功放电源自适应调整装置及调整方法与流程

1.本发明涉及功放调节技术领域，尤其涉及功放电源自适应调整装置及调整方法。


背景技术：

2.目前，测井仪功放类型通常有a类、b类、ab类、d类等，不同类型的功放有着不同的优缺点，且各种功放都有着不同的相关运用。其中a类功放效率最低，但是线性度良好，设计简单；b类功放效率较a类高，但是有比较严重的交越失真，线性度差；ab类介于两者之间，效率偏中，线性度较b类好；d类功放效率最高，线性度还好，但是由于受器件限制(开关速度、漏电流、导通电阻不为零等)和设计上的不完善，导致效率最高不超过85％，且只能适用于低频信号的放大，因此当发射信号频率偏高时，d类功放就显得不太适用了。
3.申请号201710474045.6的中国专利公开了一种测井仪功放电源自适应调整装置，通过实时检测发射信号幅度大小，将发射信号幅度有效值转换成一直流电压，再由一8位并口adc采样模块进行采样，模数转换后实现并口输出，将发射信号幅度大小的模拟量转换成8位二进制的数字量，反应到开关电源的输出电压值上。通过合理的电路参数匹配，剔除开关电源及功放输出的非线性误差，使得发射信号的变化与功放的输入电压，即开关电源的输出电压成线性正比关系，功放始终工作在接近满负荷输出状态，减少了电源热损耗，提高了功放效率，也降低了电源功耗。同时，本发明能够根据发射信号的大小，自动为功放选择由开关电源供电还是由电源总电源供电。
4.上述技术存在以下不足：上述调整装置调整电源时，开关管开通和关断过程中，电压和电流的波形交叉时间长，使得开关管的开关损耗大，进而增加开关过程中的能量损耗，提高功放电源的使用成本。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术的不足，提供了功放电源自适应调整装置及调整方法。
6.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：功放电源自适应调整方法，所述调整方法包括以下步骤：s1：dc-dc逆变拓扑结构选择选择全桥拓扑结构做为dc-dc逆变拓扑结构；s2：软开关调整软开关通过谐振原理使开关管开通和关断过程中，电压和电流的波形交叉时间减小到零，使开关管的开关损耗降为零。
7.优选的，所述软开关包括zvs零电压软开关和zvzcs零电压零电流软开关，zvs软开关通过谐振原理使全桥逆变电路中的四只开关管均为零电压软开关；zvzcs软开关通过谐振原理使全桥逆变电路中两只开关实现零电压软开关，另两只开关管实现零电流软开关。
8.优选的，所述zvs软开关的谐振元器件为开关管并联电容c1~c4和变压器漏感lr，使开关管开通时其两端电压已经降低到零，实现开关管的零电压软开关。
9.优选的，所述zvzcs软开关的谐振元器件为开关管并联电容c1、c2和变压器的漏感lr，开关管q3和q4两端没有并联电容，同时在q3和q4桥臂上引入了两只二极管，使得q1和q2桥臂实现零电压软开关，q3和q4桥臂实现零电流软开关。
10.优选的，所述zvs软开关对驱动信号时序要求为：s2.1：+1状态，即当q1和q4同时导通，电流流过q1到变压器再到q4，此时ab两点间电压v
ab
=+v
in
；s2.2：-1状态，即当q2和q3同时导通，电流流过q3到变压器再到q2，此时ab两点间电压v
ab
=-v
in
；s2.3：0状态，即当q1和q4不同时导通，且q2和q3也不同时导通时，此时ab两点间电压v
ab
=0。
11.优选的，所述zvs软开关包括以下切换方式；全桥控制：+1状态
→‑
1状态，-1状态
→
+1状态；有限双极性控制：
±
1状态
‑→
0状态；移相控制：0状态
→±
1状态。
12.本发明还提供功放电源自适应调整装置，所述调整装置用于实现功放电源自适应调整方法，包括第一整流滤波模块、开关逆变模块、变压模块、第二整流滤波模块以及控制模块；第一整流滤波模块将三相电源通过三相整流桥处理成脉动的直流电信号，再通过电解电容来对直流电信号进行滤波，开关逆变模块将直流电信号转换为高频方波交流信号，通过zvs软开关为全桥开关管提供驱动信号，变压模块接收高频方波交流信号后与逆变桥开关管一起来调节输出电压，第二整流滤波模块再将变压模块输出的高频方波交流信号转换成直流电信号，控制模块采样输出电压和电流信号，得到数字量后参与pid运算，控制移相pwm信号，改变逆变桥的有效占空比。
13.优选的，所述变压模块还用于变换电压，隔离输入和输出电源。
14.本发明的有益效果：1、本发明通过软开关利用谐振原理实现开关管开通和关断过程中实现电压和电流的波形交叉时间理论上减小到零，从而使开关管的开关损耗理论上降为零，减少开关过程中的能量损耗，所以设计电源时可以减少对散热环节的设计投入，降低功放电源的使用成本；2、本发明中由于软开关可以减缓开关管开通和关断过程中电压和电流的应力，使开关管的开关尖峰得到抑制，从而使开关噪声也降到最低，有利于后端对直流电源的滤波设计。
附图说明
15.图1为本发明调整方法的工作流程图；图2为本发明电源的系统模块图；图3为本发明zvs软开关的电路图；图4为本发明zvzcs软开关的电路图。
具体实施方式
16.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
18.实施例1请参阅图1所示，本实施例所述功放电源自适应调整方法，所述调整方法包括以下步骤：常见的dc-dc逆变拓扑结构有单端式、推挽式、半桥式、全桥式四种。由于本实施例研究直流电源的峰值功率达到40kw，属于大功率电源的范畴，可以采用的拓扑结构有推挽式、半桥式和全桥式，推挽式拓扑结构的优点是驱动电路简单，但由于拓扑结构中只使用两个开关管，当用在大功率电源设计中会使开关管的电压应力增大，电源稳定性变差；而半桥式拓扑结构也只使用两个开关管，在大功率开关电源设计中会使开关管的电流应力增大，同时不利于提高电源的输出功率，故而本设计采用全桥拓扑结构，可以满足设计要求，同时方便电路元件的选用。
19.软开关利用谐振原理实现开关管开通和关断过程中实现电压和电流的波形交叉时间理论上减小到零，从而使开关管的开关损耗理论上降为零，具体在开关电源的设计中，在电路中加入谐振元器件（通常是电容和电感）使电源电路产生谐振，实现开关管的软开关设计。
20.软开关可以很大程度上减少开关过程中的能量损耗，所以设计电源时可以减少对散热环节的设计投入，同时实现软开关的电路中，由于软开关可以减缓开关管开通和关断过程中电压和电流的应力，使开关管的开关尖峰得到抑制，从而使开关噪声也降到最低，有利于后端对直流电源的滤波设计。
21.软开关主要分为zvs零电压软开关和zvzcs零电压零电流软开关，zvs软开关是利用谐振原理使全桥逆变电路中的四只开关管均为零电压软开关；而zvzcs软开关是利用谐振原理使全桥逆变电路中两只开关实现零电压软开关，另两只开关管实现零电流软开关。
22.请参阅图3所示，zvs软开关的谐振元器件为开关管并联电容c1~c4和变压器漏感lr，利用谐振技术和电容电压不能突变的原理，使开关管开通时其两端电压已经降低到零，实现开关管的零电压软开关，zvs变换拓扑结构的优点是结构较简单，电源的稳定性较强，但zvs变换拓扑结构也有一个问题，即当电源的负载较轻时，因为不容易满足开关管实现zvs软开关的条件（后文会详细介绍），使电源的应用范围有所限制。
23.请参阅图4所示，zvzcs软开关的谐振元器件为开关管并联电容c1、c2和变压器的漏感lr，与zvs拓扑结构不同的是，开关管q3和q4两端没有并联电容，同时在q3和q4桥臂上引入了两只二极管，使得q1和q2桥臂实现零电压软开关，而q3和q4桥臂实现零电流软开关，zvzcs变换拓扑结构理论上可以实现任意负载范围内的开关管软开关效果，但由于增加了两只二极管，使电源的效率有所降低，同时二极管反向恢复电流的影响容易引起电源的高
频振荡。
24.综上所述，zvs与zvzcs两种变换器从性能上来讲各有利弊，由于测井仪功率放大器的需求电源功率变化范围不是很大，主要是对电源系统的可靠性、精度和抗干扰性能等方面有比较严格的要求，所以综合考虑多个方面的因素，本实施例采用zvs软开关变换拓扑结构。
25.请参阅图3所示，zvs软开关对驱动信号时序要求如下：(1)+1状态，即当q1和q4同时导通，电流流过q1到变压器再到q4，此时ab两点间电压v
ab
=+v
in
；(2)-1状态，即当q2和q3同时导通，电流流过q3到变压器再到q2，此时ab两点间电压v
ab
=-v
in
；(3)0状态，即当q1和q4不同时导通，且q2和q3也不同时导通时，此时ab两点间电压v
ab
=0；由于上面三种状态的存在，于是就产生了三种状态之间的三类切换方式：(a)全桥控制：+1状态
→‑
1状态，或者-1状态
→
+1状态；(b)有限双极性控制：
±
1状态
‑→
0状态；(c)移相控制：0状态
→±
1状态。
26.本实施例中优选有限双极性控制或移相控制作为zvs软开关的控制策略，因为移相控制的超前桥臂的开通时间先于滞后桥臂，超前桥臂的开通使并联在开关管两端的电容短路，电容上没有积累大量的电荷，这对开关管的零电压开通很有利，本实施例中优选移相控制作为zvs软开关的控制策略。
27.实施例2请参阅图2所示，本实施例所述功放电源自适应调整装置，包括第一整流滤波模块、开关逆变模块、变压模块、第二整流滤波模块以及控制模块；其中，第一整流滤波模块：用于对三相电源施加整流滤波电路，把三相电源通过三相整流桥处理成脉动的直流电信号，然后用大容量电解电容来对直流信号进行滤波，这样可以得到比较干净的脉动较小的直流电源，此直流电源用于逆变桥电路。
28.开关逆变模块：用于将直流电信号转换为高频方波交流信号，通过zvs软开关作为变换器的开关管，在高电压和大电流的条件为全桥开关管提供驱动信号，变换器采用zvs软开关设计，可以提升电源系统的效率和减小开关管的开关干扰。
29.变压模块：用于变换电压，接收高频方波交流信号后与逆变桥开关管一起来调节输出电压，另一方面起到隔离输入和输出电源的作用，这样输出的直流稳压电源不容易对操作人员产生伤害。
30.第二整流滤波模块：用于将变压模块输出的高频方波交流信号转换成直流电信号，使用全桥整流的方式，通过输出滤波电感和输出滤波电容组成的lc滤波器后可以得到稳定的直流电源，为了提高电源输出电压的精度，在lc滤波器后加入了共模滤波电感和高频滤波电容，对高频干扰信号进一步滤波，这样可以得到纹波电压较小的直流稳压电源。
31.控制模块：用于采样输出电压和电流信号，得到数字量后参与pid运算，pid运算结果来控制移相pwm信号进而改变逆变桥的有效占空比，实现整个电源系统的闭环设计，控制
模块以stm32f103微控制器为核心，实现移相pwm驱动信号和反馈控制的数字化设计。
32.需要说明的是，在本文中，如若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
33.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。