CN1329771A - 脉冲宽度调制功率变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有几个载波(22)的利用脉冲宽度调制的电功率变换。本发明能使用模拟或数字输入(21)。通过智能控制诸载波之间的相移θp,能获得许多优点。因此获得减小载波的高频含量。除此之外,对于特定情况(例如N=4且θp=π),将存在无共模的输出。最后,开关装置中电流的减小,增加了功率处理能力。

Description

脉冲宽度调制功率变换器
本发明涉及使用脉冲宽度调制(PWM)的电功率变换。
开关式功率变换器常常借助于正常H电桥实现。举例来说，如Journal of the Audio Engineering Society，Jul/Aug.1997，pp.554-570所述，这种功率变换器能由AD类或BD类调制器来控制。AD类特征在于它容易实现，以及它具有无共模输出的优点。但是另一方面，它具有某些缺点：
·存在载波和相互调制分量的一次谐波。
·在较高功率下，单开关装置中的电流变得太高，并且H电桥实现不再吸引人。
BD类解决了载波和相互调制分量的一次谐波问题，因为仅存在二次谐波以上的高频分量。另一方面，现在在输出处存在共模信号。BD类的功率能力具有和AD类相同的限制，因为它也使用H电桥。
还已知可借助于PWM来变换功率，并且在例如下述文献中已知各种称为多级PWM的改进，G.Carrara，S.Gardella，M.Marchesoni，R.Salutari&G.Sciutto，“A New Multilevel PWM Method-aTheoretical Analysis”，IEEE Transactions of Power Electronics，Vol7，No.3(July 1992)。其基础一般是具有多电源电压级的开关功率级，以及常常是复杂的控制电路。然而，各开关仍必须能够处理全负载电流，而且这些方法的一般缺点是信号通路中有二极管所引入的严重畸变。这样例如对于电动机驱动是有害的，因为畸变引起可听见的磁致伸缩噪声，并且残留DC分量可能诱使饱和。在声频放大器中，畸变明显地是不可容忍的。因此需要一种避免上述缺点的不同方法。更具体地说，本发明的目的是：
·减小差分输出的高频含量，
·获得无共模输出，
·减小单开关装置中的电流。
这个目的是用根据本发明的方法实现的，其具体方法在于总共使用N个PWM发生器，在负载的各侧并联连接N/2个PWM发生器。各PWM发生器的调制通过载波的N/2个相移型式而获得。N/2个载波在180°或360°范围内均等地分布。
用两个或多个都由单独产生的PWM信号所控制的半桥的可升级结构来执行变换。PWM信号由一个在参考信号与有载波的几个相移型式的反相参考信号之间的比较获得，参考信号可以是模拟或数字的。对应于参考信号的产生信号用在负载的一侧，而对应于反相参考信号的PWM信号用在负载的另一侧。对于负载的各侧，把半桥的输出加在一起。
通过智能地控制载波之间的相移，能获得若干优点。本发明能用于许多应用，例如声频放大器、电动机控制、DC-DC变换器等等。本发明被称为平衡相移载波脉冲宽度调制(BPSCPWM)。
载波之间相移的数学表达式给定为：
1)根据权利要求2，
Figure A9981391100051
2)根据权利要求4，
Figure A9981391100052
N/2个PWM信号由载波与参考信号之间的比较产生。这些信号在负载的一侧加在一起。在负载的另一侧，载波与反相参考信号比较，并且加在一起。
使用N/2个载波和N个半桥的优点是：
·负载中的电流在负载一侧的诸半桥之间均匀地分布。这样将导致单开关装置的应力减小。
·对于相移θp的两种选择，都将减小高频含量。
·对于
Figure A9981391100053
，差模的高频含量将在N·fs左右用对应的相互调制分量开始。fs是载波频率。共模高频含量将在载波频率的一次谐波左右开始。
·对于
Figure A9981391100054
，差模高频含量，对于N/2为奇数，将在N·fs左右开始，而对于N/2为偶数，将在
Figure A9981391100061
左右开始。对于N/2为奇数，共模频谱将在
Figure A9981391100062
左右开始，而对于N/2为偶数，在输出中将无共模。
以下说明本发明的一种可能实现。如上所述，产生N个PWM信号。比较器执行载波与参考信号之间的比较。简单半桥使得来自比较器的PWM信号放大。PWM信号的放大型式的加法借助于电感器执行，以便各PWM发生器通过一个电感器与输出端连接。电感器固然提供滤波，但是进一步滤波是可能而适当的。
在N＝4且θp＝π的情况下，通过使用具有反相和非反相输出的比较器，获得特别容易实现的型式。在这种情况下，有可能仅用一个载波和两个比较器。在这种情况下，来自比较器的输出应该不像一般叙述那样连接，而在负载的两侧使用反相和非反相输出，并且两个输出应该取自各比较器。
对于N/2为偶数且
Figure A9981391100063
的情况，存在加法电感器的特别简单的实现。来自负载各侧的两个电感器共享一个电感器芯。一侧的PWM信号与负载另一侧的PWM信号的反相型式共享该电感器芯。
在BPSCPWM系统的实现中，决定使用多少半桥，以及决定使用哪个θp，取决于实际要求。几个因素可能影响该决定：
·共模频谱中的希望高频含量。该高频含量将随N增加而减小。
·差模频谱中的高频含量。该高频含量将随N增加而减小。
·开关装置中的电流。单开关装置中的电流将随N增加而减小。
·调制器的复杂性随N而增加。
至于载波，单侧或双侧信号或两者的结合都是可能的。为了性能最优，本发明要求载波无DC，因此最好在比较器之前对载波进行高通滤波。
PWM信号例如能在DSP中数字化地产生。
能实现一种控制系统，以改进系统线性化。使用全局反馈能做到这一点。而且能在各半桥周围实现局部反馈。可以结合这两种建议的控制系统。局部反馈拓扑对于利用数字输入的系统具有明显可能性，因为正常全局反馈要求在反馈通路中有一个A/D变换器。
本发明的原理与PWM信号的利用无关，并且与功率放大器级的构造无关。
以下将参考附图叙述本发明。
图1表示本发明的一般调制器结构。
图2表示一般调制器结构和功率级的可能实现。
图3表示在N/2为偶数且 的情况下，具有简单功率级的调制器的一个具体实施例。
图4表示在N＝4且θp＝π的情况下，具有简单功率级的调制器的一个具体实施例。
图5表示用于本发明的可能载波信号。
图6表示具有全局反馈和滤波前反馈两者的控制系统的一例，它适用于具有模拟输入的系统。
图7表示具有各半桥局部反馈的系统。
图8至图11表示在N＝4的情况下，本发明的时域特性。
图1表示本发明的一个平衡实施例的一般调制器结构。系统的输入Vr(t)(11)为模拟或数字输入。参考信号的反相在(12)执行。载波Vc.1(t)(13)是产生载波的其他相移型式的基础，因为这些载波是在一个载波与下一个载波之间相移了角θp(14)。参考信号与产生的载波比较(15)，并且产生N/2个PWM信号，它们加在一起(16)。参考信号的反相型式也与载波比较，并且产生的N/2个PWM信号也加在一起。在PWM信号的两个和之间设置负载(17)。
图2表示平衡解决方案的一种可能的一般实现。如上所述，参考信号(21)和载波(22)相比较(23)，产生PWM信号。产生的PWM信号控制半桥(24)，这样引起PWM信号的放大，因为PWM信号的高态电压现在等于电源电压Vcc。PWM信号的相加借助于电感器(25)执行。电感器还对所得相加的PWM信号滤波，而且进一步滤波可能是必需的。对负载(27)并联地添加一个电容器(26)，则容易做到这一点。这可实现输出信号的有效两级滤波。在需要更多滤波的情况下，可以应用附加的差模或共模滤波器。
图3表示N/2为偶数且
Figure A9981391100081
的一种选择方法。如所示，在这种情况下仅要求N/4个载波。该方法要求N/2个具有非反相和反相两个输出的比较器。由参考信号产生的非反相PWM信号(31)和由反向参考信号产生的反相PWM信号(32)用在负载的一侧，而剩余信号用在负载的另一侧。因为PWM信号是反相型式，所以与来自相同比较器的放大PWM信号对应的加法电感器共享相同的电感器芯(33)。
图4表示上述系统的一个实施例。对于这种情况，N＝4且θp＝π。如所示，仅需要两个比较器和一个载波。而且对于四个电感器L，仅使用两个电感器芯。
图5表示可以用于本发明的三个不同种类的载波信号的例子。头两个为锯齿波，而后一个为三角波。一般来说，任何周期信号皆适合于载波。但是应该强调的是，对于双侧载波，仅对差模和共模才获得合意的高频特性。
图6表示系统的一般控制。该图表示输出反馈(61)和输出前反馈(62)的可能性，反馈将是PWM信号的反馈。
图7表示个别半桥的局部控制系统。它能与图6的控制系统结合。非放大PWM信号(71)用作一个与PWM信号的放大型式(72)的反馈比较的参考。这样将产生一个用于校正的误差信号(73)。
图8至图11表示对于N＝4的情况，本发明的结果时域特性。在所有这四个图中，顶图表示调制信号和交错载波，中图表示结果差分输出信号，而底图表示结果共模输出。图8和图10表示单侧调制波形，而图9和图11表示双侧调制波形。后者还表示在两个载波在360℃范围内均等地分布，并且载波为双侧的情况下，在输出中无共模信号。

Claims (10)

1.一种使用脉冲宽度调制(PWM)的电功率变换的方法，其特征在于在一个负载的各侧有N/2个并联PWM发生器，其中通过把N/2个相移型式的载波(12)在负载的一侧与参考信号(11)比较，而在负载的对侧与反相参考信号比较，产生N/2个PWM信号的调制。
2.根据权利要求1的系统，其特征在于载波之间的相移(θp)在180°范围内均匀地分布，
3.根据权利要求1的系统，其特征在于载波之间的相移(θp)在360°范围内均匀地分布，
Figure A9981391100022
4.根据权利要求1至3的系统，其特征在于它包括：
一个输入端(21)，用于模拟或数字输入，
N个调制器(23)，由N/2个相移载波和参考信号及其反相型式来控制，以产生N个脉冲宽度调制信号，
N个半桥(24)，各由一个脉冲宽度调制信号激励，
N个具有相等电感的电感器(25)，用于加法和解调，
应用差分电容器(26)或共模布置，在输出前的滤波(26)。
5.根据权利要求1至4的系统，在 的情况下，其特征在于负载各侧的电感器共享相同的电感器芯(33)，以便共享该芯的PWM信号为反相型式。
6.根据权利要求5的系统，对于N＝4且θp＝π，其特征在于仅使用一个载波(41)，并且通过具有非反相输出(43)和反相输出(44)的两个比较器(42)，实行调制，以便所述各输出用于负载的各侧，以及在于非反相输出和反相输出用于负载的任一侧。
7.根据权利要求1至5的系统，其特征在于各载波是锯齿波、三角波、或锯齿波和三角波的结合。
8.根据权利要求1至5的具有数字参考信号的系统，其特征在于各载波数字化地产生，并且调制由数字比较器执行。
9.根据权利要求4和5的具有模拟参考信号的系统，其特征在于应用一个反馈控制系统。
10.根据权利要求4和5的系统，其特征在于对各半桥应用一个控制系统。
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