一種級聯型開關功率放大器設計原理與成果

王 瓊

江蘇慧智能源工程技術創新研究院有限公司（江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著科學的進步和科技的發展，功率放大器的應用范圍越來越廣泛，生活中最常接觸的功率放大裝置有廣播、通信發射機等，傳統的功率放大器一般采用三極管或場效應管將電源的功率轉換為按照輸入信號變化的電流，經過不斷的電流放大，就完成了功率放大。文章圍繞功率放大功能展開，利用電力電子元器件設計了一款級聯型的開關型功率放大器，采用雙電平H橋級聯、高頻變壓器隔離、PWM波四象限控制，能量雙向流動，且輸出紋波小、波形質量高，相對傳統的功率放大器有突出的優點。

1 級聯型開關設計原理

主電路拓撲圖如圖1所示，交流230 V輸入，經過級聯H橋輸出6路，60 V直流，通過總線供給6路隔離雙向DC/DC。隔離雙向DC/DC將60 V電壓轉成35 V，供給6個H橋以及一路模擬輸出，實現輸入與輸出功率雙向流動，并且實現35 V側的電壓隔離。

圖1 系統主電路拓撲

輸入側6個H橋級聯輸出電壓最高254 V，采用單相四象限控制技術，維持60 V側電壓穩定。

輸出側5個H橋直流側采用隔離DC/DC的35 V供電，交流輸出側互相級聯，構成一個11電平電壓源，每個電平35 V，單個H橋的橋臂開關頻率200 kHz，通過錯相調制系統等效開關頻率為2 MHz。

H橋級聯輸出通過LCL濾波，同時在C上并聯阻尼RC，電容1.1 uF，電阻1.1 k。LCL濾波電感39 uH，濾波電容0.22 uF，濾波器的帶寬為，約為54 kHz。為提高電源的輸出的小信號的帶寬與精度，在輸出H橋級聯電源的輸出上串聯一個低壓線性電源用于補償電源輸出偏差。線性電源輸出電壓范圍±15 V，帶寬200 kHz。

將隔離DC/DC和輸入輸出H橋集成在一起構成功率單元，系統包含5個功率單元。所有開關管選用英飛凌MOSFET型號IPD50N06S4-09，額定電流50 A，滿足負載短時過流要求。

雙向隔離DC/DC采用全橋拓撲結構，可以實現功率的雙向流動。高頻變壓器的扎比是60∶35，變壓器串聯阻感，電感值依據實際的高頻變壓器的漏感調節，保證在開關頻率50 kHz時，電流在額度范圍。串聯電阻是為了抑制變壓器的直流偏置[1]。

2 控制算法設計

該電源通過檢測輸出電壓查表來控制輸出電流，電流采用PI閉環模式。

閉環控制采用電壓外環、電流內環、雙閉環控制。電壓外環反饋LC濾波器后的輸出電壓與指定電壓比較經PID運算輸出指定電流。電流內環反饋LC濾波器上電感的電流與指定電流比較經PI運算輸出調制系數，經過載波移相控制輸出20路H橋控制脈沖[2]。

采用雙閉環控制可以消除LC諧振對系統影響，電流內環傳遞函數如下：

3 級聯型開關設計成果

主要技術指標：（1）工作溫度-10～40 ℃，環境濕度為79%～84%。（2）供電電壓220 VAC±20%，(50±10)Hz。（3）輸出電壓兩種規格，-150～+150 V或-325～+325 V。（4）輸出電流額度5 A，瞬態過流20 A。（5）輸出具有過流、過壓保護功能，保護值可以通過軟件設定，并可以通過界面顯示錯誤信息。（6）隔離電壓1 500 V。（7）可以設置V/I特性曲線（4 096個數據點），用以模擬各種復雜負載，如等離子特性、電池等。（8）額度工況時模擬負載電壓與電流控制精度小于0.5%。（9）主要對外接口為1路以太網與上位機通信接口，協議采用UDP-MODBUS。

實際MOSFET做的級聯型開關功率放大器實測輸出波形如圖2所示。

圖2 級聯型開關功率放大器實測輸出波形

4 結束語

級聯型開關功率放大器可以替代傳統線性功率放大器，用于電力系統實時功率在環半實物仿真；用于汽車電子元器件測試，模擬各種電源故障；用于模擬航空發電機，測試航空電子設備等。綜上，級聯型開關功率放大器可以更好地替換傳統線性功率放大器，有很廣泛的應用范圍。