（电力电子与电力传动专业论文）分布式功率变换器的控制结构设计及其同步、容错性能研究.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 进行了详细的分析，从理论计算和仿真结果以及实验结果中进行横向和纵向的对 比，得出在误差影响下系统输出相电压各谐波成分分布的一般规律，并总结了三 种误差对输出相电压影响程度大小的重要结论，其中，载波同步误差对输出相电 压的影响要比相同的调制波同步误差和采样同步误差对输出相电压的影响显著 得多。 以s v p w m 调制的三相全桥逆变器为例，分析了同步误差对系统输出特性的 影响。通过双傅立叶分析计算和m a t l a b 仿真，本文对采用s v p w m 调制的分布 式控制的变换器在存在同步误差情况下的谐波能量转移特性进行了详细而系统 的分析和验证。同步误差将导致输出线电压中额外的低次基波边带谐波、载波边 带谐波以及奇数倍数次载波谐波成分的出现。同样，所得同步误差对谐波分布规 律影响的相关结论对于基于基本单元构建的采用分布式控制s v p w m 调制的变 换器系统的同步特性的研究将有一定的指导意义。 最后，本文以具有冗余开关状态的由基本单元构成的多电平变换器拓扑为研 究对象，讨论了当开关管器件发生故障时容错技术的实现。我们所采取的系统重 构策略是以联动处理互, i - x 作的开关管对为基础，按照故障分类情况，对故障开 关管对进行联动处理，从而使系统不受故障开关管对的影响，仍然能实现正常的 平衡的线电压输出。而且，在重构后的电路运行状态下，硬件电路和器件的电压 应力都没有改变。本文中以p d p w m 和p s p w m 调制方法为例，讨论故障下的 重构方法。但是这种重构思想可以很容易推广到其他载波调制方法上去，当然也 为其他容错技术的实现提供了新的思路。该种方法非常简单易实现，只需修改软 件，无需再增加任何硬件结构，这种“无负担”属性也会使其受到业界青睐，在 多电平变换器应用领域将获得良好的应用。 论文各章节中都包含了大量的仿真和实验验证，用以证明了理论分析的正确 性和可靠性。 本文工作得到了国家自然科学基金( 5 0 7 7 7 0 5 5 ) 的资助。 关键词：分布式控制，电力电子基本单元，同步特性，容错技术 浙江大学博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e re l e c t r o n i c ss y s t e mi n t e g r a t i o n ，s t a n d a r d i z a t i o na n dm o d u l a t i o na r et h e m o s ts i g n i f i c a n ti s s u e sf o rp o w e re l e c t r o n i c sd e v e l o p m e n t si nt h i sc e n t u r y t h er e l a t e d t e c h n o l o g i e so fd i s t r i b u t e dp o w e rc o n v e r t e r so rp o w e rs y s t e m s ，w h i c ha r eb u i l tw i t h p o w e re l e c t r o n i c sm o d u l e sb ys o m ei n t e r c o n n e c t i o nm e t h o d ，a r et h ei m p o r t a n t r e s e a r c hf o c u s e s h e n c e ，t h ed i s t r i b u t e dc o n v e r t e r sb u i l tw i t hs e v e r a lp o w e r e l e c t r o n i c sb a s i cc e l l sh a v eb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r , a n dn e wc h a r a c t e r i s t i c sa n d p o s s i b l ep r o b l e m so fd i s t r i b u t e dc o n v e r t e r sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l ya n d p a r t i c u l a r l y f i r s t ，t h ed i s t r i b u t e dc o n v e r t e r sb u i l tw i t hs e v e r a lp o w e re l e c t r o n i c sb a s i cc e i l s h a v eb e e ns t u d i e di nt h ep a p e r t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i s t r i b u t e dc o n v e r t e r sa sw e l la s t h eh a r d w a r ed e s i g n sa n dc o n t r o lm e t h o d sa r ep r e s e n t e di nd e t a i l p a r t i c u l a r l y , t h e t o p o l o g ys e l e c t i o no ft h eb a s i cc e l l sp o w e rs t a g e ，t h ef u n c t i o nd e s i g no fd i s t r i b u t e d c o n t r o l ，t h ei n t e r c o n n e c t i o no fb a s i cc e l l s ，t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o ld e s i g na n dt h e d e f i n i t i o no ft h ed a t a t r a n s p o r t a t i o nf o r m a t s a r ei n v e s t i g a t e d s p e c i f i c a l l y t h e d i s t r i b u t e dp o w e rc o n v e r t e r sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gs y s t e mr e l i a b i l i t y , s h o r t e n i n gd e s i g nc y c l et i m ea n dd e c r e a s i n gm a n u f a c t u r i n gc o s t t h ep r o p o s e d c o n t r o ld e s i g nm e t h o d sf o rd i s t r i b u t e dp o w e rc o n v e r t e r sa r ev a l u a b l ef o rt h ef u r t h e r r e s e a r c h f u r t h e r m o r e ，t h ef p g a b a s e dm i x e d - s i g n a lc o n t r o l l e rw i t ha s y n c h r o n o u so v e r s a m p l i n gf o rs w i t c hm o d ec o n v e r t e r si si n v e s t i g a t e di nt h ep a p e r t h ep r o p o s e d c o n t r o la r c h i t e c t u r ec o n t a i n saf p g a ，ad a ca n dac o m p a r a t o r , w h e r et h ef p g ai sa c o n t r o lp r o c e s s o rt h a ti m p l e m e n t sd p w mg e n e r a t i o na n dap i dc o n t r o la l g o r i t h m t h ed a ci nc o n j u n c t i o nw i t ht h ec o m p a r a t o ro p e r a t e si nt w oo p e r a t i o n a lm o d e s ：o n e i sac o n v e r s i o nm o d ep e r f o r m i n gs u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o na dc o n v e r s i o n ，a n dt h e o t h e ri sam o d u l a t i o nm o d ep r o v i d i n ga ni n s t a n tp u l s e w i d t hm o d u l a t o ri nt h ea n a l o g d o m a i n t h ef a s tr e s p o n s eo ft h i sm i x e d - s i g n a lc o n t r o la r c h i t e c t u r em a k e si t s e l fc l o s e i nd y n a m i cb e h a v i o u rt oi t sa n a l o gc o u n t e r p a r t f u r t h e r m o r e ，t h ep r o p o s e ds o l u t i o ni s a l s oe f f e c t i v e ，s i n c ea l lc o m p o n e n t su s e da r ev i a b l ef o rp o w e re l e c t r o n i c si n t e g r a t i o n i i i 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t i t sf e a t u r e sa n dp e r f o r m a n c ea r es u f f i c i e n tt op r o m o t ei t s e l ff o ri m p l e m e n t a t i o ni n m a n yi n d u s t r i a ld i g i t a lc o n t r o ls y s t e m s b e s i d e s ，s y n c h r o n i z a t i o ne f f e c t sa n dp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o no ft h ed i s t r i b u t e d i n v e r t e r sb u i l tw i t hs e v e r a lp o w e re l e c t r o n i cb a s i cc e l l sc o n t r o l l e dw i t hd i f f e r e n t p w m s t r a t e g i e s ，a r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h ep a p e ra n a l y z e st h es y n c h r o n i z a t i o n p e r f o r m a n c ew h e nt h r e ek i n d so fs y n c h r o n i z a t i o ne r r o r ( i e ，c a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n e r r o r ，r e f e r e n c es y n c h r o n i z a t i o ne r r o r , a n ds a m p l i n gs y n c h r o n i z a t i o ne r r o oe x i s tb ya t h r e ep h a s ef i v e - l e v e lc a s c a d e di n v e r t e rb u i l tw i t hb a s i cc e l l s a l ls y n c h r o n i z a t i o n e r r o r sw i l ll e a dt oa d d i t i o n a ll o wo r d e rc a r r i e rs i d e b a n dh a r m o n i c si nt h ep h a s el e g o u t p u tv o l t a g e ，a n dt h et h do ft h ep h a s el e go u t p u tv o l t a g ei n c r e a s e sa st h e s y n c h r o n i z a t i o ne r r o ri n c r e a s e s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei m p a c to f t h et h r e ek i n d so f s y n c h r o n i z a t i o ne r r o r so nt h ew h o l es y s t e mp e r f o r m a n c es y s t e m a t i c a l l y , a sw e l la s d e t a i l e d s y n c h r o n i z a t i o ni m p l e m e n t a t i o n m e a n w h i l e ，t h e h a r m o n i ce n e r g y d i s t r i b u t i o nr u l e so ft h eo u t p u tv o l t a g ew i t ht h es y n c h r o n i z a t i o ne r r o ra r ed e r i v e d f r o mt h ec o m p a r i s o n so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，a s w e l la st h ec o n c l u s i o n so nt h ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o nw i t ht h et h r e ek i n d so fe r r o r s i ti sn o t i c e a b l et h a tt h ec a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o ne r r o ra f f e c t st h eo u t p u tv o l t a g e p e r f o r m a n c em o r es i g n i f i c a n t l yt h a nt h er e f e r e n c es y n c h r o n i z a t i o n e r r o ra n dt h e s a m p l i n ge r r o l f u r t h e r , t h ep a p e rp r e s e n t st h ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o no fad i s t r i b u t e di n v e r t e r b u i l tw i t hs e v e r a lb a s i cc e l i su s i n gas v p w ms t r a t e g y t h et r a n s f e ro ft h et o t a l h a r m o n i ce n e r g yo ft h el i n e - t o - - l i n eo u t p u tv o l t a g ew a se x p l i c i t l ya n a l y z e du s i n g f o u r i e ra n a l y s i sa n dm a t l a bs i m u l a t i o n ，w h e nas y n c h r o n i z a t i o ne r r o ro rs t a r t u pd e l a y e x i s t sb e t w e e nt w ob a s i cc e l l s t h es y n c h r o n i z a t i o ne r r o rl e a d st ob a s e b a n dl o wo r d e r h a r o m i n c s ，a d d i t i o n a lc a r r i e rs i d e b a n dh a r m o n i c sa n do d dm u l t i p l e so fc a r r i e r h a r m i n c si nt h el i n e t o - l i n eo u t p u tv o l t a g e t h ed e r i v e dc o n c l u s i o n so nt h eh a r m o n i c s d i s t r i b u t i o nr u l e sw i t ht h es y n c h r o n i z a t i o ne r r o ra r ev a l u a b l ef o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s o fs v p w mi n v e r t e r sb u i l tw i t hb a s i cm o d u l e su s i n gad i s t r i b u t e dc o n t r o ls c h e m e f i n a l l y , t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ef a u l t t o l e r a n c ep o t e n t i a lo fm u l t i l e v e li n v e r t e r s w i t hr e d u n d a n ts w i t c h i n gs t a t e sb u i l tw i t hb a s i cc e l l s t h eg a t es i g n a l sc a nb e i v 浙江大学博士学位论文a b s t r a e t r e c o n f i g u r e da c c o r d i n gt ot h ef a i l u r em o d e sw h e ns o m eo ft h ep o w e rd e v i c e sf a i l b a l a n c e dl i n e - t o l i n ev o l t a g ew i l lb ea c h i e v e dw i t ht h ep r o p o s e dm e t h o dw h e nd e v i c e f a i l u r eo c c u r s f u r t h e r m o r e ，t h ec i r c u i ts t r u c t u r e sc a nb et h es a m ea st h eg e n e r a lo n e s a n dt h ev o l t a g es t r e s so ft h ed e v i c e sd o e sn o ti n c r e a s e t h es o l u t i o n sf o rp d p w ma n d p s p w ms t r a t e g ya r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e rb u tt h ec o n c e p tc a nb ee x t e n d e dt oo t h e r c a r r i e r - b a s e dp w m s t r a t e g i e se a s i l y a n da l s ot h ec o n c e p tp r o v i d e san e wi d e af o rt h e f a u l tt o l e r a n tt e c h n o l o g y t h ep r o p o s e dm e t h o dc a ne a s i l yb ei m p l e m e n t e ds i n c et h e r e c o n f i g u r a t i o no ft h ep w ms t r a t e g yc a nb ei m p l e m e n t e di ns o f t w a r e ，w i t h o u te x t r a h a r d w a r er e q u i r e m e n t s i t sp e r f e c tc h a r a c t e r i s t i c se n a b l ei t s e l ft ob ew i d e l yu s e di nt h e m u l t i l e v e lc o n v e r t e ra p p l i c a t i o n s t h ev a l i d i t ya n da c c u r a c yo ft h et h e o r e t i c a l a n a l y s i si sp r o v e nb ym a n y s i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t si ne a c hc h a p t e r t h ew o r ki ss p o n s o r e db yt h en a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 7 7 7 0 5 5 ) k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dc o n t r o l ，p o w e re l e c t r o n i c sb a s i cc e l l s ，s y n c h r o n i z a t i o n c h a r a c t e r i s t i c ，f a u l tt o l e r a n tt e c h o n o l o g y v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿盘堂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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘茔可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 引言 电力电子学科是横跨电力、电子、控制等学科的迅速发展的交叉学科。作 为2 1 世纪应用最广泛的技术之一，必然对工业自动化、交通运输、城市供电、 节能和环境污染控制等方面产生巨大的推动作用。但是，2 1 世纪的电力电子学 发展也无疑面临着一些急需解决的问题。众所周知，如今的功率变换装置其结 构和控制非常复杂，应用功能多样化， 系统性能，又使系统具有高度可靠性， 这是一个极其重要且迫切的问题。 对于这样的复杂系统如何既实现优异的 同时又满足大规模自动化生产的要求， 现今绝大多数的功率变换装置是按照用户的不同需求和用途进行特殊设 计的，它遵循着个体化的设计理念，不仅设计和制造是建立在分立元件的基础 之上，有些时候还要根据实际要求采用大量的非标准化器件或部件。因此，研 制周期长、使用不灵活、甚至需要投入大量生产设备和手工劳动的生产研发模 式，成为竞争机制下迫切追求降低成本和提高产品可靠性的最大阻碍。 回首电力电子技术的发展史，不难发现每一次大规模的电力电子技术的革 新都伴随着新型电力电子器件的出现【1 4 】。可是在电力电子技术发展已逐步趋向 成熟的今天，若要使系统性能、可靠性和成本都得到很大改善，使电力电子技 术的应用范围进一步扩大，单纯依靠电力电子器件的发展是不现实的。与自动 化领域的大系统集成和机械制造领域的c i m s 系统集成一样，电力电子集成技 术是解决电力电子技术发展面临的障碍、进一步拓展电力电子技术应用领域的 最富希望的出路。 国内外电力电子学界普遍认为，电力电子系统集成、标准化和模块化技术 将是本世纪电力电子技术发展的必由之路【5 ，6 1 。我们知道，随着超大规模集成 电路( v l s i ) 技术的飞速进步，模拟和数字电路、微处理器的标准化程度大大提 高，其容量和性能得到不同程度的扩展和改善，这不仅提高了它们实现大规模 生产的适应性，更降低了制造成本，从而导致了今天计算机、通信和电子技术 的日新月异的发展。可以说，v l s i 的进步和发展给电子技术、计算机、信息、 工业自动化领域带来了一场革命性的变革。我们也自然希望电力电子系统集成 技术能与之相仿地为电力电子技术的进一步发展产生类似的效应和带来预期 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 的收益。正如文献 7 ，8 j o e 所指出的，一个标准的、模块化的、可编程的系统有 利于加速系统级水平的设计和有利于系统性能的精确仿真，可以极大地提高电 力电子产品的标准化、模块化、智能化和生产自动化程度，从而使任何现代工 业生产自动化过程中必不可少的、实现高效、优质的电能交换和供给的一个重 要环节，电力电子系统将真正成为现代工业生产自动化大系统中的一个名副其 实的智能部件。同时，通过系统集成，扩大电力电子技术的应用场合，扩展新 的应用领域，继而能够开发出更为广大的新的市场。 具体而言，集成可以将现有电力电子装置设计过程中所遇到的元器件、电 路、控制、电磁、材料、传热等方面的技术难点问题和主要设计工作解决在集 成模块内部【9 ，1 0 】，使应用系统的设计简化，仅仅选择合适规格的标准化模块进 行拼装即可。这大大降低了装置的设计、制造和维护难度，摘去电力电子象征 极端技术的帽子，使只能掌握在少数电力电子高级设计开发人员手中的电力电 子技术也能成为从事不同行业、具备基本技能的普通工程师能够掌握的工具。 这将极大的推广电力电子技术的应用范围，为其渗透到生产和生活中的各个方 面，提供前所未有的技术上的支持。 1 2 集成化电力电子模块的研究 1 2 1 集成化电力电子模块国内外研究现状 1 9 9 7 年前后，美国政府、海军军方及电力电子技术领域的一些著名学者共 同提出了电力电子积木( p o w e re l e c t r o n i cb u i l d i n gb l o c k ，p e b b ) 9 ，1 1 m 1 的概念， 并主张在战船和飞机上使用标准化的电力电子单元，一台电力电子装置由若干 这样的基本单元组装而成，这种标准化和模块化的设计，即方便监测又方便维 护。1 9 9 8 年美国电力电子系统中心( c p e s ) 对电力电子集成技术的思想进一步明 确，并提出核心任务为研究和开发集成化电力电子模块( i n t e r g r a t e dp o w e r e l e c t r o n i cm o d u l e ，i p e m ) ，用以构成各种不同的应用系统【5 ，1 0 , 14 1 。这种集成化 的电力电子模块通过高密度混合集成技术和多层互连，将电力电子系统中主电 路，传感，驱动、保护控制、通信接口等全部电路和元件都集成在一起，具 有非常高的通用性和标准性。 国内学术界对于集成化电力电子基本单元的研究也非常地重视。2 0 0 3 年， 中国国家自然科学基金批准了“电力电子系统集成基础理论与若干关键技术的 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 研究”的重点项目，由浙江大学、西安交通大学和西安电力电子技术研究所共 同承担，系统研究电力电子集成的相关理论和技术，以最终建立完整的电力电 子系统集成理论和设计规则。其主要的研究内容包括标准模块电路的筛选和优 化、集成化数字控制平台的设计、功率集成系统芯片的工艺设计等等【5 ，1 5 2 0 】。 如图1 1 所示为概念化的i p e m 的结构示意图【8 】，它采用三维结构，拥有 很高的功率密度和优良的电气性能，不仅具有智能化的控制及检测功能，还含 有开关器件等有源元件及磁元件等无源元件。然而就目前的技术水平来说，要 实现这样一个完全集成的电力电子模块是比较困难的，因此关于集成化电力电 子模块的研究又分为很多方向。按照集成元件种类来分，包括有源i p e m 主要 实现功率器件、驱动电路、控制器件和传感器等部件的集成【1 9 , 2 1 - 2 3 ；无源i p e m 主要实现磁元件、电容器等无源元件的集成【2 4 1 。按照封装形式来分，包括单片 集成( p o w e rs y s t e mo nc h i p ) 和混合集成( p o w e rs y s t e mo np a c k a g e ) 。 通信 输出 图1 1 典型的集成化电力电子模块示意图 1 2 2 有源集成的电力电子模块单元 电力电子模块作为集成的、智能化的、具有特定功能的、标准的电能处理 单位【l5 1 ，首先要具有通用的电路和结构。但是由于电力电子功率变换范围跨度 很大，从几瓦到兆瓦级的功率范畴内，不可能找到完全相同的电路形式作为模 块单元标准化结构的代表，因此从实际角度出发，应该考虑针对不同的功率等 级以及应用要求选择尽量具有通用性的拓扑形式作为标准化模块单元的电路 结构。其次，电力电子模块的智能化就要求模块要有一定的通信接口，方便上 层控制器或计算机通过通信的方式访问和管理模块统一工作，也利于多个模块 方便的构建更大的系统网络。近些年来大量文献报道了有源集成的电力电子模 块所涉及的相关技术 1 6 , 2 2 , 2 3 , 2 5 - 3 ( ”。我们可以大致归纳为以下几个方面。 浙江大学博士学位论文第i 章绪论 1 2 2 1 主电路拓扑的选取 不考虑无源元件，文献 1 8 】总结了几种基本的桥臂结构模型，如图1 2 所 示。用这些基本的桥臂结构，通过串联和并联方式，能够组成很多不同类型的 拓扑形式。其中，以图1 - 2 ( d ) 所示的半桥结构和图1 - 2 ( e ) 所示的全桥结构最为 通用。目前的电力电子基本模块也以这两种拓4 1 、结构为最多。尤其是半桥型结 构( 如图1 3 所示) ，不仅电路结构通用性强，上下串联的两开关管还处于互补 的工作状态，方便进行驱动和控制设计。图1 4 给出了采用半桥结构构成的不 同应用背景下各种电能变换形式的常用的电路拓扑【3 1 1 。如图所示，依次为单相 全桥逆变器，用于电机驱动的三相电压型逆变器，三相p f cb o o s t 整流电路， 三相逆变器并联电路以及三电平二极管箝位变换器。由于半桥结构较强的普适 性，在电力电子基本模块单元的结构中被广泛采用。 4 t o )( c )( 国( e ) 图1 2 几种基本的桥臂结构形式 ( a ) 半桥结构( b ) 半桥形式示意图 图1 - 3 半桥电路结构及示意图 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 图1 4 采用半桥结构组成的常用电路拓扑 1 2 2 2 模拟控制电路的集成 按照电力电子模块的定义，智能化的电力电子模块需要有能够实现一定控 制功能的结构存在。一般包括通信接口，p w m 驱动信号的产生、电流、电压 或温度信号的检测等等1 3 。大多数文献采用的方法是在电力电子模块内部采用 硬件管理器( h a r d w a r em a n a g e r ) 来实现这些必要的控制功能【8 ，9 ，1 1 ，2 2 ，2 5 ，3 1 1 。如图 1 5 所示，文献 3 1 】给出了基于单相桥臂结构的电力电子基本模块的内部功能示 意图。最左侧方框就代表硬件管理器，用来实现p w m 生成、故障诊断、通信 控制、检测等控制功能。 从分立元件的角度来看，这些相对简单的控制功能采用模拟控制电路和数 字控制电路都能实现。从集成的角度来看，采用模拟控制电路的方式难度较低， 更加容易实现。目前大部分厂商生产和设计的i p e m 都是采用模拟控制电路和 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 功率器件混合集成的方式，虽然这种方法能有效地降低成本，减小体积并提高 效率和可靠性，但是也存在着明显的不足之处：( 1 ) 模块的控制功能固定不变， 无法扩展和更改；( 2 ) 不具备自我管理能力，只能单方面响应上层控制器的通信 指令；( 3 ) 电源接1 2 1 、通信接口、时钟信号、读写信号等等接口繁多，不利于多 个模块组网后的信号隔离和传输。( 4 ) 当多个模块构成的应用网络中的模块数量 有增加或减少时，都需要重新进行网络连接并修改上层控制器的指令功能。整 个网络的耦合性太强，不利于灵活控制。为了改善这些问题，有些学者提出了 采用数字控制器和功率器件混合集成的方式【9 ，2 1 ，2 9 ，3 2 ，3 3 1 。 通信连接& 供给电源 图1 5 基于单相桥臂结构的电力电子模块功能示意刚3 1 】 1 2 2 3 嵌入式数字控制器的集成 采用数字控制器和功率器件的混合集成，会使电力电子模块更具灵活性。 文献【3 1 】给出了采用数字芯片f p g a 实现硬件管理器功能的结构框图，如图1 - 6 所示。整个电力电子基本模块通过f p g a 的光纤接口与外界连接，各模块之间 没有共享的数据线，保持相对独立运行。文献 2 1 1 也给出了采用嵌入式数字控 制器实现电力电子基本模块控制功能的整体结构图，如图1 7 所示。 6 浙江太学博l 位镕女第l 绪论 图1 _ 6 采用f p g a 实现的硬件管理器结构框图 图1 - 7 采用嵌入式数字控制墨的电力电子模块结构图 与集成模拟控制电路的方法相比，采用功率器件与数字控制器混合集成的 方式，具有以下优点：( 1 ) 模块的控制功能呆用内部数字控制器实现，具有可更 改、可移植的特性，大大提高模块的重复利用率，节约开发成本；( 2 ) 由于内部 数字控制器的存在，使得模块本身具有自治的功能，更加方便上层控制器的后 台管理，大大降低7 各层控制器之问的耦合性，( 3 ) 减少了大l - 操作信号接口和 * 江 博学位* z 第1 镕论 时钟信号接口，更多功能都能够在电力电子模块内部自我实现，与上层控制器 只需要通过通信的方式交换数据即可，不再需要上层控制器的直接的读写操作 指令等等：“1 有了局部数字控制器，信息交换不再是单方面的，上层控制器和 局部控制器之闽能够进行双向的数据流动，这为多个模块组网之后采用更加先 进和复杂的控制结构的设计奠定7 良好的基础其丰富的软硬件资源也为某些 系统监测方法和复杂功能的实施提供了可行的平台，为提高系统的可靠性和完 善系统功能创遣了必要的条件。 随着近些年功率集成技术的发展，呆用三维集成封装技术可毗实现不同工 艺如c m o s ，s i g e 、g a a s 和m e m s 等芯片的集成，形成多层重叠结构的系统 级封装。也因此这种嵌入式数字控制嚣和功率器件理合集成的方式受到越来越 多的关注0 4 - 朔 1 2 3 无琛集成的电力电子模块单元 无辣元件的体积对电裸装置的体积和质量的影响很大因此为了提高电源 整体的功率密度，无耀元件的集成是十分必要的对于电感电容和变压器等 无源元件，需要利用磁集成的技术将各分立元件集成在一起形成无琢集成模块 i s a s 3 9 1 文献【3 吼4 0 等详细的论述了集成平面l - c - t 无源器件的分析和设计方 法。如图1 8 所示为l c t 结构平面集成模型图 蔗酬。l l c l 。te 磁# r 1 囡n 盟r 1 l - ) i 1 1 b 碰芯 次级绕组 初级绕组 和绝缘层 i 磋芯 初级绕组 和绝缘层 次级绕组 e 磁悬 图1 8l - c _ t 磁集成模型( ( a ) 截面图；( b ) 等效磁路圉；( c ) 细节分解囤) 浙江大学博七学位论文第1 章绪论 混合集成的基板材料和薄膜互连工艺都会影响无源器件集成的精度。可以 说无源器件的高精度来自于薄膜互连工艺的光刻技术和受温度影响不大的衬 底材料如硅、玻璃等等 3 4 , 4 1 】。就目前的研究水平来看，还无法实现非常高精度 的无源集成模块，这部分内容还有待更深入的研究和不断的尝试探索。 1 2 4 单片集成模块与混合集成模块 1 2 4 1 单片集成模块 采用半导体集成电路的加工方法，将电力电子电路中的微处理器、功率器 件、接口电路、驱动、控制和保护电路等以标准系统芯片的形式，集成在同一 硅片上，构成一个独立的、完整的标准化智能功率系统，也称为集成化电力电 子系统标准芯( p o w e rs y s t e mo nc h i p ) 。目前为止这是一种集成度最高的集成 方式，非常适合大批量自动化生产，可以非常有效地降低制造成本【4 2 1 ，减小系 统体积和重量，但是由于高压、大电流的主电路元件和其他低压、小电流的电 路元件的集成制造工艺差别较大，再加上高压隔离和传热等问题，想采取单片 集成的方法满足各功率范围的所有应用，就目前的技术水平来看，难度很大。 这种单片集成技术目前在小功率范围内应用广泛【4 3 弓1 1 。但随着新型半导体材料 和加工工艺的进步，将来必然会向较大的功率等级发展。 t o p s w i t c h 系列芯片是应用单片集成方式实现集成化功率电源的最典型的 代表。开关电源由于在体积、重量、效率和可靠性等多方面的优势，目前在计 算机、通信、家用电器、雷达、空间技术等众多领域中已完全取代了传统的线 性稳压电源。美国p o w e ri n t e g r a t i o n s 公司在2 0 世纪9 0 年代推出的单片集成化 开关电源t o p s w i t c hi 、i i 、f xg x 系列产品，为新型、高效、低成本开关电 源的推广与普及创造了良好条件，被誉为“顶级开关电源”。尤其是近年新近推 出的t o p s w i t c h 家族的第五代芯片：t o p s w i t c h h x 系列，更是针对原有系列 i c 电源存在的一些不足：纹波电压较大、空载和轻载损耗大、高温工作时输出 功率受限、启动时元件承受较大的尖峰电压和电流以及设计不够灵活等的不足 之处，优化了芯片的内部布局，改进了电路功能。 t o p s w i t c h h x 系列将一个7 0 0v 的功率m o s f e t 、高压开关电流源、p w m 控制器、振荡器、热关断电路、故障保护及其他控制电路集成在一个c m o s 芯片上。该芯片可提供宽范围的保护功能，其中包括：用户可编程锁存或非锁 9 * k 蚺l 论 iq 绪论 存输出过压关断保( o v p ) 、可防止关机时输出脉冲干扰的线电压欠压( u v ) 检 测、可提高对输入浪涌承受力的线电压过压( o v ) 关断、精确的可编程限流，优 化的线电压前馈用于抑制线电压纹波以及改进的自动重启功能，在短路故障情 况下输出功率小于最大功率的3 。 圈1 9 t o p s w i t c h h x 系列芯片内部结构框图 图11 0 具有干刀级拴测过压保护功能的典型t o p s w i t c h h x 反墩式电薄 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 图 1 - 9t o p s w i t c h h x 系列芯片内部结构框图。图 1 1 0 为应用 t o p s w i t c h 。h x 系列芯片设计的具有初级检测过压保护功能的反激式电源的示 意图。应用t o p s w i t c h 芯片设计开关电源能够有效地降低电源系统成本，缩短 设计周期并提高设计灵活性。目前t o p s w i t c h h x 芯片系列在手机充电器、笔 记本电脑适配器、l c d 显示器、打印机、刻录机、音频放大器等等领域已获得 广泛的应用。 1 2 4 2 混合集成模块 将若干块功率器件裸芯片、控制裸芯片、接口、保护电路裸芯片及表面贴 装元器件等，采取封装技术手段封入一个模块内，形成一个相对独立、有一定 功能的模块，也称为集成化电力电子系统标准模块( p o w e rs y s t e mo i lp a c k a g e ) 。 混合集成根据封装技术手段的不同，又可以分为几种不同的形式【5 2 巧4 1 ，包括多 芯片模块( m c m ，m u l t i c h i pm o d u l e ) 和系统级封装( s i p , s y s t