CN110048632A - 基于新型高效率大容量线性功率放大器的线性变频电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变频电源技术，具体涉及基于新型高效率大容量线性功率放大器的线性变频电源，包括电网和负载，包括直流电源、新型高效率大容量线性功率放大器、信号源和补偿控制模块、同步逆变模块，新型高效率大容量线性功率放大器分别连接直流电源、信号源和补偿控制模块、同步逆变模块，直流电源连接电网，同步逆变模块与负载相连。该线性变频电源输出波形无须任何滤波环节即可得到单一频率的理想正弦波，其输出波形质量优良，由于半导体器件处于线性导通区间或者截止期间，不存在PWM开关逆变器中的高频开关过程，因此也没有高频电磁辐射。其容量由直流电源的容量、开关器件的电流限值共同决定。变频电源中的新型线性功率放大器效率可高达96%以上。

Description

基于新型高效率大容量线性功率放大器的线性变频电源

技术领域

本发明属于变频电源技术领域，尤其涉及基于新型高效率大容量线性功率放大器的线性变频电源。

背景技术

电力系统中，公用电网提供频率、幅值一定的正弦交流电；但用电设备的类型、功能千差万别，对供电电源的电压、频率甚至是波形要求各有不同；需要将单一频率和电压的电能转换为各个用电设备最佳工况所需的另一种特征参数(频率、电压、相位、波形)的电能。当前最常用的一种变换是将公用电网提供的固定频率、电压的正弦交流电能转换为频率、电压可调的正弦交流电，即为变频、变压电源。当前变频电源主要基于两种技术方案，第一种是脉冲宽度调制(PWM)开关变换技术，另一种是线性功率放大的模拟变换技术。

PWM开关变换器电路结构简单，效率高，但其输出波形实质上是离散的脉冲方块，须滤除含量丰富的谐波方可得到性能满足要求的单一频率正弦电能，其控制策略及优化算法较为复杂，且半导体开关器件的高频开关过程带来电磁辐射，在一些EMI敏感的应用场合要做相应处理方可投入使用。线性功率放大器直接对微弱功率的控制信号进行功率放大，输出波形质量优良，理论上无谐波；线性功率放大器通过半导体器件与负载阻抗的动态线性分压实现对控制信号的不失真放大，开关器件始终处于线性区，有一定的导通阻抗，其效率较低；大功率领域常用的推挽式甲乙类线性功率放大器，输出完整正弦波时理论效率不高于78.54％。

功率变换器的效率是其最核心的性能参数，PWM开关变换器较高的效率使其得到广泛的改进研究及应用，成为当前主流变频电源方案；但PWM开关变换器存在一些无法解决的固有缺陷并不能适应一些对电能质量要求很高的应用场合，而传统的线性功率放大器尽管在输出波形质量方面优势明显，但其较低的效率限制了广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种直接将微弱功率的模拟信号进行功率放大，改变微弱功率模拟信号的频率、幅值即可改变输出正弦波的频率、幅值的线性变频电源。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于新型高效率大容量线性功率放大器的线性变频电源，包括电网和负载，包括直流电源、新型高效率大容量线性功率放大器、信号源和补偿控制模块、同步逆变模块，新型高效率大容量线性功率放大器分别连接直流电源、信号源和补偿控制模块、同步逆变模块，直流电源连接电网，同步逆变模块与负载相连。

在上述的基于新型高效率大容量线性功率放大器的线性变频电源中，直流电源为多个直流电源串联的多级电平直流电源，在每一个电压值端口分别引出电源线和电力二级管串联。

在上述的基于新型高效率大容量线性功率放大器的线性变频电源中，新型高效率大容量线性功率放大器包含有逐级分段导通控制模块以及大功率射极跟随器模块；逐级分段导通控制模块用于在不同的信号源电压值情况下控制不同的直流电源将电能传送给对应的射极跟随器进行能量的变换传输。

在上述的基于新型高效率大容量线性功率放大器的线性变频电源中，大功率射极跟随器模块包括IGBT、MOS管及其辅助电路组成的多个并联大功率射极跟随器，并联大功率射极跟随器的数目与直流电源的电平数量相同。

在上述的基于新型高效率大容量线性功率放大器的线性变频电源中，同步逆变模块采用同步全桥逆变器。

本发明的有益效果：这种新型变频电源输出特性优良，其线性功率放大模块的理论效率可以达到96％以上。同时其模块化的结构使得热损耗均匀分布在各半导体模块中，有效提高了功率变换系统的散热效率，减小半导体器件的热应力，有利于充分利用半导体器件的容量，提高功率变换系统的安全性和稳定性。无须任何滤波环节即可得到单一频率的理想正弦波，其输出波形质量优良，由于半导体器件处于线性导通区间或者截止期间，不存在PWM开关逆变器中的高频开关过程，因此也没有高频电磁辐射。线性变频电源的容量由直流电源的容量、开关器件的电流限值共同决定。

附图说明

图1为本发明一个实施例基于新型高效率大容量线性功率放大器的线性变频电源原理框图；

图2为本发明一个实施例基于新型高效率大容量线性功率放大器的线性变频电源电路结构图；

图3为本发明一个实施例新型高效率大容量线性功率放大器功率器件导通状态示意图；

图4为本发明一个实施例理论效率与直流电源电平级数关系曲线；

图5为本发明一个实施例纯阻性负载的变频电源输出电流、电压波形图；

图6为本发明一个实施例纯感性负载的变频电源输出电流、电压波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

由于PWM开关逆变器的效率较高，当前变频电源绝大部分采用了这种技术方案。但是开关逆变器也存在固有的缺陷：其高频开关过程存在电磁辐射；由于其输出波形本质上是离散的脉冲方块，由傅里叶分解可知其中富含多频次谐波成分，需要经过滤波环节方可得到波形质量满足要求的单一频率正弦波。而线性功率放大器直接对模拟信号进行放大输出，其输出波形质量优良，理论上不含谐波。但是传统的线性功率放大器效率较低，且带感性负载能力较差，不适合用作变频电源的技术方案。本实施例提出的基于新型高效率大容量线性功率放大器的变频电源，其本质上仍然是基于线性功率放大器的技术方案，所以其输出波形质量优良，同时，由于采用了一种全新的电路拓扑结构，其效率相对于开关逆变器已经没有劣势，十二级电平的新型高效率大容量线性功率放大器效率可以高达96％以上。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，如图1所示，基于新型高效率大容量线性功率放大器的线性变频电源，包含有直流电源、新型高效率大容量线性功率放大器、信号源和补偿控制模块以及同步逆变模块四个部分。

而且，直流电源部分包含多个直流电源叠加得到的多电压值直流电源，多个直流电源串联叠加，在每一个电压值端口都输出电流提供能量。

而且，新型高效率大容量线性功率放大器主要包含有逐级分段导通控制模块以及大功率射极跟随器模块，大功率射极跟随器模块包括多个并联的大功率射极跟随器，并联射极跟随器的数目与直流电源的电平数量相同。逐级分段导通控制模块的作用是在不同的信号源电压值情况下控制不同的直流电源将电能传送给对应的射极跟随器进行能量的变换传输。新型高效率大容量线性功率放大器是通过减小输出电压与直流电源电压间差值来减小功率放大器能量传输过程中的损耗的。减小输出电压与直流电源电压差值的核心原理是，在输出电压较低时采用较低的直流电源供电，随着输出电压的升高，直流电源也自动切换到较高的电压供电。

而且，新型高效率大容量线性功率放大器对微弱功率的模拟信号进行功率放大，经过放大的模拟信号可以带大功率负载。变频电源的最终输出波形即是对信号源波形无失真地进行功率放大输出。通过调整信号源波形的幅值、频率即可改变变频电源输出波形的幅值、频率。基于新型高效率大容量线性功率放大器的线性变频电源中，新型高效率大容量线性功率放大器部分的核心器件是大功率IGBT、MOS管，其开启电压(通常称为栅极门槛电压)会带来一定的波形畸变，需要提供一个电压偏置进行消除。补偿控制模块对变频电源系统进行必要的保护，同时提供所需的直流偏置电压。

而且，信号源模拟波形为正弦全波整流波形，新型高效率大容量线性功率放大器对信号源模拟信号进行功率放大后输出的波形仍然为正弦全波整流波形，需要经过同步全桥逆变之后才能变换为正弦波输出。

如图2所示，以四级电压分别为E₁、E₂、E₃、E₄为例，四个串联的直流电源本身的电压分分别是U₁＝E₁、U₂＝E₂+E₁、U₃＝E₃+E₂+E₁、U₄＝E₄+E₃+E₂+E₁，在电压为U₁、U₂、U₃、U₄的端口分别引出电源线与电力二极管串联单向传送输出电能。由于电力二极管具有单相导通的特性，只有阳极电位高于阴极电位是二极管才处于导通状态，电流才可以单相流通，因此其可以用来控制能量的流通方向，防止短路。

信号源提供一个微弱功率的模拟信号，该模拟信号为一个正弦全波整流波形，该信号源模拟信号的幅值及频率决定了变频电源输出正弦波的幅值、频率，调整信号源模拟信号的幅值及频率，变频电源输出正弦波的幅值、频率亦跟随改变，即变频电源的输出波形就是对该信号源模拟信号不失真地复制放大。该模拟信号为正弦全波整流波形，是一个周期性直流信号，新型高效率大容量线性功率放大器对信号源模拟信号进行功率放大后输出的波形仍然为正弦全波整流波形，需要经过同步全桥逆变之后才能变换为正弦波输出。通过改变V_s的幅值、频率等波形特征参数来改变新型高效率大容量线性功率放大器输出波形的频率、幅值等对应的波形特征参数。

新型高效率大容量线性功率放大器对信号源模拟信号进行功率放大后输出的波形仍然为正弦全波整流波形，需要经过同步逆变模块逆变之后才能变换为正弦波输出。同步逆变模块采用同步全桥逆变器，其逆变全桥驱动波形与正弦全波整流波形是同相位的，因此可以将正弦全波整流波形翻转逆变为正弦波，由于同一桥臂开关器件刚好在正弦波过零点切换，所以该同步逆变全桥自动实现了软开关，其逆变开关损耗几乎可以忽略不计。

逐级导通控制模块是用来控制在不同的信号源电压值情况下具体让哪一级直流电源供电以及哪一级射极跟随器投入运行。以四级直流电平的电路为例：

当0＜V_s≤U₁，逐级导通控制模块控制第一级射极跟随器(LPA1)投入运行，第一级直流电源从电压值为U₁的端口通过与之串联的二极管D_N1提供电压、电流，此时只有第一级直流电源供电，只有第一级射极跟随器进行能量传输变换，此时输出电压0≤V_o<U₁。

当U₁＜V_s≤U₂，逐级导通控制模块控制第二级射极跟随器(LPA2)投入运行，第一级直流电源与第二级直流电源串联从电压值为U₂的端口通过与之串联的二极管D_N2提供电流、电压，此时第一级、第二级直流电源串联供电，只有第二级射极跟随器进行能量传输变换，此时输出电压U₁≤V_o<U₂。

当U₂＜V_s≤U₃，逐级导通控制模块控制第三级射极跟随器(LPA3)投入运行，第一级、第二级和第三级直流电源从电压值为U₃的端口通过与之串联的二极管D_N3提供电流、电压，此时第一级、第二级和第三级直流电源串联供电，只有第三级射极跟随器进行能量传输变换，此时输出电压E₂≤V_o<E₃。

当U₃＜V_s≤U₄，逐级导通控制模块控制第四级射极跟随器(LPA4)投入运行，第一级、第二级、第三级和第四级直流电源从电压值为U₄的端口直接提供电流、电压，此时第一级、第二级、第三级和第四级直流电源串联供电，只有第四级射极跟随器进行能量传输变换，此时输出电压U₃≤V_o<U₄。

大功率射极跟随器模块是多个并联大功率半导体器件(包括但不限于IGBT、MOS管)及其必要辅助电路组成的多个并联大功率射极跟随器，是新型高效率大容量线性功率放大器的核心部分，起能量传输变换的作用，下面以四级电平简图为例对其原理做详细说明。图2中只包含必要的直流电源、电力二极管、IGBT部分，信号源和分级导通控制模块未显示在图中。

新型高效率大容量线性功率放大器输出波形为正弦波全波整流波形，并非变频电源所需的正弦波，需要用逆变全桥做一个同步逆变，将正弦波全波整流波形逆变为正弦波。由于逆变全桥只是起到翻转波形的作用，将正弦波全波整流周期性直流波形你变为正弦波，其开关频率即为正弦波频率，并无传统开关逆变器中的高频开关过程。同步逆变时是在电压过零点发生的，所以这也是一个自动的软开关过程，并无开关损耗。

以上分析了纯阻性电流情况下的电路状态，如图5所示。实际上该电路可以带任意负载，包括但不限于纯感性、纯容性负载，电路运行机理同上。如图6所示。

对于上述四级直流电平线性功率放大器，其器件以及电路状态补充说明如下，如图3所示。

当0＜V_s≤U₁时，在逐级分段导通控制模块的控制下，只有第一级射极跟随器处于线性放大状态，即只有Q1处于线性区，Q2、Q3、Q4均处于截止区。只有第一级线性功率放大器参与能量的传输变换。

当U₁＜V_s≤U₂时，在逐级分段导通控制模块的控制下，第一级、第二级射极跟随器处于线性放大状态，即Q1、Q2处于线性区，Q3、Q4均处于截止区，但由于U₁＜V_o，二极管D1处于反向截止状态，第一级线性功率放大器不输出电流无法传输能量，只有第二级线性功率放大器参与能量的传输变换。

当U₂＜V_s≤U₃时，在逐级分段导通控制模块的控制下，第一级、第二级和第三级射极跟随器处于线性放大状态，即Q1、Q2、Q3处于线性区，Q4均处于截止区，但由于U₁＜U₂＜V_o，二极管D1、D2处于反向截止状态，第一级和第二级线性功率放大器不输出电流无法传输能量，只有第三级线性功率放大器参与能量的传输变换。

当U₃＜V_s≤U₄时，在逐级分段导通控制模块的控制下，第一级、第二级、第三级和第四级射极跟随器处于线性放大状态，即Q1、Q2、Q3、Q4均处于线性区，但由于U₁＜U₂＜U₃＜V_o，二极管D1、D2、D3处于反向截止状态，第一级、第二级和第三级线性功率放大器不输出电流无法传输能量，只有第三级线性功率放大器参与能量的传输变换。

基于新型高效率大容量线性功率放大器的线性变频电源的能量由直流电源提供，本身还是和开关逆变器一样，将直流电能逆变为正弦交流电能，所不同的是：开关逆变器得到的输出波形只是一种脉冲方块，原理是等效为多频次正弦波的加权叠加，许经过滤波或者在逆变全桥驱动控制信号上做优化得到波形质量满足要求的单一频率正弦波；而基于新型高效率大容量线性功率放大器的线性变频电源输出波形直接就是单一频率的正弦波，理论上是不含谐波成分的，其效率也可以高达95％以上，如图4所示。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.基于新型高效率大容量线性功率放大器的线性变频电源，包括电网和负载，其特征是，包括直流电源、新型高效率大容量线性功率放大器、信号源和补偿控制模块、同步逆变模块，新型高效率大容量线性功率放大器分别连接直流电源、信号源和补偿控制模块、同步逆变模块，直流电源连接电网，同步逆变模块与负载相连。

2.如权利要求1所述的基于新型高效率大容量线性功率放大器的线性变频电源，其特征是，直流电源为多个直流电源串联的多级电平直流电源，在每一个电压值端口分别引出电源线和电力二级管串联。

3.如权利要求2所述的基于新型高效率大容量线性功率放大器的线性变频电源，其特征是，新型高效率大容量线性功率放大器包含有逐级分段导通控制模块以及大功率射极跟随器模块；逐级分段导通控制模块用于在不同的信号源电压值情况下控制不同的直流电源将电能传送给对应的射极跟随器进行能量的变换传输。

4.如权利要求3所述的基于新型高效率大容量线性功率放大器的线性变频电源，其特征是，大功率射极跟随器模块包括IGBT、MOS管及其辅助电路组成的多个并联大功率射极跟随器，并联大功率射极跟随器的数目与直流电源的电平数量相同。

5.如权利要求1所述的基于新型高效率大容量线性功率放大器的线性变频电源，其特征是，同步逆变模块采用同步全桥逆变器。