一種功率開關放大器共模噪聲抑制方法與流程
2023-05-18 11:41:31 1
本發明涉及一種功率開關放大器的控制方法，具體涉及一種功率開關放大器共模噪聲抑制方法，用於抑制在脈寬調製策略中產生的共模噪聲。
背景技術：
功率開關放大器通常由功率半導體器件，如絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)、MOSFET或其他類型的半導體器件。通常情況下，為了控制功率開關放大器的功率流動，採用脈寬調製(PWM)策略進行控制，而PWM策略將產生電壓的快速變化進而引起差模(DM)噪聲和共模(CM)噪聲，而這些噪聲的產生將對其他敏感性元件的正常工作造成幹擾，甚至影響整個系統的正常使用。
因此，有必要通過調整一定的控制策略抑制共模噪聲。
技術實現要素：
本發明的目的：設計一種用於抑制功率開關放大器的共模噪聲的方法。
本發明的功率開關放大器共模噪聲抑制方法，用於對多個功率開關放大器級聯單元進行控制，每個功率開關放大器級聯單元由兩個全橋逆變器構成的四橋臂逆變器組成，其中四橋臂逆變器的輸入正端和大地之間存在雜散電容C1u，輸入負端與大地之間存在雜散電容C1n，其中一個全橋逆變器的輸出端之間連接有平衡電抗器L1，另一個全橋逆變器的輸出端之間連接有平衡電抗器L2；在相鄰的全橋逆變器之間所述平衡電抗器L1和平衡電抗器L2連接，端部全橋逆變器的平衡電抗器L1和平衡電抗器L2分別通過濾波器(2)與負載線圈(3)連接；
該共模噪聲抑制方法通過調整PWM控制策略的調製順序實現功率開關放大器的軟開關控制，其中在同一時刻對每一個功率開關放大器級聯單元輸入的開關管控制信號相同，並且每一個功率開關放大器級聯單元中同時有兩個上開關管接通，兩個下開關管接通。
所述平衡電抗器L1採用電感。
有益效果：本發明通過功率開關放大器控制策略的改變抑制了共模噪聲，無需增加額外的濾波器將減小系統的體積和重量，並減小甚至消除了共模噪聲，使得系統的穩定性更高。
附圖說明
圖1是2個單元級聯的功率開關放大器結構框圖；
圖2是n個單元級聯的功率開關放大器結構框圖；
圖3是級聯功率開關放大器的共模環路阻抗等效電路；
圖4是開關序列1共模電壓幅值；
圖5是開關序列2共模電壓幅值；
圖6是開關序列3共模電壓幅值；
圖7是開關序列4共模電壓幅值。
其中，1-功率開關放大器級聯單元、2-濾波器、3-負載線圈、4-共模噪聲等效電壓源、5-濾波器等效阻抗、6-線纜等效阻抗、7-雜散電容等效阻抗
具體實施方式
下面通過具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明。
本發明的共模噪聲抑制策略可以在功率開關放大器級聯結構中實現，每個級聯單元由兩個全橋逆變器構成的四橋臂逆變器組成。兩個全橋逆變器通過兩個平衡電抗器連接，平衡電抗器的中點用來連接不同級聯單元和負載。選擇特定的開關序列可以實現兩個目的，首先選擇的特定序列需要保證每個級聯單元中全橋逆變器的兩個橋臂之間的相移，能夠產生足夠的環流以保證零電壓開關(ZVS)的實現；其次，選擇的特定序列可以將功率開關放大器引起的共模電壓幅值控制的最小。在某些情況下，特定的調製方式可以將引起共模電流的共模電壓完全消除。
功率開關放大器級聯結構的電路框圖如圖1所示，該拓撲結構包含2個級聯單元1，每個單元均由獨立電源供電。半導體器件和電源輸入對地均存在雜散電容，兩個級聯單元通過線纜與負載線圈3相連。
正如前文提到，共模噪聲對於系統中的敏感器件將產生嚴重的問題。負載線圈兩端的等效平均電壓定義為共模電壓，共模電壓充當噪聲源，噪聲源和等效環路阻抗產生的共模電流如圖1中兩個單元級聯的功率開關放大器結構框圖中用icm表示。為了減小共模噪聲，在功率放大器的輸出端通常需要濾波器。圖3中共模電壓的幅值可用式(1)表示：
由於兩個四橋臂的全橋逆變器通過平衡電抗器連接，定義平衡點航企的中點為電位O，式(1)需要滿足式(2)：
由於兩個電源輸入不共地，雜散電容上電壓可以如下表示：
Vc1u＝Vc1n+Vdc (3)
Vc2u＝Vc2n+Vdc (4)
Vc1u+Vc1n+Vc2u+Vc2n＝cons tan t (5)
基於以上各式，兩個四橋臂的全橋逆變器的雜散電容(C1u,C2u,C1n,C2n)的充電過程是一個瞬態平衡過程，即所有的電容電壓在不同開關組合中和是一個常數。如果假設雜散電容C1n和C2n在開關矢量(0,0,0,0,0,0)作用時初始電壓為Vo，C1u和C2u的初始電壓為Vo+Vdc。那麼，根據式(1)～(5)可以推導出不同狀態下的共模電壓。
下文給出不同開關序列作用下對於共模電壓的影響的實施案例，採用開關序列1的脈寬調製策略，其中1表示單橋臂上管開通，下管關斷，0表示單橋臂上管關斷，下管開通。根據式(1)～(5)可以推導出不同狀態下的共模電壓，如圖4所示，共模噪聲的幅值為±0.5Vdc。
表1開關序列1
採用開關序列2的脈寬調製策略，根據式(1)～(5)可以推導出不同狀態下的共模電壓，如圖5所示，共模噪聲的幅值為±0.25Vdc，共模噪聲幅值減小，得到一定抑制。
表2開關序列2
採用開關序列3的脈寬調製策略，根據式(1)～(5)可以推導出不同狀態下的共模電壓，如圖6所示，共模噪聲的幅值為±0.25Vdc，相比於開關序列1的控制方法，共模噪聲幅值減小，得到一定抑制。
表3開關序列3
採用開關序列4的脈寬調製策略，根據式(1)～(5)可以推導出不同狀態下的共模電壓，如圖7所示，可以看出，通過開關序列4的控制方法，可以使得共模噪聲的幅值為0，將共模噪聲完全抑制。
表4開關序列4