器机柜底板上。
说明书全文	一种水冷式高压功率放大器技术领域 [0001] 本发明涉及一种功率放大器，具体涉及一种水冷式高压功率放大器。背景技术 [0002] 功率放大器(Power Amplifier)，是指在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载(例如扬声器)的放大器。功率放大器，作为电动振动试验系统的关键设备，它本身的性能和与振动台的匹配状况直接关系着系统的性能。在电动振动台领域，功率放大器的发展经历了线性功放和开关功放两个阶段，开关功放凭借其效率高、损耗小、功率大以及可靠性高等优势已全面取代线性功放。国外开关功放的研究已经达到了一个很高的水平，但输出电压有效值也都是仅在100V左右，英国LDS公司的SPAK开关功放采用多个模块并联技术，最大功率为280KW。国内几家主要振动台设备供应商所使用的功率放大器基本都是国外进口的早期功放，或者是它们的仿制品。近几年国内的功放技术发展较快，已经研制出高压大功率开关功率放大器，基于IGBT全桥逆变电路和PWM集成控制电路，输出电压有效值320V，输出功率480KVA，单模块输出功率17.6KVA，已经做到国内最大功率，能够满足35吨以下振动台的使用需求。由于该功率放大器的冷却方式采用风冷，选用的IGBT的额定功率有限，因此功放模块输出功率遇到瓶颈。近年来随着航空、航天、高铁等事业的发展，要求更大推力电动振动台为卫星和导弹等大型设备进行整机可靠性试验，普通高压功率放大器已经无法满足。发明内容 [0003] 为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种水冷式高压功率放大器，所述放大器包括控制模块，以及依次连接的启动电路、整流电路和功率模块；所述控制模块的输入端与功率模块的输出端连接；所述控制模块的一个输出支路与所述功率模块连接，另一个输出支路与显示保护电路连接； [0004] 所述功率模块的输出端为所述放大器的输出端； [0005] 所述控制模块依据所述功率模块的输出信号和给定信号，对功率模块进行反馈控制，调节其内部全控器件的开通和关断，以调整所述输出信号。 [0006] 优选的，所述功率模块包括逆变单元和滤波单元； [0007] 所述逆变单元，用于将所述整流电路输出的直流电调节为脉冲型交流电； [0008] 所述滤波单元，对所述脉冲型交流电滤波后经功率模块的输出端输出； [0009] 优选的，所述控制模块包括信号处理电路，以及第一PWM调制电路和第二PWM调制电路； [0010] 所述第一PWM调制电路，接收所述功率模块的输出信号和所述给定信号； [0011] 所述信号处理电路，比较所述输出信号和给定信号，依据二者的差值向所述功率模块发送调制信号； [0012] 所述第二PWM调制电路，将所述调制信号发送到功率模块，控制全控器件的开通和关断； [0013] 优选的，所述控制模块和所述功率模块之间还连接有驱动电路；所述驱动电路包括驱动芯片、控制信号接口电路、电源滤波电路、输入信号调理电路、错误信号处理电路、死区时间生成电路、全控器件接口电路、有源箝位电路、过流保护电路和全控器件吸收电路； [0014] 所述控制信号接口电路，用于将控制模块输出的调制信号一分为二，分别发送到功率模块中逆变单元的两个全控器件单元； [0015] 所述电源滤波电路，包括一个电容阵列，用于滤除所述驱动芯片电源上的杂波信号； [0016] 所述输入信号调理电路，对所述控制信号接口电路传输的调制信号滤波后，将其发送到驱动芯片； [0017] 所述全控器件接口电路，依据所述驱动芯片输出的驱动信号，开通或断开逆变单元中的全控器件； [0018] 所述全控器件吸收电路，用于吸收全控器件在开通和断开时产生的尖峰电压； [0019] 所述有源钳位电路，用于钳住全控器件的集电极电位； [0020] 所述过流保护电路，检测全控器件中集电极与发射极之间的电位；所述驱动芯片比较所述电位与阈值电压，若所述电位超过阈值电压，则关断所述全控器件； [0021] 所述错误信号处理电路，接收所述驱动芯片传输的错误信息，并将所述错误信息通过控制信号接口电路发送到控制模块；所述错误信号包括电源欠压信号、全控器件短路信号和全控器件过流信号； [0022] 所述死区时间生成电路，用于向所述驱动芯片提供死区时间，防止全控器件的上下桥臂直通； [0023] 优选的，所述显示保护电路，用于监测所述功率模块中全控器件的工作状态； [0024] 所述启动电路，用于控制交流接触器的通断，以实现所述放大器的软启动； [0025] 所述整流电路，将启动电路输出的三相交流电压转换为直流电压； [0026] 优选的，所述功率模块包括设置在其背板上的水冷散热器；所述功率模块中逆变单元的两个全控器件单元分别安装在水冷散热器的两侧面上； [0027] 优选的，所述整流电路包括水冷散热器；所述整流电路中各整流单元均设置水冷散热器的同一侧面，所述水冷散热器的另一侧通过支架固定在放大器机柜底板上。 [0028] 与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是： [0029] 1、本发明技术方案中，设置有水冷散热器的功率模块结构，能够最大限度利用功率模块内部空间和水冷散热器的散热表面，布局结构紧凑，使得输出功率最大化； [0030] 2、本发明技术方案中，设置有水冷散热器的整流电路，相较于风冷散热方式，冷却效果更好，占用空间更小； [0031] 3、本发明提供的一种水冷式高压功率放大器，解决了普通高压功放的冷却问题，提高了功放单模块的输出功率，适用于大推力的电动振动台试验，满足电动振动台为卫星和导弹等大型设备进行整机的可靠性试验。附图说明 [0032] 下面结合附图对本发明进一步说明。 [0033] 图1：本发明实施例中一种水冷式高压功率放大器结构原理图； [0034] 图2：本发明实施例中功率模块中水冷散热器的安装图； [0035] 图3：本发明实施例中整流电路中水冷散热器的安装图； [0036] 图4：本发明实施例中驱动电路结构原理图； [0037] 其中，1：功率模块箱体；2：水冷散热器；3：IGBT模块；4：水冷散热器转接头；5：整流单元；6：水冷散热器；7：水冷散热器转接头。具体实施方式 [0038] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。 [0039] 本发明实施例中提供的一种水冷式高压功率放大器，解决了普通高压功放的冷却问题，提高功放单模块的输出功率，能够输出超大功率的高压功率放大器系统，单模块输出功率是现有模块的4倍。 [0040] 一、本实施例中水冷式高压功率放大器结构； [0041] 包括控制模块，以及依次连接的启动电路、整流电路和功率模块；控制模块的输入端与功率模块的输出端连接；控制模块的一个输出支路与功率模块连接，另一个输出支路与显示保护电路连接。本实施例中放大器的输出端为功率模块的输出端，从而将期望波形输出到电动振动台，以进行电动振动试验。 [0042] 其中，控制模块依据功率模块的输出信号和给定信号，对功率模块进行反馈控制，调节其内部全控器件的开通和关断，以调整输出信号。所述给定信号为预设值的信号，用于与输出信号进行比较，依据输出信号和给定信号的偏差调整控制模块输出的调制信号。 [0043] 1、功率模块； [0044] 包括逆变单元和滤波单元； [0045] 逆变单元，用于将整流电路输出的直流电调节为脉冲型交流电。逆变单元包括两个全控器件单元，本实施中全控器件采用IGBT。 [0046] 滤波单元，对脉冲型交流电滤波后经功率模块的输出端输出。 [0047] 2、控制模块； [0048] 1、包括信号处理电路，以及第一PWM调制电路和第二PWM调制电路； [0049] 第一PWM调制电路，接收功率模块的输出信号和给定信号，对上述信号处理后发送到信号处理电路。 [0050] 信号处理电路，比较输出信号和给定信号，依据二者的差值向功率模块发送调制信号，即反馈控制。 [0051] 第二PWM调制电路，对所述调制信号处理后将其发送到功率模块，控制全控器件的开通和关断。 [0052] 2、如图2所示，功率模块包括设置在其背板上的水冷散热器。 [0053] 功率模块中逆变单元的两个全控器件单元分别安装在水冷散热器的两侧面上。 [0054] 本实施例中功率模块的水冷散热器2厚20mm，立式安装在功率模块箱体1的后面板上，位于功率模块箱体1正中间，这样能够最大限度的利用模块内部空间和水冷散热器的散热表面，布局结构紧凑，输出功率最大化。水冷散热器转接头4从功率模块箱体1后面打孔穿出连接。 [0055] 两个全控器件单元分别安装在水冷散热器2的左右两个侧面。本实施例中每个全控器件单元包括两个IGBT模块，如图2所示4个IGBT模块3分别安装在功率模块散热器2的左右两个侧面。 [0056] 本实施例中IGBT模块选选择英飞凌公司生产的KS4系列半桥模块，型号为FF300R12KS4。其耐压值为1200V，在150度结温时依然可输出300A额定电流，具有很高的性价比。开关损耗小，并且具有正温度系数，更适用于并联，非常适合并联功放系统。 [0057] 3、驱动电路； [0058] 为了最大效率利用IGBT模块，本实施例中控制模块和功率模块之间还连接有基于2SC0435T的驱动电路。如图4所示，包括驱动芯片、控制信号接口电路、电源滤波电路、输入信号调理电路、错误信号处理电路、死区时间生成电路、全控器件接口电路、有源箝位电路、过流保护电路和全控器件吸收电路。本实施例中驱动芯片采用2SC0435T驱动芯片。 [0059] (1)、控制信号接口电路； [0060] 用于将控制模块输出的调制信号一分为二，分别发送到功率模块中逆变单元的两个全控器件单元，同时也可以交换使能信号和保护信号。其中， [0061] 使能信号指的是，使全控器件开通的信号； [0062] 保护信号指的是，即驱动信号芯片给出的错误信号经处理传送给控制模块的信号。 [0063] (2)电源滤波电路； [0064] 包括一个电容阵列，用于滤除驱动芯片电源上的杂波信号。 [0065] (3)输入信号调理电路； [0066] 对控制信号接口电路传输的调制信号滤波后，将其发送到驱动芯片。具体为接收控制信号接口电路传输过来的PWM信号，然后进行滤波、触发处理后传送给驱动芯片，具有抗干扰，提高PWM波形的陡峭度的作用。 [0067] (4)全控器件接口电路； [0068] 依据驱动芯片输出的驱动信号，开通或断开逆变单元中的全控器件。 [0069] (5)全控器件吸收电路； [0070] 用于吸收全控器件在开通和断开时产生的尖峰电压； [0071] (6)有源钳位电路； [0072] 用于钳住全控器件的集电极电位。 [0073] (7)过流保护电路； [0074] 检测全控器件中集电极与发射极之间的电位，将该电位发送到驱动芯片。驱动芯片对电位与阈值电压进行比较，若电位超过阈值电压，则关断全控器件，从而保护全控器件不会因过流或者短路而烧毁，提高系统可靠性。 [0075] (8)错误信号处理电路； [0076] 接收驱动芯片传输的错误信息，并将错误信息通过控制信号接口电路发送到控制模块；错误信号包括电源欠压信号、全控器件短路信号和全控器件过流信号。具体为错误信号处理电路接收驱动芯片传输过来的错误信息，然后进行上拉、钳位、缓冲处理后传送给控制信号接口电路。其作用是最终准确无误的将错误信号实时传送给控制模块。 [0077] (9)死区时间生成电路； [0078] 用于向驱动芯片提供死区时间，防止全控器件的上下桥臂直通。 [0079] 4、显示保护电路； [0080] 用于监测功率模块中全控器件的工作状态。显示保护电路从控制模块获取功放的工作状态信息进行显示，同时监测功放的运行参数进行实时保护。 [0081] 5、启动电路； [0082] 用于控制交流接触器的通断，以实现本实施例中放大器的软启动。 [0083] 6、整流电路； [0084] 1、将启动电路输出的三相交流电压转换为直流电压。 [0085] 2、整流电路还包括水冷散热器；整流电路中各整流单元均设置水冷散热器的同一侧面，水冷散热器的另一侧通过支架固定在放大器机柜底板上。本实施例中包括三个由整流二极管组成的整流单元。 [0086] 如图3所示，水冷散热器6的背面通过支架安装在功放机柜底板上，三个整流单元5均布在水冷散热器6的正面，水冷散热器转接头7位于功放机柜内部，这样能够隐藏水管，结构紧凑美观。相对于以前风冷散热方式，这种方式冷却效果好，占用空间小。 [0087] 最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

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