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CN116436297B - 一种双电流环控制的开关线性混合功率变换系统 - Google Patents

一种双电流环控制的开关线性混合功率变换系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双电流环控制的开关线性混合功率变换系统，属于电机驱动控制技术领域，包括：检测模块、电流控制模块及串联的开关功率变换模块、功率滤波模块和线性功率变换模块；电流控制模块基于负载电流与参考电流的差值产生PWM信号，并输出至开关功率变换模块，还基于负载电流与参考电流的差值得到参考电压，并计算参考电压与功率滤波模块输出电压之间的差值，得到控制电压，输出至线性功率变换模块；本发明采用双电流环控制的方式，基于电流同时对开关功率变换模块和线性功率变换模块进行控制，既实现了对输出电流的控制，又通过电流控制的方式实现了对输出电压的补偿，响应速度更快，具有更好的动态性能，且电流纹波较小、信噪比较高。

Description

一种双电流环控制的开关线性混合功率变换系统
技术领域
本发明属于电机驱动控制技术领域，更具体地，涉及一种双电流环控制的开关线性混合功率变换系统。
背景技术
随着集成电路产业的快速发展，芯片制程越来越逼近摩尔定律极限，光刻机作为生成大规模集成电路的核心设备，朝着高速、高精度、大行程发展。功率变换系统是光刻机运动控制的重要组成部分，其性能直接影响运动控制的精度，其中开关线性混合功率变换系统由于具有电压输出范围大、工作效率高的优势，备受业界关注。
开关线性混合功率变换系统主要有三种形式，一是并联结构开关线性混合功率变换系统，主要应用于射频放大等小功率场合；二是动态供电结构开关线性混合功率变换系统，功耗低但控制策略较为复杂；三是串联结构开关线性混合功率变换系统，由开关型功率放大器与线性功率放大器串联组成，适用于大功率场合，特别适用于光刻机技术领域。
传统的串联结构开关线性混合功率变换系统通常采用电流外环和电压内环的设计，采用电流环控制开关功率变换器的占空比调节电流，开关功率放大器的输出电压与参考电压比较后得到误差电压，将误差电压信号经过线性功率放大器放大后补偿到开关部分得到最终的输出电压；这类拓扑线性部分采用电压控制，主要对电压进行补偿，不直接参与电流闭环控制，动态相应性能及带宽受限于开关频率大小，当输入突变时响应较慢，无法充分利用线性部分高精度、高带宽的特性，动态性能较差。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双电流环控制的开关线性混合功率变换系统，用以解决现有的开关线性混合功率变换系统动态性能较差的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种双电流环控制的开关线性混合功率变换系统，包括：检测模块、电流控制模块、以及串联的开关功率变换模块、功率滤波模块和线性功率变换模块；
功率滤波模块用于滤除开关功率变换模块输出电压中的高频成分；
检测模块用于检测负载电流和功率滤波模块的输出电压，并反馈至电流控制模块中；
电流控制模块用于基于负载电流与参考电流的差值产生PWM信号，并输出至开关功率变换模块中；还用于基于负载电流与参考电流的差值得到参考电压，并计算参考电压与功率滤波模块输出电压之间的差值，得到控制电压，输出至线性功率变换模块中；
线性功率变换模块对控制电压进行放大，以补偿开关功率变换模块的误差电压。
进一步优选地，电流控制模块包括第一电流控制器和第二电流控制器；第一电流控制器用于输出PWM信号至开关功率变换模块中，并基于负载电流与参考电流的差值来调整PWM信号的占空比，从而控制开关功率变换模块的输出电压；
第二电流控制器用于基于负载电流与参考电流的差值，采用PI控制的方式得到参考电压，并计算参考电压与功率滤波模块输出电压之间的差值，得到控制电压，输出至线性功率变换模块中。
进一步优选地，检测模块包括：电流采样模块和电压采样模块；
电流采样模块用于对开关功率变换模块、功率滤波模块和线性功率变换模块所在串联电路上的电流进行采样，得到负载电流，并反馈至第一电流控制器；
电压采样模块与功率滤波模块的输出端相连，用于对功率滤波模块输出的电压进行采样，并反馈至第二电流控制器。
进一步优选地，开关功率变换模块包括：第一直流源、桥式逆变电路和光耦隔离驱动电路；其中，第一直流源用于为桥式逆变电路提供电源电压；桥式逆变电路为H桥结构，包括四个MOSFET管；
光耦隔离驱动电路用于将电流控制模块产生的四路PWM信号进行光耦隔离放大，得到四路栅极驱动信号，并一一对应输出至四个MOSFET管的栅极。
进一步优选地，线性功率变换模块包括：第二直流源、隔离放大器和高压线性功率放大器；
第二直流源为高压线性功率放大器供电；
隔离放大器用于对参考电压进行隔离放大后，驱动高压线性功率放大器工作。
进一步优选地，高压线性功率放大器为甲乙类功率放大器，用于对隔离放大后的参考电压进一步进行放大。
进一步优选地，高压线性功率放大器为集成式线性功率放大器。
进一步优选地，功率滤波模块包括：滤波电感和滤波电容；功率滤波模块的输入与开关功率变换模块的输出相连，用于将开关功率变换模块的输出中低于截止频率的信号滤除。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供了一种双电流环控制的开关线性混合功率变换系统，采用双电流环闭环控制的方式，基于电流同时对开关功率变换模块和线性功率变换模块进行控制，既实现了对输出电流的控制，又通过电流控制的方式实现对输出电压的补偿，响应速度更快，具有更好的动态性能。
2、本发明所提供的开关线性混合功率变换系统，采用线性功率变换模块对开关功率变换模块进行补偿，电流纹波较小、信噪比较高。
3、本发明所述提供的开关线性混合功率变换系统，由开关功率变换模块提供主要输出能力，线性功率变换模块只需提供小部分输出，系统的整体效率较高。
4、本发明所述提供的开关线性混合功率变换系统，尤其适合于光刻机工作台等高加速、高精度电机驱动控制。
附图说明
图1为本发明提供的双电流环控制的开关线性混合功率变换系统的结构示意图。
图2为本发明一可选实施方式提供的电流控制模块的结构示意图。
图3为本发明一可选实施方式提供的开关功率变换模块的电路图。
图4为本发明一可选实施方式提供的线性功率变换模块的电路图。
图5为本发明一可选实施方式下提供的双电流环控制的开关线性混合功率变换系统的整体电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面结合附图对本发明的具体实施做进一步详细说明。
如图1所示，本发明公开的一种双电流环控制的开关线性混合功率变换系统，包括开关功率变换模块、功率滤波模块、线性功率变换模块、检测模块和电流控制模块。其中，开关功率变换模块、功率滤波模块和线性功率变换模块串联；
开关功率变换模块用于输出电压；开关功率变换模块的输出中带有的高频成分，因此将开关功率变换模块的逆变电路产生的高频交流电压输出至功率滤波模块（低通滤波器）中，功率滤波模块将高频成分滤除后输出带有纹波的低频交流电压；
检测模块用于检测开关功率变换模块、功率滤波模块和线性功率变换模块所在串联电路上的电流，即负载电流，以及功率滤波模块的输出电压，并反馈到电流控制模块中；
电流控制模块用于根据检测模块反馈的负载电流与电流指令（参考电流）之差生成PWM信号，并输出至开关功率变换模块中，以驱动开关功率变换模块工作，控制开关功率变换模块的逆变电路产生高频交流电压；同时基于电流指令与负载电流的差值得到参考电压，并计算参考电压与功率滤波模块输出电压之间的差值，得到控制电压，输出至线性功率变换模块中。
线性功率变换模块对控制电压进行放大，以补偿开关功率变换模块的误差电压。
进一步地，上述电流控制模块包括电流控制模块1和电流控制模块2；
电流控制模块1用于输出PWM信号至开关功率变换模块中，并基于负载电流Ifb与电流指令Iref的差值来调整PWM信号的占空比，从而控制开关功率变换模块的输出电压，进而调节输出电流；
电流控制模块2用于基于负载电流Ifb与电流指令Iref的差值得到参考电压，并计算参考电压与功率滤波模块输出电压Ufb之间的差值，得到控制电压（即参考电压与实际电压的误差差值），输出至线性功率变换模块中，经线性功率变换模块线性放大后补偿至主回路中。具体地，采用PI控制的方式，基于电路的特性设置PI参数，控制器基于负载电流Ifb与电流指令Iref的差值进行运算，得到参考电压，并计算参考电压与功率滤波模块输出电压之间的差值，得到控制电压，输出至线性功率变换模块中。
具体地，如图2所示，在一种可选实施方式下，电流控制器1接收指令电流Iref，根据Iref输出四路PWM信号S1、S2、S3、S4，驱动开关功率变换模块工作产生电流，检测模块对负载电流采样得到Ifb，电流控制器1根据Iref与Ifb之差调整PWM信号的占空比，实现对电流的闭环控制。电流控制器2根据Iref、Ifb以及反馈电压Ufb计算得到实际电压与参考电压的误差值Ue，并将误差值Ue输出到线性功率变换模块，实现用电流控制的方式完成对电压的补偿。
在一种可选实施方式下，检测模块包括：电流采样模块和电压采样模块；
电流采样模块用于对开关功率变换模块、功率滤波模块和线性功率变换模块所在串联电路上的电流进行采样，得到负载电流Ifb，并反馈至电流控制器1；
电压采样模块与功率滤波模块的输出端相连，用于对功率滤波模块输出的电压Ufb进行采样，并反馈至电流控制器2；
具体地，电流采样模块可以为精密电阻、电流互感器和霍尔元件等，考虑到检测带宽、效率和精度等因素，优选采用精密电阻。电压采样模块可以为电阻分压、电压互感器和隔离运算放大器中的一种或者多种等，采用电阻分压和隔离运放结合的方式，防止数字信号与模拟信号之间相互干扰，同时还能对强电进行隔离。
进一步地，上述开关功率变换模块可以从开关频率上划分，可以分为工频逆变器、中频逆变器和高频逆变器。如图3所示，在一种可选实施方式下，上述开关功率变换模块包括：光耦隔离驱动电路、直流源1和桥式逆变电路。直流源1为桥式逆变器提供直流电源。桥式逆变器采用H桥结构，H桥的Q1、Q2、Q3、Q4采用MOSFET管。电流控制模块发送4路PWM信号S1、S2、S3、S4到光耦驱动电路，经过光耦隔离放大后输出4路栅极驱动信号T1、T2、T3、T4，H桥在驱动信号作用下将直流电逆变为高频交流电。本实方式采用高频变换技术，具有体积小、重量轻、噪音小、效率高等优点。
进一步地，上述线性功率变换模块可以为甲类功率放大器、乙类功率放大器和甲乙类功率放大器等。如图4所示，在一种可选实施方式下，上述线性功率变换模块包括：直流源2、隔离放大器和高压线性功率放大器。直流源2为高压线性功率变换模块提供电源电压。电流控制器2输出的误差电压信号Ue经过隔离放大器放大后，输出到高压线性功率放大器。高压线性功率放大器采用集成式线性功率放大器，属于甲乙类功率放大器，用于对隔离放大后的参考电压进一步进行高精度放大。甲类功率放大器的输出电流高、失真度小，但是其效率较低；乙类功率放大器优于甲类功率放大器，但存在交跃失真等问题；甲乙类功率放大器兼具甲类和乙类功放的优点，输出失真度较小且效率较高。因此，本实施方式优选采用甲乙类功率放大器。
进一步地，上述功率滤波模块包括：滤波电感L和滤波电容C；功率滤波模块的输入与开关功率变换模块的输出相连，用于将开关功率变换模块的输出中低于截止频率的信号滤除。
需要说明的是，截止频率是根据滤波电感和滤波电容的值决定的。具体公式为：
其中，为截止频率。
进一步地，如图5所示为本发明一种可选实施方式所提供的双电流环控制的开关线性混合功率变换系统的整体电路图。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双电流环控制的开关线性混合功率变换系统，其特征在于，包括：检测模块、电流控制模块、以及串联的开关功率变换模块、功率滤波模块和线性功率变换模块；
所述功率滤波模块用于滤除所述开关功率变换模块输出电压中的高频成分；
所述检测模块用于检测负载电流和功率滤波模块的输出电压，并反馈至所述电流控制模块中；
所述电流控制模块用于基于所述负载电流与参考电流的差值产生PWM信号，并输出至所述开关功率变换模块中；还用于基于所述负载电流与所述参考电流的差值得到参考电压，并计算所述参考电压与所述功率滤波模块输出电压之间的差值，得到控制电压，输出至所述线性功率变换模块中；
所述线性功率变换模块对所述控制电压进行放大，以补偿所述开关功率变换模块的误差电压。
2.根据权利要求1所述的开关线性混合功率变换系统，其特征在于，所述电流控制模块包括第一电流控制器和第二电流控制器；
所述第一电流控制器用于输出PWM信号至所述开关功率变换模块中，并基于所述负载电流与所述参考电流的差值来调整PWM信号的占空比，从而控制所述开关功率变换模块的输出电压；
所述第二电流控制器用于基于所述负载电流与所述参考电流的差值，采用PI控制的方式得到参考电压，并计算所述参考电压与所述功率滤波模块输出电压之间的差值，得到控制电压，输出至所述线性功率变换模块中。
3.根据权利要求2所述的开关线性混合功率变换系统，其特征在于，
所述检测模块包括：电流采样模块和电压采样模块；
所述电流采样模块用于对所述开关功率变换模块、功率滤波模块和线性功率变换模块所在串联电路上的电流进行采样，得到所述负载电流，并反馈至所述第一电流控制器；
所述电压采样模块与所述功率滤波模块的输出端相连，用于对所述功率滤波模块输出的电压进行采样，并反馈至所述第二电流控制器。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的开关线性混合功率变换系统，其特征在于，所述开关功率变换模块包括：第一直流源、桥式逆变电路和光耦隔离驱动电路；其中，所述第一直流源用于为所述桥式逆变电路提供电源电压；所述桥式逆变电路为H桥结构，包括四个MOSFET管；
所述光耦隔离驱动电路用于将所述电流控制模块产生的四路PWM信号进行光耦隔离放大，得到四路栅极驱动信号，并一一对应输出至四个MOSFET管的栅极。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的开关线性混合功率变换系统，其特征在于，线性功率变换模块包括：第二直流源、隔离放大器和高压线性功率放大器；
所述第二直流源用于为所述高压线性功率放大器供电；
所述隔离放大器用于对所述参考电压进行隔离放大后，驱动所述高压线性功率放大器工作。
6.根据权利要求5所述的开关线性混合功率变换系统，其特征在于，所述高压线性功率放大器为甲乙类功率放大器，用于对隔离放大后的参考电压进一步进行放大。
7.根据权利要求6所述的开关线性混合功率变换系统，其特征在于，
所述高压线性功率放大器为集成式线性功率放大器。
8.根据权利要求1-3任意一项所述的开关线性混合功率变换系统，其特征在于，所述功率滤波模块用于将开关功率变换模块的输出中低于截止频率的信号滤除。
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