適合于高功率放大器系統(tǒng)的單元拓撲和數(shù)字控制原理研究

引言

功率放大器在音頻功放、發(fā)射系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、聲納探測、振動測試等很多領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的功率放大器采用線性放大電路，其效率較低（40％～60％），且體積大，故應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。為了解決傳統(tǒng)功率放大器的缺點，開關(guān)功率放大器應(yīng)運而生。

目前國內(nèi)外在高功率（5kW以上）放大器系統(tǒng)設(shè)計中，為了滿足功率要求普遍使用IGBT為主的全橋逆變拓撲。相比之下，以MOSFET為功率器件的高功率放大器系統(tǒng)的設(shè)計方案只占少數(shù)，而且其開發(fā)的控制方式不能夠很好地解決系統(tǒng)模塊間的均流控制，以及電容器中點電位控制等問題。故急需開發(fā)出以MOSFET為主的高功率放大器系統(tǒng)，以可靠地提高放大器系統(tǒng)的性能。本文提出了一種適合于高功率放大器系統(tǒng)模塊化使用的逆變單元，并詳細介紹了單元的拓撲和數(shù)字控制原理，實驗結(jié)果證明了它的良好性能。

1、主電路拓撲

傳統(tǒng)的兩電平全橋逆變拓撲應(yīng)用于高功率放大器系統(tǒng)時，由于受到器件耐壓的限制，難以使用頻率較高的MOSFET，故系統(tǒng)性能無法有效提高。借鑒了已有的研究，我們采用提出的五電平二極管中點鉗位逆變拓撲（“Five－Level NPC Inverter”，以下簡寫為“FNI”）作為基礎(chǔ)功率單元。圖1所示為FNI電路。

適合于高功率放大器系統(tǒng)的單元拓撲和數(shù)字控制原理研究

圖1　FNI電路

這種FNI結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)——NPC逆變拓撲，最早是由Nable等人于1981年提出的。與傳統(tǒng)兩電平變換器相比，有以下優(yōu)點：在大功率系統(tǒng)中，將功率器件直接串聯(lián)使用而無須外加輔助電路；器件耐壓極限降至直流側(cè)電壓的一半，使器件的選取變得靈活；輸出波形中諧波成分相對于兩電平變換器大為減少，減輕了濾波環(huán)節(jié)負擔(dān)；負載上電壓紋波減小，抑止了電磁干擾問題。

2、控制方式的比較與改進

2.1　已有控制方案的介紹

文獻［4］中Lau W H等開發(fā)的控制方案的優(yōu)點在于提高模塊輸出的等效開關(guān)頻率，抑止輸出諧波；缺點在于系統(tǒng)的輸入信號在經(jīng)過PWM調(diào)制后，仍不能作為驅(qū)動信號使用，還須繼續(xù)進行較繁瑣的計算，故不能很好地使用于現(xiàn)有的數(shù)字信號處理芯片。

2.2　改進的控制方案的原理

改進后的控制方式首先將載波頻率提高一倍至2fC，并調(diào)整其偏置后，再進行PWM比較，如圖2所示調(diào)制后的信號即為驅(qū)動信號。而且控制左右橋臂（Leg1、Leg2）的載波相位相同，沒有文獻控制方式所要求的相位差，其好處在于避免系統(tǒng)在調(diào)整開關(guān)頻率的同時還需要調(diào)整相位差，同時有利于系統(tǒng)調(diào)節(jié)直流側(cè)電容的中點電位。

圖2　改進的控制方案的原理

比較圖2和文獻［4］可以發(fā)現(xiàn)，開關(guān)管的驅(qū)動信號是相同的，所以輸出波形也一定是相同的。改進后的控制策略能夠便捷地應(yīng)用到數(shù)字信號處理芯片中，同時保留文獻［4］控制方式的優(yōu)點。例如在DSP（TMS320LF2407）芯片上PWM的調(diào)制可以通過專職的事件管理模塊EVA及EVB直接完成，這樣大大降低了控制方式的實現(xiàn)難度。

改進后的控制策略也有不足之處，就是也沒有提供解決直流側(cè)電容的中點電位不平衡問題的方案。根據(jù)實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于電路元件的固有電阻特性不對稱所造成的電容中點電位的靜態(tài)誤差不能被忽略。圖9（f）為直流側(cè)電源為400V時中點電位的情況，可以發(fā)現(xiàn)有13.2V的靜態(tài)誤差。

2.3　中點電位不平衡的危害與解決方案

文獻［1］分析了系統(tǒng)直流側(cè)中點電位漂移對輸出THD的影響，如圖3所示。圖3中的k值：，代表了中點的失衡程度。在其他工業(yè)用途中，由于對輸出波形畸變要求不高，中點的適當(dāng)漂移是允許的。但是，在諸如功率放大器系統(tǒng)等對輸出波形質(zhì)量要求較高的應(yīng)用中，中點不平衡可以成為輸出畸變的重要原因之一。為了克服中點不平衡帶來的輸出波形質(zhì)量下降，我們在改進的控制方式中加入中點平衡控制，程序流程圖如圖4所示，中點平衡控制方案框圖如圖5所示。中點平衡控制原理為，每個開關(guān)周期開始時首先對直流側(cè)電容電壓采樣得到VC1和VC2（見圖1），然后對VC1和VC2的差值做PI運算。如果PI運算的結(jié)果為正，則和POSREF（系統(tǒng)能夠容忍的VC1超過VC2的最大值）比較，如果發(fā)現(xiàn)比較器的輸出為正，即意味著中點的漂移情況較為嚴重。進而檢測參考信號VS的幅值，如果VS的幅值為負時（表現(xiàn)為當(dāng)0和VS的幅值通過比較器后，輸出為正），則將載波頻率提高為2fc；反之，如果電壓差值PI運算的結(jié)果小于NEGREF，且參考信號Vs幅值為正，則將載波頻率提高為2fc；其他情況下，載波頻率維持fc不變。圖5中Switch模塊的功能是，如果模塊左面中間腳的輸入信號為正，則模塊的右面輸出同模塊左面最下腳輸入信號一致；如果模塊左面中間腳的輸入信號為零，則模塊的右面輸出同模塊左面最上腳輸入信號一致。

圖3　中點電位不平衡對輸出THD的影響

圖4　程序流程圖

圖5　中點平衡控制方案框圖

載波頻率確定后，將VS函數(shù)值加載至DSP芯片事件管理器模塊中的比較單元，準(zhǔn)備同載波進行PWM調(diào)制。加載完成后即進行中斷復(fù)位。

這種中點控制方式的本質(zhì)是通過調(diào)節(jié)載波的頻率來改變中點電流的流向。通過比較載波頻率加倍前后中點電流流向的仿真，我們可以得知：如果以參考信號VS的頻率fs為參考，載波頻率加倍前，中點電流ineu的流向每周期內(nèi)交替變化（見圖6），變換的頻率為2fc；載波頻率加倍后，中點電流ineu的流向每周期內(nèi)只改變一次（見圖7），即變換的頻率為2fs。又因為后者中點電流的流向同參考信號VS的幅值有關(guān)，所以在決定是否將載波頻率加倍前，需要檢測VS幅值的正負。