用于磁悬浮涡轮分子泵的开关功率放大器的制造方法
【专利摘要】本发明提供用于磁悬浮涡轮分子泵的开关功率放大器,其包括:电流误差信号处理电路;生成并输出两个PWM信号的PWM信号发生电路;光耦隔离驱动电路,生成并输出用于驱动下一级电路中的功率开关管栅极的驱动信号;利用来自光耦隔离驱动电路的栅极驱动信号,分别对各个功率开关管进行控制,由此在负载磁轴承线圈中生成的电流作为待检测电流输出的半桥功率主电路;和电流检测电路,用于检测来自半桥功率主电路的在负载磁轴承线圈中流通的电流的大小,将检测出的电流值作为电流反馈信号输出至电流误差信号处理电路。根据本发明,能够提供能提高集成度、可靠性以及能量转换效率的用于磁悬浮涡轮分子泵的开关功率放大器。
【专利说明】用于磁悬浮涡轮分子泵的开关功率放大器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于磁悬浮涡轮分子泵的开关功率放大器,用于对磁悬浮涡轮分子泵的磁轴承线圈中的电流进行主动控制。
【背景技术】
[0002]涡轮真空分子泵是一种机械式真空泵,它通过高速旋转的多级涡轮转子叶片和静止涡轮叶片的组合进行抽气,在分子流区域内对被抽气体产生很高的压缩比,从而获得所需要的高真空和超高真空性能。磁悬浮涡轮分子泵代替传统机械式真空泵的机械轴承支承,而采用磁轴承支承,由于磁轴承无需加入任何润滑介质,分子泵的叶轮便可在无油条件下运行,因此在分子泵运转过程中,高真空区域不会受到油蒸汽的污染,不需要冷阱和油挡板,即可获得清洁的高真空和超高真空环境。另外,由于磁轴承没有机械接触和摩擦,也不存在润滑介质流淌的问题,因此磁悬浮涡轮分子泵可以实现任意角度安装,这使得分子泵的应用更为灵活。目前,磁悬浮涡轮分子泵已广泛应用于加速器技术、等离子体技术、半导体制造、电子显微镜、电真空器件等的制造机真空技术的各个领域中,为制造过程提供稳定可靠的高真空环境。
[0003]功率放大器作为磁悬浮涡轮分子泵磁轴承控制系统的执行器,其能量消耗最大,同时也是整个磁轴承控制系统中可靠性较薄弱的环节。为了提高功率放大器的效率,磁悬浮涡轮分子泵的磁轴承控制系统采用开关功率放大器。现有的用于磁轴承控制系统的开关功率放大器功率主电路的高压侧功率开关管和低压侧功率开关管均是采用同类型的开关管,这样在高压端的栅极驱动电路中通常就需要使用独立悬浮电源、自举电源或是带有隔离变压器的驱动电路才能实现。如果采用独立悬浮电源,则不仅增加了整个磁轴承控制系统中电源的数量,势必同时增加电路的体积和重量,结果必然大大降低电路的可靠性。采用自举电源,虽然可以节省独立电源的数量,但是如果自举电路的参数选择不当,导致自举不成功,则将严重影响到磁轴承控制系统正常的稳定运行。采用带有隔离变压器的栅极驱动电路通常较为复杂,且使用了隔离变压器也会造成电路体积的增加。此外,现有的用于磁轴承控制系统的开关功率放大器在PWM生成电路方面,多是采用DSP或是FPGA的数字信号处理方式来生成PWM信号,如果在需要输出很多路PWM的情况下,这种方式是很有必要的,但对于输出路数较少的应用场合,反而容易将简单问题复杂化。通过减小电路的体积和元器件数量,可以降低开关功率放大器的功耗,同时提高开关功率放大器的电路可靠性。为了满足磁悬浮涡轮分子泵的磁轴承控制系统对开关功率放大器高可靠性和低功耗的要求,需要开发一种控制方式和电路结构都简单且电路体积小的开关功率放大器。
【发明内容】
[0004]本发明是鉴于上述情况而完成的,其目的在于提供一种适用于磁悬浮涡轮分子泵的磁轴承控制系统的开关功率放大器,能够提高开关功率放大器的集成度、可靠性以及能量转换效率。[0005]为了实现上述目的,本发明提供一种用于磁悬浮涡轮分子泵的开关功率放大器,其特征在于,包括:
[0006]电流误差信号处理电路,对输入的电流控制信号和电流反馈信号进行求差运算,对所得到的差值进行比例积分运算后输出至PWM信号发生电路;
[0007]PWM信号发生电路,对来自上述电流误差信号处理电路的信号进行PWM调制处理,生成并输出两个PWM信号;
[0008]光耦隔离驱动电路,对上述PWM信号发生电路生成的上述两个PWM信号进行光耦隔离,并进行驱动来放大功率,生成并输出用于对下一级电路中的功率开关管的栅极进行驱动的栅极驱动信号;
[0009]半桥功率主电路,包括第一功率开关管、第二功率开关管、第一续流二极管、第二续流二极管、电流检测电阻和负载磁轴承线圈,分别利用来自上述光耦隔离驱动电路的上述栅极驱动信号,对各个上述功率开关管进行控制,使得上述功率开关管同时导通或者同时关断,由此在上述负载磁轴承线圈中生成的电流作为待检测电流输出;和
[0010]电流检测电路,用于检测来自半桥功率主电路的在上述负载磁轴承线圈中流通的电流的大小,将检测出的电流值作为电流反馈信号输出至上述电流误差信号处理电路。
[0011]根据本发明的上述结构,能够得到提高了集成度、可靠性以及能量转换效率的用于磁悬浮涡轮分子泵的开关功率放大器。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明涉及的用于磁悬浮涡轮分子泵的开关功率放大器的电路结构的框图。
[0013]图2为本发明涉及的用于磁悬浮涡轮分子泵的开关功率放大器中的PWM信号发生电路的电路连接图。
[0014]图3为本发明涉及的用于磁悬浮涡轮分子泵的开关功率放大器中的电流检测电路的电路连接图。
【具体实施方式】
[0015]以下,参照附图对本发明涉及的用于磁悬浮涡轮分子泵的开关功率放大器(以下简称为“开关功率放大器”)进行详细说明。
[0016]图1示出了磁悬浮涡轮分子泵的磁轴承控制系统用开关功率放大器的电路结构框图。如图1所示,开关功率放大器包括依次连接的电流误差信号处理电路1、PWM信号发生电路2、光耦隔离驱动电路3、半桥功率主电路4和电流检测电路5。
[0017]具体而言,电流误差信号处理电路I对输入的电流控制信号和电流反馈信号进行求差运算,对所得到的差值进行比例积分运算后输出至PWM信号发生电路2。PWM信号发生电路2对输入的信号进行PWM调制处理,生成两路PWM信号,输出到光耦隔离驱动电路3。光耦隔离驱动电路3对由PWM信号发生电路2生成的两路PWM信号PWMl、PWM2进行光耦隔离,并进行驱动来放大功率,生成栅极驱动信号Ugl和Ug2输出到半桥功率主电路4,对半桥功率主电路4中的功率开关管VTl、VT2的栅极进行驱动。半桥功率主电路4如图1所示,包括:分别与栅极驱动信号Ugl和Ug2连接的第一功率开关管VTl和第二功率开关管VT2、相互串联连接的电流检测电阻R和负载磁轴承线圈L、以及与电流检测电阻R连接的第一续流二极管VDl和与负载磁轴承线圈L连接的第二续流二极管VD2。利用来自光耦隔离驱动电路3的栅极驱动信号Ugl、Ug2,对功率开关管VT1、VT2进行控制,使得功率开关管VT1、VT2能够同时导通或者同时关断。通过使半桥功率主电路5的功率开关管VTl、VT2在栅极驱动信号的控制下导通或关断,在负载磁轴承线圈L中输出与电流控制信号成比例的电流。将在与负载磁轴承线圈L串联连接的电流检测电阻R中流通的电流作为电流检测电路5要检测的电流输出。电流检测电路5对来自半桥功率主电路4的在负载磁轴承线圈L中流通的电流大小进行检测,将检测出的电流值作为电流反馈信号输出至电流误差信号处理电路I。
[0018]图2示出了本发明的涉及的用于磁悬浮涡轮分子泵的开关功率放大器中的PWM信号发生电路2的电路连接图。如图2所示,PWM信号发生电路2将三角波载波信号通过运算放大器A5跟随后,分别输入到比较器A7的反相输入端和比较器AS的同相输入端。另一方面,将运算后的电流误差信号经运算放大器A6反相后,分别输入到比较器A7的同相输入端和比较器A8的反相输入端。比较器A8的输出信号为脉宽调制信号PWM1,比较器A7的输出信号为脉宽调制信号PWM2。
[0019]图3示出了本发明涉及的用于磁悬浮涡轮分子泵的开关功率放大器中的电流检测电路5的电路连接图。如图3所示,由于电流检测电阻R是串接在半桥功率主电路4的功率开关管VTl的漏极与续流二极管VDl的阴极的相连处和负载磁轴承线圈L之间的,因此在将电流检测电阻R两端的电位+IN1、-1Nl分别接入到运算放大器Al的同相输入端和反相输入端进行差分放大时,在运算放大器Al的同相输入端和反相输入端就会有相当高的共模电压信号,如果差分运算放大器的抑制共模信号的能力较弱,就会在电流检测过程中引起干扰。在本发明中,采用能够在输入高共模电压信号时进行差分运算的运算放大器AD628,从而能够有效地解决高共模电压信号对电流检测过程的影响。经过由运算放大器Al和运算放大器A2构成的差分运算放大电路U1、以及由运算放大器A3、线性光耦U2和运算放大器A4构成的线性光耦隔离电路,输出作为流过负载磁轴承线圈L的实际电流大小的电流反馈信号。
[0020]此外,在半桥功率主电路4中设置的第一功率开关管VTl使用P沟道M0SFET,第二功率开关管VT2使用N沟道MOSFET。
[0021]此外,如图1所示,第一功率开关管VTl的栅极驱动信号Ugl的参考地电位为半桥功率主电路4中的母线电源的正极电位+U,第二功率开关管VT2的栅极驱动信号Ug2的参考地电位为半桥功率主电路4中的母线电源的地电位GND。
[0022]本发明与现有的用于磁轴承系统的开关功率放大器相比,具有如下优点:
[0023]( I)与现有的电磁轴承开关功率放大器的半桥或全桥功率主电路普遍采用的同类型的功率开关管相比,本发明通过在功率主电路中的高压端采用P沟道M0SFET,在低压端采用传统功率主电路低压端使用的N沟道M0SFET,能够有效地简化功率主电路的高压端驱动电路。这是因为传统的开关功率放大器中的功率主电路的高压侧功率开关管和低压侧功率开关管均采用同类型的N沟道开关管,这样在高压端的栅极驱动电路中通常就需要使用独立悬浮电源、自举电源或带有隔离变压器的驱动电路才能够实现。与此相对,在本发明中,高压端采用P沟道MOSFET后,功率开关管VTl的栅极驱动信号Ugl的参考地即为半桥功率主电路4的母线电源的正极+U,从而不需要使用独立悬浮电源、自举电源或带有隔离变压器的驱动电路,就能够实现高压侧功率开关管的驱动。
[0024]( 2 )此外,与现有的电磁轴承开关功率放大器中的PWM信号生成电路相比,本发明中采用的PWM信号生成电路非常简单,使用两个比较器即可实现PWM信号的生成。
[0025]( 3)与现有的电磁轴承开关功率放大器中的采用霍尔电流传感器的电流检测电路相比,本发明中的电流检测电路通过采用高共模输入差分运算放大器和线性光耦来实现磁轴承线圈电流的检测,能够节省成本并且减小电路体积。
[0026]虽然以上结合附图和实施例对本发明进行了具体说明,但是可以理解,上述说明不以任何形式限制本发明。本领域技术人员在不偏离本发明的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本发明进行变形和变化,这些变形和变化均落入本发明的范围内。
【权利要求】
1.一种用于磁悬浮涡轮分子泵的开关功率放大器,其特征在于,包括: 电流误差信号处理电路(1),对输入的电流控制信号和电流反馈信号进行求差运算,对所得到的差值进行比例积分运算后输出至PWM信号发生电路(2); PWM信号发生电路(2),对来自所述电流误差信号处理电路(1)的信号进行PWM调制处理,生成并输出两个PWM信号(PWM1和PWM2); 光耦隔离驱动电路(3 ),对所述PWM信号发生电路(2 )生成的所述两个PWM信号(PWMl和PWM2)进行光耦隔离,并进行驱动来放大功率,生成并输出用于对下一级电路中的功率开关管(VTl和VT2)的栅极进行驱动的栅极驱动信号(Ugl和Ug2); 半桥功率主电路(4),包括第一功率开关管(VT1)、第二功率开关管(VT2)、第一续流二极管(VD1)、第二续流二极管(VD2)、电流检测电阻(R)和负载磁轴承线圈(L),分别利用来自所述光耦隔离驱动电路(3)的所述栅极驱动信号(Ugl和Ug2),对各个所述功率开关管(VTl和VT2)进行控制,使得所述功率开关管(VTl和VT2)同时导通或者同时关断,由此在所述负载磁轴承线圈(L)中生成的电流作为待检测电流输出;和 电流检测电路(5),用于检测来自半桥功率主电路(4)的在所述负载磁轴承线圈(L)中流通的电流的大小,将检测出的电流值作为电流反馈信号输出至所述电流误差信号处理电路(1)。
2.根据权利要求1所述的用于磁悬浮涡轮分子泵的开关功率放大器,其特征在于: 所述PWM信号发生电路(2)具备: 多个运算放大器,包括第一运算放大器(A5)和第二运算放大器(A6);和 多个比较器,包括第一比较器(A7)和第二比较器(AS), 通过所述第一运算放大器(A5)对输入的载波信号进行跟随后,将得到的信号分别输入到所述第一比较器(A7)的反相输入端和所述第二比较器(AS)的同相输入端, 通过所述第二运算放大器(A6)将来自所述电流误差信号处理电路(1)的信号反相后,将得到的信号分别输入到所述第一比较器(A7)的同相输入端和所述第二比较器(AS)的反相输入端, 所述第二比较器(AS)输出第一脉宽调制信号(PWM1),所述第一比较器(A7)输出第二脉宽调制信号(PWM2)。
3.根据权利要求1或2所述的用于磁悬浮涡轮分子泵的开关功率放大器,其特征在于: 在所述半桥功率主电路(4)中,所述第一功率开关管(VTl)使用P沟道MOSFET,所述第二功率开关管(VT2)使用N沟道MOSFET,所述第一功率开关管(VTl)的栅极驱动信号(Ugl)的参考地电位为所述半桥功率主电路(4)中的母线电源的正极电位(+U),所述第二功率开关管(VT2)的栅极驱动信号(Ug2)的参考地电位为所述半桥功率主电路(4)中的母线电源的地电位(GND)。
4.根据权利要求3所述的用于磁悬浮涡轮分子泵的开关功率放大器,其特征在于: 在所述半桥功率主电路(4)中,所述第一功率开关管(VTl)的漏极与所述第一续流二极管(VDl)的阴极连接,所述第二功率开关管(VT2)的漏极与所述第二续流二极管(VD2)的阳极连接, 所述电流检测电阻(R)的一端与所述第一功率开关管(VTl)的漏极连接,另一端与所述负载磁轴承线圈(L)的一端连接,所述负载磁轴承线圈(L)的另一端与所述第二功率开关管(VT2)的漏极连接。
5.根据权利要求4所述的用于磁悬浮涡轮分子泵的开关功率放大器,其特征在于: 所述电流检测电路(5)具备: 差分运算放大电路(Ul ),包括第三运算放大器(Al)和第四运算放大器(A2);和线性光耦隔离电路,包括第五运算放大器(A3)、线性光耦(U2)和第六运算放大器(A4), 所述半桥功率主电路(4)中的所述电流检测电阻(R)两端的电位(+IN1、-1N1)分别接入到所述第三运算放大器(Al)的同相输入端和反相输入端,经由所述差分运算放大电路(Ul)和与其串联连接的所述线性光耦隔离电路,输出与流过所述半桥功率主电路(4)中的所述负载磁轴承线圈L的电流成正比的电压信号作为电流反馈信号。
【文档编号】H03F1/02GK103973239SQ201310030526
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年1月25日 优先权日:2013年1月25日
【发明者】洪申平, 张亮, 沙宏磊, 俞天野, 项海铭 申请人:天津飞旋科技研发有限公司