一种探针电源中H桥快速线性调节驱动电路的制作方法

一种探针电源中h桥快速线性调节驱动电路
技术领域
1.本发明属于托克马克装置电路设计技术领域，具体涉及一种探针电源中h桥快速线性调节驱动电路。


背景技术：

2.在聚变托卡马克装置中，探针与等离子体相互作用以测量所需参量，是等离子体诊断的基本手段之一。
3.现在主要的探针理论模型除单探针外，还有双探针，三探针等。
4.对单探针来说，在探针对与某一参考电极(通常是与等离子体接触面积较大的导体，如装置壁等)施加特定的电压，检测探针上的电流，绘制出一条伏安特性曲线进而推算出等离子的参数。
5.对双探针来说，就是由两根探针组成，处于整体悬浮状态的探针组合，在两根探针间施加任意波形的电压，同样可以检测这两个探针的电流，绘制双探针伏安特性曲线，以获取相应的电子温度、电子密度。
6.由于等离子行为复杂，需要在尽可能短的时间内迅速扫描整个电压范围，并测量电流的变化。为了实现对等离子状态的高精度测量，在伏安特性曲线过零点附近，准确绘制曲线，要求电源输出的过零点附近过渡平滑。
7.现有市面上的可调电源基本上采用数字量控制h桥逆变方式输出。
8.首先数字量控制方式控制速度慢，不能满足高带宽输出要求。其次，传统的h桥逆变电路控制中为了防止上下管同时导通，需要在上下管设置死区，这样就导致波形输出不能平滑过渡。同时，由于负载特性，该设备需要工作在吸收模式下，其他常规电源不具备该项功能。


技术实现要素：

9.针对以上不足，本发明的主要目的是提供一种探针电源中h桥快速线性调节驱动电路，解决的技术问题是提供高频四象限任意波形输出电源方案中h桥的快速线性调节，同时实现对同一桥臂的两个mosfet管的导通状态进行可靠互锁，也就是说在同一时间有且仅有一个开关管导通，避免输出短路。
10.本发明的技术方案如下：
11.一种探针电源中h桥快速线性调节驱动电路，包括输出正负向识别模块、a、b管导通控制模块、c、d管导通控制模块、a、b管导通互锁控制模块及c、d管导通互锁控制模块依次电连接；
12.输出正负向识别模块比较器输入端经r10连接给定uref，“正”输出端连接到a、b管导通控制模块的两输入与非门的“输入二”，“非”输出端连接到c、d管导通控制模块的与两输入与非门的“输入二”，a、b管导通控制模块的同相放大电路入口与c、d管导通控制模块的反相放大电路入口经r1连接pid调节
“-
uk”；a、b管导通控制模块的同相放大电路输出和两
输入与非输出端分别与a、b管导通互锁控制模块4经r5与mosfet管m1的栅极连接，与稳压管zd1阴极和m2的栅极连接；c、d管导通控制模块的反相放大电路输出和两输入与非输出端分别与c、d管导通互锁控制模块经r5与mosfet管m3的栅极连接，与zd1阴极和m4的栅极连接。
13.所述输出正负向识别模块，由一个比较器构成用于判别给定uref正负，输出高低信号来控制经导通a管或c管。
14.所述a、b管导通控制模块，由同相放大电路和一个两输入与非门组成；同相放大器输入端与
“-
uk”连接，输出端经d3，r7与两输入与非门的“输入一”端连接。
15.电源闭环后，其输出动态调节控制依靠pid调节，
“-
uk”即为pid的输出，经过同相放大器经a、b管导通互锁控制模块的gb控制h桥b管；uref正负判别后经过两输入与非门输出a、b管导通互锁控制模块经ga控制a管。
16.所述c、d管导通控制模块，由反相放大电路和一个与非门组成；反相放大器输入端与
“-
uk”连接，输出端经d3，r7与两输入与非门的“输入一”端连接。
17.电源闭环后，其输出动态调节控制依靠pid调节，
“-
uk”即为pid电源闭环pid调节输出值，反向放大器放大后后经c、d管导通互锁控制模块的gb控制h桥d管；uref正负判别后经过与两输入非门输出经c、d管导通互锁控制模块的gc控制h桥c管。
18.所述a、b管导通互锁控制模块，由两个开关管mosfet—m1与m2、导通电阻和稳压管管组成；开关管m1源极经r4与c1并联后与r3串联与vcc2连接，m1栅极与r5和r6连接，m1漏极输出得到gb；m2漏极与等势体地相连，m2源极与m1漏极相连；稳压管zd1阳极经r9输出得到ga；
“-
uk”经过a、b管导通控制模块运放放大后大于0时，导通mosfet管m1，导通电阻产生足够的驱动电流；uref正判别后经过a、b管导通控制模块两输入与非门输出大于0时，导通h桥a管，同时导通mosfet管m2，经下拉封锁h桥b管驱动，避免了h桥电路上下，a、b管直通。
19.所述c、d管导通互锁控制模块，由两个开关管mosfet—m3和m4、导通电阻和稳压管管组成；开关管m3源极经r4与c1并联后与r3串联与vcc2连接，m3栅极与r5和r6连接，m3漏极输出得到gd；m4漏极与等势体地相连，m4源极与m3漏极相连；稳压管zd1阳极经r9输出得到gc控制h桥c管；
“-
uk”经过c、d管导通控制模块运放放大后大于0时，导通mosfet管m3，导通电阻产生足够的驱动电流；uref负判别后经过c、d管导通控制模块两输入与非门输出大于0时，导通h桥c管，同时导通mosfet管m4，下拉封锁h桥d管驱动，避免了h桥电路上下，c、d管直通。
20.本发明的有益效果在于：
21.输出任意波形，高带宽，输出过零点的平滑过渡，避免了传统h桥电源输出波形过零点附近的死区问题，进而达到能量吸收和输出之间平稳的切换。
附图说明
22.图1是本发明的后级h桥电路；
23.图2是本发明的后级h桥高速线性调节驱动电路。
24.图中：1、输出正负向识别模块；2、a、b管导通控制模块；3、c、d管导通控制模块；4、a、b管导通互锁控制模块；5、c、d管导通互锁控制模块。
具体实施方式
25.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
26.一种探针电源中h桥快速线性调节驱动电路包括输出正负向识别模块1、a、b管导通控制模块2、c、d管导通控制模块3、a、b管导通互锁控制模块4及c、d管导通互锁控制模块5依次电连接。
27.输出正负向识别模块1比较器输入端经r10连接给定uref，“正”输出端连接到a、b管导通控制模块2的两输入与非门的“输入二”，“非”输出端连接到c、d管导通控制模块3的与两输入与非门的“输入二”，a、b管导通控制模块2的同相放大电路入口与c、d管导通控制模块3的反相放大电路入口经r1连接pid调节
“-
uk”。a、b管导通控制模块2的同相放大电路输出和两输入与非输出端分别与a、b管导通互锁控制模块4经r5与mosfet管m1的栅极连接，与稳压管zd1阴极和m2的栅极连接。c、d管导通控制模块3的反相放大电路输出和两输入与非输出端分别与c、d管导通互锁控制模块5经r5与mosfet管m3的栅极连接，与zd1阴极和m4的栅极连接。
28.所述输出正负向识别模块1，由一个比较器构成用于判别给定uref正负，输出高低信号来控制经导通a管或c管。
29.所述a、b管导通控制模块2，由同相放大电路和一个两输入与非门组成。同相放大器输入端与
“-
uk”连接，输出端经d3，r7与两输入与非门的“输入一”端连接。电源闭环后，其输出动态调节控制依靠pid调节，
“-
uk”即为pid的输出，经过同相放大器经a、b管导通互锁控制模块4的gb控制h桥b管。uref正负判别后经过两输入与非门输出a、b管导通互锁控制模块4经ga控制a管。
30.所述c、d管导通控制模块3，由反相放大电路和一个与非门组成。反相放大器输入端与
“-
uk”连接，输出端经d3，r7与两输入与非门的“输入一”端连接。电源闭环后，其输出动态调节控制依靠pid调节，
“-
uk”即为pid电源闭环pid调节输出值，反向放大器放大后后经c、d管导通互锁控制模块5的gb控制h桥d管。uref正负判别后经过与两输入非门输出经c、d管导通互锁控制模块5的gc控制h桥c管。
31.所述a、b管导通互锁控制模块4，由两个开关管mosfet—m1与m2、导通电阻和稳压管管组成。开关管m1源极经r4与c1并联后与r3串联与vcc2连接，m1栅极与r5和r6连接，m1漏极输出得到gb。m2漏极与等势体地相连，m2源极与m1漏极相连；稳压管zd1阳极经r9输出得到ga。
“-
uk”经过a、b管导通控制模块2运放放大后大于0时，导通mosfet管m1，导通电阻产生足够的驱动电流。uref正判别后经过a、b管导通控制模块2两输入与非门输出大于0时，导通h桥a管，同时导通mosfet管m2，经下拉封锁h桥b管驱动，避免了h桥电路上下，a、b管直通。
32.所述c、d管导通互锁控制模块5，由两个开关管mosfet—m3和m4、导通电阻和稳压管管组成。开关管m3源极经r4与c1并联后与r3串联与vcc2连接，m3栅极与r5和r6连接，m3漏极输出得到gd。m4漏极与等势体地相连，m4源极与m3漏极相连；稳压管zd1阳极经r9输出得到gc控制h桥c管。
“-
uk”经过c、d管导通控制模块3运放放大后大于0时，导通mosfet管m3，导通电阻产生足够的驱动电流。uref负判别后经过c、d管导通控制模块3两输入与非门输出大于0时，导通h桥c管，同时导通mosfet管m4，下拉封锁h桥d管驱动，避免了h桥电路上下(c、d)管直通。
33.电源h桥电路具体的工作模式为：
34.当电源工作于第一、三象限时，h桥电路的上面两开关管(桥臂a管和桥臂c管)只由电压给定值的极性决定工作于开通或关断状态；h桥电路的下面两开关管(桥臂b管和桥臂d管)由反馈控制电压uk的值决定工作于高速双向线性调节状态。
35.当h桥电路工作于第二、四象限时，也就是吸收模式时，h桥电路的上面两开关管由电压给定值的极性决定是否工作于开通状态，关断的那只开关管状态同时和同一桥臂中另一开关管状态互锁(桥臂a管与桥臂b管不同时导通；桥臂c管与桥臂d管不同时导通)；h桥电路的下面两开关管(桥臂b管与桥臂d管)由反馈控制电压uk的值决定工作于高速双向斩波状态。
36.当uref>0时，电源需要正向输出，pid调节
“-
uk”<0。则：
37.i)mosfet管m1的ugs<0,m1不导通。同时由于uref>0，经过非门和与非门处理，mosfet管m2的ugs>0，m2导通。此时ga为高，同时将gb拉低。所以主电路h桥的a管导通，b管不导通。
38.ii)mosfet管m3的ugs>0,m3导通，此时gd为高。同时由于uref>0，经过非门和与非门处理，mosfet管m4的ugs<0，m4不导通，此时gc为低。所以主电路h桥的d管导通，c管不导通。当uref<0时，电源需要负向输出，pid调节
“-
uk”>0。则：
39.i)mosfet管m1的ugs>0,m1导通。同时由于uref<0，经过非门和与非门处理，mosfet管m2的ugs<0，m2不导通。此时ga为低，同时gb为低。所以主电路h桥的a管不导通，b管导通。
40.ii)mosfet管m3的ugs<0,m3不导通，此时gd为低。同时由于uref<0，经过非门和与非门处理，mosfet管m4的ugs>0，m4导通，此时gc为高。所以主电路h桥的d管不导通，c管导通。
41.考虑到小功率mosfet管和主功率mosfet管的最小驱动电压不一致，当主功率mosfet管的最小驱动电压比小功率mosfet管小时，可能会导致同一桥臂的两个主功率mosfet管发生直通。而稳压管zd1可以很好的解决这一问题。
42.图2中的r3、r4和c1的作用是，使小功率mosfet管m1/m3在短时间内能够产生较大的导通电流，而稳态电流又能钳位在较低水平。小功率mosfet管m1/m3产生较大的导通电流利于主功率开关管的快速导通，但是必须注意小功率mosfet管m1和m2、m3和m4存在直通的情况，所以持续的大电流将可能烧毁小功率mosfet管。较大的瞬态导通电流主要由r3产`生，而较小的稳态电流主要由r4钳位。
43.注意，为了不让r4影响驱动电流，需要使r4和c1组成的时间常数远大于驱动电压产生的时间。

技术特征：
1.一种探针电源中h桥快速线性调节驱动电路，包括输出正负向识别模块、a、b管导通控制模块、c、d管导通控制模块、a、b管导通互锁控制模块及c、d管导通互锁控制模块依次电连接；其特征在于：输出正负向识别模块比较器输入端经r10连接给定uref，“正”输出端连接到a、b管导通控制模块的两输入与非门的“输入二”，“非”输出端连接到c、d管导通控制模块的与两输入与非门的“输入二”，a、b管导通控制模块的同相放大电路入口与c、d管导通控制模块的反相放大电路入口经r1连接pid调节
“-
uk”；a、b管导通控制模块的同相放大电路输出和两输入与非输出端分别与a、b管导通互锁控制模块4经r5与mosfet管m1的栅极连接，与稳压管zd1阴极和m2的栅极连接；c、d管导通控制模块的反相放大电路输出和两输入与非输出端分别与c、d管导通互锁控制模块经r5与mosfet管m3的栅极连接，与zd1阴极和m4的栅极连接。2.如权利要求1所述的一种探针电源中h桥快速线性调节驱动电路，其特征在于：所述输出正负向识别模块，由一个比较器构成用于判别给定uref正负，输出高低信号来控制经导通a管或c管。3.如权利要求1所述的一种探针电源中h桥快速线性调节驱动电路，其特征在于：所述a、b管导通控制模块，由同相放大电路和一个两输入与非门组成；同相放大器输入端与
“-
uk”连接，输出端经d3，r7与两输入与非门的“输入一”端连接。4.如权利要求2所述的一种探针电源中h桥快速线性调节驱动电路，其特征在于：电源闭环后，其输出动态调节控制依靠pid调节，
“-
uk”即为pid的输出，经过同相放大器经a、b管导通互锁控制模块的gb控制h桥b管；uref正负判别后经过两输入与非门输出a、b管导通互锁控制模块经ga控制a管。5.如权利要求1所述的一种探针电源中h桥快速线性调节驱动电路，其特征在于：所述c、d管导通控制模块，由反相放大电路和一个与非门组成；反相放大器输入端与
“-
uk”连接，输出端经d3，r7与两输入与非门的“输入一”端连接。6.如权利要求5所述的一种探针电源中h桥快速线性调节驱动电路，其特征在于：电源闭环后，其输出动态调节控制依靠pid调节，
“-
uk”即为pid电源闭环pid调节输出值，反向放大器放大后后经c、d管导通互锁控制模块的gb控制h桥d管；uref正负判别后经过与两输入非门输出经c、d管导通互锁控制模块的gc控制h桥c管。7.如权利要求1所述的一种探针电源中h桥快速线性调节驱动电路，其特征在于：所述a、b管导通互锁控制模块，由两个开关管mosfet—m1与m2、导通电阻和稳压管管组成；开关管m1源极经r4与c1并联后与r3串联与vcc2连接，m1栅极与r5和r6连接，m1漏极输出得到gb；m2漏极与等势体地相连，m2源极与m1漏极相连；稳压管zd1阳极经r9输出得到ga；
“-
uk”经过a、b管导通控制模块运放放大后大于0时，导通mosfet管m1，导通电阻产生足够的驱动电流；uref正判别后经过a、b管导通控制模块两输入与非门输出大于0时，导通h桥a管，同时导通mosfet管m2，经下拉封锁h桥b管驱动，避免了h桥电路上下，a、b管直通。8.如权利要求1所述的一种探针电源中h桥快速线性调节驱动电路，其特征在于：所述c、d管导通互锁控制模块，由两个开关管mosfet—m3和m4、导通电阻和稳压管管组成；开关管m3源极经r4与c1并联后与r3串联与vcc2连接，m3栅极与r5和r6连接，m3漏极输出得到gd；m4漏极与等势体地相连，m4源极与m3漏极相连；稳压管zd1阳极经r9输出得到gc控制h桥c
管；
“-
uk”经过c、d管导通控制模块运放放大后大于0时，导通mosfet管m3，导通电阻产生足够的驱动电流；uref负判别后经过c、d管导通控制模块两输入与非门输出大于0时，导通h桥c管，同时导通mosfet管m4，下拉封锁h桥d管驱动，避免了h桥电路上下，c、d管直通。
技术总结
本发明属于托克马克装置电路设计技术领域，具体涉及一种探针电源中H桥快速线性调节驱动电路，包括输出正负向识别模块、A、B管导通控制模块、C、D管导通控制模块、A、B管导通互锁控制模块及C、D管导通互锁控制模块依次电连接；本发明解决的技术问题是提供高频四象限任意波形输出电源方案中H桥的快速线性调节，同时实现对同一桥臂的两个MOSFET管的导通状态进行可靠互锁，也就是说在同一时间有且仅有一个开关管导通，避免输出短路。避免输出短路。避免输出短路。


技术研发人员：王雅丽 赵伟 聂林 金国卫 董长 姚江为
受保护的技术使用者：安徽省金屹电源科技有限公司
技术研发日：2019.12.31
技术公布日：2021/7/15