模块化开关功率放大器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种模块化开关功率放大器及其控制方法，该种功率放大器前级采用三相不可控整流电路，将电网电压变换成脉动直流；中间级采用高频DC‑DC整流电路，实现可调的且脉动较小直流电压；后级采用二极管钳位三电平输出电路，利用载波层叠调制使电压输出为多电平，减小输出电压的总谐波失真(THD)，从而满足功放的信号失真需求。高频DC‑DC整流的控制策略采用移相控制方式，依据负载的需求调节直流侧电压。为达到信号失真度要求，提出死区补偿的控制方法，利用调制策略实现中点电压平衡控制。

Modular switching power amplifier and control method thereof

The invention discloses a modular switching power amplifier and its control method, the power amplifier front-end adopts three-phase rectifier circuit, the voltage will be transformed into DC; intermediate level by high frequency DC DC rectifier circuit, realize adjustable DC voltage ripple and low level; after the diode clamp three the level of the output circuit, the output voltage is using multilevel carrier modulation, reduce the total harmonic distortion of output voltage (THD), so as to meet the demand of signal distortion amplifier. The control strategy of DC high frequency DC rectifier with phase shift control, based on the requirements of load regulation of DC voltage. In order to achieve the signal distortion requirement, a dead time compensation control method is proposed, and the neutral point voltage balancing control is realized by using modulation strategy.

【技术实现步骤摘要】
模块化开关功率放大器及其控制方法
本专利技术涉及功率放大器及高频电力电子变换领域，特别是一种模块化开关功率放大器及其控制方法。
技术介绍
传统的功率放大器的线性特性好以及波形畸变率小，但面临的主要问题是效率低、功率容量小、散热效果差，因而在某些大功率场合应用受到局限。近些年国内也研制出一系列的功放产品，但就其在输出的频段以及波形的失真度方面还远远落后于美国等西方发达国家。因此，为满足大功率容量的需求，在音频功放、声纳探测等特殊工业场合研究开关功率放大器具有重要意义。功率放大器根据功率管工作方式不同可分为模拟功率放大器和数字功率放大器。依据目前研究现状，绝大多数功率放大电路仍主要基于模拟电路拓扑。模拟功率放大器具有优异的波形放大特性,输出波形畸变率很小。模拟功率放大器的特点是失真小、响应快,输入输出信号基本上是线性关系即功率放大器的线性好,但是由于其存在直流导通损耗,导致效率低。而与线性功率放大器不同，工作于开关状态的D类放大器即开关功率放大器，它的工作状态处于开关方式。在这种功率放大器中，大幅度减少了功率输出器件的功耗。由于数字功率放大器的效率很高，因此它的体积仅为相同功率的线性功率放大器的30％左右，同时重量也大为减轻。对于追求大功率的场合，开关功率放大器无疑是最佳选择。早期有人提出了开关功率放大器的概念，只是受当时技术水平的限制，开关功率放大器输出波形严重畸变，因此没有取得很大的发展。由于电力电子器件的研究，出现了许多新型全控型器件,如IGBT和MOSFET等,电力电子器件的开关频率也大大提高,开关功率放大器重新引起了人们的密切关注。迄今，国外数字功率放大器的研究己经达到了一个很高的水平。例如美国德州义器公司和APEX公司相继推出了PWM型音频功放用集成电路元件。早在2000年左右，日本就已经有人研制成功了10KW出频率为100kHZ的开关功率放大器，其整个频宽范围内的THD都小于10％,5kHz内的THD小于2％；目前国外功率放大器的研究主要是结合开关功率放大器与线性功放进行研究，希望既能提高放大器的效率有充分结合了线性功放的线性度好的优势；为了最大限度的提高输出频率及输出波形的质量，提高输出电压波形的电平数改善波形质量，提高输出电压波形的等效开关频率来提高输出频率。钳位多电平开关功率放大器因输出电平数较多，其中单相输出为三电平，相间输出可高达五电平；钳位电路具有输出的电平数多，应用在在数字功率放大器上具有很大优势；在实现模块化的钳位功率模块后，通过级联或并联极大的提高了等效的开关频率，能满足中压大功率负荷的需求。在过去的20年中，针对多电平变换器人们提出了很多调制策略：阶梯波脉宽调制、正弦波脉宽调制、消谐波PWM法、空间矢量脉宽调制、三角载波移相PWM法等，还有用于电机控制的模型预测控算法，因其具有较强的鲁棒性广泛应用于电机控制场合。随着电力电子技术和自动控制技术的发展,尤其是大功率新型高频开关器件的出现，开关的速率和耐压耐流能力大大提高，同时，随着单片机，DSP等微处理器的迅速发展，数字功率放大器的工业实现以及整体性能都得到了很大的提升。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种模块化开关功率放大器及其控制方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种模块化开关功率放大器，包括依次连接的前级的三相不可控整流电路、中间级高频DC-DC电路和后级二极管钳位的两相三电平逆变电路；所述中间级高频DC-DC电路包括全桥逆变电路，所述全桥逆变电路与高频变压器的原边相连，所述高频变压器的副边与LC滤波电路连接。所述中间级高频DC-DC电路控制方法包括以下步骤：1)检测高频变压器输出侧的总直流电压udc，将直流侧电压的参考值udcref减去采样得到的直流侧电容电压，然后送入电压PI控制器调解处理后得到电压环调制信号i*；2)将电压环调制信号i*通过限幅电路限幅后得到全桥逆变电路的占空比信号d，并将占空比信号送入载波调制环节，移相调制输出得到功率模块的PWM驱动信号，分别驱动全桥逆变电路，达到期望的输出电压。相应的，本专利技术还提供了一种钳位多电平电压平衡及死区补偿控制方法，包括以下步骤：1)分别对高频变压器的输出电压的分电压进行采样，得到udc1和udc2，并实时检测高频变压器的输出电流il，通过输出电流及采样电压确定调制模式；2)两相三电平逆变电路的直流侧上下电容电压允许偏差为|Δumax|，并计算Δu＝udc1-udc2；3)若|Δu|<|Δumax|，则保持原有的载波不变，若|Δu|>|Δumax|，输出波形为正半周；当il>0，Δu<0时，工作状态由模式1切换到模式2，当il>0，Δu>0时，工作状态由模式2切换到模式1，其中模式1的电流经左桥臂第一开关管S11、第二开关管S12、负载及右桥臂第三开关管S23、第四二极管D4构成回路，模式2电流经左桥臂第一二极管D1、第二开关管S12流经负载及右桥臂第二开关管S23、第四开关管S24构成回路；输出波形为负半周：当il>0，Δu<0时，工作状态由模式4切换到模式3，当il>0，Δu>0时，工作状态由模式3切换到模式4，其中模式3的电流经左桥臂第一二极管D1、第二开关管S12、负载及右桥臂第三开关管S23、第一开关管S21构成回路，模式4电流经左桥臂第四开关管S14、第三开关管S13流经负载及右桥臂第三开关管S23、第四二极管D4构成回路；通过四种工作模式相互切换以维持中性点电压平衡；4)当il>0时，在功放的信号源信号中叠加Δur，其中Δur为死区时间与载波周期的比值，当il<0时，在功放的信号源信号中叠加-Δur进行死区补偿，减小三次谐波含量，降低电流的畸变率；5)将叠加死区补偿后的信号与载波实时比较，并利用载波层叠调制策略，左右桥臂各输出四路PWM信号驱动后级两相三电平逆变电路桥臂的功率器件。输出电流THD小于1％，电容电压允许偏差|Δumax|＝0。电容电压允许偏差取为|Δumax|/Udc＝1％～2％，Udc为直流侧电容电压。与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果为：本专利技术采用模块化开关功率放大器技术，采用高频变压器和移相全桥减小了装置的体积，并且实现输出电压可调；同时通过采用高频开关电源移相调制策略、引入死区补偿方法，利用调制措施实现中性点电压平衡，具有很强的实用性，可实现电能的高效变换。附图说明图1为本专利技术一实施例的拓扑结构图；图2为本专利技术一实施例的移相全桥的控制框图；图3(a)～图3(d)为本专利技术一实施例的电流正向时电路的四种工作模式。具体实施方式图1为模块化开关功率放大器的拓扑结构。目前研究的开关功率放大器输出电压调节依赖变压器分档调节，成本高、体积大；功率合成采用多绕组方式，制造难，模块一致性要求高，结构固定，扩展性差，维护难度高，很难满足负载实时变化的需求。为此本专利专利技术了一种模块化开关功率放大器及其控制方法，拓扑结构如图1所示：该拓扑结构前级由电容滤波的三相不可控整流电路构成；中间级是由高频DC-DC电路构成，采用全桥逆变电路与高频变压器的原边相连，高频变压器的副边为单相不可控整流接LC滤波电路；后级由二极管钳位的两相三本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模块化开关功率放大器，其特征在于，包括依次连接的前级的三相不可控整流电路、中间级高频DC‑DC电路和后级二极管钳位的两相三电平逆变电路；所述中间级高频DC‑DC电路包括全桥逆变电路，所述全桥逆变电路与高频变压器的原边相连，所述高频变压器的副边与LC滤波电路连接。

【技术特征摘要】
1.一种模块化开关功率放大器，其特征在于，包括依次连接的前级的三相不可控整流电路、中间级高频DC-DC电路和后级二极管钳位的两相三电平逆变电路；所述中间级高频DC-DC电路包括全桥逆变电路，所述全桥逆变电路与高频变压器的原边相连，所述高频变压器的副边与LC滤波电路连接。2.根据权利要求1所述的模块化开关功率放大器，其特征在于，所述中间级高频DC-DC电路控制方法包括以下步骤：1)检测高频变压器输出侧的总直流电压udc，将直流侧电压的参考值udcref减去采样得到的直流侧电容电压，然后送入电压PI控制器调解处理后得到电压环调制信号i*；2)将电压环调制信号i*通过限幅电路限幅后得到全桥逆变电路的占空比信号d，并将占空比信号送入载波调制环节，移相调制输出得到功率模块的PWM驱动信号，分别驱动全桥逆变电路，达到期望的输出电压。3.一种权利要求1所述的模块化开关功率放大器的钳位多电平电压平衡及死区补偿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)分别对高频变压器的输出电压的分电压进行采样，得到udc1和udc2，并实时检测高频变压器的输出电流il，通过输出电流及采样电压确定调制模式；2)两相三电平逆变电路的直流侧上下电容电压允许偏差为|Δumax|，并计算Δu＝udc1-udc2；3)若|Δu|<|Δumax|，则保持原有的载波不变，若|Δu|>|Δumax|，输出波形为正半周；当il>0，Δu<0时，工作状态由模式1切换到模式2，当...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗安，肖牧轩，徐千鸣，丁红旗，洪乐荣，岳雨霏，郭鹏，王逸兴，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43