用于磁懸浮渦輪分子泵的開關功率放大器的制造方法
【專利摘要】本發明提供用于磁懸浮渦輪分子泵的開關功率放大器，其包括：電流誤差信號處理電路；生成并輸出兩個PWM信號的PWM信號發生電路；光耦隔離驅動電路，生成并輸出用于驅動下一級電路中的功率開關管柵極的驅動信號；利用來自光耦隔離驅動電路的柵極驅動信號，分別對各個功率開關管進行控制，由此在負載磁軸承線圈中生成的電流作為待檢測電流輸出的半橋功率主電路；和電流檢測電路，用于檢測來自半橋功率主電路的在負載磁軸承線圈中流通的電流的大小，將檢測出的電流值作為電流反饋信號輸出至電流誤差信號處理電路。根據本發明，能夠提供能提高集成度、可靠性以及能量轉換效率的用于磁懸浮渦輪分子泵的開關功率放大器。
【專利說明】用于磁懸浮渦輪分子泵的開關功率放大器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于磁懸浮渦輪分子泵的開關功率放大器，用于對磁懸浮渦輪分子泵的磁軸承線圈中的電流進行主動控制。
【背景技術】
[0002]渦輪真空分子泵是一種機械式真空泵，它通過高速旋轉的多級渦輪轉子葉片和靜止渦輪葉片的組合進行抽氣，在分子流區域內對被抽氣體產生很高的壓縮比，從而獲得所需要的高真空和超高真空性能。磁懸浮渦輪分子泵代替傳統機械式真空泵的機械軸承支承，而采用磁軸承支承，由于磁軸承無需加入任何潤滑介質，分子泵的葉輪便可在無油條件下運行，因此在分子泵運轉過程中，高真空區域不會受到油蒸汽的污染，不需要冷阱和油擋板，即可獲得清潔的高真空和超高真空環境。另外，由于磁軸承沒有機械接觸和摩擦，也不存在潤滑介質流淌的問題，因此磁懸浮渦輪分子泵可以實現任意角度安裝，這使得分子泵的應用更為靈活。目前，磁懸浮渦輪分子泵已廣泛應用于加速器技術、等離子體技術、半導體制造、電子顯微鏡、電真空器件等的制造機真空技術的各個領域中，為制造過程提供穩定可靠的高真空環境。
[0003]功率放大器作為磁懸浮渦輪分子泵磁軸承控制系統的執行器，其能量消耗最大，同時也是整個磁軸承控制系統中可靠性較薄弱的環節。為了提高功率放大器的效率，磁懸浮渦輪分子泵的磁軸承控制系統采用開關功率放大器。現有的用于磁軸承控制系統的開關功率放大器功率主電路的高壓側功率開關管和低壓側功率開關管均是采用同類型的開關管，這樣在高壓端的柵極驅動電路中通常就需要使用獨立懸浮電源、自舉電源或是帶有隔離變壓器的驅動電路才能實現。如果采用獨立懸浮電源，則不僅增加了整個磁軸承控制系統中電源的數量，勢必同時增加電路的體積和重量，結果必然大大降低電路的可靠性。采用自舉電源，雖然可以節省獨立電源的數量，但是如果自舉電路的參數選擇不當，導致自舉不成功，則將嚴重影響到磁軸承控制系統正常的穩定運行。采用帶有隔離變壓器的柵極驅動電路通常較為復雜，且使用了隔離變壓器也會造成電路體積的增加。此外，現有的用于磁軸承控制系統的開關功率放大器在PWM生成電路方面，多是采用DSP或是FPGA的數字信號處理方式來生成PWM信號，如果在需要輸出很多路PWM的情況下，這種方式是很有必要的，但對于輸出路數較少的應用場合，反而容易將簡單問題復雜化。通過減小電路的體積和元器件數量，可以降低開關功率放大器的功耗，同時提高開關功率放大器的電路可靠性。為了滿足磁懸浮渦輪分子泵的磁軸承控制系統對開關功率放大器高可靠性和低功耗的要求，需要開發一種控制方式和電路結構都簡單且電路體積小的開關功率放大器。
【發明內容】
[0004]本發明是鑒于上述情況而完成的，其目的在于提供一種適用于磁懸浮渦輪分子泵的磁軸承控制系統的開關功率放大器，能夠提高開關功率放大器的集成度、可靠性以及能量轉換效率。[0005]為了實現上述目的，本發明提供一種用于磁懸浮渦輪分子泵的開關功率放大器，其特征在于，包括:
[0006]電流誤差信號處理電路，對輸入的電流控制信號和電流反饋信號進行求差運算，對所得到的差值進行比例積分運算后輸出至PWM信號發生電路；
[0007]PWM信號發生電路，對來自上述電流誤差信號處理電路的信號進行PWM調制處理，生成并輸出兩個PWM信號；
[0008]光耦隔離驅動電路，對上述PWM信號發生電路生成的上述兩個PWM信號進行光耦隔離，并進行驅動來放大功率，生成并輸出用于對下一級電路中的功率開關管的柵極進行驅動的柵極驅動信號；
[0009]半橋功率主電路，包括第一功率開關管、第二功率開關管、第一續流二極管、第二續流二極管、電流檢測電阻和負載磁軸承線圈，分別利用來自上述光耦隔離驅動電路的上述柵極驅動信號，對各個上述功率開關管進行控制，使得上述功率開關管同時導通或者同時關斷，由此在上述負載磁軸承線圈中生成的電流作為待檢測電流輸出；和
[0010]電流檢測電路，用于檢測來自半橋功率主電路的在上述負載磁軸承線圈中流通的電流的大小，將檢測出的電流值作為電流反饋信號輸出至上述電流誤差信號處理電路。
[0011]根據本發明的上述結構，能夠得到提高了集成度、可靠性以及能量轉換效率的用于磁懸浮渦輪分子泵的開關功率放大器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明涉及的用于磁懸浮渦輪分子泵的開關功率放大器的電路結構的框圖。
[0013]圖2為本發明涉及的用于磁懸浮渦輪分子泵的開關功率放大器中的PWM信號發生電路的電路連接圖。
[0014]圖3為本發明涉及的用于磁懸浮渦輪分子泵的開關功率放大器中的電流檢測電路的電路連接圖。
【具體實施方式】
[0015]以下，參照附圖對本發明涉及的用于磁懸浮渦輪分子泵的開關功率放大器(以下簡稱為“開關功率放大器”)進行詳細說明。
[0016]圖1示出了磁懸浮渦輪分子泵的磁軸承控制系統用開關功率放大器的電路結構框圖。如圖1所示，開關功率放大器包括依次連接的電流誤差信號處理電路1、PWM信號發生電路2、光耦隔離驅動電路3、半橋功率主電路4和電流檢測電路5。
[0017]具體而言，電流誤差信號處理電路I對輸入的電流控制信號和電流反饋信號進行求差運算，對所得到的差值進行比例積分運算后輸出至PWM信號發生電路2。PWM信號發生電路2對輸入的信號進行PWM調制處理，生成兩路PWM信號，輸出到光耦隔離驅動電路3。光耦隔離驅動電路3對由PWM信號發生電路2生成的兩路PWM信號PWMl、PWM2進行光耦隔離，并進行驅動來放大功率，生成柵極驅動信號Ugl和Ug2輸出到半橋功率主電路4，對半橋功率主電路4中的功率開關管VTl、VT2的柵極進行驅動。半橋功率主電路4如圖1所示，包括:分別與柵極驅動信號Ugl和Ug2連接的第一功率開關管VTl和第二功率開關管VT2、相互串聯連接的電流檢測電阻R和負載磁軸承線圈L、以及與電流檢測電阻R連接的第一續流二極管VDl和與負載磁軸承線圈L連接的第二續流二極管VD2。利用來自光耦隔離驅動電路3的柵極驅動信號Ugl、Ug2，對功率開關管VT1、VT2進行控制，使得功率開關管VT1、VT2能夠同時導通或者同時關斷。通過使半橋功率主電路5的功率開關管VTl、VT2在柵極驅動信號的控制下導通或關斷，在負載磁軸承線圈L中輸出與電流控制信號成比例的電流。將在與負載磁軸承線圈L串聯連接的電流檢測電阻R中流通的電流作為電流檢測電路5要檢測的電流輸出。電流檢測電路5對來自半橋功率主電路4的在負載磁軸承線圈L中流通的電流大小進行檢測，將檢測出的電流值作為電流反饋信號輸出至電流誤差信號處理電路I。
[0018]圖2示出了本發明的涉及的用于磁懸浮渦輪分子泵的開關功率放大器中的PWM信號發生電路2的電路連接圖。如圖2所示，PWM信號發生電路2將三角波載波信號通過運算放大器A5跟隨后，分別輸入到比較器A7的反相輸入端和比較器AS的同相輸入端。另一方面，將運算后的電流誤差信號經運算放大器A6反相后，分別輸入到比較器A7的同相輸入端和比較器A8的反相輸入端。比較器A8的輸出信號為脈寬調制信號PWM1,比較器A7的輸出信號為脈寬調制信號PWM2。
[0019]圖3示出了本發明涉及的用于磁懸浮渦輪分子泵的開關功率放大器中的電流檢測電路5的電路連接圖。如圖3所示，由于電流檢測電阻R是串接在半橋功率主電路4的功率開關管VTl的漏極與續流二極管VDl的陰極的相連處和負載磁軸承線圈L之間的，因此在將電流檢測電阻R兩端的電位+IN1、-1Nl分別接入到運算放大器Al的同相輸入端和反相輸入端進行差分放大時，在運算放大器Al的同相輸入端和反相輸入端就會有相當高的共模電壓信號，如果差分運算放大器的抑制共模信號的能力較弱，就會在電流檢測過程中引起干擾。在本發明中，采用能夠在輸入高共模電壓信號時進行差分運算的運算放大器AD628，從而能夠有效地解決高共模電壓信號對電流檢測過程的影響。經過由運算放大器Al和運算放大器A2構成的差分運算放大電路U1、以及由運算放大器A3、線性光耦U2和運算放大器A4構成的線性光耦隔離電路，輸出作為流過負載磁軸承線圈L的實際電流大小的電流反饋信號。
[0020]此外，在半橋功率主電路4中設置的第一功率開關管VTl使用P溝道M0SFET，第二功率開關管VT2使用N溝道MOSFET。
[0021]此外，如圖1所示，第一功率開關管VTl的柵極驅動信號Ugl的參考地電位為半橋功率主電路4中的母線電源的正極電位+U，第二功率開關管VT2的柵極驅動信號Ug2的參考地電位為半橋功率主電路4中的母線電源的地電位GND。
[0022]本發明與現有的用于磁軸承系統的開關功率放大器相比，具有如下優點:
[0023]( I)與現有的電磁軸承開關功率放大器的半橋或全橋功率主電路普遍采用的同類型的功率開關管相比，本發明通過在功率主電路中的高壓端采用P溝道M0SFET，在低壓端采用傳統功率主電路低壓端使用的N溝道M0SFET，能夠有效地簡化功率主電路的高壓端驅動電路。這是因為傳統的開關功率放大器中的功率主電路的高壓側功率開關管和低壓側功率開關管均采用同類型的N溝道開關管，這樣在高壓端的柵極驅動電路中通常就需要使用獨立懸浮電源、自舉電源或帶有隔離變壓器的驅動電路才能夠實現。與此相對，在本發明中，高壓端采用P溝道MOSFET后，功率開關管VTl的柵極驅動信號Ugl的參考地即為半橋功率主電路4的母線電源的正極+U，從而不需要使用獨立懸浮電源、自舉電源或帶有隔離變壓器的驅動電路，就能夠實現高壓側功率開關管的驅動。
[0024]( 2 )此外，與現有的電磁軸承開關功率放大器中的PWM信號生成電路相比，本發明中采用的PWM信號生成電路非常簡單，使用兩個比較器即可實現PWM信號的生成。
[0025]( 3)與現有的電磁軸承開關功率放大器中的采用霍爾電流傳感器的電流檢測電路相比，本發明中的電流檢測電路通過采用高共模輸入差分運算放大器和線性光耦來實現磁軸承線圈電流的檢測，能夠節省成本并且減小電路體積。
[0026]雖然以上結合附圖和實施例對本發明進行了具體說明，但是可以理解，上述說明不以任何形式限制本發明。本領域技術人員在不偏離本發明的實質精神和范圍的情況下可以根據需要對本發明進行變形和變化，這些變形和變化均落入本發明的范圍內。
【權利要求】
1.一種用于磁懸浮渦輪分子泵的開關功率放大器，其特征在于，包括: 電流誤差信號處理電路(1)，對輸入的電流控制信號和電流反饋信號進行求差運算，對所得到的差值進行比例積分運算后輸出至PWM信號發生電路(2); PWM信號發生電路(2)，對來自所述電流誤差信號處理電路(1)的信號進行PWM調制處理，生成并輸出兩個PWM信號(PWM1和PWM2)； 光耦隔離驅動電路(3 )，對所述PWM信號發生電路(2 )生成的所述兩個PWM信號(PWMl和PWM2)進行光耦隔離，并進行驅動來放大功率，生成并輸出用于對下一級電路中的功率開關管(VTl和VT2)的柵極進行驅動的柵極驅動信號(Ugl和Ug2)； 半橋功率主電路(4)，包括第一功率開關管(VT1)、第二功率開關管(VT2)、第一續流二極管(VD1)、第二續流二極管(VD2)、電流檢測電阻(R)和負載磁軸承線圈(L)，分別利用來自所述光耦隔離驅動電路(3)的所述柵極驅動信號(Ugl和Ug2)，對各個所述功率開關管(VTl和VT2)進行控制，使得所述功率開關管(VTl和VT2)同時導通或者同時關斷，由此在所述負載磁軸承線圈(L)中生成的電流作為待檢測電流輸出；和 電流檢測電路(5)，用于檢測來自半橋功率主電路(4)的在所述負載磁軸承線圈(L)中流通的電流的大小，將檢測出的電流值作為電流反饋信號輸出至所述電流誤差信號處理電路(1)。
2.根據權利要求1所述的用于磁懸浮渦輪分子泵的開關功率放大器，其特征在于: 所述PWM信號發生電路(2)具備: 多個運算放大器，包括第一運算放大器(A5)和第二運算放大器(A6);和 多個比較器，包括第一比較器(A7)和第二比較器(AS)， 通過所述第一運算放大器(A5)對輸入的載波信號進行跟隨后，將得到的信號分別輸入到所述第一比較器(A7)的反相輸入端和所述第二比較器(AS)的同相輸入端， 通過所述第二運算放大器(A6)將來自所述電流誤差信號處理電路(1)的信號反相后，將得到的信號分別輸入到所述第一比較器(A7)的同相輸入端和所述第二比較器(AS)的反相輸入端， 所述第二比較器(AS)輸出第一脈寬調制信號(PWM1)，所述第一比較器(A7)輸出第二脈寬調制信號(PWM2)。
3.根據權利要求1或2所述的用于磁懸浮渦輪分子泵的開關功率放大器，其特征在于: 在所述半橋功率主電路(4)中，所述第一功率開關管(VTl)使用P溝道MOSFET，所述第二功率開關管(VT2)使用N溝道MOSFET，所述第一功率開關管(VTl)的柵極驅動信號(Ugl)的參考地電位為所述半橋功率主電路(4)中的母線電源的正極電位(+U)，所述第二功率開關管(VT2)的柵極驅動信號(Ug2)的參考地電位為所述半橋功率主電路(4)中的母線電源的地電位(GND)。
4.根據權利要求3所述的用于磁懸浮渦輪分子泵的開關功率放大器，其特征在于: 在所述半橋功率主電路(4)中，所述第一功率開關管(VTl)的漏極與所述第一續流二極管(VDl)的陰極連接，所述第二功率開關管(VT2)的漏極與所述第二續流二極管(VD2)的陽極連接， 所述電流檢測電阻(R)的一端與所述第一功率開關管(VTl)的漏極連接，另一端與所述負載磁軸承線圈(L)的一端連接，所述負載磁軸承線圈(L)的另一端與所述第二功率開關管(VT2)的漏極連接。
5.根據權利要求4所述的用于磁懸浮渦輪分子泵的開關功率放大器，其特征在于: 所述電流檢測電路(5)具備: 差分運算放大電路(Ul )，包括第三運算放大器(Al)和第四運算放大器(A2);和線性光耦隔離電路，包括第五運算放大器(A3)、線性光耦(U2)和第六運算放大器(A4)， 所述半橋功率主電路(4)中的所述電流檢測電阻(R)兩端的電位(+IN1、-1N1)分別接入到所述第三運算放大器(Al)的同相輸入端和反相輸入端，經由所述差分運算放大電路(Ul)和與其串聯連接的所述線性光耦隔離電路，輸出與流過所述半橋功率主電路(4)中的所述負載磁軸承線圈L的電流成正比的電壓信號作為電流反饋信號。
【文檔編號】H03F1/02GK103973239SQ201310030526
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年1月25日 優先權日:2013年1月25日
【發明者】洪申平, 張亮, 沙宏磊, 俞天野, 項海銘 申請人:天津飛旋科技研發有限公司