[發明專利]一種多電平功率放大系統及其PWM控制信號產生方法

有效

• 申請號: 201911206265.6
• 申請日: 2019-11-29
• 公開（公告）號: CN110855172B
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發明（設計）人: 孔武斌;涂鈞耀;熊橋坡;羅志清;劉恒陽;龍根;李志科
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483;H02M7/5395;H02M1/12
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

1.一種多電平功率放大系統，其特征在于，包括主控機箱、功率模塊和級聯變壓器；

所述主控機箱的一端與外部通訊設備連接；所述主控機箱的另一端與所述功率模塊的一端雙向連接；所述級聯變壓器的一端與所述功率模塊的另一端連接；

所述主控機箱用于根據外部通訊設備傳遞的控制信號進行多電平調制，產生功率模塊中各功率單元對應的PWM控制信號；所述主控機箱還用于監控各功率單元的Fault信號和電壓電流信號是否正常，并向Fault信號和電壓電流信號正常的功率單元發送對應的PWM控制信號；

其中，所述多電平調制為基于“面積等效原則”的迭代初值選擇方法和基于“內點法”的優化迭代方法的多電平調制方法；

所述功率模塊用于測量各功率單元的Fault信號和電壓電流信號，并將其上報至主控機箱；接收到PWM控制信號的功率單元還用于產生對應的交流電壓方波，并將其向級聯變壓器輸出；

所述級聯變壓器用于將從功率模塊傳遞的交流方波串聯后輸出。

2.根據權利要求1所述的多電平功率放大系統，其特征在于，所述主控機箱包括DSP和FPGA，所述DSP的一端與外部通訊設備連接；所述DSP的另一端和所述FPGA的一端雙向通訊；所述FPGA的另一端與所述功率模塊的一端進行光纖通訊；

所述DSP用于根據外部通訊設備傳遞的控制信號進行多電平調制，產生功率模塊對應的PWM控制信號；并監控功率模塊的Fault信號和電壓電流信號是否正常；

FPGA用于向Fault信號和電壓電流信號正常的功率單元發送對應的PWM控制信號。

3.根據權利要求1或2所述的多電平功率放大系統，其特征在于，所述功率模塊為分布式結構，包括一一對應的N塊分控板和N塊H橋功率單元；

所述分控板用于根據接收的PWM控制信號控制所述H橋功率單元輸出交流方波；同時測量對應的H橋功率單元的Fault信號以及電壓電流信號，并將其上報至主控機箱。

4.根據權利要求3所述的多電平功率放大系統，其特征在于，所述級聯變壓器為N個單相變壓器串聯得到的電磁模塊；

其中，N個單相變壓器的一次側不耦合，二次側串聯連接。

5.基于權利要求1所述的多電平功率放大系統的PWM控制信號產生方法，包括：

(1)對級聯變壓器的目標輸出波形進行傅里葉分解，獲取目標輸出波形的特定次數的諧波幅值的表達式

并根據面積等效原則，計算得到開通角向量的初值；

(2)對目標輸出波形特定次數的諧波幅值的表達式取平方和，獲取目標函數；

(3)根據目標函數和開通角向量不等式約束條件，獲取約束優化模型；

(4)將開通角向量不等式約束條件轉化為罰函數形式，實現約束優化模型向無約束優化模型的轉化；

(5)將初始化的罰因子輸入無約束優化模型，將開通角向量的初值進行迭代，直至收斂至第一開通角向量；

(6)將初始化的罰因子擴大m倍形成第一罰因子輸入無約束優化模型，將第一開通角向量進行迭代直至收斂至第二開通角向量；

(7)第k罰因子擴大m倍形成第(k+1)罰因子輸入無約束優化模型，將第(k+1)開通角向量進行迭代直至收斂至第(k+2)開通角向量；

(8)判斷第(k+1)罰因子是否大于等于最大罰因子，若是，則第(k+2)開通角向量為功率模塊對應的PWM控制信號；否則，k＝k+1，轉至步驟(7)；

其中，k≥1，k的初始值為1；b為指定消除的諧波次數；m＞1；為N個功率單元的開通角組成的開通角向量；α_i(i＝1,2,3,,,N)為第i個功率單元的開通角。

6.根據權利要求5所述的PWM控制信號產生方法，其特征在于，所述約束優化模型為：

其中，為目標函數；為N個功率單元的開通角組成的開通角向量；α_i(i＝1,2,3,,,N)為第i個功率單元的開通角。

7.根據權利要求5或6所述的PWM控制信號產生方法，其特征在于，所述無約束優化模型為：其中，為開通角向量不等式約束條件轉變的罰函數；t為罰因子；為目標函數；為N個功率單元的開通角組成的開通角向量。