CN108256277A - 一种数字仿真开关功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字仿真开关功率放大器，所述开关功率放大器由以下元件组成：高速数字控制接口，DSP+FPGA控制器，驱动电路，功率模块组件，输出滤波器。本发明的数字仿真开关功率放大器及其制备方法，在所述放大器中加入了以DSP+FPGA的高性能控制器以输出信号为反馈进行闭环控制，使得开关功率放大器在运用频率上失真极低；在功率部分，运用H桥级联技术以获得多电平输出，进一步提高开关功率放大器的性能；同时，在***效率上，本发明采用水冷加风冷式复合冷却技术，对主要功率发热部件采用水冷技术，控制板等其它回路采用风冷技术，使得单位体积功率密度最大化，提高了***的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电力电子设备领域，具体涉有一种数字仿真开关功率放大器。
背景技术
在电力电子等电气设备中，功率放大器是非常重要的一个元器件，在医疗设备、工业设备中有广泛的应用。功率放大器根据功率器件工作方式的不同，可分为线性功率放大器和开关功率放大器。线性功率放大器失真小、响应快，输入输出信号基本上是线性关系，但是由于其存在直流导通损耗，导致效率一般在30％～60％之间，低效率导致其功率很难超过1kW。开关功率放大器，以功率开关器件为基础，运用脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation,PWM)技术，将输入参考小信号放大为所需要的功率信号的设备，驱动相应的功率负载。其功率器件工作于开关状态，因此效率较高，一般在80％以上，但是失真大、响应慢，其主要衡量指标是***失真，用于反映输出信号变化能够与输入信号的变化相一致的能力。
目前，随着经济持续稳定的发展，以工业、医疗需求为主的大功率高性能开关功率放大器的相关技术也得到了快速发展。早在上世纪60年代就有人提出了开关功率放大器的概念，而鉴于当对电力电子器件开关特性的限制，设计出的开关功率放大器输出波形畸变大，无法得到有效的推广。随着电力电子器件制造技术的进步，尤其是上世纪90年代功率场效应晶体管(Power MOSFET，简写为“功率MOSFET”)器件及绝缘栅双极晶体管(IGBT)的性能大幅度提升，推动了开关功率放大器的研究。九十年代以来，半导体集成制作工艺的发展，尤其是以CMOS电路为主要部件的制造工艺的发展，使得开关功率放大器及其控制电路已能实现单片集成。芯片中开关功率放大器自身能耗低，而CMOS构成的配套电路能耗亦低，整个芯片无需外加散热装置，体积小，效率高，功能强。这些特性满足了日益发展的小型化要求和低能耗的期望，使得开关功率放大器的研究、开发成为电力电子领域中的研究热点，受到人们越来越多的关注。
但是，开关功率放大器非线性失真大，这亦是限制开关功率放大器应用的一个主要因素。
目前国内外开关功率放大器的主要研究方向有两个：一个是结合开关功率放大器与线性功率放大器的研究即开关功率放大器承受主功率，线性功率放大器做补偿；这样既提高了功率放大器的整体效率，也利用了线性功率放大器失真小的优点。不过这种电路结构对功率放大器模块功率等级的大幅度提升帮助不大，基本仍徘徊在1kW左右。另一个是为了提高***的动态性能，将数字控制技术应用到开关功率放大器中，采用一些新型控制技术，例如单周控制技术和多电平技术，来改善开关功率放大器的失真度。但是，现有技术中所生产的开关功率放大器，在输出频率范围、波形质量、输出功率或整机效率方面还是远远无法达到设备的要求，限制了设备性能的提升。一些不得不采用线性功率放大器的电气设备，效率低、体积庞大，使用不方便。
发明内容
本发明实施例的目的是为了解决现有技术中开关功率放大器性能不佳的问题，提出了一种数字仿真开关功率放大器，所述数字仿真开关功率放大器由高速数字控制接口，数字信号处理(Digital Signal Processor,DSP)和现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array,FPGA)控制器，供电回路，驱动电路，功率模块组，输出滤波器组成，基于脉宽调制原理，工作于开关状态，无需偏置电流，闲置功耗极低，效率高。
根据本发明的一个方面，提出了一种数字仿真开关功率放大器，所述开关功率放大器由以下元件组成：高速数字控制接口，数字信号处理和现场可编程门阵列DSP+FPGA控制器，驱动电路，功率模块组件，输出滤波器；其中，
所述高速数字控制接口与采样信号输入设备相连，同时与DSP+FPGA控制器相连，用于实时反馈采样信号；
所述DSP+FPGA控制器与驱动电路相连，用于实现电流电压双闭环控制和自适应控制；
所述驱动电路与功率模块组件相连，用于驱动功率模块组件；
所述功率模块组件与输出滤波器相连，用于提供功率变换；
所述输出滤波器用于输出滤波。
上述方案中，所述DSP+FPGA控制器通过实时的DSP+FPGA数字计算平台，辨识负载参数，自适应配置控制器参数。
上述方案中，所述功率模块组件为多H桥级联拓扑IGBT功率组件。
上述方案中，所述开关功率放大器还包括供电回路，所述供电回路与驱动电路形成最小的驱动环路面积。
上述方案中，所述开关功率放大器还包括冷却元件，所述冷却元件采用水冷+风冷双重冷却以控制电路温度。
本发明具有如下有益效果：
本发明的数字仿真开关功率放大器，在所述放大器中加入了DSP+FPGA控制器以输出信号为反馈进行闭环控制，使得开关功率放大器在运用频率上失真极低；在功率部分，运用H桥级联技术以获得多电平输出，进一步提高开关功率放大器的性能，转换速率快，响应时间短；同时，在***效率上，本发明采用水冷加风冷式复合冷却技术，对主要功率发热部件采用水冷技术，控制板等其它回路采用风冷技术，使得单位体积功率密度最大化，提高了峰值负载能力，从而进一步提高了功率放大器的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例的数字仿真开关功率放大器原理图；
图2为本发明实施例的数字仿真开关功率放大器结构示意图；
图3为本发明实施例的数字仿真开关功率放大器的生产工艺流程图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明技术问题、技术方案和优点将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
近年来，高功率高性能开关功率放大器，在很多电力电子设备中得到了广泛的运用，如医疗磁共振设备，电力***仿真，高精度伺服***中，功率>1kW领域的电动振动试验台，发射***，声纳探测，电网谐波抑制等等。而功率放大器的性能在一定程度上影响这些设备性能的提升。本发明基于高功率高性能开关放大器的工作原理，为了降低***失真，在***中加入了以DSP+FPGA的高性能控制器以输出信号为反馈进行闭环控制，可以使得开关功率放大器在运用频率上失真极低。另外，在功率部分，运用H桥级联技术以获得多电平输出，进一步提高开关功率放大器的性能。同时，在***效率上，本发明采用水冷加风冷式复合冷却技术，对主要功率发热部件采用水冷技术，控制板等其它回路采用风冷技术，使得单位体积功率密度最大化，提高***可靠性，为实现大功率提供技术基础。
下面通过具体的实施例对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例的数字仿真开关功率放大器原理图。如图1所示，本实施例的数字仿真开关功率放大器，根据给定信号对载波信号进行PWM调制，将调制后的载波信号发送给驱动元件，进行功率放大后，输出滤波，从而进一步启动负载。本实施例的数字仿真开关功率放大器，基于脉宽调制原理，工作于开关状态，无需偏置电流，闲置功耗极低，效率高。
根据图1所示的原理，制备一种数字仿真开关功率放大器。图2为本实施例的数字仿真开关功率放大器结构示意图。如图2所示，本实施例的数字仿真开关功率放大器由以下元件组成：高速数字控制接口，DSP+FPGA控制器，驱动电路，功率模组，输出滤波器，还可以包括：功率接口，供电回路。其中，所述高速数字控制接口与采样信号输入设备相连，同时与DSP+FPGA控制器相连，用于实时反馈采样信号；所述DSP+FPGA控制器与驱动电路相连，用于实现电流电压双闭环控制和自适应控制；所述驱动电路与功率模块组件相连，用于驱动功率模块组件；所述功率模块组件与输出滤波器相连，用于提供功率变换；所述输出滤波器用于输出滤波。
所述DSP+FPGA控制器通过实时的DSP+FPGA数字计算平台，辨识负载参数，自适应配置控制器参数。DSP+FPGA控制器为高性能的自适应数字控制器设计，利用高实时的DSP+FPGA数字计算平台，实现高性能的数字PID闭环控制，同时实现了负载参数的辨识，优化控制器参数。
优选的，为了使功率开关放大器的输入输出特性达到指定要求，在进行半实物功率仿真时，不通负载。功率放大器的输入输出特性并不一致，为了达到预期的动态，静态特性，控制器参数根据负载的情况进行整定。
功率放大器的控制技术可分为模拟和数字两类。本发明实施例采用数字控制技术。本实施例利用高性能的数字控制平台，高速的实时计算，实现电流压双闭环控制，同时结合自适应控制技术，实现参数的自适应配置，良好的解决参数适配问题。实现快速便捷的控制参数的整定，自动适应不同负载及其变化使功率放大器达到预期的输出特性。
所述功率模块组基于模块化和平台化设计思想，扩展简易，能得到多功率等级的功率放大器。所述功率模块组，有驱动、状态、保护等参数反馈，根据这些参数，可以实现功率模组有效驱动和保护，实现故障判断。由此，在功率模块中引入智能驱动和保护技术，通过深入研究功率模组的失效模式，根据功率模组故障特性，实现智能精准的故障判断。
优选的，这里的模块组件，为多H桥级联拓扑IGBT功率组件。
谐波含量是衡量功率放大器的重要指标，代表了功率放大器对输入信号还原的能力。但目前IGBT器件开关频率基本为20kHz，单级H桥结构会使输出谐波含量较高。级联技术是开关功率放大器高频化的关键。而高频化，能有效降低谐波含量。对多H桥级联开关采用PWM控制策略。通过分析和设计，使功率回路输出稳定的高频率PWM电压波形。优选的，本发明实施例采用三级级联，3个H桥将IGBT功率组件拓扑为三级级联，开关频率达到120kHz，输出滤波器在一定频率范围THD≤0.25％。
优选的，所述驱动电路为智能驱动模块。智能化的驱动模块采用驱动输入信号互锁电路避免控制程序错误导致IGBT半桥桥臂直通，采用退饱和检测电路确保IGBT模块在短路后可以快速从短路状态切出，并能有效避免误保护。
优选的，本实施例的数字仿真开关功率放大器采用高可靠性的水冷、风冷散热设计。在前期充分热仿真的前提下，采用水冷+风冷，双重冷却技术，最大程度控制电路温度，提高可靠性。
优选的，所述输出滤波器采用大功率输出滤波器。
优选的，所述供电回路与驱动电路形成最小的驱动环路面积，最大限度减小驱动环路面积，获得良好的电磁兼容性。同时，大功率部分即功率模块组与控制小信号部分分开，分别设计其屏蔽壳，并采用差分信号进行PWM驱动信号传输，有效提高电磁兼容性。
图3为本发明实施例的数字仿真开关功率放大器的生产工艺流程图。如图3所示，本实施例的数字仿真开关功率放大器生产过程如下：采用优质的机柜及内部器件，规范有序地开发高功率开关功率放大器的电气结构及热设计、主电路驱动保护技术等；控制箱所有板卡都选择表面贴装的单板加工工艺，表面贴装工艺是目前最为先进的印刷电路板加工工艺，电路板采用表面贴装工艺，可以减小单板尺寸，缩短布线长度，提高集成化程序，增加工作的可靠性。另外，采用表面贴装工艺后，电路板的功耗降低，采用金属箱体，使用水冷设计，提高装置散热能力，机柜有专门防尘设计和防电磁干扰设计，保证机柜内部良好的运行环境和电磁兼容能力。
特别的，本发明实施例的高功率高性能数字仿真开关功率放大器，技术与性能指标如下：
(1)额定功率大：10kVA，输出电压范围0-1200V，最大瞬时输出电流350A；
(2)总谐波含量低：THD≤0.25％,(在200Hz，80A条件下)；
(3)输出电压精度高：≤0.5％；
(4)输出电流精度高：≤0.2％；
(5)非线性度小：≤0.2％；
(6)响应时间块：≤30us。
本实施例的数字仿真开关功率放大器，在所述放大器中加入了DSP+FPGA控制器以输出信号为反馈进行闭环控制，使得开关功率放大器在运用频率上失真极低；在功率部分，运用H桥级联技术以获得多电平输出，进一步提高开关功率放大器的性能，转换速率快，响应时间短；同时，在***效率上，本发明采用水冷加风冷式复合冷却技术，对主要功率发热部件采用水冷技术，控制板等其它回路采用风冷技术，使得单位体积功率密度最大化，提高了峰值负载能力，从而进一步提高了功率放大器的可靠性。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种数字仿真开关功率放大器，其特征在于，所述开关功率放大器由以下元件组成：高速数字控制接口，数字信号处理和现场可编程门阵列DSP+FPGA控制器，驱动电路，功率模块组件，输出滤波器；其中，
所述高速数字控制接口与采样信号输入设备相连，同时与DSP+FPGA控制器相连，用于实时反馈采样信号；
所述DSP+FPGA控制器与驱动电路相连，用于实现电流电压双闭环控制和自适应控制；
所述驱动电路与功率模块组件相连，用于驱动功率模块组件；
所述功率模块组件与输出滤波器相连，用于提供功率变换；
所述输出滤波器用于输出滤波。
2.根据权利要求1所述的数字仿真开关功率放大器，其特征在于，所述DSP+FPGA控制器通过实时的DSP+FPGA数字计算平台，辨识负载参数，自适应配置控制器参数。
3.根据权利要求1所述的数字仿真开关功率放大器，其特征在于，所述功率模块组件为多H桥级联拓扑IGBT功率组件。
4.根据权利要求1所述的数字仿真开关功率放大器，其特征在于，所述开关功率放大器还包括供电回路，所述供电回路与驱动电路形成最小的驱动环路面积。
5.根据权利要求1所述的数字仿真开关功率放大器，其特征在于，所述开关功率放大器还包括冷却元件，所述冷却元件采用水冷+风冷双重冷却以控制电路温度。
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