CN111478610A - 一种移相倍频开关功率放大器 - Google Patents

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贾辉
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Abstract

一种移相倍频开关功率放大器，包括：功率模块、滤波模块和控制模块，所述功率模块包括相互并联的多个桥臂，所述桥臂包括串联在一起的两个功率器件，所述滤波模块包括电容和多个电感，所述电感与桥臂一一对应设置，所述电感的输入端与桥臂的两个功率器件的连接点连接，所述电感的输出端与电容连接，所述控制模块用于将输入信号通过闭环修正后调制生成多个驱动信号，所述驱动信号和桥臂一一对应设置，驱动信号控制桥臂中功率器件的开启和关断。与现有技术相比，本发明能够通过IGBT实现大电压、大电流、高功率密度和高可靠性；提高了系统的等效开关频率，对功率器件和电感的利用效率更高，底噪更低；可以有效地削弱死区时间设置对波形质量的影响。

Description

一种移相倍频开关功率放大器
技术领域
本发明涉及开关功率放大器制造技术领域，尤其是涉及一种移相倍频开关功率放大器。
背景技术
随着航空、航天、电子等行业领域的快速发展，对可靠性振动试验的需求也逐渐增多。电动振动台是振动环境模拟最常用的试验设备。电动振动台系统包括振动控制器、功率放大器和振动台。作为电动振动台的核心部件之一，功率放大器的功率输出能力和驱动信号输出质量直接决定了振动台的试验量级和振动波形质量。
传统振动台功率放大器使用MOSFET功率器件，其开关频率较高，但是耐压值低、电流容量小，在大功率应用场合，需要进行多管并联，增加了系统复杂性，降低了可靠性。近些年来，新一代功率器件IGBT在功率容量和可靠性上均有了极大的提升，但是存在开关频率低的问题，影响系统带宽。
因此，有必要提供一种新的移相倍频开关功率放大器解决上述技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单、能提高开关频率和功率器件、电感的利用效率的移相倍频开关功率放大器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案，一种移相倍频开关功率放大器，包括：功率模块、滤波模块和控制模块，所述功率模块包括相互并联的多个桥臂，所述桥臂包括串联在一起的两个功率器件，所述滤波模块包括电容和多个电感，所述电感与桥臂一一对应设置，所述电感的输入端与桥臂的两个功率器件的连接点连接，所述电感的输出端与电容连接，所述控制模块用于将输入信号通过闭环修正后调制生成多个驱动信号，所述驱动信号和桥臂一一对应设置，所述驱动信号控制桥臂中功率器件的开启和关断。
优选的，还包括直流模块，所述直流模块包括直流电源和母线电压，所述母线电压用于抑制直流电源电压波动，所述直流电源用于提供电能。
优选的，所述母线电压包括串联的两个母线电容。
优选的，所述控制模块包括：信号采集单元、闭环控制单元和PWM波生成单元，所述信号采集单元用于对输入信号进行调理、滤波、AD采样处理后得到数字信号，然后将数字信号发送给闭环控制单元，所述闭环控制单元用于对数字信号进行闭环修正后得到控制信号，所述PWM波生成单元用于接收控制信号，然后生成各个桥臂的驱动信号。
优选的，所述PWM波生成单元包括三角波生成器和PWM波生成器，所述三角波生成器根据桥臂的数量得到三角波相位差，然后由三角波相位差得到各个桥臂的三角波；所述PWM波生成器将各个桥臂的三角波与控制信号进行比较，得到各个桥臂的第一开关信号，第一开关信号反相后得到相对应桥臂的第二开关信号，所述桥臂的第一开关信号和第二开关信号加入死区时间得到该桥臂的驱动信号。
优选的，所述功率器件为IGBT。
与现有技术相比，本发明具有以下积极效果：
1.通过使用IGBT，能够实现大电压、大电流和高功率密度，其可靠性也更高；
2.通过设置功率模块、滤波模块和控制模块，消除高频信号，保留有用的低频信号，提高了系统的等效开关频率，提高系统的控制带宽，解决了器件开关频率低的问题；
3.相对于全桥结构，本功率放大器对功率器件和电感的利用效率更高，底噪更低；
4.在桥臂中设置死区时间时对波形质量影响很大，而通过设置功率模块、滤波模块和控制模块，可以有效地削弱死区时间设置对波形质量的影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的PWM波生成器的结构示意图；
图3为本发明的三角波生成器的结构示意图；
图4为实施例二的电感连接方式结构示意图；
图5为实施例三的电感连接方式的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
参照附图1-3，本实施例包括：功率模块200、滤波模块300和控制模块400，功率模块200包括相互并联的多个桥臂，桥臂包括串联在一起的两个功率器件，滤波模块300包括电容和多个电感，电感与桥臂一一对应设置，电感的输入端与桥臂的两个功率器件的连接点连接，电感的输出端与电容连接，控制模块400用于将输入信号通过闭环修正后调制生成多个驱动信号，驱动信号和桥臂一一对应设置。
参照附图1，功率模块200中，功率器件Q11、Q12、…Qn1、Qn2组成的拓扑结构中，上下两个功率器件Qn1、Qn2组成一个桥臂Qn。驱动信号具体为S1、S’ 1、…Sn、S‘ n，分别控制功率器件Q11、Q12、…Qn1、Qn2的开启和断开，其中，n为大于等于2的整数。桥臂的两端与直流模块100连接。驱动信号有高电平、低电平两种状态。当驱动信号为高电平时，对应的功率器件闭合，电路导通；当驱动信号为低电平时，对应的功率器件打开，电路断开，驱动信号由控制模块400生成。
滤波模块300中，电感L1、L2、…Ln的一端连接在同一个d点上，d点分别与电容C和负载Z连接，另一端分别与各桥臂的上下两个功率器件的连接点相连。该电感连接方式与前面的功率模块200、驱动信号共同作用，实现提高负载Z上的等效开关频率的功能。
直流模块100包括直流电源和母线电压，母线电压用于抑制直流电源电压波动，直流电源用于提供电能。直流电源Vdc由三相市电直接整流得到、或三相半控整流、或全控整流得到。母线电压包括串联的两个母线电容。两个母线电容C1和C2串联连接，大小相等，其电容值越大，对母线电压波动的抑制效果越好。
控制模块400包括：信号采集单元、闭环控制单元和PWM波生成单元，信号采集单元用于对输入信号进行调理、滤波、AD采样处理后得到数字信号，然后将数字信号发送给闭环控制单元，输入信号包括：外部控制器对功率放大器的输入信号(模拟输入或者数字输入)、母线电容电压VC1、VC2、电感电流IL1、IL2、…ILn、负载电压VZ和负载电流IZ。
闭环控制单元用于对数字信号进行闭环修正后得到控制信号，该步骤可以通过PID、模糊控制等方法实现。PWM波生成单元用于接收控制信号，然后生成各个桥臂的驱动信号。
PWM波生成单元包括三角波生成器和PWM波生成器，三角波生成器根据桥臂的数量得到三角波相位差，然后由三角波相位差得到各个桥臂的三角波；参照附图3，当n等于4时为4倍频，对360度进行4等分，则三角波的相位差为360/4＝90度，四个桥臂Q1、Q2、Q3、Q4使用的三角波的相位分别为0、90、180、270度。体现在波形上就是，三角波依次偏移四分之一个周期T，即T/4。同理，对于n倍频，n个桥臂使用的三角波的相位依次为0、360/n、…、360/n*(n-1)。
PWM波生成器将各个桥臂的三角波与控制信号进行比较，得到各个桥臂的第一开关信号，第一开关信号反相后得到相对应桥臂的第二开关信号，桥臂的第一开关信号和第二开关信号加入死区时间得到该桥臂的驱动信号。参照附图2，桥臂Q1的三角波与控制信号进行比较，参考信号大于三角波为高电平，反之为低电平。由此得到开关信号G1，将G1反相后得到G’ 1。为了防止功率器件Q11、功率器件Q12同时导通引起系统短路，需要在G1、G’ 1中加入死区时间。将G1进行上升沿延迟时间Δt，得到S1；同样将G’ 1进行上升沿延迟Δt，得到S’ 1。S1、S’ 1即为功率器件Q11、功率器件Q12的驱动信号；同理，使用对应桥臂的三角波，通过比较可以得到对应桥臂的驱动信号S2、S’ 2、…Sn、S’ n。其中，死区时间Δt根据电压、电流、开关频率、散热方式等决定。
功率器件为IGBT，通过使用IGBT，可以实现高电压和大电流。在这里，功率器件为MOSFET、SiC、GaN等，也可以实现倍频的效果。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，不同之处如下：
参照附图4，滤波模块300中，电感L1、L2、…Ln分成多组，然后多组电感分别通过第一电感L1 m与d点连接。
实施例三
本实施例与实施例一基本相同，不同之处如下：
参照附图5，滤波模块300中，共模电感GL1、GL2、…GLn均通过共模电感10与d点连接。
本发明中，通过使用IGBT，能够实现大电压、大电流和高功率密度，其可靠性也更高；通过设置功率模块200、滤波模块300和控制模块400，消除高频信号，保留有用的低频信号，提高了系统的等效开关频率，提高系统的控制带宽，解决了器件开关频率低的问题；相对于全桥结构，本功率放大器对功率器件和电感的利用效率更高，底噪更低；在桥臂中设置死区时间时对波形质量影响很大，而通过设置功率模块200、滤波模块300和控制模块400，可以有效地削弱死区时间设置对波形质量的影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种移相倍频开关功率放大器，其特征在于，包括：功率模块、滤波模块和控制模块，所述功率模块包括相互并联的多个桥臂，所述桥臂包括串联在一起的两个功率器件，所述滤波模块包括电容和多个电感，所述电感与桥臂一一对应设置，所述电感的输入端与桥臂的两个功率器件的连接点连接，所述电感的输出端与电容连接，所述控制模块用于将输入信号通过闭环修正后调制生成多个驱动信号，所述驱动信号和桥臂一一对应设置，所述驱动信号控制桥臂中功率器件的开启和关断。
2.根据权利要求1所述的移相倍频开关功率放大器，其特征在于，还包括直流模块，所述直流模块包括直流电源和母线电压，所述母线电压用于抑制直流电源电压波动，所述直流电源用于提供电能。
3.根据权利要求2所述的移相倍频开关功率放大器，其特征在于，所述母线电压包括串联的两个母线电容。
4.根据权利要求3所述的移相倍频开关功率放大器，其特征在于，所述控制模块包括：信号采集单元、闭环控制单元和PWM波生成单元，所述信号采集单元用于对输入信号进行调理、滤波、AD采样处理后得到数字信号，然后将数字信号发送给闭环控制单元，所述闭环控制单元用于对数字信号进行闭环修正后得到控制信号，所述PWM波生成单元用于接收控制信号，然后生成各个桥臂的驱动信号。
5.根据权利要求4所述的移相倍频开关功率放大器其特征在于所述PWM波生成单元包括三角波生成器和PWM波生成器，所述三角波生成器根据桥臂的数量得到三角波相位差，然后由三角波相位差得到各个桥臂的三角波；所述PWM波生成器将各个桥臂的三角波与控制信号进行比较，得到各个桥臂的第一开关信号，第一开关信号反相后得到相对应桥臂的第二开关信号，所述桥臂的第一开关信号和第二开关信号加入死区时间得到该桥臂的驱动信号。
6.根据权利要求5所述的移相倍频开关功率放大器，其特征在于，所述功率器件为IGBT。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113114136A (zh) * 2021-04-19 2021-07-13 重庆大学 一种基于自适应预测控制的梯度功率放大器及其设计方法

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