（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp控制的开关功率放大器研究.pdf

浙江人学颂+ 学位论文 a b s t r a c t p o w e ra m p l i f i e ri su s e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha ss o u n da m p l i f i e ra n de l e c t r i c v i b r a t i o ng e n e r a t o r t i l ln o w , m a n y p o w e ra m p l i f i e r sl l s el i n e a rc i r c u i t s l i n e a rp o w e r a m p l i f i e rh a s l o wd i s t o r t i o na n dg o o dl i n e a r i t y , b u ti th a sh i g hl o s sa n ds ol o w e f f i c i e n c i e s i no r d e rt oo v e r c o m et h ed r a w b a c k so fl i n e a r p o w e ra m p l i f i e r , t h e s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e ri sp r e s e n t e da n dg e t sm o r e a n dm o r e a t t e n t i o n s c o n s i d e r i n g i m p r o v i n g t h e o u t p u tw a v e f o r m sa n di n c r e a s i n gt h eo u t p u tf r e q u e n c y , p a p e r i n c l u d e st h e c o n t e n t sa sf o l l o w s i nt h ef i r s t p l a c e , p a p e ra n a l y s e st h ec o n l r o l s c h e m ef o rt h es w i t c h i n gp o w e r a m p l i f i e r b a s e do nt h em u l t i l e v e li n v e r t e ra n di nc o n d i t i o n so fi m p r o v i n gt h eo u t p u t w a v e f o r m sa n di n c r e a s i n gt h eo u t p u tf r e q u e n c y , p a p e rs e l e c t st h et r i a n g u l a rc a r r i e r p h a s es h i f t i n g s p w mt e c h n i q u e ，w h i c hc a l li n c r e a s et h ee f f e c t i v e f r e q u e n c y o f s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e r , a n dt oi m p r o v et h eo u t p u tw a v e f o r m sa n di n c r e a s et h e o u t p u tf r e q u e n c y i nt h es e c o n dp l a c e ，p a p e rr e s e a r c h e st h et o p o l o g ye x t e n d sb a s e do nt r i a n g u l a r c a r r i e r p h a s es h i f t i n g s p w mt e c h n i q u e t r i a n g u l a rc a r r i e rp h a s e s h i f t i n g s p w m t e c h n i q u es t a r t sw j t l lc a s c a d em u l t i l e v e lc i r c u i t i no r d e rt om a k es w i t c h i n gp o w e r a m p l i f i e r h a v em o r e t o p o l o g ys e l e c t i o n s ，p a p e r r e s e a r c h e st h ea p p l i c a t i o n so f t r i a n g u l a r c a r r i e rp h a s es h i f t i n gs p w m t e c h n i q u ei nt h eo t h e rt o p o l o g i e s ，a n ds u m m a r i z e ss o m e r u l e so ft h et o p o l o g ye x t e n d s i na d d i t i o n ，w i t l ls i m u l a t i o na n a l y s e s ，p a p e rg i v e st h e a p p l i c a b l eo u t p u tf r e q u e n c yr a n g e sa n dt h ea p p l i c a b l ef i e l d s ，w h i c hw i l lb e c o m ea r e f e r e n c eo ft h es e l e c t i o n so ft h e s w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e rt o p o l o g i e s b a s eo n t r i a n g u l a r c a r r i e rp h a s es h i f t i n gs p w m t e c h n i q u e f i n a l l y , p a p e rd e s i g n sa2 5 k w , 2 0 k i l zp r o t o t y p ew i t ht h ei n t e r l e a v et o p o l o g yo f m u l t i l e v e li n v e r t e r t h eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o t h v a r ec i r c u i to ft h es w i t c h i n gp o w e r a m p l i f i e ra l er e s p e c t i v e l ya n a l y z e di nt h i sp a p e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h e a v a i l a b i l i t yo f t h es w i t c h i n gp o w e r a m p l i f i e r b a s e do nt r i a n g u l a rc a r r i e rp h a s es h i f t i n g s p w m t e c h n i q u e n 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 l l 功率放大器简介 功率放大器在很多领域都得到了广泛的应用，比如我们最熟悉的音响就是其 中一种；另外，比如用于综合环境应力可靠性试验的电动振动试验台，美国等主 要发达国家已经将综合环境应力可靠性试验列入军标测试系列，作为机械电子设 备必须考核的试验项目i l 】；除此之外，功率放大器在发射系统、伺服电机、声纳探 测、电网谐波抑制等很多地方都得到了应用1 2 1 1 3 4 1 s 1 。 功率放大器根据功率管工作方式不同可分为线性功率放大器和开关功率放大 器。 线性功率放大器按照功率管的信号导通角大小可分为a 、b 、c 三类【6 l 。a 类 功率放大器导通角3 6 0 度，偏置点位于线性放大区的中部，广泛应用于小信号放 大器；b 类功率放大器导通角1 8 0 度，偏置点位于线性放大区的底部，在以推挽电 路作为输出极的电路中常用；如果给b 类功率放大器加上少许偏置，使其工作点 上移，则构成a b 类功率放大器。c 类功率放大器导通角小于1 8 0 度，通常与高q 值的调协回路配合以放大射频信号。线性功率放大器的特点是失真小、响应快， 输入输出信号基本上足线性关系即功率放大器的线性好，但是由于其存在直流导 通损耗，导致效率低，一般在3 0 6 0 之间。 d 类功率放大器即开关功率放大器，其功率管工作于开关状态，因此效率较 高，一般在8 0 以上。 l ，2 线性功率放大器的缺点及开关功率放大器提出的意义 到目前为止，绝大多数功率放大电路仍主要基于线性电路拓扑。线性功率放 大器具有优异的波形放大特性，输出波形畸变率很小。但是线性功率放大器有效 率低、体积大、散热困难、功率容量小、价格昂贵等缺点。 线性功率放大器中，乙类和丙类功率放大器由于失真严重，使用较少。甲类 功率放大器的效率极低，以晶体管放火器为例，即使是在最理想的情况下，甲类 功率放大器的效率也只能达到5 0 。电源送出的能量5 0 以上消耗在晶体管l ， 晶体管的发热很严重，所以甲类功率放大器对功放元件的要求比较苛刻，需要较 大容量的功放元件，价格也较昂贵。因此，除了在一蝗发烧级音响放大电路中， 甲类功率放大器使用的较少。在实际应用中使用最多的是甲乙类和乙类互补对称 功率放大器。晶体管甲乙类互补功率放大器的原理图如图l 一1 所示。 浙江大学颂十学位论文 图1 - 1 甲乙类功翠放大器原理图 甲乙类互补功率放大器或乙类互补功率放大器于甲类功率放大器相比，在输 入k 为零时，互补的两个晶体管中基本上无电流流过，因此静态损耗很小，从而 效率比甲类功率放大器要高一些，最理想情况下川，最大输出功率： p 。z 簪 m - ， 晟大输出时双管损耗： p ，。等簪 m z ， 直流电源供给的功率： p 。a 手簪 m s ， 效率： 刁2 每2 - 5 c t q 上述结论是在假定忽略管子饱和压降和输入信号足够大的条件下得来的，一般 实际效率比这个数值要低得多。 另外，当接入感性或者容性负载时，与接入纯阻性负载相比，线性功率放大器 中晶体管的损耗将会增加，因此功率放大器的效率会更低，而且晶体管的工作条 件也会恶化。 2 浙江大学硕上学位论文 针对线性功率放大器得上述缺点，有人提出了采用开关功率放大器来代替线性 功率放大器，开关功率放大器采用电力电子开关器件，工作在开关状态。其基本 概念就是将欲放大的信号转化为脉宽调制信号，用来驱动开关逆变器，然后将逆 变器得输出波形经过一个低通滤波器，滤除开关次及其倍数次周围的高次谐波， 获得放大的输出信号。其基本原理如图1 2 。 箨全鐾嘉辕譬叠罂挈判童；螽t 譬譬 蓑鬈位曩 倍号两铷辕出墟彤岸州逛餐鼍 博曩曩壤形证疆 曼角重缓互扼辗入 图1 2 开关功率放大器原理图 开关功率放大器与线性功率放大器相比，由于开关器件工作在截止区和饱和 区，元件的损耗很小，只是在开关状态发生变化时经过线性区，有一定开关损耗， 因此开关功率放大器具有较高的效率。另外，开关功率放大器具有负载适应性好、 功率容量大、轻便小巧等优点。这些正是开关功率放大器提出的意义所在。 当然，开关功率放大器也有其自身的缺点。其最大的缺点就是输出波形中含有 较大的谐波分量，与线性功率放大器相比，开关功率放大器输出波形的畸变率较 大，这个也j f 是丌关功率放大器急需解决的问题。 1 3 开关功率放大器国内外发展现状 早在6 0 年代就有人提出了开关功率放大器的概念。早期的开关功率放大器主 要应用于电机驱动等场合。尽管开关功率放大器具有效率商的优点，但是受当叫 电力电子器件开关特性的限制，开关功率放大器的输出波形畸变严熏，因此并未 得到很大的发展。自从8 0 年代以来，随着电力电子技术的日新月异，出现了许多 新型全控型器件，如i g b t 和m o s f e t 等，电力电子器件的开关频率也大大提高， 人们对开关功率放大器又投入了极大的热情。 目前，凶外开关功率放大器的研究已经达到了一个很高的水甲。例如美国德 州仪器公司和a p e x 公司相继推出了p w m 型音频功放用集成电路元件。早在2 0 0 0 年左右，日本就已经有人研制成功了1 0 k w ，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 1 8 】。目 前国外开关功率放大器的研究方向：个是结合开关功率放大器与线性功率放人 1_、 浙江大学硕士学位论文 器的研究 9 1 - l l ”，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；另外，为了提高开关功率放大器的动态性能，将单周控制方案应用到 丌关功率放大器中也是其中的一个研究方向【1 4 1 ”】。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、多电平等电路的开关功率放大器都有被研 究1 2 1 3 1 1 5 】i l 曰f 1 7 l 让8 】，另外，在单周控制方面也有涉及。研究的领域主要包括电动振动 试验台、磁轴承【l 副、电力系统混合仿真器等方面。 1 4 本课题研究的意义及内容 近几年来，国内开关功率放大器发展的步伐也很快，但总得来说，国内目前 研制的开关功率放大器，无论是在输出的频率范围及波形质量，还是在输出功率 及整机效率方面，还远远未达到国外的水平。国内原有的一些实验设备大都采用 线性功率放大器，与开关功率放大器相比效率低、功耗大、可靠性差，而且体积 庞大，设备笨重，使用非常不方便。目前新的设备采用开关功率放大器，但由_ i 丁： 国内开关功率放大器的水平有限，这些产品主要依靠进口。因此，随着国内对开 关功率放大器的需求日益增加，急需国内自己的开关功率放大器产品。 本课题的研究主要着眼于开关功率放大器的输出频率范围，兼顾输出波形质 量，输出功率及整机效率，另外，软件方面建立起一个适用于开关功率放大器的 d s p 控制平台，为以后的研究打下一个坚实的基础。 本课题列入了台达电力电子科教发展基金资助项目。 围绕课题，作者主要做了以下儿方面的工作： n 研究了适用于丌关功率放大器的p w m 控制方案。 2 1 基于以上控制方案，研究了开关功率放大器的拓扑扩展，总结了拓扑扩展 的规律以及各类拓扑所适合的频率范围及应用场合。 3 ) 以二极管钳位型多电平i n t e r l e a v e 电路为拓扑，开发了2 5 k w 、2 0 k h z 的 丌- 关功率放大器硬件平台。 4 ) 在原有双d s p 硬件平台上，开发了2 5 k w 、2 0 k h z 开关功率放大器的双 d s p 软件控制平台，包括p w m 输出实现、中点平衡控制、死区补偿控制 等的软件实现。 4 浙江大学硕士学位论文 第二章开关功率放大器控制方案选定 由于开关功率放大器对输出频率范围及输出波形质量的特殊要求，因此，对于图卜2 所示的开关逆变器部分，无论是对拓扑还是控制方案都有较高的要求。本节将从控制方 面入手，来寻找一种适合于开关功率放大器的p w m 控制方案。为了尽可能的提高输出频 率及输出波形的质量，p w m 控制方案可以从以f 两方面来考虑： 1 ) 提高输出电压波形的电平数 2 ) 提高输出电压波形的等效开关频率 这里需要说明的一点是：对于高频开关功率放大器来说，由于各类多电平电路的涌 现n 。w 2 ”，传统的两电平电路已经逐渐的被输出电压波形质量更好的多电平电路代替”， 因此，本文将首先从多电平电路的p t n , i 控制方案入手。 在过去的2 0 年中，人们提出了大量的多电平变换器p 1 v m 控制方法，主要包括有： 2 1 阶梯波脉宽调制 阶梯波调制就是用阶梯波来逼近正弦波，如图2 - 1 所示。在阶梯波调制中可以通 过选择每一个电平持续时间的长短来实现特定低次谐波的消除和抑制，但消除谐波的个 数有多电平变换器输出电平的个数决定。该方法对功率开关器件的丌关频率没有很高的 要求，可以使用低开关频率的大功率器件，控制简单，易于硬件实现，开关损耗效，转 换效率高，缺点是输h 电压谐波含量较高波形质量差，因此不适合应用于对波形质量要 求很高的开关功率放大器场合。 c o2 - k ， u 图2 - 1 五电平阶梯波输出电压波形 2 2 正弦波脉宽调制( s p w m ) “7 1 诈弦波脉宽调制的基本原理是使用几个i 角载波信号和正弦参考信号比较，产生开 关切换信号。基于载波的正弦波脉宽调制技术是多电平变换器最常用的控制方法之一， 它是两| _ 乜平s p w m 技术在多电平变换器中的南接拓展。由于多电平变换器电路拓扑的复 5 浙江人学硕士学位论文 杂性和多样性，较之与两电平逆变器，多电平逆变器的s p w m 控制方法更加多样化。这 里介绍比较典型的几种： 2 2 1 消谐波p 州法。” 消谐波p w m 法( s u bh a r m o n i c sp w m s h p w m ) 的原理是电路的每相使用一个正弦调 制波与几个三角波进行比较，如图2 - 2 。例如对于一个n 电平的变换器，每相采用n 1 个具有相同频率正和相同峰峰值4 的三角波与一个频率为厶，幅值为以的正弦波相比 较，在正弦波与三角波相交的时刻，如果正弦波的幅值大于某个三角波的幅值，则开通 相应的开关器件，反之，则关断该器件。为了使竹一1 个三角载波所占的区域是连续的， 它们在空间上是紧密相连且整个载波集对称分布于零参考的正负两侧。对于一个n 电平 的变换器，幅值调制比m 口和频率调制比研，定义如下： m 。2 赤 m ，= 寺 娥劂泓潞献黻； ：旷丌、 ， ：1 1 几ijr j ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 图2 - 2s h p w m 原理 2 2 2 开关频率优化p w m 法”“ 由s t e i n k e 提出的开关频率优化p w m 法( s w i t c hf r e q u e n t l yo p t i o n e p w m - - s f o p w m ) 是另一种三角载波p w m 方法，这种方法与s h p w m 法类似。它们的载波要求相同，但前者 的正弦调制波中注入了零序分量，对于一+ 个三相系统，这个零序分量是三相正弦波瞬态 最火值和最小值的平均值，所以s f o p 洲法的调制波是通常的三相币弦波减去零序分量 后所得到的波形，零序分量和三相调制波的计算公式为： 6 浙江大学硕士学位论文 矿。 竺兰兰! ! 。，矿旦v ，) + mi n ( v 。，v 6 ，y 。) 矿。= v 。一v ：。 矿6 = 矿6 一y 。 矿。+ = y 。一矿： 2 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - s ) ( 2 6 ) 上面的算法即可用数字实现又可用模拟电路实现，其中模拟电路的实现可通过一个 三相整流桥电路很容易的完成零序分量的求取。该方法的原理如图2 3 所示。 2 | o 咖 - 2 a e粼一 图2 - 3s f o p w m 碌理 2 2 3 三角载波移相p w m 法。”。” 三角载波移相p w m 法( t r i a n g u l a rc a r r i e rp h a s es h i f t n gp w m p s p w m ) 是一种 产生于级联型多电平变换器( 如图2 4 ) 的p w m 方法。这种控制方法与s h p w m 方法不同， 每个模块的s p w m 信号都是由一个三角载波和一个正弦波比较产生，所有模块的正弦波 都相同，但每个模块的三角载波与它相邻模块的三角载波之间有一个相移，这一相移使 得各模块所产生的s p w i 脉冲在相位上错开，从而使各模块最终迭加输出的s p w m 波的等 效开关频率提高到原来的置。倍，因此可在不提高丌关频率的条件下，大大减小输出谐 波。具体来说，设三角载波的开关频率是正弦波频率的屯倍，则一个三角载波周期所占 的电角度为以= 2 万k ，对于一个n 模块的级联型多电平变换器，相邻三角载波之间的 相移为= 眈n = 2 石n 屯，相应的输出s p w m 波的等效载波频率为b = hk c 。 7 浙江大学硕士学位论文 v 圈2 - 4 级联型多电平电路 b 图2 - 5p s p v m 原理( 四模块) 2 3 空间矢量脉宽调制( s v p 嘲) 多电平$ v p w m 是两电平s v p m j l 的推广。以三相三电平电路为例，它的每一相可输出 丁f ( p ) ，零( o ) ，负( n ) 三种状态，如果将三相的3 种状态进行组合，则三相三电平 逆变器可能输出3 3 = 2 7 种状态，由此可画出三相三电平的六角形空间矢量图，如图2 - 6 所示。 图中带箭头且长度不同的空间电压矢量，同时表示了它的模长和空间位置。箭头处 v 1 雒1 1 - 1 ) 矾6 碴i - l ，v r l o t i 0 1 ) 图2 - 6 三相三电平空间矢量图 8 浙江人学硕士学位论文 括号中的3 个英文字母表示了该矢量所对应的逆变器的开关状态，和两电平空间矢量不 同( 输出8 个电压矢量，6 个非零矢量) ；三电平变换器输出2 7 种不同空间电压矢量， 其中2 4 种为非零矢量( 有6 种空间位置重合) ，3 种零矢量，这2 4 种非零矢量将圆周分 为1 2 个3 0 ”区域( 两电平为6 个6 0 0 区域) ；并且空间电压矢量的模不再是如两电平中固 trk f r 定为直流侧电压v ，丽是有昙，半，y 三种情况，因此，可以认为多电平逆变器空问 zz 矢量法的控制思想与两电平s v p w m 是一致的，即对某一个空间矢量，用该区域相应的电 压矢量适时切换，合成所得。不同点在于前者的电压矢量更“密集”，模大小可选择的 种类更多，合成时“过渡”更自然，所合成磁链更接近圆磁场，因而控制更精确，输出 电压谐波更小。空间电压矢量法时一种较为优越和应用广泛的多电平逆变器p w m 方法， 其优越性表现在：在大范围的调制比内具有很好的性能；无需其它控制方法所需存储的 大量角度数据；母线电压利用率高等。但是，当这一方法应用于5 电平以上场合时，会 存在控制算法过于复杂的问题。 2 4 控制方案的选定 除了以上三种p w m 方法外，多电平变换器的p w m 控制方法还包括有：开关点预制p w m 法，s i g m a d e l t a 调制法等等。在所有多电平变换器p w m 控制方法中，s p w m 方法由于其 输出谐波含量小、控制简单等一系列优点，成为目前最被广泛应用的逆变用p w m 技术。 对于开关功率放大器来说，由于其对输出波形质量及输出频率的特殊要求，需要有高电 平数来逼近输入信号，高等效开关频率来获得高输出频率，因此，s p w m 方法在此是比较 适用的一种p w m 技术。 s p w m 控制方法中，除了上述介绍的三种外，还有很多多电平的s p w m 控制方法l 。 文献【3 1 】提出了p w m 方法控制自由度的思想，例如s p w m 控制方法中，三角载波至少 有频率、幅度、相位3 个控制自由度，调制波也至少有频率、幅度、相位3 个控制自由 度，利用这些不同控制自由度的组合，将产生数量巨大的s p w m 控制方法。有些s p w m 控 制方法不适合应用于开关功率放大器，例如开关频率优化p _ | ；y m 法，只适合应用于三相系 统。在一些适合于单相系统的s p w m 控制方法中，三角载波移相s p 喇法，通过模块之间 的相移，使输出电压波形的电平数和等效丌关频率都提高，这个非常适合高频开关功率 放大器的要求。文献【3 1 】通过仿真研究证实，三角载波移相s p w m 方法，与其它s p w t 控制方法相比，在单相系统中具有更小的谐波含昔，更好的输出波形。 9 浙江大学硕上学位论文 第三章基于三角载波移相s p w m 控制方案的开关功率放大 器拓扑扩展3 2 1 三角载波移相s p w m 控制方法是产生于级联型多电平电路的一种p i v m 技术。我们知 道，多电平电路的s p w m 控制方法基本上都是对两电平电路中s p w i v l 控制方法直接扩展和 引申而来的。应用于级联型多电乎电路的三角载波移相s p j i _ i 控制方法，实质上是两电 平电路倍频s p 州控制方法的直接扩展。两电平电路中的倍频s p b n 控制方法其实也是一 种三角载波移相s p w m 技术。既然三角载波移相s p w m 可以扩展，我们尝试能不能把它扩 展到别的拓扑，以获得一些额外的优点，使其可以应用于更多的场合；另外，来寻找一 些三角载波移相$ p w m 技术的扩展规律。 3 1 半桥电路 基于三角载波移相s p w m 控制方案的开关功率放大器拓扑扩展以图3 一l 所示电路为 单元，以图3 - 2 所示半桥电路为基点。在s p w f f 技术中，已经证明，单极性s p w i 控制方 法无论是在输出谐波含量还是在母线电压利用率方面都比双极性s p w m 控制方法有优势。 但是，就半桥电路而言，由于其无法产生零电平，所以也无法采用单极性s p w m 控制方 法。半桥电路只能采用双极性s p w m 控制方法。半桥电路双极性s p w m 控制方案如图3 3 所示，图中( b ) 、( c ) 分别为开关管s 、是的驱动波形，( d ) 为输出电压波形。 匕 图3 - 2 半桥电路 彳弋二弋硝v v n 八八， v v 厂弋乒弋厶弋产弋一 1r nr 广- 、 气k 广1 匕t n 厂 厂 厂nnn厂j uuuul _ ju ul _ j 一五 图3 - 3 半桥电路双极性p w m 控制方案 0 蛳 脚 绀 仲 浙江大学硕1 二学位论文 3 2 二级电路 在三角载波移相s p w m 控制方法拓扑扩展中，我们定义半桥电路为一级电路，这里 需要说明的是：半桥电路本身并没有采用三角载波移相s p w m 技术，它只是作为三角载 波移相s p w m 控制方法拓扑扩展的一个起源点，以它为基点，通过级联、i n t e r l e a v e 、 多电平等多种拓扑扩展的手段，将会产生很多的电路，我们定义这些电路为二级电路。 这里二级电路包括有：全桥电路、半桥i n t e r l e a v e 电路以及三电平电路。 3 2 1 全桥电路 两个半桥电路通过级联拓扑扩展方法，将得到全桥电路。全桥电路如图3 - 4 所示。 之前已经提到。级联型多电平电路中的三角载波移相s p t 吼i 技术是全桥电路倍频s p w m 技 术的扩展，全桥电路中的倍频s p w m 方法实质上是一种三角载波移相s p w m 技术，它的两 1 个桥臂采用相同的调制波，而三角载波相差半个载波周期，即0 = 瓦，瓦为载波周 二 期，如图3 5 ( a ) 所示。从图3 5 可以看到，输出v 0 的等效开关频率为开关管开关频 率的2 倍。 图3 _ 4 全桥电路 ly j 氓一、八， 沁、一v 炉矿热： y t , v ! j ，7 y j，弋勺v ，、尘弧7 1 r 1r 1r - 1r 1r 1nf1。 弋， 1r 1nhr 弋1 1nnnr 。 唯 r _ 1nnr 1 匕 一 0 几几r 几r 几旷 一圯l 图3 - 5 全桥倍频p 删 l l 辨 神 卿 耐 浙江大学硕士学位论文 3 2 2 半桥i n t e r l e a v e 电路 通过两个半桥电路的i n t e r l e a v e 也可以构成一个电路，如图3 6 所示。半桥 i n t e r l e a v e 电路同样可以采用三角载波移相s p w m 技术，两个桥臂采用相同的调制波， 1 而三角载波相差半个载波周期，口= 正。半桥i n t e r l e a v e 电路与全桥电路控制上几 z 乎相同：只需要将全桥电路其中一个桥臂两个开关管的驱动信号互换一。f u n 可实现半桥 i n t e r l e a v e 电路的控制。从图3 7 可以看出，半桥i n t e r l e a v e 电路的输出电压幅值为 全桥电路的一半( 但输出电流能力增倍) ，波形形状与全桥电路相同，其等效开关频率 同样为开关管开关频率的2 倍。 图3 - 6 半桥i n t e r l e a v e 电路 z ! 护扩七南：；么 v f i 2 ：“! 、八、八，、j ”、 v 、。，7v 、，v 、，v j ，弋氏忒、。7 v 专、万、 匕l r _ 1nnr _ 1。 0 3， 气 1nr1r ， 一 匕 匕 0 几nnr 几几i 匕 0uluu_ jl z 图3 7 半桥i n t e r l e a v e 电路三角载波移相p 删 3 2 3 三电平电路 半桥电路通过多电平拓扑扩展以后得到三电平电路，如图3 - 8 所示。三电平电路本 身并不能采用三角载波移相s p w m 技术( 因为存在l ，4 开关管同时导通时输出不确定状 态) ，这里引入三电平电路，目的在于作为之后拓扑扩展的另一一个基点。为了保证拓扑 扩展的连续性，将全桥电路中的三角载波移相s p w m 技术即倍频s p w m 技术调整之后引入 时 呻 时 协 浙江火学硕士学位论文 三电平电路。 研究图3 - 5 可以发现，只要将驱动信号k 。和k ：相减，就可以得到与输出电压形状 一样的波形。因此，只要将三角载波k 和v c ：结合，采用如图3 - 9 所示的单极性s p w m ， 可以得到与倍频s p w _ , t 同样的输出电压波形，它的载波频率是倍频s p w m 的两倍，两个桥 臂一个为高频臂，频率是倍频s p w m 开关频率的两倍，一个为低频臂，频率等于输出电 压的频率。也可以采用如图3 1 0 所示的单极性s p w m ，可以获得相同的输出电压波形。 另一种调制方法交叉调制也可以获得与单极性s p w m 同样的效果，只是产生驱动 信号的方法不同，如图3 1 l 所示。交叉调制的载波频率与倍频s p w m 相同，利用调制波 k 和一匕分别调制，产生信号v e 和v _ p ，将这n + 信g - 异或产生信号y 。，y e d 再分别与 信号v r 7 及v _ ，相与，产生的信号用来作为开关管墨和墨的驱动信号，而开关管s 和最的 驱动信号分别与开关管s 和墨的驱动信号互补。 图3 - 8 三电平电路 、口a a 矿静：z l1 ，1 ， 吃i 六冷芦芦。护彻 nnn 广1nn 九n_ 1 nnnnn 门n 广、 咋3 1 广1nnnnn 广1 rnnnnnnnn。 、4 咋2 v m _ 一1 nnnnnn 几n 一匕 一匕一 uuuuuuuu 7 。 t h “ 一生 nnnnnnn h 一 2 。 吒一一uuuuuuu u 一 2 3 - - 9 单极性s p w l v l 1 3 蛐 脚 褂 忡 僻 浙江大学硕士学位论文 艺名 、。氏氏a 舣i 屹i 氏w a a 尹叭 n 九几n 广1nnn 咋3 1 nnn 几nn 广i i nnn 广1 广1nnn 、 吃2 i nnnnnnn 广 曲杠 匕 nnnnnnnf r 一uuuuuuuu 一 v “ “ - 生2 n 几nnnnnn “ 一生 uuuuuuu0 2 图3 一l o 另一种单极性s p w m a 公a _ 斧m 么 飞k 对l v ：p 矿 飞卜弋仁土产。厂一 “ 。 knnh 舻九n 门广1 门i 1 f ln几n 厂_ 1 广1n 几n v r t r 音nn 广1 广1nn n i hnnnnnn i n几n 广1 广1n 几n。 咋2 1 1 1nnn 门几广1 广。 ， m r 杜 匕 n 几几nnn 几“ 一吒一一 uuuuuuu0 7 v “ 0 几nn 厂 几几旷 一生uuuuuuu u 7 2 图3 - 1 1 交叉调制s p w m 1 4 脚 耐 曲 绀 协 脚 曲 m m m 浙江大学硕士学位论文 i i 上述的三种s p w m 方法本身都不是三角载波移相s p w m 的方法，只是为了保持三角载 波移相s p w m 拓扑扩展的连续性，使其能应用于三电平电路，而在倍频s p w m 方法基础上 做的修改。它使之后以三电平电路为基点的拓扑扩展与以全桥及i n t e r l e a v e 半桥电路 为基点的拓扑扩展在载波移相上保持一致。这三种s p w m 方法都可以应用于全桥电路及 三电平电路，其输出电压波形形状与全桥倍频s p w m 方法相同。 以图3 1 0 所示的单极性s p w m 方法为例，将三电平电路与全桥倍频s p 嘲相比较， 假定两者拥有相同的输出电压波形，则其开关管的电压应力相同( 从图3 1 0 ( g ) 可以看 出，三电平电路输出电压幅值为直流输入电源的一半) ，开关管一个周期内的平均频率 也相同，两者的区别在于：全桥倍频s p w m 开关管的开关频率在一个周期内平均分布，而 三电平电路单极性s p v y l 4 开关管有半个周期直处于开通或者关断状态，另半个周期的 开关频率为平均频率的2 倍。三电平电路虽然不能采用三角载波移相s p w m 技术，但从 平均开关频率考虑，它拥有与全桥倍频s p 帆i 相同的效果。 3 3 三级电路 以二级电路为基点进行三角载波移相s p w m 的拓扑扩展，将产生三级电路。上面我 们已经详细介绍了三种三角载波移相s p w m 拓扑扩展的二级电路。分别为：全桥电路， 半桥i n t e r l e a v e 电路以及三电平电路。下面我们将以这三种二级电路为拓扑扩展基点 分别进行扩展，扩展的方法在一级电路拓扑扩展中已经有介绍，包括有级联、i n t e r l e a v e 和多电平。当时采用多电平拓扑扩展的方法是为了产生三电平电路，用来作为拓扑扩展 的另一。个基点，以引进多电平电路适用于高压场合的优点。当拓扑由二级电路向三级电 路扩展时，有以下几方面的原因决定了多电平已经不适合作为拓扑扩展的手段： a ) 多电平拓扑扩展本身不能采异j 三角载波移相s p w m 方法。 b ) 在已经有三电平电路作为下一级拓扑扩展基点的基础上，若再进行多电平扩展 以产生五电平甚至更高电平电路，除非在特殊高压场合，否则显得多余。 c ) 全桥电路及半桥i n t e r l e a v e 电路经多电平扩展之后的拓扑与三电平电路经级联 以及i n t e r l e a v e 扩展之后的拓扑重合。 下面分别介绍在各自的二级电路拓扑扩展基点上经过级联和i n t e r j e a v e 拓扑扩展 方法产生的三级电路。 3 3 1 以全桥电路为拓扑扩展基点的三级电路 以全桥电路为基点进行三角载波移相s p w m 的拓扑扩展，产生的电路包括有：级联 型多电平电路和全桥i n t e r l e a v e 电路。 3 3 1 1 级联型多电平电路 浙江大学硕士学位论文 将全桥电路通过级联拓扑扩展手段就得到了级联型多电平电路。前面已经提到，三 角载波移相s p w m 方法产生于级联型多电平电路，级联型多电平电路如下图3 1 2 所示。 图3 1 3 所示的是级联型多电平电路三角载波移相s p w m 示意图。图中心。v c 4 代表四个 桥臂的三角载波，其中k 1 、v c ：为一个全桥电路两个桥臂的三角载波，屹，、咋。为另一 图3 一1 2 级联型多电平电路 匕 k lv c 3 屹2v c 40 、，；i 数龋联斌赋粼 ) ：) ( ：) i ：冷：冷：硪冷：冷沁z 。 删撇烈) ( 澎泓) 脓融糕战线线绒酝一 q y 2 r 1nnr 1 b ，n ，。- 。 匕r - 1n r 一 ， 匕o 0 几几nnr 几一 ” 一吒 0uuuuuu0 一 2 nnr 几n 几几洲 uuuuuuu inm j 眦嗝斋 - 一匕 螋蜘几n n 一“一 图3 - 1 3 级联型多电平电路三角载波移相s p 删 1 6 嘞 绀 忡 恸 竹 浙江火学硕士学位论文 个全桥电路两个桥臂的三角载波，它们分别满足全桥倍频s p w m 的要求，在这个基础上， 两个全桥电路的三角载波相互之间间隔了1 4 个载波周期，b p 0 = l d r 。，瓦为载波周 期a 图中v l 心分别代表4 个桥臂的输出，v o ，和v d 2 代表两个全桥电路的输出，k 代表 总输出，可以看到，v o 的等效开关频率为和：的两倍，为嵋v 4 的四倍，也即为开 关频率的l a 倍。 v 。1 2 1 ，1 一v2 ( 3 一1 ) v o2 2v 3 一v4 v o 二va1+vo2=v1v24 - 1 ，3 一v4 ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 3 3 1 2 全桥i n t e r l e a v e 电路 将全桥电路通过i n t e r l e a v e 拓扑扩展手段就得到了全桥i n t e r l e a v e 电路，全桥 i n t e r l e a v e 电路如图3 一1 4 所示。图3 1 5 所示的是全桥i n t e r l e a v e 电路的三角载波移 相s p w m 示意图。与级联型多电平电路一样，图中v c i v c 4 代表四个桥臂的三角载波， 其中心。、k ：为一个全桥电路两个桥臂的三角载波，v c 3 、咋。为另个全桥电路两个桥 臂的三角载波，它们分别满足全桥倍频s p w d 的要求，在这个基础上，两个全桥电路的 1 三角载波相互之问间隔了1 4 个载波周期，即92 言乏，瓦为载波周期。在输出上， 全桥i n t e r l e a v e 电路与级联型多电平电路的区别只在于幅值降低了一倍( 电流输出能 力增加一倍) ，原因在于： v 。= ( v 。，+ v 。：) = 虿1 ( v ， 式中吃为总输出，匕，和屹。为两个全桥电路的输出，v j 心分别为4 个桥臂的输出。 比较式2 4 与式2 - 3 即可知道，全桥i n t e r l e a v e 电路输出电压的幅值是级联型多电平 电路的一一半( 两个电路全桥模块匕、k ：的输出以及4 个桥臂v l p 4 的输出完全一样) ， 而输出波形完全一样，全桥i n t e r l e a v e 电路中同样有：v o 的等效丌关频率为v 0 1 和心2 的 浙江大学硕士学位论文 两倍，为v i u 的四倍，也即为开关频率的四倍。 ( c ) 佃) 绀 图3 一1 4 全桥i n t e r l e a v e 电路 k 1 3v c 2 4 口 匕 、，； 辨鼢於於：i i ：凇础融怂取融溅 ) ( ：) ( 磁默默m 默泓) 双斌弑钱鹳 r 1r 。- 1r 1r 。1r lnnr 1 b r nnr 1 码 r 1 广。_ 1r r 一r 1nn r 。1 一 u nnr 1 f _ 一j 1r 。1r r 1 ， 匕1 0 几几nnnnn 一匕 0uuuuuu0 7 匕2 n 几n 几n 几旷 uuuuuuu ” in 呲嚅m 鲁 一生一唧n j j 盯 圈3 - 1 5 全桥i n t e r l e a v e 电路三角载波移相s p 删 3 3 2 以半桥i n t e r l e a v e 电路为拓扑扩展基点的三级电路 以半桥i n t e r l e a v e 电路为基点进行三角载波移相s p w m 的拓扑扩展，产生的电路包 括有：半桥四模块i n t e r l e a v e 电路和半桥i n t e r l e a v e 级联电路。 3 3 2 1 半桥四模块i n t e r l e a v e 电路 将半桥i n t e r l e a v e 电路再通过i n t e r l e a v e 拓扑扩展手段，得到了半桥四模块 i n t e r l e a v e 电路，如图3 1 6 所示。图3 1 7 所示的是半桥四模块i n t e r l e a v e 电路的三 角载波移相s p w m 示意图。 ( c ) d ) 图3 一1 6 半桥四模块i n t e r l e a v e 电路 咋 v c lk 2v c 3 匕4目 、， ；j 燃嬲e ) ( ) c 熵燃一 ) c 嬲| ( ) ( ) 赋( ；燃一 h juuu ljl j i - jl - - - - j l 一一 v 2 r _ 1r 1r 1 r 一 r 1nnr - 、 _ 一u ul _ j u tnnr - 广- l _ jl jul j h 1 jl _ j 1 一1 一 前n 肌- 匕 4 世峙几几几n j j 盯 图3 1 7 半桥四模块i n t e r l e a v e 电路三角载波移相s p w m 1 9 浙江大学顾士学位论文 图中v c l