（电力电子与电力传动专业论文）开关功率放大器的数字控制技术研究.pdf

浙江太学硕士学位论文 第一章绪论 嘎 功率放大器及其发展现状篱会 近些年来，开关功率放大器在很多领域得到了广泛应用，如中低功率( 1 女) 领域的电动振动试验台、发射系统、核磁共振、 声续探浏、毫弼谐波掺制等等【l 】【2 】。 开关功率放大器属于功率放大器的一种，对应于线性功率放大器。功率放大 器根据功率器件工作方式的不同，w 分为线性功率放大器和开关功率放大器。 线装功率放大器鹊特点是失冀小、豌应快，输入输密信鼍基本上是线经关系 即功率放大器的线性度好；但是由于其存在直流导通损耗，导致效率一般在3 0 6 0 之间。由于线性功率放大器效率低。所以其功率很难超过1 渺，故相对开关功 率放大器来说体积大、功率密度低。 开关功率放大器，其功率器件工作于开关状态，因此效率较高，一般在8 0 以上；但相对缺点是失真大、响应慢。如何降低开关功率放大器的失真度，并提 商其响瘦速度成为目前研究豹重点。此辨如果能够将开关功率放大器模块化象产， 降低成本，也将大大提高开关功率放大器的使用范围，加快产品的市场化。 早在上世纪6 0 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 子器件开荧特毪豹限制，设计出的拜关功率放大器输出波形畸变大，无法褥副有 力的推广。随着电力电予器件制造技术的日新月异，尤其是上世纪9 0 年代功率场 效应晶体管( p o w e rm o s f e t ，简写为“功率m o s f e t ”) 器件的性能大幅度提弹， 开关频率提商至2 5 0 惫胁以上，入们的热情又重新回到开关功率放大器豹研究上 3 】。 国外开关功率放大器的研究已经达到了一个较高的水平。例如美国德州仪器 公司和a p 嚣x 公司相继推出了音频功放用集成电路元件。旱在2 0 0 2 年，日本就已 经有人研制了1 0 k w ，输出频率为1 0 0 k h z 的开关功率放大器，熬个频宽范围内的 t h d 都小于1 0 ，5 k h z 内的t h d 小于2 刚f 5 】。匿前国内外开关功率放大嚣的 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 6 】【7 】【8 】，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 l 濑江大学硕士学位论文 功率放大器的整体效率，也零l 用了线性功率放大器失龚小的优点。不过弛种奄路 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l 后矿左右。 另外一个是为了提高系统的动态性能，将数字控制技术应用到开关功率放大器中 【9 l 【l o 】t 1 2 开关功率放大器的数字控制技术的研究现状 数字控制技术是传随着集成电路技术的成熟丽发展起来黪。数字信号处理器 i g i t a ls i 神a lp r o c e s s o f ) 的广泛应用使得数字控镧技术正逐步夜电力电子系统中得 到广泛使用，并部分取代模拟控制技术。相对于模拟控制技术，数字控制技术有 调试容易、开发周期短、摭干扰能力强、智能化程度离、生产镱造易标准化等优 势。 现有的开关功率放大器数字控制技术，均构筑在脉冲宽度调制( p l l l 一w i d t l l m o d u l a 蛀o n ，简写为“p w m ) 技术基础上。p w m 就是对脉冲鲍宽度进露调制 的技术，因为根据采样拄割理论中的结论一冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具 有惯性的环节上时，其效果基本相同。p w m 控制方式在很多数字信号处理芯片上 面都有专职功能模块负责，所以也奠定了电力电子系统中数字控创技术的推广； 两样，在开关功率放大器系统中数字控制技术也得到了很好的发展f l l 】 1 2 】。 由于歼关功率放大器电路结构的研究所限，厨前开关功率放大器的数字控制 技术的研究多为基于全桥逆变电路的p w m 数字控制技术。在戆功率系统中，采用 全桥逆变电路使功率r 开关管的耐压增大，遂而不得不使用功率绝缘栅双极晶体管 ( i n s l l l a t e d o a t e b i p o l a r t r 黜i s t o r s ，简写为“i g b t ”) 器件，放弃了在中低功率系 统中占搬主流地位豹功率m o s f e t 器弹。所以如果能开发坦适合使用功率 m o s f e t 器件的高功率开关功率放大器模块及相应的数字控制技术，将可以大幅 度提升高功率开关功率放大器系统的性能，也有利于提高系统模块化、智能化程 度，缩短系统磷发周麓，提高产品的市场竞争力。 1 3 本课题的研究意义与工作内容 近几年来，国内开关功率放大器的研究步伐也很快，但总体来说，国内研制 兹开关功率放大器，无论是输出频率藏围或是波形质量，还是输出功率或攘机效 率，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 2 浙江大学硕士学位论文 器，效率低、体积庞大，使用不方便。 靠进口。因此随着国内需求日益增加， 器产品。【l 】 目前新设备采用的开关功率放大器主要依 急需自主创新、设计开发的开关功率放大 本课题的研究主要着眼于开发适合使用功率m o s f e t 器件的多电平开关功率 放大器模块，并设计出简便易行的数字控制方案：该数字控制方案要能够支持开 关功率放大器的模块化拓展，在扩展系统功率容量的同时也能够改善系统的性能。 围绕课题，作者主要做了以下几方面的工作： 同陈世杰同学合作设计、调试适合使用功率m o s f e t 器件的多电平开关功率 放大器模块，其中以陈世杰的贡献为主，作者协助工作； 同陈世杰同学合作设计基于数字信号处理芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ( 简写为 “d s p 2 4 0 7 ”) 的开关功率放大器模块的数字控制方案，其中以作者的贡献为主， 陈世杰协助工作： 独立设计开发适合五电平中点箝位逆交器( f i v e l e v e ln e u 打a 1 p o i n t - c l 锄d e d i n v e n e r ，简写为“f n i ”) 电路的中点平衡控制策略； 对开关功率放大器模块的i n t e r l e a v i n g 控制技术进行仿真定性研究，并独立设 计开发基于单片d s p 2 4 0 7 芯片的两模块f n i 电路的并联式i m e r l e “i n g 数字控制方 案。 以上数字控制方案的实证研究均由作者独立完成。 本课题列入了台达电力电子科教发展基金资助项目。 参考文献 【1 1 基于d s p 控制的开关功率放大器的研究，陈世杰，浙江大学硕士学位论文， 2 0 0 5 。 【2 】f v p r o b i n s o n n l ei m e d e a v c do p e 枷o no fp o w e ra m p l i f i e r s 1 9 9 8p o w e r e l e c 们n i c sa n dv 撕a b l es p c c dd r i v e s ，2 l - 2 3s e p t 锄b e r p a g e s ：6 0 6 6 1 1 【3 】g i n a n ，a e ，b 器s ，r m ，l e a c h ，w m j r ，h a b e e r 王g ，a n a l y s i so f t l l ec 1 鹊sa d a u d i o 锄p l i f i e ri n c l u d i n gh y s t e r e s i se 彘c t s i e 髓t r a n s a c t i o n so np o w e re 1 e c t r o n i c s v 0 1 u m e18 ，i s s u e2 ，m a r c h2 0 0 3p a g e ( s ) ：6 7 9 6 8 5 【4 】i s a o 毗a l l a s h i ，f e l l o w 鼢dk 嬲】k i1 w a y a 1 0 0l 【h z ，1 0k ws w i t c h i n gt y p ep o e r 3 浙江大学硕士学位论文 a n l p l i 蠡e rl l 啦g 删埘西c f t e l2 0 e l 弛i 醯ei n t e r n 鲥o n 曩| c 耐b r e n c co np o w e f e l e c 她i c sa n dd r i v es y s t e m s p a g e s ：2 8 6 - 2 9 1 【5 】1 酞a l l a s h j ，i ，1 w a y a ，k h i 曲e f f i c i e n c y l o wh 糊o n i cd i s t o r t i o ns 埘t c h 协gt y p e p o w e r 矗m p | 至蠡e rh s 融gm u l t i l e v i n v e f t e r i p o w e re o n v e 麟o nc 锄& 凇l c e ，2 0 0 2 。 p r o c e e d i n g so f t h e1 v r 0 1 u r i l e2 ， 2 5a p r i l2 0 0 2p a g e ( s ) ：3 5 3 3 5 8 6 】j 神h o o nj e o 岛g u eh o n g 瞄m ，b y e o n gr o km 洫，c h eh 0 n ga h n ，g ” | y e o n g c h o a 琏g he 签e i e n c yc l a s saa m p l i 瘀e ra o m p a 越e d 酶c l a s sds 谢t c 址丑g 糍l p l i 疰e f p 0 、v e rb 1 e c t r o n i c ss p e c i a l i s t sc o f e r e n c e ，1 9 9 7 2 8 t ha n n l l a 】1 e e e 、，o l u i n e2 ，2 2 _ 2 7 j l l l l e1 9 9 7p a g e ( s ) ：1 2 l o 一1 2 1 6 闭v 懿d 娃z c e ，a r 。，v a n 硼l ，e a j m ap o w 融e 奄c 主e n t 挑d i oa m p l i 蠡e f c o m b i n i n gs 谢t c h j n ga n d1 i n e a rt e c l l n i q u e s s o l i d - s t a t ec i r c 疵s ，i e e ej o u m a lo f v o h n e3 4 ，i s s u e7 ，j u l y1 9 9 9p a g e ( s ) ：9 8 5 9 9 1 【8 】h a l l s 飘越，如h 强矗w x l o l a ra 砖f zc 2 a c h 。转a s i cc o 璐i d e 嗽i o n sa n d 酌嘲。舀e s o fs 丽t c h e d - m o d ea s s i s t e dl i m a rp o w e ra m d l m e r s m e et r a l l s a c d o n so ni n d u s t r i a l e l e c 廿0 n i c s ，v 0 1 4 4 ，n o 1 ，f e b m a r y1 9 9 7 p a g c s ：l l 昏1 2 3 【9 】n i e i s e n ，& p e d e c 噜n o v e lp u l s er e 触髓c 醚c o n 拄0 lm 砸l o d 如r 越醢q u a l 玲d i g i 镒 p w m s 州t c h i l l gp o w e r 蹦1 p l i f i c 撕o n 。p o w e re l e c 廿d l l i c ss p e c i a l i s t sc o n f 抽n c e ，1 9 9 8 ， 2 9 t l l a n n u a l i e e ev o l 眦el ，1 7 2 2 m a y1 9 9 8 p a 鳅s ) ：2 0 0 一2 0 7 【1 0 】骊d y a ，p ，r o e c l m e r ，b ，b 嚣g s t e 瓯s d i 辞时c o r f e c 畦o no fp w m 鼬幽n g 锄p l i f i e r s p o w e re l e c 仃o m c sl e t t e r s ，i e e ev 0 1 啪e2 ， i s s u e2 ，j u n e2 0 0 4p a g e ( s ) ：6 8 7 2 【1 1 jp a s c 潮，c ，z u 如is o n 岛k 陀hp t ，s a 聃a t e ，d v - ，m i d 豫p ，a n dr o e c h e r w j 。 h i 曲。f i d e l 畸p w mi n v e r t c rf o rd i g i t a la u d i oa m p l i f i c a t i o n ：s p e c t r a la n a l ”i s ，r e a l m m e d s pi n l p l e m e n t a t i o n ，a n dr e s u l t s i e e et f a l l s a c t i o l l so np o w e re l e c t d o l l i c s v o l 啪e 1 8 ，l s s u el ，j a n 2 0 0 3 魄s ) ：4 7 3 4 8 5 e 1 2 】x i g e nz h o u ，z h e n 舯i n gz l l a o ，毓gl i u ，c h a n gq i a n d s p _ b a s e d 削l yd i g i t a l c u tc o m r o lf o rp o w e r 锄p l i f i e r s 1 o w e re l e c t r o l l 主c sa n dm o 畦o nc o n t r o lc o n f e r e n c e 2 0 0 0 跏c e e d 主n g s t h c 砌r di n t e 眦t i o n a lv o l 碱e ，1 5 - 1 8a u g 2 op a g e ( s ) ：2 6 7 2 7 】 4 浙江丈擘硕士学位论文 第二章开关功率放大器模块硬件方案的研究现状 本章首先介绍开关功率放大器模块中功率开关器件的使用情况，着重介绍功 率场效疲磊俸管( p o w e rm o s 琵彳，簿写为“功率m o s f 嚣羊”) 的应用现获以及 在高功率模块中的应用前景。随厢研究了五电平中点筘位遒变器( f i v e 也e v e l n e u h 啦p o i n t - c l 锄p e di n v e r t e r ，简写为“f n i ”) 电路结构作为开关功率放大器模 块的可行缓和优点；弗在最后一节，对实验楚月豹数字信号羟壤芯片做了筵单奔 绍。 2 嚯开关功率放大器模块中功率开关器件的使用情况 如上章绪论所述，因为功率m o s f e t 器件较高的开关频率能够可靠的提高 系统的性能【1 】，所以在中低功率( 1 七矿以下) 开关功率放大器模块中功率 m o s f e 善器件基本已经取得优势域健。 目前，基于功率m o s f e t 器件的开关功率放大器模块的研究集中在中低功 率( 1 七以下) 系统上，相应的控制技术为数字控制技术。模块的功率拓扑和控 制手段多为全桥逆交电路积脉冲宽度调剖( p 落s e w i 鼬一m o d 心a l i o n ，箍写为 “p w m ”) 技术【2 】【3 】【4 】【5 】，还有部分功率放犬器模块是基于开关、线性的混合 电路结构 1 】 6 】【7 】【8 】 9 】，中低功率( 1 l j 矿以下) 系统的应用多为音响放大器。由 于在中低功率系统中，对功率开关管的酵莲和电流豹容量要求较低，放功率 m o s f e t 器件借助其较高的工作频率牢牢在其中占据了优势地位。 但禚高功率( 1 七矿以上) 开关功率放大器模块中，功率绝缘栅双极晶体管 ( k 采a t c dg a t eb 啦论珏m s i s 幻鹳，简写为埝酣”) 占据了优势地堪l o 】【l l 】【i 2 】 【1 3 】【1 4 】。究其原因，在于高功率开关功率放大器模块中也普遍采用了全桥逆变 电路。那么尽管在工作频率上i g b t 器件比之功率m o s f e t 器件略逊一筹，但 是l g b t 良好豹耐压能力( 4 0 0 1 2 0 0 v ) 葙电流容量( 1 5 4 a ) 使其成为高 功率开关功率放大器模块的主流器件。 5 镞江太学碛士学位论文 2 。2 功率m o s 戮疆器件的结构与工作特点 功率m o s f e t 器件是一种单极性的电压控制器俘，不佟有蠡关断能力，褥 且有驱动功率小、焉作速度高、无二次击穿阿题、安全工作区宽镰优点【1 5 】。本 节有关功率m o s f e t 器韩的论述来自文献【15 】 1 6 】【1 7 】。 攘攥载流子髓拣震霹以将功率m o s 班匿器件分为两大炎，一翳是n 沟道类 型；另一种为p 沟道类型( 见图2 1 1 刀) 。为了提高功率m o s f e t 器件的耐压 和电流容量，采用垂直导电的结构制作功率m o s f e t 器件，称为v m d s f e t ； v m o s 摹e t 豹结构使褥器件实现了下述三项突破： 第一、蘧直安装漏极，实现了垂崴导电。这样不仅使硅片的砸积得到充分利 用，基本实现了垂蠢传导漏源电流，丽且有效降低了导通电阻，为获得较大的电 流容量提供了前提保证。 第二、设置高电阻率的n 一烈漂移区以帮助提高器件的耐压性能，而且降低 了结屯容，并且使沟道长度稳定。 第三、采用两次扩散技术替代光袤4 工艺实现商精度短沟道制造，根据再裁的 水平，获得1 2 l 瑚的沟道长度魁可行的；短沟道能够降低栅极下端二氧化硅层 的据、沟本征电容和沟道电阻，从狮提高器件的工作频率和开关速度，并使输出特 性其脊良好豹线性。【1 6 】 “ 睢c h a n il m 0 s f 日 6 图2 1m o s f e t 的图形符号【1 7 】 露梗撂m o s f 嚣t 嚣件制造结构浆型式，v m o s f e t 又西以分为v v m o s 照t 和v d m o s f e t 。垂赢导电的双扩散m 0 s 结构稼为v d m o s f e t ，其典型结褥如 图2 2 【1 7 】。一些器件的制造商根据器件源区的形状来命名自己的产品，如国际 整流器公司豹h e x f 丑t ( i n t e m a 蛀o n a l r 船t i 曩e s h e x f e t ) 。本系统设计采粥豹 功率m o s f e f 开关管即为i r 公司出品的融p 3 6 0 分立式 泓f e t 。其主要的 性能参数详见表2 一l 。该款器件的耐压为4 0 0 v ，电流容量超过1 0 a ，具有工作 6 j 啬1 。 一器艮拍 浙江大学礤士学短论文 频率高、并联容易、驱动筒单等优点。 鬻2 2v d m 0 s f e 羊结构图【1 7 】 p a r 啦d r v 越n e p a c k a g c t 0 + 2 4 7 a c c i f c u i t d i s c r c t e p o l a 矗t vn v b r d s sf v )4 0 0 r d s ( o n ) 1 0 v ( m o l l l n s ) 2 0 0 o i d 2 5 c ( a ) 2 3 l d l o o c ( a ) 1 4 q g 聊 1 4 0 o q 酊聊 7 3 3 r 协( j c ) o 4 s p a w e rd i s s i p a t i o n ( w ) 2 8 0 融爆鞘渤张) f 表2 一li r f p 3 6 0h e x f e t 的主要性能参数【1 8 】 2 。3 高功率开关功率放大器模块巾功率m o s f 辨器件的馥用 目蒙 盔离功率开关功率放大嚣模块巾使罔葫率m o s f 馘t 器件的好处在于熊够改 善系统输出的波形质爨，降低系统滤波嚣的体积，从两提商系统的性能和降低系 统的体积。除了寄希望予器件制造商能够提供耐聪更高、容爨更大的功率 m o s f 嚣t 嚣彳孛外，工程设计人员i 丕可以通过电路结构的设计和控制技术的改进 以改善系统中功率m o s f 置，r 器件的实际耐压和电流容量条件。 7 折江_ _ ；= 学坝士学位论文 在高功率开关功率放大器模块中已有少量使用功率m o s f e t 器件的研究进 行，t a k a h a s l 珥1 9 】【2 0 】的方案取得了较好的成绩。但文献 1 9 】f 2 0 使用的控制方案 计算量较大，也设有使用数字倍号处理芯片进行控制方案验证，但其使用的电路 结构对我们的研究还戆具有肩发意义。 基于功率m o s 班汀器件的高功率开关功率放大器模块目前还没有实现产业 化，作者认为制约这一状况的瓶颈是基予多电平的开关功率放大器模块的控制技 术，尤其是数字控制技术的研究没有取得突破的进展。随着数字控制技术研究的 深入，加之功率m o s f e t 器件耐压、电流容量的稳步提高，柏信未来在商功率 开关功率放大器系统中功率m o s f e t 器件将会不断的普及。 2 1 4 基予功率m 0 繇翟t 器件昀多电平开关功率放大器模块 的电路结构研究现状 根据陈世杰同学2 0 0 5 华3 月的浙江大学硕士学位论文基于d s p 控制的开 关功率放大器研究盟示，采用f n i 电路作为高功率开关功率放大器模块的是 可行的。该电路结构如图2 3 ，瑚电路的基础一中点箝位逆变拓扑 ( n e u 僦一p 0 i n t c l a m 雠d ，简写为“n p c ”) 一最早是由n a b 踮等人于1 9 8 1 年提 出的 2 1 】。n p c 电路的出发点是：单极性s p w m 逆变电路的谐波含量比双极性 s p w m 低；采用p w m 控制的n p c 电路具有直流中点箍位的特点，属于单极性 s p m w ( 1 6 l 。 n p c 电路与两电平半桥逆变电路相比，有以下优点：在大功率系统中，将 功率器件点接串联使用而无需外加辅助电路；器件耐压极限降至童流侧电压的一 半，使器件的选取变得灵活；输出波形中谐波成分相对两电平半桥逆变电路大为 减少，减轻了滤波环节负担，抻制了电磁干扰问题。故采用n p c 电路既可以改 善输出波形的质量，又可以减低功率开关管的耐压有助于在系统中引入m o s f e t 器件。 f n i 电路将两个n p c 电路并联使用，增加了负载上电压波形的电平数目。 识没有增加独立电源的数目，教f n l 电路作为单令模块使用远较单模块全桥递 变电路( 图2 4 ) 的性能优越，但缺点是提高了系统控制的复杂性。单模块全 8 浙江大学硕士学位论文 桥逆变电路只需要2 对p w m 驱动信号( 每对问信号互补) ，而f n l 电路却需要 4 对p w m 驱动信号( 每对闾信号亦互补) 。 曙 e 眵 图2 3 f n l 电路结构图 圆 圈2 4 全桥逆变电路结构图 2 5 开关功率放大器模块的数字控制平台的介绍 本实验使用t i 公司出品的数字信号处理芯片1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ( 简写为 “d s p 2 4 0 7 ”) ( 图2 5 ) 作为控制方案的中央处理器，基于d s p 2 4 0 7 的数字控 带6 平台由灏江大学电力电子研究所博士生姚文翼弱学设计开发。该数字平台支持 使用仿真工具进行程序的在线调试，同时也支持离线自动运行。该平台上配置有 砖块d s p 2 4 0 7 芯片，通过s p i 通信模块联接；此外平台上还有d 地变换器供使 用，整个控制平台较为简单，可靠性好。选择d s p 2 4 0 7 主要基于以下两点考虑： 一、d s p 2 4 0 7 是电力电子与电力传动领域中应用较广的一款芯片，性能好，价格 低；二、通过d s p 2 4 0 7 实现的方案不会随着芯片的升级砸被淘汰，反而稍作修 改后& 9 可应用于最新的系列芯片如枞s 3 2 0 f 2 8 1 2 中，方案的性能可以随着芯片 q 。，。，暑。，。_ ，。，詈，置，。，岂。，。冀墼童耋霍鲨耋篁堡窑二置曼曼黑_ _ - _ _ 黼蔓_ 的升级而提商。下面简单介绍实验中使用到的d s p 2 4 0 7 的主要功能一着熏介绍 事件管理器模块( e v e n tm a n a g e r 。俺笃为“e v ”) ，本节以下内容主要援引自文 献 2 3 【2 4 。 d s p 2 4 卵芯片的e v 模块中包括两个事伴管理器模块e v a 和e v b ，每个包 括：两个1 6 位通用定时器( g e n e r a l p u i p o s et i m e r s ，简写为“g p ”) 、8 个1 6 位的p w m 通道，捕获革元戳及正交编码脉冲电路。e 、魄和e v b 中的透壤定时 器、p w m 通道等电路昀功能均相同，只是名称不同( 图2 6 ) 。放下面仪介绍 e v a 模块( 圈27 ) 。【2 3 】 哞嚣箔扩 斟”雕”髑阿雕妒嬲 圈2 51 m s 3 2 0 l 王鼍7 的粥e 封装圈( 俯视) 【2 4 】 e mm e v e i i r 黼e r 啊a 雕菲l 浮 口es m m lo 口雠蹒 3 p n r i ”p w w t c 翟黼m w 21 i t i 群 c m 口4h m 哟 c a 州be m m m 2 c m o & * 5 l w b p 5 m c n 船l p 6 p 州_ 融 l 2 c d 吨坤b 户lc _ ，h j 4c 0 m m u r mc 翟自脞2c p 2c 翟h l t 喜e p 5 c | 斑聃3e p 3c 却虹e e c m o e p l0 p 0 e ，30 e p 3 a e p 20 e p 2 & 日m i m t 口r 。m 阮b m 目”卅c ku m 目r 融c 啾t m b 图2 6 e 、魄和e v b 模块及其信号名称 2 4 】 l o 赣江大学醺士学位论文 1 h 2 2d 刚僵蛔# 甲p q 忡酬曲- “呻酬制r 溅抽 隔2 7 e v a 结构框图【： 4 】 l 、通用定时器概述【2 3 】 e 有两个g p ( 图2 8 ) ：g p l 、c 啦2 ，每个g p 包括： 一个1 6 位的定时器增，减计数豹计数器叔a 盯，可读写： 一个1 6 位的定时器比较寄存器( 双缓冲，带影子寄存器) t x c m p r ，可读写； 个1 6 位的定时器周期寄存器( 双缓冲，带影子寄存器) t 蚶i r ，可读写； 一个1 6 位豹定辩器控青l 寄存器氮c o n ，胃读写； 控制和中断逻辑用于4 个w 屏蔽的中断一下溢、溢出、定时器比较和周期中断。 2 、比较单元 e v a 模块中毒3 个毙较单元( 比较单元l 、2 鄢3 ) ，每个比较单元对应两个 p w m 输出( 为独立的一组) ，故每个e 、，a 模块对应共6 个p w m 输出( 为独立 的三组) 。这三组的输出状态是可以独立控制的，而飘控制寄存器均为双缓冲， 可以撮据输蹬踩宽豹需要藤竣变。 3 、可编程死区发生器 死区单元用于保证在佼何情况下，每个比较单元相关的2 路p w m 输出控制 一对正囱导逶和负彝导遥豹功率开关管时没有重叠，郄在一个器件没有完全关龌 浙江大学硕士学位论文 时，另一个器件不导通f 2 3 】。死区的时间由功率开关器件的开启和关断特性以及 具体的应用情况丽定。图2 9 为加入2 珊死区时阀的互补p w m 信号眈较图。 4 、p w m 通道特性【2 3 】 有可编程死区发生器控制p w m 输出对； 可根据霈要改变p w m 的载波频率； 在每个p w m 周期内和以后可根据需要改变p w m 脉冲的宽度： 自动装载比较寄存和周期寄存器，使计算的任务量负荷最小。 p w m 结果直接通过数字输出口输出，不能再对输出的结果进行运算或其毡操作。 图2 1 0 为对互补的p w m 信号比较图，脉冲周期为5 口s 。 图2 8 g 咿的方框图( 2 4 1 2 瀣江大学磺士学位论文 ( 左) 图2 9 死区单元使能时，互补p w m 信号比较图 ( 右) 图2 1 0 为一对互补的p w m 信号比较图，脉冲周期为5 s 参考文献 【l 】g 抽a r t ，a e ，b a s s ，r m ，l e a c l l ，w m j r _ ， i a b e _ 【l 鸽t g ，a l l a l y s i so f 血ed a s s a da l 王击。锄p l i f i e rl n c l 碱n gb y s 嘲蝣se 虢c t s 捌聪h 鞠s a c t i o n so 珏孙懈 e l e c 仰m c s ，、b 1 啪el8 ，i s s u e2 ，m a r c h2 0 0 3p a g s ) ：6 7 9 6 8 5 囝p a s c l l a l ，c ，z u k u is o n 舀k i n ，p t ，s 删哪e ，d v ，m i d y a ，p ，a n dr o e c 妇e r ，w j 。 h i 舟蜘e l i t yp w mi n v c n e rf o rd i g 黼a u d i oa n l p l 城c a t i o n ：s p e c 乜廿a n a l y s i s ， r e a l m ed s pi m p l e m 铡觚。硅，a n dr e 赋怯1 e 雎骶黼s a c 蛀o n so 珏p o w e re l e e 拍l l 至c s ， v 0 1 u m e1 8 ，i s s u e1 ，j a l l 2 0 0 3p a g e ( s ) ：4 7 3 4 8 5 + 【3 】) ( i g e nz h o 砜z h e n g 碰n gz h a o ，y 憾蠡m gl i u ，c h a n gq i a n d s p 南a s 酣f l l l l yd i g i 缓 c u r r c n tc o n 勃lf o fp o w e ra m p l 馒e r s p o w e r 融e c 拄o l l i c sa 芏l dm o t i o nc 伽瞳r o l c o n f e 托n c e ，2 o p r o c e 荫i n 铲t h e 豇娃r d1 拣i m a t i o n a lv o l 姗e1 ，l s 一1 9a u g 2 o p a g e ( s ) ：2 6 7 2 7 1 吲n i e l s e n ，k p e d 嚣c 噜n o v e lp 珊s e 羚蠡翳n c e dc o n 订o lm e 出o df o rh i 醇u 西匆 d i g i t a l p w ms 喇蛐g p o w e r锄磷m c a t i o n p o w e re l 昀n i c s s p c c i a l i s t s c o l l f e 瑚c e ，1 9 9 8 ，2 9 t h a n 睦诚班e e v o l 啪e 1 ，1 7 龙2 m a y l 9 9 8 p 8 9 e ( s ) ：2 一2 0 7 【5 】m i d y a p ，r d e d m e r ，b ，b e r g 啦d t ，s d i g i t a lc o r r e c n o no fp w ms 砸t c 嶝n g a m 群i 丘e r s p 臼w e fe l e c t r c 脚c sk 难t e r s ，i e e e 、b l 啪e2 ， i s s u e 2 ， j u n e2 0 0 4 p a g e ( s ) ：6 8 7 2 6 1j a e b o nj e o n 舀g u e 嚣o n g 糙m ，b y e o n g r o k 艏玛c h e 珏。珏ga j 峨g y u h y e o n g c h o am 曲e 箍c i e n c yd a s sa a l i l p l i 矗c ra c c o m p 趾i e db yc l a s sds 谢t c h i n ga n l p l i f i e r 1 3 封 疰太学硬学位论文 1 5 】李序葆，赵永健魄力奄予器 牛及其应用【q 犰槭工娩出敝社，2 0 0 l 。 【l6 】林渭勋。现代电力电子电路【m 】浙江大学出版社，2 0 0 2 17 】n e dm o h a n ，1 b r em u n d e l 甜l d ，w i l l i m ap _ r o b b i n s p o w e re 1 e c 仃o n i c s ： c o 驸瞳e 芏s ，a p p l i c 烈s ，a 艇d e s i g h 【m 】j 幽l w 鑫c y & s 锄s 。l n c ，2 3 。 【18 】国际熬流器公司网页 h t i p ：讹c i f 似晰6 ，e 栅s a d i r c c 搬? c m d = c 种r 喇u c 觑炳l f r 锄e p r d d u c = i r f p 3 6 0 【1 9 】i s a ot a k a h a s l l i ，f e l l o wa n dk 丑z t l l 【i1 w a 弦1 0 0k 玩l ok w 州t 删n g 蛳ep o w c r a l l l p l i f i c ru s i l l gm u l d l e v e li n v e r t e r 2 0 0 14 n lm e ei n t e m a t i o n a lc o n f e r e i l c eo np o w e r e l e c 毂d n i c s 襄n dd 五v es y s l 【e i n s p a g e s ：2 8 6 2 9 1 【2 0 】t 呔a h a 啦，i 。，轴a y a ，k 琢站e 蕊c i e n c y l o wh 锄o m cd i s t o r 蛀雠刚曲i n gt y p e p o w c r 烈l p l 濂e r 璐i n gm u l t i l e v e li i l v e n i p o w e rc o n v e r s i o nc o n f e r e n c e ，2 0 0 2 p r o c e e d i n g so f 雠v o i u m e2 ，2 5a 两l2 2p a g e ( s ) ：3 5 3 3 5 8 【2 l 】a l ( i mn 曲，i 鼢o 出a s h i ，h 妇睡l i 触a 垂an 删n e 油a l - p o i n t l 鼬p c d p w mi n v e n c r i e e et 舢s a c t i o n so n h l d u s 仃y a p p l i c a t i o 璐， v o l l 】i n e i a - 1 7 ，n o 5 ，s e o c t1 9 8 lp a g e ( s ) ：5 1 8 5 2 3 f 2 2 】基于d s p 控制的开关功率放大器的研究，陈世杰，浙江大学硕士学佼论文， 2 0 0 5 。 f 2 3 】下m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 结构、原理及应用， 刘和平等编著，北京航空航天 大学浅舨社，2 0 0 2 。 【2 4 】t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 2d s pc o n t r o l l e r s ， 髓x a si n s t n 勰e n t s ，s p r s 0 9 4 l a p 髓l1 9 9 9 一r e v l s e d s e p t e m b e r2 0 0 3 1 5 浙江大学硕士学位论文 第三章开关功率放大器模块数字控制方案的研究 基于j 二一章关于硬件方案研究现状的介绍，本章第一节介绍了五电平中点箍 位逆交器( f i v e l e v e ln e u t 猕1 p o i n t l 锄p e di n v e r t e f ，简写为“f n l ”) 电路现有 的控制方案并分析其优缺点；随后提出了适合数字信号处理芯片实现的改进控制 方案，该方案有利予引入一种新颖的瓶流侧电容中点电位平衡策略。本章最后通 过实验验诞上述数字控制方案。 3 1f n l 电路现有控制方案的分析 文献f l 】中提出将f n l 电路在开关功率放大器模块中进行应闵并开发出相应 的控制方案，称之为“af i v e l e v e ln p ch e r t e ru s i l l gc a r n e rp h a s e - s h m t c c 碱q u e ”。文献【l 】亦对输爨波形的谐波含爨进行了分析共设计了功率为2 0 w 的模型实证研究。 文献f l 】描述的攘制信号发生方式即是针对圈2 3 的f n l 电鼹。赛3 l 质示 的是f n i 电路的三蜊控制信号产生办法。k 袭示正弦调制信号：v c 表示三角载 波信号；通鬻k 的频攀要高予k 十五倍到二十髂。毽为了表述清楚，圈3 一l 中砭 的频率仅为k 的八倍，文中以下情况雷同。从图3 1 中我们可以看到，k 和k 进 芎亍脉冲宽度调制( 抛l s e w i 鼬一m 醚啦a t i o n ，简写为“p w m ”) 生成两电平的 信号圪；v 8 和k 进行p w m 生成另一个两电平的信号，然后通过减法得到一 个三电平的信号v 。一一。但是我们无法掰v b d 去控制三e 鲥，使工倒输出同 v 。一样的三电平电压波形。 为了解决这个问题，图3 1 提出对吒和圪信号进行异或运算，得到如图3 一l ( e ) 掰示的信号p 南。 知在图3 一l ( f ) 傣号的分解下，可以得到瑟对互孙 的控制信号，即图3 1 ( g ) ( h ) ( i ) ( j ) 。使用这些信号分别驱动工曙d 的开关 管焉、是、墨、爱，印得到三电平的输出电鼷波形如z ( 图3 1 ( k ) ) 。 1 6 浙江大学硕士学位论文 ( a ) ( d ) ( e ) 吩捧心 1 厂 nn 厂一门一 门nn厂 厂 nnf = 0 几几nn 几n8 n 门n 一一门门厂 翼门nn 门f 1 门目 l 以门一一n 几氧 nnnn 广1 门n0 、 in 广1 几门nn i 1 nn 几几nn 厂u h 日厂1n 几门ni 0 几几几几nf 1 l n 门n 门门nn f _ 图3 1 文献【l 】半桥三电乎p w m 控镱债号发生原理图 1 7 s a 圪 p p d 浙江大学硕士学位论文 图3 2 文献【l 】f n i 电路控制信号生成逻辑原理图【l 】 如果将三倒和五瞎口的输出配合使用刚可以得至0 五电平的电捱输出。文献【1 1 提出将控制三e 9 8 的载波信号同控制三曙罐的载波信号相位错开；弗将三倒调 制信号的及相一k 作为上曙艿的调制信号。整个f n i 电路控制信号生成逻辑原理 零请见图3 2 。 上述控制方案的优点在于能够提高开关功率放大器模块输出的等效开关频 搴，攘止输出波形懿谐波含鬟；缺点焱予系统豹输入信号在经过p w m 调制后仍 不能作为驱动信号使用，还需继续进行较繁琐的计算，故不能很好的应用于数字 信号处理芯片1 m s 3 2 组曩2 4 0 7 ( 篱写为“d s p 2 4 0 7 ”) 。 3 2 f n l 电路的改进数字控制方案的研究 为了竞服现有f n i 电路p w m 数字控制方案无法在d s p 2 4 0 7 芯片上直接使用 的缺点，作者提出了改进建议并调试实现。“改进的数字控制方察”由作者与陈 煎杰同学合作完成，作者做出了主要烫献，陈嗣学协助。改进的f n i 电路p w m 信号发生原理如图3 3 f 2 】。与图3 一l ，图3 3 将载波信号 的频率变为图3 一l 中的两倍，为屹；同时为了显示f n i 电路4 对共8 路控制信号的生成原理， 增加另一组载波信号。信号的p w m 原则如下： 1 、和一k p w m 比较生成互补的控制信号s 、墨 当 一毪簿，s 置高电平、岛饕低电平；当嘞 k 时，蜀景高电平、是置低电平；当 一v 。时，s 置高电平、墨置低电平：当v c 。 k 时，氐雹高电平、s 藿低电平；兹v c l k 对，墨鲞高电平、瓯置低 电平； 可以发现强3 3 中的墨、岛、墨、墨和圈3 1 中的墨、麓、墨、蜀完全 相同，故可预知两种控制方案最后得到的五电平输出波形也相同。改进后的f n i 嘏路p w m 控制方案可以直接将生成的信号作为功率开关管的驱动信号，而无需 经过其他数学运算。在d s p 2 4 0 7