[發(fā)明專利]一種數(shù)字仿真開關(guān)功率放大器

在審

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• 申請日: 2018-03-13
• 公開（公告）號: CN108256277A
• 公開（公告）日: 2018-07-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 聞偉;趙海云
• 申請（專利權(quán)）人: 南京雙啟新能源科技有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;H03F1/30;H03F1/32;H03F3/217
• 代理公司: 北京市廣友專利事務(wù)所有限責(zé)任公司 11237
• 代理人: 張仲波

本發(fā)明公開了一種數(shù)字仿真開關(guān)功率放大器，所述開關(guān)功率放大器由以下元件組成：高速數(shù)字控制接口，DSP+FPGA控制器，驅(qū)動電路，功率模塊組件，輸出濾波器。本發(fā)明的數(shù)字仿真開關(guān)功率放大器及其制備方法，在所述放大器中加入了以DSP+FPGA的高性能控制器以輸出信號為反饋進(jìn)行閉環(huán)控制，使得開關(guān)功率放大器在運(yùn)用頻率上失真極低；在功率部分，運(yùn)用H橋級聯(lián)技術(shù)以獲得多電平輸出，進(jìn)一步提高開關(guān)功率放大器的性能；同時，在系統(tǒng)效率上，本發(fā)明采用水冷加風(fēng)冷式復(fù)合冷卻技術(shù)，對主要功率發(fā)熱部件采用水冷技術(shù)，控制板等其它回路采用風(fēng)冷技術(shù)，使得單位體積功率密度最大化，提高了系統(tǒng)的可靠性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電力電子設(shè)備領(lǐng)域，具體涉有一種數(shù)字仿真開關(guān)功率放大器。

背景技術(shù)

在電力電子等電氣設(shè)備中，功率放大器是非常重要的一個元器件，在醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用。功率放大器根據(jù)功率器件工作方式的不同，可分為線性功率放大器和開關(guān)功率放大器。線性功率放大器失真小、響應(yīng)快，輸入輸出信號基本上是線性關(guān)系，但是由于其存在直流導(dǎo)通損耗，導(dǎo)致效率一般在30％～60％之間，低效率導(dǎo)致其功率很難超過1kW。開關(guān)功率放大器，以功率開關(guān)器件為基礎(chǔ)，運(yùn)用脈沖寬度調(diào)制(Pulse WidthModulation,PWM)技術(shù)，將輸入?yún)⒖夹⌒盘柗糯鬄樗枰墓β市盘柕脑O(shè)備，驅(qū)動相應(yīng)的功率負(fù)載。其功率器件工作于開關(guān)狀態(tài)，因此效率較高，一般在80％以上，但是失真大、響應(yīng)慢，其主要衡量指標(biāo)是系統(tǒng)失真，用于反映輸出信號變化能夠與輸入信號的變化相一致的能力。

目前，隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，以工業(yè)、醫(yī)療需求為主的大功率高性能開關(guān)功率放大器的相關(guān)技術(shù)也得到了快速發(fā)展。早在上世紀(jì)60年代就有人提出了開關(guān)功率放大器的概念，而鑒于當(dāng)對電力電子器件開關(guān)特性的限制，設(shè)計(jì)出的開關(guān)功率放大器輸出波形畸變大，無法得到有效的推廣。隨著電力電子器件制造技術(shù)的進(jìn)步，尤其是上世紀(jì)90年代功率場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET，簡寫為“功率MOSFET”)器件及絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的性能大幅度提升，推動了開關(guān)功率放大器的研究。九十年代以來，半導(dǎo)體集成制作工藝的發(fā)展，尤其是以CMOS電路為主要部件的制造工藝的發(fā)展，使得開關(guān)功率放大器及其控制電路已能實(shí)現(xiàn)單片集成。芯片中開關(guān)功率放大器自身能耗低，而CMOS構(gòu)成的配套電路能耗亦低，整個芯片無需外加散熱裝置，體積小，效率高，功能強(qiáng)。這些特性滿足了日益發(fā)展的小型化要求和低能耗的期望，使得開關(guān)功率放大器的研究、開發(fā)成為電力電子領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，受到人們越來越多的關(guān)注。

但是，開關(guān)功率放大器非線性失真大，這亦是限制開關(guān)功率放大器應(yīng)用的一個主要因素。

目前國內(nèi)外開關(guān)功率放大器的主要研究方向有兩個：一個是結(jié)合開關(guān)功率放大器與線性功率放大器的研究即開關(guān)功率放大器承受主功率，線性功率放大器做補(bǔ)償；這樣既提高了功率放大器的整體效率，也利用了線性功率放大器失真小的優(yōu)點(diǎn)。不過這種電路結(jié)構(gòu)對功率放大器模塊功率等級的大幅度提升幫助不大，基本仍徘徊在1kW左右。另一個是為了提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，將數(shù)字控制技術(shù)應(yīng)用到開關(guān)功率放大器中，采用一些新型控制技術(shù)，例如單周控制技術(shù)和多電平技術(shù)，來改善開關(guān)功率放大器的失真度。但是，現(xiàn)有技術(shù)中所生產(chǎn)的開關(guān)功率放大器，在輸出頻率范圍、波形質(zhì)量、輸出功率或整機(jī)效率方面還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到設(shè)備的要求，限制了設(shè)備性能的提升。一些不得不采用線性功率放大器的電氣設(shè)備，效率低、體積龐大，使用不方便。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明實(shí)施例的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中開關(guān)功率放大器性能不佳的問題，提出了一種數(shù)字仿真開關(guān)功率放大器，所述數(shù)字仿真開關(guān)功率放大器由高速數(shù)字控制接口，數(shù)字信號處理(Digital Signal Processor,DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(FieldProgrammable Gate Array,FPGA)控制器，供電回路，驅(qū)動電路，功率模塊組，輸出濾波器組成，基于脈寬調(diào)制原理，工作于開關(guān)狀態(tài)，無需偏置電流，閑置功耗極低，效率高。