[發明專利]模塊化開關功率放大器及其控制方法

有效

• 申請號: 201710041349.3
• 申請日: 2017-01-20
• 公開（公告）號: CN107171567B
• 公開（公告）日: 2019-05-03
• 發明（設計）人: 羅安;肖牧軒;徐千鳴;丁紅旗;洪樂榮;岳雨霏;郭鵬;王逸興
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: H02M5/458
• 分類號: H02M5/458;H02M7/5395;H02M7/487;H02M3/335
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司 43113
• 代理人: 馬強;王娟

本發明公開了一種模塊化開關功率放大器及其控制方法，該種功率放大器前級采用三相不可控整流電路，將電網電壓變換成脈動直流；中間級采用高頻DC?DC整流電路，實現可調的且脈動較小直流電壓；后級采用二極管鉗位三電平輸出電路，利用載波層疊調制使電壓輸出為多電平，減小輸出電壓的總諧波失真(THD)，從而滿足功放的信號失真需求。高頻DC?DC整流的控制策略采用移相控制方式，依據負載的需求調節直流側電壓。為達到信號失真度要求，提出死區補償的控制方法，利用調制策略實現中點電壓平衡控制。

技術領域

本發明涉及功率放大器及高頻電力電子變換領域，特別是一種模塊化開關功率放大器及其控制方法。

背景技術

傳統的功率放大器的線性特性好以及波形畸變率小，但面臨的主要問題是效率低、功率容量小、散熱效果差，因而在某些大功率場合應用受到局限。近些年國內也研制出一系列的功放產品，但就其在輸出的頻段以及波形的失真度方面還遠遠落后于美國等西方發達國家。因此，為滿足大功率容量的需求，在音頻功放、聲納探測等特殊工業場合研究開關功率放大器具有重要意義。

功率放大器根據功率管工作方式不同可分為模擬功率放大器和數字功率放大器。依據目前研究現狀，絕大多數功率放大電路仍主要基于模擬電路拓撲。模擬功率放大器具有優異的波形放大特性,輸出波形畸變率很小。模擬功率放大器的特點是失真小、響應快,輸入輸出信號基本上是線性關系即功率放大器的線性好,但是由于其存在直流導通損耗,導致效率低。而與線性功率放大器不同，工作于開關狀態的D類放大器即開關功率放大器，它的工作狀態處于開關方式。在這種功率放大器中，大幅度減少了功率輸出器件的功耗。由于數字功率放大器的效率很高，因此它的體積僅為相同功率的線性功率放大器的30％左右，同時重量也大為減輕。

對于追求大功率的場合，開關功率放大器無疑是最佳選擇。早期有人提出了開關功率放大器的概念，只是受當時技術水平的限制，開關功率放大器輸出波形嚴重畸變，因此沒有取得很大的發展。由于電力電子器件的研究，出現了許多新型全控型器件,如IGBT和MOSFET等,電力電子器件的開關頻率也大大提高,開關功率放大器重新引起了人們的密切關注。迄今，國外數字功率放大器的研究己經達到了一個很高的水平。例如美國德州義器公司和APEX公司相繼推出了PWM型音頻功放用集成電路元件。早在2000年左右，日本就已經有人研制成功了10KW出頻率為100kHZ的開關功率放大器，其整個頻寬范圍內的THD都小于10％,5kHz內的THD小于2％；目前國外功率放大器的研究主要是結合開關功率放大器與線性功放進行研究，希望既能提高放大器的效率有充分結合了線性功放的線性度好的優勢；

為了最大限度的提高輸出頻率及輸出波形的質量，提高輸出電壓波形的電平數改善波形質量，提高輸出電壓波形的等效開關頻率來提高輸出頻率。鉗位多電平開關功率放大器因輸出電平數較多，其中單相輸出為三電平，相間輸出可高達五電平；鉗位電路具有輸出的電平數多，應用在在數字功率放大器上具有很大優勢；在實現模塊化的鉗位功率模塊后，通過級聯或并聯極大的提高了等效的開關頻率，能滿足中壓大功率負荷的需求。在過去的20年中，針對多電平變換器人們提出了很多調制策略：階梯波脈寬調制、正弦波脈寬調制、消諧波PWM法、空間矢量脈寬調制、三角載波移相PWM法等，還有用于電機控制的模型預測控算法，因其具有較強的魯棒性廣泛應用于電機控制場合。隨著電力電子技術和自動控制技術的發展,尤其是大功率新型高頻開關器件的出現，開關的速率和耐壓耐流能力大大提高，同時，隨著單片機，DSP等微處理器的迅速發展，數字功率放大器的工業實現以及整體性能都得到了很大的提升。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種模塊化開關功率放大器及其控制方法。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：一種模塊化開關功率放大器，包括依次連接的前級的三相不可控整流電路、中間級高頻DC-DC電路和后級二極管鉗位的兩相三電平逆變電路；所述中間級高頻DC-DC電路包括全橋逆變電路，所述全橋逆變電路與高頻變壓器的原邊相連，所述高頻變壓器的副邊與LC濾波電路連接。