[发明专利]多电平压电陶瓷驱动电路及其驱动控制方法

说明书

本发明提供了一种适合于大功率多电平压电陶瓷驱动电路及其驱动控制方法。根据本发明的多电平压电陶瓷驱动电路，包括：n级多电平级联模块，n级多电平级联模块包括依次串联设置，且母线电压分别为E、2E、4E…2^n‑1E的n个多电平单元，E为分辨电压；固定电压直流模块，串联连接在n级多电平级联模块的输出端；推挽式放大模块，其高电压侧连接至固定电压直流模块高电压输出端UH，其低电压侧连接至固定电压直流模块的低电压输出端UL。本发明通过采用不等压多电平级联的方式，实现用低压器件输出高范围的电压，开关管的工作频率可以随输出电压的频率降低而降低，减少开关管的开关损耗；同时还可以大大减小推挽式放大模块的功率损耗，提高其效率。

技术领域

本发明涉及驱动领域，具体而言，涉及一种多电平压电陶瓷驱动电路及其驱动控制方法。

背景技术

近年来，工业、宇航、生物等领域对高精度定位和驱动技术的需求越来越明显，例如扫描探针显微镜、纳米定位系统和振动控制系统等，特别对纳米定位技术需求越来越高。纳米定位技术的方案之一是采用压电陶瓷致动器作为执行机构。

基于多电平结构的驱动电路也渐渐运用于压电陶瓷致动器的高压驱动，目前绝大多数多电平驱动电路都是等压的多电平单元。

发明内容

本发明旨在提供一种适合于大功率的多电平压电陶瓷驱动电路及其驱动控制方法。

本发明在保证多电平驱动电路的输出电压范围的同时，在输出低频电压或者静态输出时，可以最大程度的减少多电平单元开关管的开关切换次数，以减小开关管的开关损耗，且使其调制方法变得更简单直接，提出了一种逐次逼近型多电平高压驱动策略。该驱动策略采用不等压多电平结构，和逐次逼近的调制方法，输出的两路电压给推挽式放大电路供电。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种逐次逼近型多电平高压驱动策略，包括不等压多电平拓扑和逐次逼近型驱动策略。不等压多电平的拓扑的输出接到推挽式放大模块，为其供电；推挽式放大电路在驱动信号的驱动下，产生的电压直接驱动压电陶瓷执行器工作；按照逐次逼近型驱动策控制各个多电平电路模块的开关管工作，可以得到期望的两路输出电压。

不等压多电平拓扑包含固定电压直流模块和n级多电平级联模块，固定电压直流模块位于不等压多电平拓扑的输出端，且与n级多电平级联模块通过串联方式连接。固定电压直流模块的电压为Ud，其正极和负极分别为不等压多电平拓扑的高电压输出UH和低电压输出UL，此两路输出电压连接到推挽式放大模块的高电压侧和低电压侧，为其供电，这样可以大大减小推挽式放大模块的功率损耗，提高其效率。n级多电平级联模块的n个多电平单元的母线电压分别为E、2E、4E…2n-1E，且它们依次串联而成，则n级多电平级联模块的输出电压范围是0～(2n-1)E。通过调整E的大小，可调整多电平拓扑输出电压的分辨率，选择多电平级数n的大小，可以调整多电平拓扑输出电压的范围。这样的不等压多电平拓扑结构，只在输出电压需要改变时，开关管才进行开关操作，当输出低频电压时，多电平单元开关管工作在低频；当静态输出时，开关管不需要进行开关操作，这样可以减小开关管的开关损耗。

逐次逼近型驱动策略，是将期望输出电压Uexp转换成n位二进制数，n位二进制数的第i位对应第i个多电平单元的开关管的工作状态，0表示上管关断且下管开通，1表示上管开通且下管关断。第一步，计算Uexp/E的值，得到整数Sint，Sint代表n级多电平级联模块共要输出Sint*E来匹配期望输出电压Uexp。第二步，对Sint进行二进制转换，得到n位二进制数Sbit。按照Sbit的第0～n-1位分别对应控制第0～n-1级多电平电路模块的开关管工作，可以得到期望的输出电压，这样调制方法变得更简单直接。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：