[發明專利]模塊化多電平數字功率放大器損耗優化方法及系統

在審

• 申請號: 202011055952.5
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112787525A
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 岳雨霏;楊禧;唐欣;王文;江洪偉
• 申請（專利權）人: 長沙理工大學
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483;H02M7/5387;H02M1/32
• 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多電平數字功率放大器損耗優化方法及系統，在每個輸出電流周期(調制周期)內，根據模塊化多電平數字功率放大器拓撲，首先建立基于載波移相調制策略的單個半橋子模塊功率損耗模型，主要包括器件導通損耗模型和開關損耗模型；其次，建立功率損耗模型與橋臂電流絕對平均值之間的代數關系，分析橋臂電流絕對平均值與功率損耗變化趨勢的關系；然后，在注入環流前提下，建立橋臂電流絕對平均值表達式，分析表達式的幾何意義；最后，以幾何面積最小化為控制目標，分析橋臂電流絕對平均值的取值范圍，并最終得到損耗最小時對應注入的環流分量。

技術領域

本發明涉及模塊化多電平變換器控制領域，特別是一種模塊化多電平數字功率放大器損耗優化方法及系統。

背景技術

模塊化多電平數字功率放大器(以下簡稱“模塊化多電平數字功放”)因其高度模塊化的結構特點，可通過調節橋臂中的功率單元數來適應不同的電壓等級，隨著模塊化多電平數字功放電壓等級和功率等級的升高，功率單元數也隨之增加，此時，模塊化多電平數字功放自身的損耗問題將變得不可忽視，因此，功率損耗是衡量功放運行效率的一項重要性能指標。在工程中，對功率器件的損耗進行預先計算和方案評估，是IGBT選型和功放系統散熱設計過程中的重要環節。功率損耗過高會導致模塊化多電平數字功放運行可靠性，降低功率器件的使用壽命，因而需要通過適當的控制方法，實現其運行損耗的優化。針對模塊化多電平變換器，現有文獻主要建立其損耗評估模型，從熱力學、機械學等角度對變換器的散熱結構進行優化和改善；對于模塊化多電平變換器功率損耗優化方面的研究，現有文獻一方面在對功率損耗進行優化時并未考慮環流注入的情況，導致變換器內部諧波環流較大，影響穩定運行；另一方面考慮環流注入，但僅注入直流環流而未考慮功率損耗較大的問題，降低變換器運行可靠性。由于模塊化多電平數字功放模塊化結構的特殊性，導致其輸入、輸出性能呈現復雜化，因此，其損耗優化問題面臨極大挑戰。

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，提供一種模塊化多電平數字功率放大器損耗優化方法及系統，在保證功放內部環流得到有效抑制的前提下，降低功放運行損耗。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：一種模塊化多電平數字功率放大器損耗優化方法，包括以下步驟：

S1、根據模塊化多電平數字功率放大器拓撲結構，針對模塊化多電平數字功率放大器每個橋臂中單個半橋子模塊，建立該半橋子模塊的導通損耗計算模型和開關損耗計算模型；

S2、基于所述模塊化多電平數字功率放大器每個半橋子模塊的導通損耗計算模型和開關損耗計算模型，分析該半橋子模塊功率損耗與所在橋臂的電流絕對平均值之間的線性代數關系；

S3、根據所述模塊化多電平數字功率放大器的功率損耗與模塊化多電平數字功率放大器橋臂電流絕對平均值之間的線性代數關系，結合橋臂電流平均值的數學表達式，在注入環流的運行工況下，分析橋臂電流絕對平均值的變化規律，建立橋臂電流絕對平均值最小時對應的注入環流指令求取模型。

本發明的方法可獲得橋臂電流絕對平均值取最小值時對應的注入環流指令，當數字功率放大器內部注入該環流指令時，可保證在數字功率放大器內部環流得到有效抑制的前提下，降低功放運行損耗。由于數字功率放大器的運行損耗是橋臂電流絕對平均值的函數，運行損耗與橋臂電流絕對平均值變化趨勢一致，因此，當橋臂電流絕對平均值存在最小值時，其對應的運行損耗也存在最小值，求取橋臂電流絕對平均值最小值即可得到運行損耗最小值。

步驟S1中，所述導通損耗模型包括：