專利名稱：脈沖寬度調(diào)制功率變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)的電功率變換。
開關(guān)式功率變換器常常借助于正常H電橋?qū)崿F(xiàn)。舉例來(lái)說(shuō)，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(diào)制器來(lái)控制。AD類特征在于它容易實(shí)現(xiàn)，以及它具有無(wú)共模輸出的優(yōu)點(diǎn)。但是另一方面，它具有某些缺點(diǎn)·存在載波和相互調(diào)制分量的一次諧波。
·在較高功率下，單開關(guān)裝置中的電流變得太高，并且H電橋?qū)崿F(xiàn)不再吸引人。
BD類解決了載波和相互調(diào)制分量的一次諧波問(wèn)題，因?yàn)閮H存在二次諧波以上的高頻分量。另一方面，現(xiàn)在在輸出處存在共模信號(hào)。BD類的功率能力具有和AD類相同的限制，因?yàn)樗彩褂肏電橋。
還已知可借助于PWM來(lái)變換功率，并且在例如下述文獻(xiàn)中已知各種稱為多級(jí)PWM的改進(jìn)，G.Carrara，S.Gardella，M.Marchesoni，R.Salutari&G.Sciutto，“A New Multilevel PWM Method-aTheoretical Analysis”，IEEE Transactions of Power Electronics，Vol7，No.3(July 1992)。其基礎(chǔ)一般是具有多電源電壓級(jí)的開關(guān)功率級(jí)，以及常常是復(fù)雜的控制電路。然而，各開關(guān)仍必須能夠處理全負(fù)載電流，而且這些方法的一般缺點(diǎn)是信號(hào)通路中有二極管所引入的嚴(yán)重畸變。這樣例如對(duì)于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)是有害的，因?yàn)榛円鹂陕犚姷拇胖律炜s噪聲，并且殘留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(diǎn)的不同方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明的目的是·減小差分輸出的高頻含量，·獲得無(wú)共模輸出，
·減小單開關(guān)裝置中的電流。
這個(gè)目的是用根據(jù)本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)的，其具體方法在于總共使用N個(gè)PWM發(fā)生器，在負(fù)載的各側(cè)并聯(lián)連接N/2個(gè)PWM發(fā)生器。各PWM發(fā)生器的調(diào)制通過(guò)載波的N/2個(gè)相移型式而獲得。N/2個(gè)載波在180°或360°范圍內(nèi)均等地分布。
用兩個(gè)或多個(gè)都由單獨(dú)產(chǎn)生的PWM信號(hào)所控制的半橋的可升級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)執(zhí)行變換。PWM信號(hào)由一個(gè)在參考信號(hào)與有載波的幾個(gè)相移型式的反相參考信號(hào)之間的比較獲得，參考信號(hào)可以是模擬或數(shù)字的。對(duì)應(yīng)于參考信號(hào)的產(chǎn)生信號(hào)用在負(fù)載的一側(cè)，而對(duì)應(yīng)于反相參考信號(hào)的PWM信號(hào)用在負(fù)載的另一側(cè)。對(duì)于負(fù)載的各側(cè)，把半橋的輸出加在一起。
通過(guò)智能地控制載波之間的相移，能獲得若干優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明能用于許多應(yīng)用，例如聲頻放大器、電動(dòng)機(jī)控制、DC-DC變換器等等。本發(fā)明被稱為平衡相移載波脈沖寬度調(diào)制(BPSCPWM)。
載波之間相移的數(shù)學(xué)表達(dá)式給定為1)根據(jù)權(quán)利要求2， 2)根據(jù)權(quán)利要求4， N/2個(gè)PWM信號(hào)由載波與參考信號(hào)之間的比較產(chǎn)生。這些信號(hào)在負(fù)載的一側(cè)加在一起。在負(fù)載的另一側(cè)，載波與反相參考信號(hào)比較，并且加在一起。
使用N/2個(gè)載波和N個(gè)半橋的優(yōu)點(diǎn)是·負(fù)載中的電流在負(fù)載一側(cè)的諸半橋之間均勻地分布。這樣將導(dǎo)致單開關(guān)裝置的應(yīng)力減小。
·對(duì)于相移θp的兩種選擇，都將減小高頻含量。
·對(duì)于 ，差模的高頻含量將在N·fs左右用對(duì)應(yīng)的相互調(diào)制分量開始。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(duì)于 ，差模高頻含量，對(duì)于N/2為奇數(shù)，將在N·fs左右開始，而對(duì)于N/2為偶數(shù)，將在 左右開始。對(duì)于N/2為奇數(shù)，共模頻譜將在 左右開始，而對(duì)于N/2為偶數(shù)，在輸出中將無(wú)共模。
以下說(shuō)明本發(fā)明的一種可能實(shí)現(xiàn)。如上所述，產(chǎn)生N個(gè)PWM信號(hào)。比較器執(zhí)行載波與參考信號(hào)之間的比較。簡(jiǎn)單半橋使得來(lái)自比較器的PWM信號(hào)放大。PWM信號(hào)的放大型式的加法借助于電感器執(zhí)行，以便各PWM發(fā)生器通過(guò)一個(gè)電感器與輸出端連接。電感器固然提供濾波，但是進(jìn)一步濾波是可能而適當(dāng)?shù)摹?br> 在N＝4且θp＝π的情況下，通過(guò)使用具有反相和非反相輸出的比較器，獲得特別容易實(shí)現(xiàn)的型式。在這種情況下，有可能僅用一個(gè)載波和兩個(gè)比較器。在這種情況下，來(lái)自比較器的輸出應(yīng)該不像一般敘述那樣連接，而在負(fù)載的兩側(cè)使用反相和非反相輸出，并且兩個(gè)輸出應(yīng)該取自各比較器。
對(duì)于N/2為偶數(shù)且 的情況，存在加法電感器的特別簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)。來(lái)自負(fù)載各側(cè)的兩個(gè)電感器共享一個(gè)電感器芯。一側(cè)的PWM信號(hào)與負(fù)載另一側(cè)的PWM信號(hào)的反相型式共享該電感器芯。
在BPSCPWM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，決定使用多少半橋，以及決定使用哪個(gè)θp，取決于實(shí)際要求。幾個(gè)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(guān)裝置中的電流。單開關(guān)裝置中的電流將隨N增加而減小。
·調(diào)制器的復(fù)雜性隨N而增加。
至于載波，單側(cè)或雙側(cè)信號(hào)或兩者的結(jié)合都是可能的。為了性能最優(yōu)，本發(fā)明要求載波無(wú)DC，因此最好在比較器之前對(duì)載波進(jìn)行高通濾波。
PWM信號(hào)例如能在DSP中數(shù)字化地產(chǎn)生。
能實(shí)現(xiàn)一種控制系統(tǒng)，以改進(jìn)系統(tǒng)線性化。使用全局反饋能做到這一點(diǎn)。而且能在各半橋周圍實(shí)現(xiàn)局部反饋?？梢越Y(jié)合這兩種建議的控制系統(tǒng)。局部反饋拓?fù)鋵?duì)于利用數(shù)字輸入的系統(tǒng)具有明顯可能性，因?yàn)檎Ｈ址答佉笤诜答佂分杏幸粋€(gè)A/D變換器。
本發(fā)明的原理與PWM信號(hào)的利用無(wú)關(guān)，并且與功率放大器級(jí)的構(gòu)造無(wú)關(guān)。
以下將參考附圖敘述本發(fā)明。


圖1表示本發(fā)明的一般調(diào)制器結(jié)構(gòu)。
圖2表示一般調(diào)制器結(jié)構(gòu)和功率級(jí)的可能實(shí)現(xiàn)。
圖3表示在N/2為偶數(shù)且 的情況下，具有簡(jiǎn)單功率級(jí)的調(diào)制器的一個(gè)具體實(shí)施例。
圖4表示在N＝4且θp＝π的情況下，具有簡(jiǎn)單功率級(jí)的調(diào)制器的一個(gè)具體實(shí)施例。
圖5表示用于本發(fā)明的可能載波信號(hào)。
圖6表示具有全局反饋和濾波前反饋兩者的控制系統(tǒng)的一例，它適用于具有模擬輸入的系統(tǒng)。
圖7表示具有各半橋局部反饋的系統(tǒng)。
圖8至圖11表示在N＝4的情況下，本發(fā)明的時(shí)域特性。
圖1表示本發(fā)明的一個(gè)平衡實(shí)施例的一般調(diào)制器結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的輸入Vr(t)(11)為模擬或數(shù)字輸入。參考信號(hào)的反相在(12)執(zhí)行。載波Vc.1(t)(13)是產(chǎn)生載波的其他相移型式的基礎(chǔ)，因?yàn)檫@些載波是在一個(gè)載波與下一個(gè)載波之間相移了角θp(14)。參考信號(hào)與產(chǎn)生的載波比較(15)，并且產(chǎn)生N/2個(gè)PWM信號(hào)，它們加在一起(16)。參考信號(hào)的反相型式也與載波比較，并且產(chǎn)生的N/2個(gè)PWM信號(hào)也加在一起。在PWM信號(hào)的兩個(gè)和之間設(shè)置負(fù)載(17)。
圖2表示平衡解決方案的一種可能的一般實(shí)現(xiàn)。如上所述，參考信號(hào)(21)和載波(22)相比較(23)，產(chǎn)生PWM信號(hào)。產(chǎn)生的PWM信號(hào)控制半橋(24)，這樣引起PWM信號(hào)的放大，因?yàn)镻WM信號(hào)的高態(tài)電壓現(xiàn)在等于電源電壓Vcc。PWM信號(hào)的相加借助于電感器(25)執(zhí)行。電感器還對(duì)所得相加的PWM信號(hào)濾波，而且進(jìn)一步濾波可能是必需的。對(duì)負(fù)載(27)并聯(lián)地添加一個(gè)電容器(26)，則容易做到這一點(diǎn)。這可實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的有效兩級(jí)濾波。在需要更多濾波的情況下，可以應(yīng)用附加的差模或共模濾波器。
圖3表示N/2為偶數(shù)且 的一種選擇方法。如所示，在這種情況下僅要求N/4個(gè)載波。該方法要求N/2個(gè)具有非反相和反相兩個(gè)輸出的比較器。由參考信號(hào)產(chǎn)生的非反相PWM信號(hào)(31)和由反向參考信號(hào)產(chǎn)生的反相PWM信號(hào)(32)用在負(fù)載的一側(cè)，而剩余信號(hào)用在負(fù)載的另一側(cè)。因?yàn)镻WM信號(hào)是反相型式，所以與來(lái)自相同比較器的放大PWM信號(hào)對(duì)應(yīng)的加法電感器共享相同的電感器芯(33)。
圖4表示上述系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。對(duì)于這種情況，N＝4且θp＝π。如所示，僅需要兩個(gè)比較器和一個(gè)載波。而且對(duì)于四個(gè)電感器L，僅使用兩個(gè)電感器芯。
圖5表示可以用于本發(fā)明的三個(gè)不同種類的載波信號(hào)的例子。頭兩個(gè)為鋸齒波，而后一個(gè)為三角波。一般來(lái)說(shuō)，任何周期信號(hào)皆適合于載波。但是應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于雙側(cè)載波，僅對(duì)差模和共模才獲得合意的高頻特性。
圖6表示系統(tǒng)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(hào)的反饋。
圖7表示個(gè)別半橋的局部控制系統(tǒng)。它能與圖6的控制系統(tǒng)結(jié)合。非放大PWM信號(hào)(71)用作一個(gè)與PWM信號(hào)的放大型式(72)的反饋比較的參考。這樣將產(chǎn)生一個(gè)用于校正的誤差信號(hào)(73)。
圖8至圖11表示對(duì)于N＝4的情況，本發(fā)明的結(jié)果時(shí)域特性。在所有這四個(gè)圖中，頂圖表示調(diào)制信號(hào)和交錯(cuò)載波，中圖表示結(jié)果差分輸出信號(hào)，而底圖表示結(jié)果共模輸出。圖8和圖10表示單側(cè)調(diào)制波形，而圖9和圖11表示雙側(cè)調(diào)制波形。后者還表示在兩個(gè)載波在360℃范圍內(nèi)均等地分布，并且載波為雙側(cè)的情況下，在輸出中無(wú)共模信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)的電功率變換的方法，其特征在于在一個(gè)負(fù)載的各側(cè)有N/2個(gè)并聯(lián)PWM發(fā)生器，其中通過(guò)把N/2個(gè)相移型式的載波(12)在負(fù)載的一側(cè)與參考信號(hào)(11)比較，而在負(fù)載的對(duì)側(cè)與反相參考信號(hào)比較，產(chǎn)生N/2個(gè)PWM信號(hào)的調(diào)制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于載波之間的相移(θp)在180°范圍內(nèi)均勻地分布，
3.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于載波之間的相移(θp)在360°范圍內(nèi)均勻地分布，
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3的系統(tǒng)，其特征在于它包括一個(gè)輸入端(21)，用于模擬或數(shù)字輸入，N個(gè)調(diào)制器(23)，由N/2個(gè)相移載波和參考信號(hào)及其反相型式來(lái)控制，以產(chǎn)生N個(gè)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，N個(gè)半橋(24)，各由一個(gè)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)激勵(lì)，N個(gè)具有相等電感的電感器(25)，用于加法和解調(diào)，應(yīng)用差分電容器(26)或共模布置，在輸出前的濾波(26)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4的系統(tǒng)，在 的情況下，其特征在于負(fù)載各側(cè)的電感器共享相同的電感器芯(33)，以便共享該芯的PWM信號(hào)為反相型式。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)，對(duì)于N＝4且θp＝π，其特征在于僅使用一個(gè)載波(41)，并且通過(guò)具有非反相輸出(43)和反相輸出(44)的兩個(gè)比較器(42)，實(shí)行調(diào)制，以便所述各輸出用于負(fù)載的各側(cè)，以及在于非反相輸出和反相輸出用于負(fù)載的任一側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5的系統(tǒng)，其特征在于各載波是鋸齒波、三角波、或鋸齒波和三角波的結(jié)合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5的具有數(shù)字參考信號(hào)的系統(tǒng)，其特征在于各載波數(shù)字化地產(chǎn)生，并且調(diào)制由數(shù)字比較器執(zhí)行。
9.根據(jù)權(quán)利要求4和5的具有模擬參考信號(hào)的系統(tǒng)，其特征在于應(yīng)用一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4和5的系統(tǒng)，其特征在于對(duì)各半橋應(yīng)用一個(gè)控制系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有幾個(gè)載波(22)的利用脈沖寬度調(diào)制的電功率變換。本發(fā)明能使用模擬或數(shù)字輸入(21)。通過(guò)智能控制諸載波之間的相移θ
文檔編號(hào)H02MGK1329771SQ99813911
公開日2002年1月2日 申請(qǐng)日期1999年11月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月30日
發(fā)明者卡斯坦·尼爾森, 弗蘭克·斯沃茲·克里斯坦森, 托馬斯·曼薩奇·弗雷德里克森 申請(qǐng)人:邦及奧盧夫森發(fā)電站公司