脈衝寬度調製功率變換器的製作方法

2023-10-25 16:19:32

專利名稱：脈衝寬度調製功率變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及使用脈衝寬度調製(PWM)的電功率變換。
開關式功率變換器常常藉助於正常H電橋實現。舉例來說，如Journal of the Audio Engineering Society，Jul/Aug.1997，pp.554-570所述，這種功率變換器能由AD類或BD類調製器來控制。AD類特徵在於它容易實現，以及它具有無共模輸出的優點。但是另一方面，它具有某些缺點·存在載波和相互調製分量的一次諧波。
·在較高功率下，單開關裝置中的電流變得太高，並且H電橋實現不再吸引人。
BD類解決了載波和相互調製分量的一次諧波問題，因為僅存在二次諧波以上的高頻分量。另一方面，現在在輸出處存在共模信號。BD類的功率能力具有和AD類相同的限制，因為它也使用H電橋。
還已知可藉助於PWM來變換功率，並且在例如下述文獻中已知各種稱為多級PWM的改進，G.Carrara，S.Gardella，M.Marchesoni，R.SalutariG.Sciutto，「A New Multilevel PWM Method-aTheoretical Analysis」，IEEE Transactions of Power Electronics，Vol7，No.3(July 1992)。其基礎一般是具有多電源電壓級的開關功率級，以及常常是複雜的控制電路。然而，各開關仍必須能夠處理全負載電流，而且這些方法的一般缺點是信號通路中有二極體所引入的嚴重畸變。這樣例如對於電動機驅動是有害的，因為畸變引起可聽見的磁致伸縮噪聲，並且殘留DC分量可能誘使飽和。在聲頻放大器中，畸變明顯地是不可容忍的。因此需要一種避免上述缺點的不同方法。更具體地說，本發明的目的是·減小差分輸出的高頻含量，·獲得無共模輸出，
·減小單開關裝置中的電流。
這個目的是用根據本發明的方法實現的，其具體方法在於總共使用N個PWM發生器，在負載的各側並聯連接N/2個PWM發生器。各PWM發生器的調製通過載波的N/2個相移型式而獲得。N/2個載波在180°或360°範圍內均等地分布。
用兩個或多個都由單獨產生的PWM信號所控制的半橋的可升級結構來執行變換。PWM信號由一個在參考信號與有載波的幾個相移型式的反相參考信號之間的比較獲得，參考信號可以是模擬或數字的。對應於參考信號的產生信號用在負載的一側，而對應於反相參考信號的PWM信號用在負載的另一側。對於負載的各側，把半橋的輸出加在一起。
通過智能地控制載波之間的相移，能獲得若干優點。本發明能用於許多應用，例如聲頻放大器、電動機控制、DC-DC變換器等等。本發明被稱為平衡相移載波脈衝寬度調製(BPSCPWM)。
載波之間相移的數學表達式給定為1)根據權利要求2， 2)根據權利要求4， N/2個PWM信號由載波與參考信號之間的比較產生。這些信號在負載的一側加在一起。在負載的另一側，載波與反相參考信號比較，並且加在一起。
使用N/2個載波和N個半橋的優點是·負載中的電流在負載一側的諸半橋之間均勻地分布。這樣將導致單開關裝置的應力減小。
·對於相移θp的兩種選擇，都將減小高頻含量。
·對於 ，差模的高頻含量將在N·fs左右用對應的相互調製分量開始。fs是載波頻率。共模高頻含量將在載波頻率的一次諧波左右開始。
·對於 ，差模高頻含量，對於N/2為奇數，將在N·fs左右開始，而對於N/2為偶數，將在 左右開始。對於N/2為奇數，共模頻譜將在 左右開始，而對於N/2為偶數，在輸出中將無共模。
以下說明本發明的一種可能實現。如上所述，產生N個PWM信號。比較器執行載波與參考信號之間的比較。簡單半橋使得來自比較器的PWM信號放大。PWM信號的放大型式的加法藉助於電感器執行，以便各PWM發生器通過一個電感器與輸出端連接。電感器固然提供濾波，但是進一步濾波是可能而適當的。
在N＝4且θp＝π的情況下，通過使用具有反相和非反相輸出的比較器，獲得特別容易實現的型式。在這種情況下，有可能僅用一個載波和兩個比較器。在這種情況下，來自比較器的輸出應該不像一般敘述那樣連接，而在負載的兩側使用反相和非反相輸出，並且兩個輸出應該取自各比較器。
對於N/2為偶數且 的情況，存在加法電感器的特別簡單的實現。來自負載各側的兩個電感器共享一個電感器芯。一側的PWM信號與負載另一側的PWM信號的反相型式共享該電感器芯。
在BPSCPWM系統的實現中，決定使用多少半橋，以及決定使用哪個θp，取決於實際要求。幾個因素可能影響該決定·共模頻譜中的希望高頻含量。該高頻含量將隨N增加而減小。
·差模頻譜中的高頻含量。該高頻含量將隨N增加而減小。
·開關裝置中的電流。單開關裝置中的電流將隨N增加而減小。
·調製器的複雜性隨N而增加。
至於載波，單側或雙側信號或兩者的結合都是可能的。為了性能最優，本發明要求載波無DC，因此最好在比較器之前對載波進行高通濾波。
PWM信號例如能在DSP中數位化地產生。
能實現一種控制系統，以改進系統線性化。使用全局反饋能做到這一點。而且能在各半橋周圍實現局部反饋。可以結合這兩種建議的控制系統。局部反饋拓撲對於利用數字輸入的系統具有明顯可能性，因為正常全局反饋要求在反饋通路中有一個A/D變換器。
本發明的原理與PWM信號的利用無關，並且與功率放大器級的構造無關。
以下將參考附圖敘述本發明。


圖1表示本發明的一般調製器結構。
圖2表示一般調製器結構和功率級的可能實現。
圖3表示在N/2為偶數且 的情況下，具有簡單功率級的調製器的一個具體實施例。
圖4表示在N＝4且θp＝π的情況下，具有簡單功率級的調製器的一個具體實施例。
圖5表示用於本發明的可能載波信號。
圖6表示具有全局反饋和濾波前反饋兩者的控制系統的一例，它適用於具有模擬輸入的系統。
圖7表示具有各半橋局部反饋的系統。
圖8至圖11表示在N＝4的情況下，本發明的時域特性。
圖1表示本發明的一個平衡實施例的一般調製器結構。系統的輸入Vr(t)(11)為模擬或數字輸入。參考信號的反相在(12)執行。載波Vc.1(t)(13)是產生載波的其他相移型式的基礎，因為這些載波是在一個載波與下一個載波之間相移了角θp(14)。參考信號與產生的載波比較(15)，並且產生N/2個PWM信號，它們加在一起(16)。參考信號的反相型式也與載波比較，並且產生的N/2個PWM信號也加在一起。在PWM信號的兩個和之間設置負載(17)。
圖2表示平衡解決方案的一種可能的一般實現。如上所述，參考信號(21)和載波(22)相比較(23)，產生PWM信號。產生的PWM信號控制半橋(24)，這樣引起PWM信號的放大，因為PWM信號的高態電壓現在等於電源電壓Vcc。PWM信號的相加藉助於電感器(25)執行。電感器還對所得相加的PWM信號濾波，而且進一步濾波可能是必需的。對負載(27)並聯地添加一個電容器(26)，則容易做到這一點。這可實現輸出信號的有效兩級濾波。在需要更多濾波的情況下，可以應用附加的差模或共模濾波器。
圖3表示N/2為偶數且 的一種選擇方法。如所示，在這種情況下僅要求N/4個載波。該方法要求N/2個具有非反相和反相兩個輸出的比較器。由參考信號產生的非反相PWM信號(31)和由反向參考信號產生的反相PWM信號(32)用在負載的一側，而剩餘信號用在負載的另一側。因為PWM信號是反相型式，所以與來自相同比較器的放大PWM信號對應的加法電感器共享相同的電感器芯(33)。
圖4表示上述系統的一個實施例。對於這種情況，N＝4且θp＝π。如所示，僅需要兩個比較器和一個載波。而且對於四個電感器L，僅使用兩個電感器芯。
圖5表示可以用於本發明的三個不同種類的載波信號的例子。頭兩個為鋸齒波，而後一個為三角波。一般來說，任何周期信號皆適合於載波。但是應該強調的是，對於雙側載波，僅對差模和共模才獲得合意的高頻特性。
圖6表示系統的一般控制。該圖表示輸出反饋(61)和輸出前反饋(62)的可能性，反饋將是PWM信號的反饋。
圖7表示個別半橋的局部控制系統。它能與圖6的控制系統結合。非放大PWM信號(71)用作一個與PWM信號的放大型式(72)的反饋比較的參考。這樣將產生一個用於校正的誤差信號(73)。
圖8至圖11表示對於N＝4的情況，本發明的結果時域特性。在所有這四個圖中，頂圖表示調製信號和交錯載波，中圖表示結果差分輸出信號，而底圖表示結果共模輸出。圖8和圖10表示單側調製波形，而圖9和圖11表示雙側調製波形。後者還表示在兩個載波在360℃範圍內均等地分布，並且載波為雙側的情況下，在輸出中無共模信號。
權利要求
1.一種使用脈衝寬度調製(PWM)的電功率變換的方法，其特徵在於在一個負載的各側有N/2個並聯PWM發生器，其中通過把N/2個相移型式的載波(12)在負載的一側與參考信號(11)比較，而在負載的對側與反相參考信號比較，產生N/2個PWM信號的調製。
2.根據權利要求1的系統，其特徵在於載波之間的相移(θp)在180°範圍內均勻地分布，
3.根據權利要求1的系統，其特徵在於載波之間的相移(θp)在360°範圍內均勻地分布，
4.根據權利要求1至3的系統，其特徵在於它包括一個輸入端(21)，用於模擬或數字輸入，N個調製器(23)，由N/2個相移載波和參考信號及其反相型式來控制，以產生N個脈衝寬度調製信號，N個半橋(24)，各由一個脈衝寬度調製信號激勵，N個具有相等電感的電感器(25)，用於加法和解調，應用差分電容器(26)或共模布置，在輸出前的濾波(26)。
5.根據權利要求1至4的系統，在 的情況下，其特徵在於負載各側的電感器共享相同的電感器芯(33)，以便共享該芯的PWM信號為反相型式。
6.根據權利要求5的系統，對於N＝4且θp＝π，其特徵在於僅使用一個載波(41)，並且通過具有非反相輸出(43)和反相輸出(44)的兩個比較器(42)，實行調製，以便所述各輸出用於負載的各側，以及在於非反相輸出和反相輸出用於負載的任一側。
7.根據權利要求1至5的系統，其特徵在於各載波是鋸齒波、三角波、或鋸齒波和三角波的結合。
8.根據權利要求1至5的具有數字參考信號的系統，其特徵在於各載波數位化地產生，並且調製由數字比較器執行。
9.根據權利要求4和5的具有模擬參考信號的系統，其特徵在於應用一個反饋控制系統。
10.根據權利要求4和5的系統，其特徵在於對各半橋應用一個控制系統。
全文摘要
本發明涉及具有幾個載波(22)的利用脈衝寬度調製的電功率變換。本發明能使用模擬或數字輸入(21)。通過智能控制諸載波之間的相移θ
文檔編號H02MGK1329771SQ99813911
公開日2002年1月2日 申請日期1999年11月30日 優先權日1998年11月30日
發明者卡斯坦·尼爾森, 弗蘭克·斯沃茲·克裡斯坦森, 託馬斯·曼薩奇·弗雷德裡克森 申請人:邦及奧盧夫森發電站公司