CN102955486B - 一种高压大功率变频可调恒压源 - Google Patents

Abstract

一种高压大功率变频可调恒压源，包括信号发生器和N路信号处理电路，任意两路信号处理电路内部元件的供电电源不共地；每路所述信号处理电路由一路数字隔离转换电路和一个功放模块构成；信号发生器产生的信号同步输出到各路信号处理电路，先经各路信号处理电路的数字隔离转换电路处理后，输出N(N为整数，且N≥1)路高精度、隔离的小电压交流信号，各路所述小电压交流信号具有相同的幅度、频率和相位，且各路小电压交流信号的幅度和频率同步可调；各路所述小电压交流信号再输出到相应的功放模块中完成放大处理，N路所述功放模块的输出端依次串联后作为所述恒压源的总输出。本发明输出的电压和功率的精度高，幅度调节范围大。

Description

一种高压大功率变频可调恒压源

技术领域

本发明涉及一种高压大功率变频可调恒压源，属于电力电子改造技术领域。

背景技术

近几年，随着世界经济一体化进程的加快和一些特殊行业的迅猛发展，变频可调电压源的应用越来越广泛，人们对变频可调电源的质量、功能、性能指标、智能化程度以及成本都有了更高的要求。然而，基于模拟电路技术发展起来的电源产品，性能得不到提高、质量得不到保证，功能也已满足不了人们使用的需求，这种情况已经严重影响了相关行业的发展和技术的进步，因此，研究高性能智能化的变频可调电压源有着十分重要的现实意义。

目前变频可调电压源大部分是这样实现的：采用逆变技术，将市电中的交流电经过AC→DC→AC变换，采用该技术得到的产品能够输出比较纯净的正弦波，且输出频率和电压在一定范围内可调。但采用这种技术得到的变频电压源的幅度和频率的调节范围受到一定的限制，大部分只能输出300V以下、频率在40-400HZ之间的电压信号，而且稳定性较差，输出的精度不高，大部分不超过0.5%。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种幅度调节范围大、精度高的高压大功率变频可调恒压源。

本发明所要解决的技术问题通过如下技术方案实现：一种高压大功率变频可调恒压源，其特征在于，包括信号发生器和N路信号处理电路，任意两路信号处理电路内部元件的供电电源不共地；

每路所述信号处理电路由一路数字隔离转换电路和一个功放模块构成；

信号发生器产生的信号同步输出到各路信号处理电路，先经各路信号处理电路的数字隔离转换电路处理后，输出N路高精度、隔离的小电压交流信号，N为整数，且N≥1，各路所述小电压交流信号具有相同的幅度、频率和相位，且各路小电压交流信号的幅度和频率同步可调；

各路所述小电压交流信号再输出到相应的功放模块中完成放大处理，N路所述功放模块的输出端依次串联后作为所述恒压源的总输出。

本发明的各路信号处理电路彼此隔离不共地，单独供电，单独进行信号处理，抗干扰能力强，精度高。另外，现有技术中采用逆变技术制成的变频可调电压源的输入一般直接采用市电，而市电易受整个电网干扰的影响，所以难以满足需要高精度变频恒压源的场合。本发明的恒压源由信号发生器产生信号，相对稳定，且最后以串联形式输出，使恒压源的总输出为各功放模块的输出电压之和，从而大大增大了本发明的恒压源的输出功率和输出电压的可调范围。

作为本发明的一个优选实施例，所述功放模块主要由仪表运放U1、功率放大器U2和变压器T1组成，所述小电压交流信号以差分方式输入到所述仪表运放U1的两输入端，再通过桥臂电阻R1输出到功率放大器U2的反相输入端，功率放大器U2的同相输入端通过平衡电阻R4接地，功率放大器U2的输出端与变压器T1一次侧的一端相连，变压器T1一次侧的另一端接地，变压器T1二次侧的两输出端引出作为此路功放模块的两输出端U1+、U1-以便与其它功放模块的输出端相串联；

所述功放模块还包括反馈电路和低通滤波电路，所述反馈电路设于变压器T1二次侧的一端U1+和功率放大器U2的反相输入端之间，所述反馈电路由反馈电阻R2构成，所述低通滤波电路连于功率放大器U2的输出端和其同相输入端之间。

由于本发明的恒压源所输出的高压是由N路功放模块的输出电压相加得到的，对于单个功放模块的电压增益要求不高，能更好的保证高频的输出。这是因为，在正常情况下，变压器在传递交流信号的时候，所输出的交流信号的频率越高、幅度越大，变压器内部损耗也越高，越容易引起功放的震荡，所以只有保证输出信号的幅度不是很高的情况下，才能保证高频的输出，使本发明恒压源的频率可调范围增大。

本发明利用仪表运放U1对输入的小电压交流信号进行差分处理，抵消同相输入端与反相输入端之间的干扰，使输出的信号失真度小，在利用功率放大器U2对上述失真度小的信号进行放大处理的同时，在功率放大器U2的输出端与输入端之间设置低通滤波电路，滤除功率放大器U2输出的放大信号的直流部分，保证变压器T1的输出在一个线性的状态，本发明还将功率放大器U2的反馈电路的一端设置在变压器T1的输出端，使变压器T1的输出更加稳定，基本不受负载变化影响，从而使本发明的恒压源能保持高精度输出。

作为本发明的一种具体实施方式，所述低通滤波电路由运放U3、电阻R3和电容C1构成，运放U3的反相输入端连接功率放大器U2的输出端，其同相输入端接地，其输出端与功率放大器U2的同相输入端相连，所述电阻R3和电容C1分别并联在运放U3的反相输入端与其输出端之间。

所述变压器T1二次侧连接反馈电路的一端与功率放大器U2的输出端之间还设有相位补偿电路，所述相位补偿电路由电容C构成，使功率放大器U2的工作状态更加稳定。

所述变压器T1二次侧区别于与所述反馈电路连接的一端接地，以增强***的稳定性。

经所述功放模块输出的电压信号的幅度在220V以下，以便能使本发明的恒压源可以保证高达1050HZ的频率输出，且输出精度可达0.05%。

所述桥臂电阻R1和反馈电阻R2都采用1PPM的高精度电阻，以保证功率放大器U2输出的高精度和稳定性。

作为本发明优选的实施例，所述信号发生器为DSP处理器，所述数字隔离转换电路由一个数字隔离器、一个数模转换器和一个设置有由电阻R构成的负反馈电路的前级运放U4顺次连接而成，所述DSP处理器上还设置有便于其与外部电脑设备相连的RS232接口。

本发明利用DSP处理器产生一路稳定的数字信号，然后将此路数字信号同步输出到N个数字隔离器使经其输出的各路信号彼此隔离互不干扰，并利用具有相同组成的N路电路对所述数字信号进行分别处理，不但能很好的保证经功放模块输出的交流电压信号的精度，而且使准备串联输出的各路所述交流电压信号具有相同的频率、相位、幅度、波形失真度等，使最后经过恒压源输出的高压信号能完全叠加。

相对现有技术，本发明具有如下有益效果：1）本发明通过信号发生器产生信号，同步输出到N路信号处理电路，各路信号处理电路彼此隔离不共地，单独供电，单独进行信号处理，相对现有技术，不仅输入信号处理电路的信号较稳定，而且各信号处理电路的抗干扰能力强，利于提高本发明的输出精度；本发明的恒压源以串联形式输出，输出的电压和功率为各功放模块输出的电压和功率之和，大大增大了本发明的总输出功率和总输出电压的可调范围；

2）本发明的功放模块设置仪表运放、反馈电路、低通滤波电路等，以降低波形失真，提高了输出精度；本发明的输出高压是由多路功放模块输出的电压叠加起来的，对每路功放模块输出电压幅度的要求被降低，以便可以在保证精度的同时通过限制单路功放模块的输出来获得较高的输出频率，使本发明的恒压源能输出一种幅度和频率可调范围大、精度高的高压大功率电压信号，经试验，本发明在一个实施例中能输出幅度高达1600V、 频率在40~1050HZ范围内可调、精度可达0.05%大功率交流电压信号；

3）本发明利用DSP处理器产生数字信号，再通过数字隔离器将数字信号分开为N路隔离的信号输出，充分利用DSP处理器的特点，使通过所述数字隔离转换电路输出的小电压交流信号精度高、频率调节范围大、稳定不易被干扰；另外，采用DSP处理器作为信号发生器，方便与外接电脑设备相连从而实现程序控制，自动设置其输出，使所述恒压源更加智能化。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明较佳实施例的功放模块的原理图（只画出一路功放模块）；

图3为本发明的较佳实施例的数字隔离转换电路的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1至3所示，本发明的高压大功率变频可调恒压源包括信号发生器和N路信号处理电路，任意两路信号处理电路内部元件的供电电源不共地，具体是采用不同的开关电源来供电以达到不共地的目的，不共地可以方便最终实现串联。每路信号处理电路由一路数字隔离转换电路和一个功放模块构成。

信号发生器产生的信号同步输出到各路信号处理电路，先经各路信号处理电路的数字隔离转换电路处理后，输出N(N为整数，且N≥1)路高精度、隔离的小电压交流信号，各路小电压交流信号具有相同的幅度、频率和相位，且各路小电压交流信号的幅度和频率同步可调。

如图1所示，从数字隔离转换电路输出的各路小电压交流信号再输出到相应的功放模块中完成放大处理并输出电压OUTn+和OUTn-，n为1~N之间的整数，N路功放模块的输出端首尾相连,即OUT（n-1）-的输出端与OUTn+的输出端依次相连，以此来实现串联输出，最终以输出端OUT1+为本发明的恒压源的总的正相输出端，OUTN-本发明的恒压源的总的负输出端。本发明的恒压源最终输出的电压为N个功放模块输出的电压之和，功率为N个功放模块输出的功率之和。

如图1、2所示，本实施例中，信号发生器为DSP处理器，DSP处理器是一种数字信号处理器件，它不仅具有可编程性，而且具有强大的数据处理能力和非常高的运行速度，且受温度、环境等外部因素影响小。如图3所示，DSP处理器产生的数字信号，通过数据总线采用并联方式分别输出到N路数字隔离转换电路中，DSP处理器上设置有便于其与外部电脑设备相连的RS232接口，便于实现程序控制，从而使本发明的恒压源更加智能化。

数字隔离转换电路由一个数字隔离器、一个数模转换器和一个设置有由电阻R构成的负反馈电路的前级运放U4构成。本实施例中，所述数模转换器为16位DAC,所述数字隔离器的输出端通过数据总线输出到16位DAC进行数模转换再输出到前级运放U4形成高精度的小电压交流信号。因为经数字隔离转换电路输出的小电压交流信号都是由同一信号转化而成，所以经各路所述数字隔离转换电路输出的小电压交流信号具有相同的幅度、频率和相位，且各路小电压交流信号的幅度和频率同步可调。

本实施例的功放模块的结构如图2所示，功放模块包括仪表运放U1、功率放大器U2和变压器T1。所述小电压交流信号以差分方式输入到所述仪表运放U1的两输入端，再通过桥臂电阻R1输出到功率放大器U2的反相输入端，功率放大器U2的同相输入端通过平衡电阻R4接地，平衡电阻的作用主要是为了保证功率放大器U2输入端的输入阻抗的匹配。功率放大器U2的输出端与变压器T1一次侧的一端相连，变压器T1一次侧的另一端接地，变压器T1二次侧的两输出端引出作为此路功放模块的两输出端U1+、U1-以便与其它功放模块的输出端相串联。

功放模块还包括反馈电路、低通滤波电路和相位补偿电路，反馈电路设于变压器T1二次侧的一端U1+和功率放大器U2的反相输入端之间，由反馈电阻R2构成，变压器T1二次侧的区别于与所述反馈电路连接的另一端U1-接地。桥臂电阻R1和反馈电阻R2的取值遵循公式UOUT=UIN*R2/R1，为保证输出的高精度和稳定性，两电阻采用的是1PPM的高精度电阻。低通滤波电路连于功率放大器U2的输出端和其同相输入端之间，低通滤波电路由运放U3、电阻R3和电容C1构成，运放U3的反相输入端连接功率放大器U2的输出端，其同相输入端接地，其输出端与功率放大器U2的同相输入端相连，所述电阻R3和电容C1分别并联在运放U3的反相输入端与其输出端之间。相位补偿电路设置在变压器T1二次侧连接反馈电路的一端与功率放大器U2的输出端之间，相位补偿电路由电容C构成，使功率放大器U2能够工作在稳定的状态。

上述实施例的工作过程说明，DSP处理器产生一路数字信号，经数据总线同步输出到N路数字隔离转换电路后，输出幅度为0-7V、频率在40-1050HZ范围内可调、精度可达0.02%的N路小电压交流信号，并以差分方式输入到功放模块的仪表运放U1，具体是数字隔离转换电路的输出正端和接地端这两个信号以差分方式接入仪表运放U1的正、反相输入端。仪表运放U1对输入的信号进行差分处理，抵消正、反相输入端的干扰信号，使输出的波形失真度更小。由于仪表运放U1对信号隔离转换电路输出的信号没有放大作用，其输出的信号仍为0-7V的交流小信号，所以需进一步输出到功率放大器U2中对其做放大处理，功率放大器U2的输出端驱动变压器的一次侧，最终通过变压器的二次侧输出。

功率放大器U2的反馈电路的一端直接取在变压器二次侧的一输出端上，从硬件原理上来讲反馈点设置在哪个位置，输出的值就能在这个位置足够的稳定。在正常情况下，变压器T1在传递交流信号的时候，频率越高，幅度越大，变压器T1内部损耗也越高，越容易引起功率放大器U2的震荡，所以只有在输出信号不是很高的情况下，才能保证高频的输出，经过试验证明在变压器T1的二次侧输出220V的时候，频率能够达到1050HZ的输出，满足设计要求，所以单个功放模块的输出限值可以设定在220V。

通过变压器T1输出的电压的幅度调节范围为0~220V，频率调节范围为40~1050HZ。由于变压器对于直流信号来讲呈现低阻抗状态，但是所有功率放大器的输出几乎都有失调直流电压，所以在这里，采用运放U3，电阻R3和电容C1组成低通滤波电路来将功率放大器U2输出的直流部分滤除，保证变压器T1的输出在一个线性的状态。

本发明的电路所采用的关键元器件都为低温漂，高精度的器件，硬件上采用的是闭环负反馈的方式，所以能保证整个电路的一个高精度与长期稳定性。

本发明操作实施简单方便，利用简单的电压串联方式，轻松实现高电压，大功率的变频恒压源的输出。另本发明采用的是数字程控方式，可以用软件编程控制恒压源的输出，实现自动化程控输出。本发明的应用不限于此，也可以模拟电网一次侧的电压输出，作为二次侧产品生产厂家的检测设备。

Claims (7)

1.一种高压大功率变频可调恒压源，其特征在于，包括信号发生器和N路信号处理电路，任意两路信号处理电路内部元件的供电电源不共地；

每路所述信号处理电路由一路数字隔离转换电路和一个功放模块构成；

信号发生器产生的信号同步输出到各路信号处理电路，先经各路信号处理电路的数字隔离转换电路处理后，输出N(N为整数，且N≥1)路高精度、隔离的小电压交流信号，各路所述小电压交流信号具有相同的幅度、频率和相位，且各路小电压交流信号的幅度和频率同步可调；

各路所述小电压交流信号再输出到相应的功放模块中完成放大处理，N路所述功放模块的输出端依次串联后作为所述恒压源的总输出；

所述功放模块包括仪表运放(U1)、功率放大器(U2)和变压器(T1)，所述小电压交流信号以差分方式输入到所述仪表运放(U1)的两输入端，再通过桥臂电阻R1输出到功率放大器(U2)的反相输入端，功率放大器(U2)的同相输入端通过平衡电阻R4接地，功率放大器(U2)的输出端与变压器(T1)一次侧的一端相连，变压器(T1)一次侧的另一端接地，变压器(T1)二次侧的两输出端引出作为此路功放模块的两输出端(U1+、U1-)以便与其它功放模块的输出端相串联；

所述功放模块还包括反馈电路和低通滤波电路，所述反馈电路设于变压器(T1)二次侧的一端(U1+)和功率放大器(U2)的反相输入端之间，所述反馈电路由反馈电阻R2构成，所述低通滤波电路连于功率放大器(U2)的输出端和其同相输入端之间。

2.根据权利要求1所述的高压大功率变频可调恒压源，其特征在于，所述变压器(T1)二次侧连接反馈电路的一端与功率放大器(U2)的输出端之间还设有相位补偿电路，所述相位补偿电路由电容C构成。

3.根据权利要求2所述的高压大功率变频可调恒压源，其特征在于，所述低通滤波电路由运放(U3)、电阻R3和电容C1构成，运放(U3)的反相输入端连接功率放大器(U2)的输出端，其同相输入端接地，其输出端与功率放大器(U2)的同相输入端相连，所述电阻R3和电容C1分别并联在运放(U3)的反相输入端与其输出端之间。

4.根据权利要求3所述的高压大功率变频可调恒压源，其特征在于，经所述功放模块输出的电压信号的幅度在220V以下。

5.根据权利要求4所述的高压大功率变频可调恒压源，其特征在于，所述变压器(T1)二次侧区别于与所述反馈电路连接的一端(U1-)接地。

6.根据权利要求5所述的高压大功率变频可调恒压源，其特征在于，所述桥臂电阻R1和反馈电阻R2都采用1PPM的高精度电阻。

7.根据权利要求1至6任一项所述的高压大功率变频可调恒压源，其特征在于，所述信号发生器为DSP处理器，所述数字隔离转换电路由一个数字隔离器、一个数模转换器和一个设置有由电阻R构成的负反馈电路的前级运放(U4)顺次连接而成，所述DSP处理器上还设置有便于其与外部电脑设备相连的RS232接口。