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模拟技术相关技术文章适合于高功率放大器系统的单元拓扑和数字控制原理研究

引言

功率放大器在音频功放、发射系统、伺服系统、声纳探测、振动测试等很多领域都得到广泛的应用。传统的功率放大器采用线性放大电路,其效率较低(40%~60%),且体积大,故应用领域受到限制。为了解决传统功率放大器的缺点,开关功率放大器应运而生。

目前国内外在高功率(5kW以上)放大器系统设计中,为了满足功率要求普遍使用IGBT为主的全桥逆变拓扑。相比之下,以MOSFET为功率器件的高功率放大器系统的设计方案只占少数,而且其开发的控制方式不能够很好地解决系统模块间的均流控制,以及电容器中点电位控制等问题。故急需开发出以MOSFET为主的高功率放大器系统,以可靠地提高放大器系统的性能。本文提出了一种适合于高功率放大器系统模块化使用的逆变单元,并详细介绍了单元的拓扑和数字控制原理,实验结果证明了它的良好性能。

1、主电路拓扑

传统的两电平全桥逆变拓扑应用于高功率放大器系统时,由于受到器件耐压的限制,难以使用频率较高的MOSFET,故系统性能无法有效提高。借鉴了已有的研究,我们采用提出的五电平二极管中点钳位逆变拓扑(“Five-Level NPC Inverter”,以下简写为“FNI”)作为基础功率单元。图1所示为FNI电路。

适合于高功率放大器系统的单元拓扑和数字控制原理研究

图1FNI电路

这种FNI结构的基础——NPC逆变拓扑,最早是由Nable等人于1981年提出的。与传统两电平变换器相比,有以下优点:在大功率系统中,将功率器件直接串联使用而无须外加辅助电路;器件耐压极限降至直流侧电压的一半,使器件的选取变得灵活;输出波形中谐波成分相对于两电平变换器大为减少,减轻了滤波环节负担;负载上电压纹波减小,抑止了电磁干扰问题。