CN103715866A - 用于任意波形电力电子变换器的器件并联式倍频电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于任意波形电力电子变换器的器件并联式倍频电路，属于电力电子变换器技术领域。该倍频电路包括四个开关阵列和四个反并联二极管，四个反并联二极管分别与四个开关阵列并联；四个开关阵列以H桥形式相互连接，每个开关阵列中设有N个开关器件，N个开关器件相互并联。本发明利用电力电子器件有限的开关频率，产生更高的输出PWM频率。本发明的倍频电路，适用于任意波形电力电子变换器，也可用于其他类型的变换器，可以在不超过现有器件开关频率极限的情况下，进一步拓展变换器带宽，提高波形保真度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于任意波形电力电子变换器的器件并联式倍频电路，属于电力电子变换器技术领域。
背景技术
任意波形电力电子变换器是一种可以根据使用者所需，将标准市电或者直流电源转换为任意波形形式电能的功率变换装置。与通常只需输出特定波形（如正弦波）的传统变换器不同，它并不面向任何一种特定的波形形式。只要谐波频谱不超过变换器的工作频段，无论是对于正弦波、三角波、方波等周期性波形，还是各种更为复杂的波形，例如电力系统故障波形、音频信号波形等，都可以对其进行功率级的放大和重现。另一方面，与模拟型功率放大器相比，电力电子变换器因为工作在开关模式而具有更高的效率，这使其输出功率和能量密度都可以达到更高的等级。任意波形电力电子变换器在多个领域均具有重要的应用价值，如大功率数字音频放大器，电力系统实时仿真系统，电力有源滤波器，电液伺服振动台，地震模拟试验台等等。
功率等级、工作频带和保真度作为此类变换器的三个重要性能指标，却往往成为相互制约的因素。在电力电子变换器中通常采用PWM方式来产生输出波形。要实现较高的工作频带并且保证较好的保真度，则需要使用较高的PWM频率。但在大功率应用当中，开关器件由于受到开关暂态时间、开关损耗以及EMI等因素的影响，其工作频率往往被限制在一个较低的水平。因此如何在现有器件水平下同时提升上述三种性能成了任意波形电力电子变换器的关键和难点所在。
为此，倍频是一种可行的技术手段。即通过拓扑与控制的优化组合，实现输出PWM频率是器件开关频率的若干倍，从而达到降低开关损耗，提高输出频率的目的。当前国内外对此项技术的研究并不多见。虽偶有报道，也主要集中在感应加热以及无线电能传输等需要高频功率电源的领域。而这两种场合均无需对输出波形进行调制，只需产生固定频率的标准正弦波即可，因此其通常会令变换器产生50%占空比的方波，通过LC谐振滤波之后直接转化为相应的正弦输出，其输出波形频率即等于上述方波频率。而对于需要输出任意波形的变换器来说，则必须利用远高于（通常为10倍以上）信号波形等效频段的PWM载波频率，通过脉宽调制的方式产生功率级的PWM波形，之后滤除载波相关次谐波，得到所需输出波形。这一方面使得在同等输出频段下，变换器的PWM方波频率要求大大提高，另一方面也使其可以通过将调制方式和拓扑形式相结合来进一步提升倍频的倍数。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于任意波形电力电子变换器的器件并联式倍频电路，利用电力电子器件有限的开关频率，产生更高的输出PWM频率，在不超过现有器件开关频率极限的情况下，进一步拓展变换器带宽，提高波形保真度。
本发明提出的用于任意波形电力电子变换器的器件并联式倍频电路，包括四个开关阵列和四个反并联二极管，所述的四个反并联二极管分别与四个开关阵列并联；所述的四个开关阵列以H桥形式相互连接，每个开关阵列中设有N个开关器件，N个开关器件相互并联。
本发明提出的用于任意波形电力电子变换器的器件并联式倍频电路，其优点是，充分利用桥臂以及器件开关状态的逻辑组合关系，一方面利用两个桥臂输出脉冲的上升沿和下降沿组合为一个完整的PWM脉冲，另一方面通过并联开关器件的轮流动作分摊开关阵列（即传统H桥拓扑中的单个器件）的动作脉冲，从而在有限的器件开关频率下实现了更高的输出PWM频率。本发明的并联式倍频电路，适用于任意波形电力电子变换器，也可以用于其他类型的变换器。
附图说明
图1是本发明提出的用于任意波形电力电子变换器的器件并联式倍频电路的使用状态图。
图2是本发明的并联式倍频电路中桥臂输出脉冲的调制方法示意图。
图3是本发明的并联式倍频电路中开关阵列内部的脉冲分配示意图。
具体实施方式
本发明提出的用于任意波形电力电子变换器的器件并联式倍频电路，其使用状态图如图1所示。该倍频电路包括四个开关阵列和四个反并联二极管，所述的四个反并联二极管分别与四个开关阵列并联；所述的四个开关阵列以H桥形式相互连接，每个开关阵列中设有N个开关器件，其中N为大于1的整数，N个开关器件相互并联。图1中，gx1,gx2,…,gxN（x=1,2,3,4）为开关器件的门极控制引脚。
本发明的并联式倍频电路，以H桥为拓扑的基本框架，利用N个开关器件并联而成的开关阵列分别代替已有技术H桥中的4个单个开关器件，其中N为大于1的整数，每个开关阵列配备一个反并联二极管，反并联二极管的电压、电流等级的选择与开关阵列中的开关器件一致，开关阵列中的各个并联开关器件需要配备独立的驱动电路。本发明的并联式倍频电路中所使用的开关器件可以是金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、双极型三极管（BJT）等，可根据具体应用所需的功率等级和工作频率进行选择。
本发明的并联式倍频电路，采用桥臂以及开关器件轮流动作的工作方式，利用开关状态的逻辑组合，实现倍频输出。其工作过程如下：
如图2所示，电力电子变换器中脉宽调制的载波频率与输出PWM脉冲相同，变换器输出的每个PWM脉冲的上升沿和下降沿分别由倍频电路的H桥中两个桥臂的状态切换来实现，因此电力电子变换器输出脉冲的状态切换次数为H桥中每个桥臂状态切换次数的两倍，即变换器输出PWM脉冲频率为每个桥臂输出脉冲频率的两倍。根据互补开关的原则，得出倍频电路中各个开关阵列的整体动作脉冲。在每个开关阵列内部，将开关阵列的整体动作脉冲轮流分配给开关阵列中的各个并联开关器件，开关阵列的每次开关动作只由并联开关器件中的一个开关器件完成，而其他开关器件处于关断状态，如图3所示。
上述工作过程，使电力电子变换器输出脉冲频率为H桥中单个桥臂输出脉冲频率的两倍，而且实现了H桥中单个桥臂输出脉冲频率为开关阵列中单个开关器件开关频率的N倍，其中N为并联的开关器件个数，因此最终可以实现电力电子变换器输出脉冲频率为开关阵列中单个开关器件开关频率的2*N倍。
Claims (1)
1.一种用于任意波形电力电子变换器的器件并联式倍频电路，其特征在于该倍频电路包括四个开关阵列和四个反并联二极管，所述的四个反并联二极管分别与四个开关阵列并联；所述的四个开关阵列以H桥形式相互连接，每个开关阵列中设有N个开关器件，N个开关器件相互并联。
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