（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp大功率开关功率放大器分析与设计.pdf

j 塞逼盘堂亟坐位论塞丛s 墅i ! a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cv i b r a t i o nt e s t s y s t e m ，t h e r e q u i r e m e n to f t h ep o w e ra m p l i f i e rw i t hh i g hp e r f o r m a n c ea n dh i g he f f i c i e n c yi su r g e n t i sp o p u l a r l yu s e db e c a m eo fi t sv i r t u e so fi t sh i 曲e f f i c i e n c y , s m a l lv o l u m ea n dh i 曲 f r e q u e n c yb a n d w i d t h t h es w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e ri sg r a d u a l l yr e p l a c i n gt h el i n e a r a m p l i f i e ra n dh a sb e c o m eah o t s p o to f r e s e a r c hn o w w i t ht h ed 吖e l o p m e n to ft h ed i g i t a ld i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , t m s 3 2 0 c 2 4 x s e r i e so fd s p s ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) p e r f o r mf a s ta n da c c u r a t ec a l c u l a t i o n s ， f l e x i b l ep r o g r a mc a p a b i l i t y , a n da b u n d a n tp e r i p h e r a lf u n c t i o n s t h eh i g hp e r f o r m a n c eo f d s p sa l l o w sr e a l t i m ee x e c u t i o no f c o m p l e xc o n t r o la l g o r i t h m sa n ds i n g l 争c h i ps o l u t i o n f o rs w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e rc o n t r o ls y s t e m b e n e f i t i n gf r o mh i 曲p e r f o r m a n c ea n d l o ws y s t e ml o s s ，a p p l i c a t i o n so ft h et m s 3 2 0 c 2 4 xi nt h ec o n t r o ls y s t e mo fs w i t c h i n g p o w e ra m p l i f i e r se x t e n s i v e l y h o wt od i g i t i z et h ec o n t r o ls y s t e mo fs w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e ri st h ef o c u sp o i n ti n t h es t u d y f i r s t l y , t h et h e s i sr e s e a r c h e st h ep r i n c i p l e , c o n t r o ls t r a t e g ya n dc l a s s i f i c a t i o no ft h e s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e r , a n da n a l y s e ss o m em a i np a r a m e t e r s l a t e r , i tm a k e ss o m e c o m p a r i s o nw i t hf o u rk i n d so fm o d u l a t i o nt e c h n i q u e ，a n df i n a l l y , i ti m p l e m e n t st h e t h r e e - l e v e lp w m s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e rw i t ht h ep w mt e c h n i q u e ，t h ep o w e ro f t h e a m p l i f i e ri s2 k v a , a n dt h e 丘e q u e n e yb a n d w i d t hi s1 0 3 k h z i nt h et h e s i s ，t h ea u t h o rd e s i g n sa n dm a k e st h eh a r d w a r e so ft h es w i t c h i n gp o w e r a m p l i f i e r t h eh a r d w a r e sc o n t a i np o w e ri n v e r t e rr a n kc i r c u i t ，c o n t r o ls y s t e mc i r c u i t b a s e do nd s p , d r i v ea n di s o l a t i o nc i r c u i t , a n dp r o t e c t i v ec i r c u i t t h et h e s i sa l s oa n a l y s e s t h ep o t e n t i a ls a f e t yp r o b l e m sa n dp u tf o r w a r ds o m es o l u t i o n sf o rt h ep r o b l e m s f u r t h e r m o r e , t h et h e s i sa c c o m p l i s h e st h es o f t w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m ，a n d s u c c e s s f u l l yd e b u g si t t h em e t h o d so fd e s i g n i n gh i g h e rp o w e ra m p i l f i e ra r ea l s o d i s c u s s e di nt h et h e s i s i ta n a l y s e st h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d s ，o u t l i n e st h ew a yo f h o wt od e s i g nh i g h e rp o w e rs w i t c h j n gp o w e ra m p l i f i e r , a n dd o e ss o m ee x p e r i m e n t s w i t ht h em e t h o do f s w i t c h e s - p a r a l l e l l i n g a tl a s t , t h eh a r d w a r ea n dt h ec o n t r o ls t r a t e g ya r et e s t e d b ye m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t s as e r i e so f w a v e f o r m so f t h ew h o l es y s t e ma r eg i v e n k e y w o r d s ：v i b r a t i o n t e s ts y s t e m ，s w i t c h i n gp o w e r a m p l i f i e r , d s p , p w m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名：扯 签字日期：年月日 签字日期：年月日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师王毅悉心指导下完成的，王毅教授严谨的治学态 度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来王毅老师对 我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，罗礼全，常广师兄在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向他们表示衷心的谢意。 在课题研究过程中，张晓亮，李勇等同学给予了我热情的帮助，在此向他们 表达我的感激之情。 另外也感谢家人和身边的朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成 我的学业。 引言 1 引言 机械电子等产品在运输、储存和使用过程中会受到多种复杂环境的影响，从 而使产品的可靠性和使用寿命降低。为了更好地保证产品质量，提高市场竞争力， 在产品的生产过程中需要模拟现实的各种复杂环境，对产品做环境实验。目前运 用比较广泛的是综合环境应力可靠性试验。 所谓的综合环境应力可靠性试验，是将环境应力( 温度、湿度、振动) 与电应力 结合，同时施加到产品上，再现产品实际经受的应力作用，验证产品可靠性的水 平，同时暴露出产品在设计、元器件选用、生产工艺等方面存在的薄弱环节，分 析原因、寻找纠正措施的一种有效方法。据统计，振动因素约占环境因素的2 7 ， 可见振动试验在环境试验中的重要性l l 】。 1 1电动振动试验系统概述 电动振动台频率范围宽、承载能力范围大、加速波形好、控制方便、最易于 实现各种复杂的试验波形和谱形，因此广泛应用于航空航天等领域的环境振动试 验中。采用电动振动台的振动试验系统原理图如图1 1 所示： 图1 1 电动振动试验系统框图 f i g 1 1e l e c t r i c v i b r a t i o n t e s t i n gs y s t e m 振动控制仪：用于发出各种控制信号，如方波、正弦波、随机波形等，用来 控制振动量级，即振动速度、加速度和位移的有效值； 功率放大器：高效、不失真地放大来自振动控制仪的控制信号，得到驱动电 动振动台所需的电平，推动电动振动台工作，使安放在振动台上的产品按一定规 律运动： 前置放大器：接收来自振动台上传感器的信号，对接收的信号进行放大和调 理后，一路送至显示与检测模块，另一路作为反馈信号送至振动控制仪； 显示和检测：主要包括示波器、失真度仪，动态分析仪等设备以及显示部分。 9 北京交通大学硕士学位论文 图1 2 电动振动台和开关功放实物图 f i g 1 2e l e c t r i cv i b r a t i o np l a t f o r ma n ds w i t c h p o w e r a m p l i f i e r 1 2电动振动试验系统中功率放大器简介 功率放大器将控制系统发出的信号放大，使放大的信号在合适的振级上驱动 振动台工作。功率放大器是电动振动系统的关键设备，其本身的性能与振动台的 匹配状况直接关系到整个振动试验系统的性能i l 】。 功率放大器发展到现在已历经了三代，从电子管放大器到晶体管线性放大器 再到数字式开关放大器。电子管功率放大器在新生产的设备中已经基本不用。开 关功率放大器是近几年国外开发出来的，它利用了晶体管的开关特性，管耗很小， 效率高达9 0 ，而普通的线性功放的效率只有5 0 左右。正是由于开关功率放大 器本身发热少，它的冷却实现起来容易，输出功率为几十千瓦的功率放大器仅用 很小的轴流风机就可以冷却下来，使设备的结构简单可靠。而同样的线性功率放 大器用水来冷却，结构复杂，体积庞大。开关功率放大器在低功率输出时，失真 度相对较大，需要做好电磁兼容设计，否则会对周边设备造成电磁干扰。三代功 率放大器的性能比较如表1 】所示： 表1 1 三代功率放大器的性能比较 年代1 9 6 0 - 1 9 7 9 1 9 7 0 1 9 8 51 9 8 5 2 0 0 0 使用的元器件电子管晶体管开关式 输出功率 3 6 i 【v a 3 6 k v a3 6 k 溺 消耗热量1 0 0 k v a7 5 k 蛸4 0 k 溺 电能效率 5 0 6 0 9 0 体积比较 l1 陀1 1 0 冷却系统水冷+ 风冷水冷风冷 1 3 开关功放控制系统发展概况 1 0 引言 早期开关功放的控制系统主要采用分立元件构成的模拟电路系统。上世纪8 0 年代以来，随着微电子技术和计算机技术的发展，以集成电路和处理器为基础的 数字控制系统开始应用于开关功放控制系统的硬件实现上；随着d s p 技术的发展， 以d s p 芯片为控制核心的方案逐渐成为开关功放设计的主流。 开关功放控制系统的硬件平台主要有以下几种囝： ( 1 ) 以模拟电路硬连线方式建立的控制系统。 ( 2 ) 以微控制器为核心的控制系统。 ( 3 ) 在通用计算机上用软件实现的控制系统。 ( 4 ) 用f p g a c p l d 等可编程逻辑器件实现的控制系统。 ( 5 ) 以d s p 控制器为核心构成的控制系统。 以上5 种主要的控制系统实现方式中，除第一种外均属于数字控制系统。这些 方法各有优缺点，分别适用于不同的应用场合。 1 模拟控制系统 早期的控制系统一般采用运算放大器等分立元件以硬连线方式构成。这种模 拟控制器可对输入信号进行实时处理，实现系统的高速控制，同时由于采用硬连 线方式可实现无限的采样频率，这种控制器的精度较高且具有较大的带宽。当然 与数字控制器相比它也具有明显的缺点，如无法实现运算量大、性能先进的复杂 控制算法，可靠性差，参数不易修正和升级，元件参数易因老化而改变等。 模拟控制系统因以上缺点使它很难应用于一些功能要求较高的场合。然而作 为控制器最早的一种实现方式，它依然在一些早期的系统中发挥作用。另外，对 于一些功能简单的控制系统，依然可以采用分立元件构成的模拟控制系统。 2 以微控制器为核心的控制系统 以微控制器为核心的控制系统主要包括可编程逻辑控制器、单片机、工控机 等。可编程逻辑控制器只能完成逻辑判断、定时、计数和简单的运算，由于功能 太弱，它一般也只用于较简单的控制系统设计，特别是生产线的动作时序控制。 单片机特别是以m c s 5 1 等为代表的8 位或1 6 位单片机应用范围十分广泛，相对于 模拟控制系统来说，具有电路简单、稳定、可靠，集成度高，可以实现较复杂的 控制算法，灵活性和适应性较高，无零点漂移、控制精度高、可提供人机界面、 实现多机联网控制等优点。当然相对于m c s - 5 1 来讲，目前一些新的单片机具有更 高的工作频率和更好的性能，如c 8 0 5 1 f x x x 系列、a v r 系列等。工控杌的功能十分 强大，它具有极高的速度、强大的运算能力和接口功能、方便的软件环境，但由 于其成本高、体积大，所以一般只用于大型系统。 然而，由于微处理器采用冯一诺依曼总线结构，处理器的速度有限，处理能 力也有限。一般单片机的集成度较低，外设电路较少，难以满足实时信号处理所 北京交通大学硕士学位论文 要求的较高的运算速度，并且难以实现先进的控制算法，如预测控制、模糊控制 等。 3 在通用计算机上用软件实现的控制系统 在通用计算机上，利用高级语言编制相关的控制软件，配合驱动电路板，与 计算机进行信号交换的接口板，就可以构成一个控制系统。这种实现方法利用计 算机强大的运算能力和方便的编程环境，可实现高性能、高精度、复杂的控制算 法，同时，控制软件的修改、升级也很方便。 然而，这种实现方式的一个显著缺点是系统的体积较大，难以应用于工业现 场，而且由于通用计算机本身的限制，难以实现实时性要求高的信号处理算法。 一般来说，这种系统实现方法可用于控制软件的仿真研究或者用作上位机，与下 层的实时系统一起构成两级或多级控制系统。 4 用f p g a c p l d 等可编程逻辑器件实现的控制系统 f p g a c p l d 等可编程逻辑器件实现的控制系统，是指人们利用a l t e r a 、 x i l i n x 等公司提供的产品，使用这些公司提供的系统开发软件或v h d l 等开发语 言，通过软件编程实现某种控制算法，然后将这些算法下载到相应的可编程逻辑 器件中，从而以硬件的方式实现最终的控制系统。 这种控制系统的实现方法集成度高、工作可靠、系统可编程、具有较好的扩 展性和可维护性，系统完全由硬件实现，响应速度快，可实现并行处理。然而， 这种系统实现方法的缺点也是显然的，如尽管可编程逻辑器件可实现任意复杂的 控制算法，但算法越复杂，可编程逻辑器件内部需要的晶体管门数就越多。按照 目前的芯片制造工艺，价格也就越高，考虑到成本因素，可编程逻辑器件一般只 用于实现较简单的控制系统。 5 以d s p 控制器为核心构成的控制系统 d s p g 数字信号处理器，它与微处理器为核心的控制系统实现方法的原理相 似，但是相对于微处理器来讲，它采用了哈佛总线结构、流水线技术和内置的硬 件乘法器，这样就比微处理器具有更高的数据处理能力，而且片上集成了丰富的 接口，便于应用，也提高了系统的稳定性。 目前市场上d s p 的制造厂商很多，如：美国德州仪器( t o 、美国模拟器件公司 ( a d ) v a 及摩托罗拉公( m o t o r o l a ) 等。但目前t i 的t m s 3 2 0 系列的d s p 是市场份额最 大、应用最广的d s p 芯片。 1 4 研究现状 开关功率放大器的概念提出于6 0 年代，早期的开关功率放大器主要应用于电 1 2 引言 机驱动等场合，虽然效率上表现出色，但由于当时电力电子器件的限制，开关功 放输出波形失真严重，应用与研究不多。随着电力电子技术发展，i g b t 和m o s f e t 等新型全控型器件的问世，器件开关频率的提高，开关功率放大器的研究与发展 进入了新阶段。 1 4 1国外研究现状 在国外，基于p w m 脉宽调制技术的集成开关功率放大器早已问世，如美国德 州仪器公司和a p e x 公司就相继推出p w m 型音频功放，a p e x 公司推出的s a 6 0 ，效 率高达9 7 1 3 】。在效率和功率不断提高的同时，开关功放的输出性能也在不断改善， 目前已经研制出具有数字修正功能的开关功放，其总谐波失真只有0 0 0 6 ，性能 超过部分商品化的a b 类功放。对于振动试验系统中的开关功放，英 l d s c l i n g d y n a m i c s y s t e m l t d ) 公司的s p a k 开关功放代表了当时国际上的最高水平，其主要采 用了多个开关功放模块并联技术，最大功率为2 8 0 k v a ，开关频率1 5 0 k h z ，效率达 至i j 9 3 【4 】。早在2 0 0 0 年左右，日本就己经研制成功了1 0 k v a ，最高输出频率为1 0 0 k h z 的开关功率放大器，其整个频宽范围内的t h d 都小于1 0 ，5 k h z 内的t h d 小于 2 t 5 1 。 国外开关功率放大器的研究已经达到了一个很高的水平。目前，开关功率放 大器的研究方向主要有两个：一个是结合开关功率放大器与线性功率放大器的研 究 6 1 1 7 1 ，即用开关功率放大器来承受主功率，用线性功率放大器来做补偿。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、线性好的优 点；另一个研究方向是将单周控制方案应用到开关功率放大器，以提高开关功率 放大器的动态性斛8 】1 9 】。 1 4 2国内研究现状 开关功放在国内出现的时间不长，却得到了迅速的发展。国内以航空第一集 团7 0 2 、苏州东菱振动公司为代表的科研院所和企业，一直致力于开关功放模块的 技术攻关，近几年逐步掌握了数字功放技术，实现开关功放的数字化控制。相继 研制成功5 0 k v a 、7 5 k 、，a 、1 2 0 k v a 、2 4 0 k v a 和目前国内最大数字式开关型功率放 大器，其单个模块功率2 0 k v a ，转换效率高达9 5 ，通过模块组合，功率范围可达 0 4 8 0 k v a ，达到世界先进水平。 国内对开关功率放大器的研究，近几年也发展很快。基于半桥、全桥、多电 北京交通大学硕士学位论文 平等电路的开关功率放大器都被研究过【1 0 1 1 1 】1 1 2 1 1 1 3 l ；另外，在单周控制方面也有涉 及。研究领域主要包括电动振动试验斜1 4 1 、电磁轴承等方面。 现在开关功放设计的趋势和难点是实现开关功率放大器的数字化控制，其中 以d s p 芯片为控制核心的新型开关功率放大器逐渐成为开关功放的主流。 1 5 选题背景与意义 1 从行业上，振动试验对于导弹、卫星、飞机、船舶、汽车、电子等尖端行 业的科研、生产都具有重要意义。随着经济与技术的发展，振动试验系统对振动 台推力的要求越来越高，也就是对开关功放的功率要求越来越高。但一方面，振 动试验台上开关功放的核心技术一直被美、英、日等主要西方国家垄断，成为影 响我国国防等工业发展的一大“瓶颈”；另一方面，目前国内传统开关功放存在电 流纹波大，动态特性受限等缺点，虽然国内新的振动试验设备也已采用开关功率 放大器，但产品主要还是依靠进口。 2 从应用上，开关功放较传统功放效率高、体积小、功率大、升级容易，因 此用开关功放取代模拟功放是大势所趋。 3 从技术上，d s p 技术发展迅速。d s p 芯片灵活的编程和丰富的外设，高速 的数字处理速度，可以满足系统的实时性要求，能够实现复杂的控制算法，如 k a l m a n 滤波、模糊控制、神经元控制掣1 5 】【1 6 】【1 7 】【1 3 】【1 9 j 。d s p 的引入，能方便地通过 改变控制方法实现开关功放性能的提高。 综上所述，对开关功放的研究和技术的攻关，能够在节省能源、促进军工、 民用工业的发展等方面作出贡献。 1 6 论文工作与内容安排 由于本课题是导师的新课题，整个系统的制作始于0 6 年9 月，从基于d s p 的控 制板做起，经历了理论研究、仿真实验、硬件制作、联机调试等阶段。在整个设 计和制作过程中，作者在导师的悉心指导下，完成以下工作： 深入研究了开关功放的原理、结构、分类、控制策略，总结和比较了开关功 关的性能和主要参数，根据电动振动试验系统对开关功放的要求，以电感电流瞬 时值控制技术为基础，提出了三电平p w m 开关功放的实现方案，并通过仿真进行 了原理性验证；制作了开关功放硬件，包括基于d s p 的控制器，开关器件的驱动板 以及功率转换电路；针对难以得出开关功放精确数学模型的情况，引入了模糊自 适应p i d 控制方法，并以此为基础编写了脉宽调制的控制程序；最后进行了联机调 1 4 引言 试和一系列试验。制作出了一台功率为2 k v a 、带宽为1 0 - 3 k h z 的开关功放。 论文内容安排： 第一章：简要介绍了电动振动试验系统的原理、开关功放的发展、开关功放 在国内外的研究现状、控制系统的发展概况以及选题的意义与背景。 第二章：简要介绍了开关功放的原理、结构、控制策略和分类；根据振动试 验系统对开关功放的要求，详细分析了开关功放的效率、电流响应速度、开关频 率等性能参数，其中对两电平和三电平开关功放部分性能参数作了比较；提出了 以电感电流瞬时值控制技术为基础的三电平脉宽调制开关功放的系统设计方案； 分析了设计中可能会出现的安全问题，并给出了部分改进措施。 第三章：介绍了功率转换级的硬件设计与实现，包括直流电源电路、单相全 桥逆变器及其驱动、隔离电路和保护电路的设计与实现。 第四章：详细介绍了基于d s p 的控制器的硬件设计与实现。给出了d s p 外围电 路、电流反馈信号的检测与调理电路、保护等电路的原理图。 第五章：介绍了系统软件的设计思想与方法，模糊自适应p i d 算法，i i r 数字 滤波器算法，给出各模块的流程图。 第六章：给出并分析了系统的仿真模型与结果，得到了一些实验波形，以及 总结了调试中应注意的问题，分析了误差产生的原因，并对后续研究作了展望。 北京交通大学硕士学位论文 2 开关功率放大器的研究 开关功放具有效率高、功率大、体积小等优点，在电动振动试验系统中得到 了广泛的关注和应用。近二十年来，随着d s p 技术的发展，各国学者对开关功放 的数字化进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。本章详细总结了开关功放的原 理、控制策略、影响性能的主要参数等，并对各种控制方法和参数进行了分析、 比较。 2 1 开关功放的原理与结构 开关功率放大器的基本要求是高效、不失真地放大控制信号，其基本原理如 图2 1 所示： 信 图2 1 开关功率放大器原理框图 f i g 2 1b l o c k a n d p r i n c i p l e g r a p h o f s w i t c h i n g a m p l i f i e r 输入模拟控制信号与三角载波进行调制后，产生脉宽调制信号，并作为控制 信号来驱动逆变器的开关管；逆变器的输出经过低通滤波器滤除高次谐波后，得 到一个跟随控制信号变化，满足负载要求的电流，送至电动振动台。 由图2 1 中可以看出，一般的开关功放主要由直流电源电路、控制器( 脉宽调 制电路) 、逆变器、低通滤波器及各种保护电路组成，各部分功能如下： 1 直流电源电路：将三相或单相交流电转变成直流电，为逆变器提供稳定的 直流电压。 2 控制器：完成控制信号与三角载波的调制，产生p w m 波，是开关功放的核 心部分。如第一章所述。控制器的实现方法有五种，本文采用的是以d s pl f 2 4 0 7 a 为核心的控制器。 3 隔离电路：实现高压部分与控制器低压部分的隔离，图中未标识，但在实 际电路中必不可少。 1 6 一厶口一 载 一动贼亘蝴亿逍 目 后波rj一 大删皿一 竺燃t 圈 撇 型 二轸矿一 蝴黟丽揣 ! 洲瞅 开关功率放大器的研究 4 逆变器：是开关功放的关键部分。其开关管按控制策略开通与关断，把直 流电源电压变换成高频交流电压。 5 低通滤波器：滤除逆变器输出电流的高次谐波，防止高频噪声对负载的干 扰。 2 2 开关功放的分类 无论是振动试验系统中的线性功放还是开关功放，按其输出受控变量类型可 分为电流型和电压型功放。电压型功放容易实现，但存在较大滞后；电流型功放 电路结构复杂，但随着电力电子技术的发展，已经不难实现。在振动试验系统中， 普遍采用的还是电流型功放。本文主要讨论电流型功放。 在控制方法上，采用电流跟踪控制方法【2 0 1 ，即把希望输出的电流波形作为指 令信号，把实际电流波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定换能电路 各功率开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化。具体实现电流追踪控 制的方法有许多，如滞环法、采样一保持法等【2 l 】瞄】。根据脉宽调制信号的电平数f 通 常只有两个或三个电平【2 3 1 1 和逆变器输出电压的等级数，开关功放可分为两电平和 三电平开关功放。 在振动试验系统开关功放的主电路设计方面，目前国内外5 k v a 以上放大器系 统普遍使用全桥逆变拓扑以满足功率要求【硐。本文采用的主电路如下图所示： 图2 2 功率变换器主电路 f i g ，2 2m a i nc i r c u i to f p o w e r t r a n s f o r m e r 2 2 1 两电平开关功放 1 p w m 型开关功放 如图2 2 ，p w m 开关功放的原理：开关管q 1 、q 4 为一组，q 2 、q 3 为一组，两 组开关管轮流导通。q 1 、q 4 导通，q 2 、q 3 关断时，电动振动台动圈中电流增大， 反之则减小。通过改变q 1 、q 4 同时导通时间来改变输出电压的占空比，实现对输 1 7 北京交通大学硕士学位论文 出电流的控制。其工作原理如图2 2 ，动圈两端的电压波形如图2 3 中矩形波所示， 动圈中的电流波形如图2 3 中粗曲线所示。在t l 阶段，场效应晶体管的控制信号占空 比大于5 0 ，在一个周期内，电源对动圈充电的时间大于动圈放电时间，动圈中流 过的电流增加；t 2 阶段，占空比等于5 0 ，电流保持恒定：t 3 阶段，占空比小于5 0 ， 电流减小。 p f p 4 p n 十一f p 1 图2 3p w m 型开关功放波形图 f i g 2 3w a v e f o r m so f p w ms w i t c h i n g a m p l i f i e r 两电平p w m 功放容易实现、实用性强。但有一个明显的缺点是输出电流纹波 较大；另外，由于p w m 功放输出电压占空比大于0 小于1 0 0 ，其电流上升率受 到限制。 2 采样一保持开关功放 采样一保持开关功放原理如图2 4 ，各点波形如图2 5 1 2 0 l 。其基本原理是：当电 动振动台动圈中电流，大于指令信号，+ 时，q 2 、q 3 导通，q l 、q 4 关断，动圈中 电流减小；当动圈中的电流，j 、于，；时，q 2 、q 3 关断，q t 、q 4 导通，使动圈中电 流增加。为了限制开关频率，在比较器和驱动之间接入一个由时钟c l o c k 驱动的采 样一保持器，在每次时钟上升沿采集比较器的输出状态，并将这个状态保持一个 时钟周期，在下一个上升沿继续采样比较器的输出，并根据采集到的比较器输出 状态去驱动开关管。在采样一保持功放中，当需要较大的动态电流时，开关管可 以连续几个周期开通或关断，因此其最大电流增益只与动圈电感和功放电源电压 有关。 a 吐i 口口d 口口日d 口凸凸n 口口口口n a 口口 阻u n n 址m 图2 4 采样保持功放原理框图图2 5 采样一保持功放波 f i g 2 4b l o c k g r a p ho f s a m p l e - h o l d a m p l i f i e rf i g 2 5w a v e f o r m so f s a m p l e - h o l d i n g a m p l i f i e r 采样一保持功放的开关点固定不变，可以采用谐振式开关来实现，这样能够 大大减小开关干扰，但是功率管的开关总是发生在时钟的边沿，不能在任意时问 开关功率放大器的研究 开通，从而可能会漏掉接近最小宽度的脉冲，即对小信号不敏感，导致控制误差 取决于开关频率【2 0 】。 3 滞环比较开关功放 滞环开关功放各点波形见图2 6 所示，电路原理框图见图2 7 所示。滞环开关功 放工作时，比较器将指令信号，与电流反馈的值，进行比较，当，超过电流值 ，一，( a 为滞环宽度) 时，则将开关管q 1 、q 4 导通，q 2 、q 3 关断，电动振动 台动圈两端电压为正，动圈中电流增大；同理，当动圈中电流增大到，+ 曲j 时， 开关管q 1 、q 4 关断，q 2 、q 3 导通，动圈两端电压为负，电流减小。动圈两端电压 如图2 6 中虚线所示【2 0 】。 滞环开关功放结构简单，对小信号敏感，电流响应速度快，但是，滞环开关 功放的开关频率取决于电动振动台动圈的电感值、功放电源电压和滞环的大小， 而且滞环开关功放的输出电流信号中通常有大量的窄电流脉冲存在，会对驱动信 号产生严重干扰，导致输出的电流信号失真【2 0 】。 图2 6 滞环比较功放波形图 f i g 2 6w a v e f o r m so fs t a g n a n tl o o pa m p l i f i e r 4 最小脉宽开关功放【2 1 j 图2 。7 滞环比较功放原理框图 f i g 2 7 b l o c k g r a p h o f s t a g n a n t l o o p a m p l i f i e r 最小脉宽开关功放的基本原理同于滞环开关功放，但最小脉宽开关功放会将 滞环开关功放中宽度小于一个给定值r 的窄脉冲去掉，而对于宽度大于r 的脉冲不作 改变。其原理如图2 8 所示： 图2 8 最小脉宽功放原理框图 f i g 2 8b l o c k g r a p h o f m i n i m a l i t y p u l s e w i d t h a m p l i f i e r 最小脉宽开关功放解决了滞环开关功放输出窄脉冲的问题，它和滞环开关功 1 9 北京交通大学硕士学位论文 放一样，具有开关频率不固定的缺点，造成其开关的瞬态点和开关干扰点不固定， 即任何时候都有可能存在功率管的开或关，要彻底解决干扰几乎不可能。 2 2 2 三电平开关功放 前四种功放，都是两电平开关，输出电流纹波较大，在2 4 1 里会有详细的分 析。针对两电平开关功放的这个缺点，有人提出过种数字式同步三电平p w m 功 放。其输出电压在叻、o 和一u d 之间切换，对应着电动振动台动圈中电流的增加、 续流和减小三种状态。这种三电平开关功放动圈两端电压的变化频率是功率管开 关频率的两倍，输出电压脉宽可以从o 到最大变化，具有纹波小和电容功率损耗小 等优点【2 5 1 。本课题的重点也是研制三电平脉宽调制开关功率放大器，具体请参见 2 5 2 。 2 3 电动振动试验对开关功放的要求 振动试验系统中引入开关功率放大器的目的：解决效率问题，实现大功率和 小型化 2 6 1 。本文选取东菱振动公司的e t - 2 2 3 0 型电动振动台为研究对象，其对开关 功率放大器的基本要求是安全、高效和不失真( 或允许范围内) 地输出所需要的信号 功率，具体要求如下【2 7 1 1 2 8 】【2 9 】： ( 1 ) 转换效率高； 开关功放是振动试验系统的执行环节，能耗最大，提高能量转换效率是功放 设计的主要目标之一。在2 4 3 节中提出了开关功率放大器的效率计算模型，分析 了影响效率的参数。 ( 2 ) 电流响应速度快： 开关功放是负反馈闭环系统，电流响应速度直接影响整个系统的稳定性和可 靠性。 ( 3 ) 谐波畸变率t b ( t h d i 3 ，则减小 该路的调制信号，反之增大。其主要的优点是能够方便的通过增加或减少模块数 来改变开关功放的功率。 3 采用多重化主电路方梨”1 多重化就是用几个单元逆变器，使它们的输出矩形波在相位上移开一定的角 度后进行叠加，以减少谐波，从而获得接近正弦波的阶梯波形。 山东大学的白咸林采用相移正弦波脉宽调制技术制作了i k v a 的开关功率放大 器1 3 3 】【川。相移正弦波脉宽调制技术是将逆交器自然采样s p w m 技术和多重化结构 相结合，在较低的开关频率下，实现等效高频载波的效果。在同一系统多重化的 组合装置中使用共同的调制波，将各个装置中的三角载波相位相互错开一定角度， 利用s p w m 技术中的波形生成方式和二重化技术中的波形叠加结构，产生相移式 s p w m 波形。这样一来，即使每个桥臂的载波频率很低，但整个组合的输出等效 于开关频率很高或者说载波频率很高，不但使s p w m 技术应用于特大功率场合成 为可能，而且在提高装置功率的同时有效地减少了输出谐波。 北京交通大学硕士学位论文 一般而言，采用多重化方案最为合理和有效。与采用多个开关器件串并联方 案相比，采用多重化方案可以满足功率要求，还可以提高等效开关频率；与采用 多台小功率开关功放并联实现的大功率开关功放方案相比，采用多重化方案除了 可以提高功率和等效开关频率外，控制电路也只需一套，经济更为合理。采用多 台小功率开关功放并联实现的大功率开关功放方案目前在工业上运用比较多，主 要由于方法简单，容易实现，无需改变电路结构。 2 5 三电平p w m 开关功放的实现 2 5 1 三电平p w m 开关功放的原理 如图2 1 6 所示，开关功放的指令信号与反馈信号经d s p 采样后，经d s p 内部运 算后，得到4 路占空比可调的脉宽调制信号( 三电平开关功放的脉宽调制信号有 “+ ”、“0 ”、“一”三种状态) ，来控制逆变器四个开关管的导通。对于三电平脉 宽调制开关功放而言，“+ ”、“0 ”、“一”三种状态对应着电动振动台动圈中电流 增大状态、自然续流状态和电流减小状态。 图2 1 6 三电平p w m 开关功放原理框图 f i g 2 1 6b l o c kg r a p ho f t h r e e , - l e v dp w ms w i t c h i n gp o w e r a m p l i f i e r 具体分析如下( 参考方向如图2 1 6 ) ： 1 电流增加状态，当洳为正时，开关管q l 与q 4 同时导通，直流电源给电动 振动台动圈充电，动圈中电流快速增加；当洳为负时，开关管q 2 和q 3 导通，动圈 通过二极管d 1 和d 4 向电源回馈能量，动圈中电流的绝对值快速减小。忽略功率开 关管的导通压降或二极管的正向导通压降，电动振动台动圈两端电流处于增加状 态，幽f u a 。 开关功率放大器的研究 2 自然续流状态：当q 1 导通，q 4 关断，此时动圈中的电流为正向流动，并 通过q l ，d 3 形成自然续流回路；当q 1 关断，q 4 导通，此时动圈中的电流仍为正向 流动，并通过q 4 ，d 2 形成自然续流回路；当q 2 关断，q 3 导通，此时动圈电流为反 向流动，并通过q 3 ，d 1 形成自然续流回路；当q 3 关断，q 2 导通时，动圈中电流仍 为反向流动，并通过q 2 ，d 4 形成续流回路。在动圈电流处于自然续流状态时，电 源与动圈之间不存在能量交换，动圈电流几乎保持不变，忽略开关管导通压降和 二极管正向导通压降，在动圈电流处于自然续流状态时，u a b * 0 。 3 电流减小状态：动圈中电流正向流动，当0 1 与q 4 关断时，动圈通过d 2 与 d 3 反馈能量，动圈中电流值快速减小；当q 2 与q 3 导通，电源向动圈反向充电，此 时动圈中的电流处于反向流动且电流绝对值快速增加。忽略开关管导通压降和二 极管正向导通压降，在动圈电流处于减小状态时，i 一b * 一叽。 由以上分析能看出，“+ ”、“0 ”、“一”三种状态也正好对应着输出电压的u a b 的矾，0 ，一确三种状态，所以称作为三电平开关功放。 2 5 2 兰电平p w m 开关功放的系统设计 本课题设计的三电平p w m 开关功率放大器，主要由基于d s p 的控制器、功率 转换级电路以及其他功能模块组成，再配合过压、过流等保护电路、通信电路实 现。总体设计框图如图2 1 7 所示： 雨 川上1 路 l 及外d 围s p 电路一嚣i 誓蓍卜一 jl l l ( t ) ii 圈 ；- _ - _ - 一1 一 控制器 图2 1 7 开关功放系统结构框图 f i g 2 1 7b l o c kg r a p ho f s w i t c h i n gp o w e r a m p l i f i e rs y s t e m 功率转换级是开关功放的高压强流部分，主要由直流电源电路、全桥逆变器、 低通滤波器和各种保护电路组成；实现的功能是将直流电源电压变换为交流电。 北京交通大学硕士学位论文 第三章将具体讲述。 控制器是以d s p l f 2 4 0 7 a 为核心，辅以其外围电路组成。外围电路包括电源 模块电路、r a m 与d s p 的接口电路等；主要功能是完成信号的采集、数据处理、 产生p w m 波和通信功能；这部分的硬件和软件设计与实现将分别在第四章和第五 章详述。在本开关功放的系统设计过程中，将充分考虑d s p 芯片内部资源的应用。 其他功能模块包括驱动电路、隔离电路、检测和调理电路；主要功能是放大 控制器产生的p w m 波，作为逆变器开关器件的驱动信号；保证控制系统和功率转 换级电路良好的电气隔离；检测、调理输出电流信号。 2 6 安全问题分析 由于开关功放工作在高压强流的环境中，在设计过程中必须考虑到可能出现 的安全问题，采取必要的改进和保护措施，以保证系统正常工作。本节将着重分 析开关功放可能出现的安全问题，给出部分改进措施，后面章节还会给出更多解 决方法。 2 6 1 浪涌问题 开关器件( 本课题中选用m o s f e t ) 存在着寄生电感( 印) 与寄生电容( c p ) 如图2 1 8 所示： 图2 1 8 开关管的寄生电感和电容 f i g 2 1 8p a r a s i t i ci n d u c t a n c ea n dc a p a c i t o ro f s w i t c h e r 由于振动台是感性负载，加上寄生电感的存在，当开关器件通断时，漏极电 流变化率( d i d t ) 很大，会产生甚至超过母线电压的瞬时高压，严重威胁器件安 全。另一方面，开关器件栅源极的阻抗非常大，由于分布电感、分布电容以及寄 生电容、寄生电感的耦合作用，主电路的浪涌电压、浪涌电流会耦合到控制电路 逻辑元件和其它系统的输入端，造成误导通，甚至造成开关管的永久性