大功率全數字功率放大器研究

張紅彩，田看麗，陳晨，張旺，張奎華

（1.北京強度環境研究所，北京 100076； 2.北京市振動測試設備工程技術研究中心，北京 100076）

引言

功率放大器是電動振動測試系統中的關鍵設備，主要由直流電源、主電路、控制電路、輸出濾波器和顯示通訊電路等幾部分組成[1]，它能夠將控制器發出的微小控制信號經過電力電子變換后得到功率放大的信號，從而驅動振動臺動圈按照設定的運動軌跡進行振動[2]。

傳統功率放大器普遍都是模擬控制系統[3]，電路結構比較簡單，但是分立元件多，可靠性差。隨著數字電路技術的發展，尤其是DSP技術的應用，國內外功率放大器廠商也都相應的進行數字化研究工作，數字PWM調制和PID控制算法都在DSP中實現[4,5]，取得了一定的試驗研究效果，但是由于DSP輸出通道數的限制以及控制效果不佳等原因，并沒有應用到實際產品當中。倒是功放操作界面方面由于單片機或者PLC技術的應用得到了不少提升，從傳統按鍵和模擬表頭升級為電阻觸摸屏，操作更加方便，顯示信息更加豐富[6]。

在逆變主電路方面，傳統功率放大器一般采用全橋逆變電路[7]，結構簡單，容易實現，控制方式成熟。隨著航天、航空、武器、鐵路等軍民領域的迅速發展，越來越多的產品對振動試驗的振動量級和振動設備本身長時間工作的可靠性提出更高的要求，而在大功率設備應用中，全橋逆變電路的功率開關器件往往處于高頻工作狀態，發熱量大，其散熱系統和濾波系統設計比較困難，所以功率難以提升，系統效率也隨之降低。為了提高輸出功率密度，水冷散熱技術成功應用在大功率輸出功放系統中[8,9]，高效提升了全橋逆變電路的輸出能力，但是水冷散熱結構的高工藝成本和介質泄露風險也一直備受詬病。

針對上述問題，本文提出一種大功率全數字功率放大器設計方法，基于ARM+FPGA全數字控制技術以及多重化載波移相逆變技術，采用風冷散熱方式就能獲得大功率輸出能力，極大提高了功率放大器的功率密度。根據該方法研制了一套功率放大器樣機，測試結果顯示功放運行穩定可靠，性能指標良好。

1 系統構成及工作原理

大功率全數字功率放大器主要由操作界面、系統數字控制電路、模塊數字控制電路、輸出反饋電路、IGBT驅動電路、直流電源電路、功率逆變電路、濾波電路等幾部分組成，如圖1所示。操作界面提供友好的人機交互界面，以方便使用者操作、維護和搜集設備信息。系統數字控制電路負責采集整個振動臺系統以及功放內部各種運行狀態參數并進行前期信號調理，判斷功放連鎖保護邏輯，然后與操作界面通訊控制功放啟停。模塊數字控制電路接收功放給定控制信號和輸出反饋信號，經過數字控制算法和數字脈寬調制運算處理得到PWM驅動信號，然后輸送到IGBT驅動模塊，從而控制功率模塊逆變電路開關管的通斷。輸出反饋電路負責采集模塊輸出的電壓和電流，然后經過模數轉換后傳送給功放控制系統。IGBT驅動電路將控制電路輸出的PWM驅動信號進行隔離和放大，為IGBT開關過程提供充足的驅動功率。直流電源電路從電網取得380 V交流電壓，通過整流、濾波為功率逆變電路提供直流電壓。功率逆變電路是由IGBT開關器件構成的逆變電路，它將直流電源電路整流而來的直流電壓逆變成PWM脈沖交流電。濾波電路將逆變電路輸出的PWM脈沖波形進行低通濾波，從而得到功率放大的控制信號驅動振動臺工作。

圖1 大功率全數字功率放大器系統框圖

2 功率逆變電路設計

功率逆變電路是由全控器件IGBT構成的多重化載波移相逆變電路，是整個功率放大器功率變換的核心，它將直流電源電路整流而來的直流電壓逆變成PWM脈沖交流電，再通過LC低通濾波電路得到所需的波形，然后送入振動臺動圈。圖2所示虛線框內為功率逆變和濾波電路結構圖，上下半橋各由三個IGBT橋臂組成，每個橋臂的開關頻率為25 kHz，橋臂輸出端經過濾波電感后在a、b點進行疊加，然后并聯濾波電容后輸出給負載RL。每個橋臂組合采用相同的調制的信號，各三角載波的相位相互錯開三角載波周期的1/3，即120 °，載波移相輸出疊加之后的等效開關頻率為每個橋臂開關頻率的3倍[10]。而上下半橋之間采用單極性倍頻調制技術，即上下半橋所用的調制信號極性相反，這樣a、b點之間輸出波形的等效開關頻率為每個半橋開關頻率的2倍。因此，最終a、b點之間輸出波形的等效開關頻率為每個橋臂開關頻率的6倍，也就是150 kHz。

圖2 功率逆變和濾波電路結構圖

為了更加直觀的理解多重化載波移相逆變電路工作原理，將三角載波的頻率設為5 kHz，調制波的頻率設為1 kHz，濾波電感設為100 uH，去掉濾波電容，功率逆變電路仿真波形如圖3所示。其中，Vma是上半橋的調制信號，Vmb是下半橋的調制信號，Vcarr1、Vcarr2、Vcarr3分別是上半橋三個橋臂的三角載波信號，它們之間的相位相互錯開120 °，Va是a點的波形，VL是負載兩端波形。從仿真波形圖中可以看出，a點波形的開關頻率是載波頻率的3倍，負載兩端波形的開關頻率是載波頻率的6倍，并且獲得7電平輸出。

圖3 功率逆變電路仿真波形圖

3 系統數字控制電路設計

系統數字控制電路主要包含主控ARM處理器、主控FPGA、信號濾波與調理電路、模擬驅動電路、AD采樣電路、DA轉換電路、保護狀態輸入輸出電路、數字增益調節電路、CAN總線接口電路、以太網接口電路以及觸摸顯示電路等，如圖4所示。

圖4 系統數字控制電路框圖

系統數字控制電路采用ARM作為核心CPU，掛載WinCE操作系統，實現對FPGA擴展的AI、AO、DIO和CAN總線等功能的操作。主控ARM芯片采用意法半導體的STM32F4X系列MCU作為主處理芯片，基于ARM的Cortex-M4內核，主頻最高達168MHz，內部FLASH高達1 MB，片上RAM達192 KB。主控ARM通過串口與觸摸液晶屏通信，實現操作界面UI的控制，同時通過片上以太網接口與遠程終端電腦通信，用于實現系統的遠程控制。系統產生的運行日志則存儲于SPI FLASH中，便于USB接口導出日志。STM32F4X系列支持1路USBOTG，這樣可以實現U盤的內存讀寫和操作。主處理器通過片上GPIO點亮系統運行指示燈，如電源、預備、報警指示燈等。

主控FPGA芯片主要用來控制AI、AO、IO和CAN協議芯片的底層時序和接口，并進行必要的數據處理，相當于主控ARM的協處理器。主控FPGA通過ADC采集實現對系統的三相電壓、總輸出電壓及電流的監控，通過CAN總線與各個功率模塊控制板通信，實現對各模塊控制板的調度及控制。由于功率放大器處在高頻開關環境中，功放柜和功率模塊中都存在大量電磁干擾和電磁輻射，各種進出電路接口的模擬量和開關量容易受到環境干擾，相互之間也容易互相串擾，因此基礎濾波是必不可少的，此外還要做好各種信號隔離電路設計。各通道信號通過隔離運放和獨立供電實現互相電氣隔離，并與板內電路電氣隔離。各通道開關量處理起來相對容易，通過光耦隔離芯片即可實現電氣隔離。

4 模塊數字控制電路設計

模塊數字控制電路包含數字脈寬調制和數字控制算法，可以說是整個功率放大器數字化的關鍵所在。模塊數字控制電路框圖如圖5所示，模塊輸入信號和輸出反饋信號通過信號調理電路和A/D轉換電路產生數字信號，該數字信號通過FPGA的I/O端口輸入到FPGA的PID算法模塊，該模塊用于產生PWM調制所需的調制波。FPGA通過三角波產生模塊生成的載波和調制波通過PWM調制模塊進行SPWM調制，從而得到多通道、高精度PWM輸出波形，最終輸出到IGBT驅動電路。

圖5 模塊數字控制電路框圖

模塊數字控制電路核心FPGA芯片選用ALTERA公司生產的Cyclone IV系列EP4CE115F29I7N芯片，該芯片是Cyclone IV系列中資源最豐富的一款，擁有114480個邏輯單元，528個I/O端口，3888 kbit內存，此外還具有266個嵌入式乘法器，非常適合實現載波移相計算和電壓電流雙閉環控制算法，滿足12路高精度PWM輸出要求。

整個功率放大器控制系統由1個電壓外環和多個電流內環構成，每個功率模塊控制器內部有1個電流內環，如圖6所示。電壓外環通過跟蹤功放輸入譜型信號控制功放總輸出電壓，經過PID運算處理后的外環輸出信號作為功率模塊控制器的輸入信號。功率模塊內部采用電感電流作為內環反饋信號，對電感電流進行控制可以實現對輸出電壓的微分超前控制，這樣一來功率放大器不僅響應速度快，而且具有很強的負載適應能力，每個模塊能夠根據自身輸出電流信號與電流給定信號的差值進行PWM調制，自動實現均流。使用數字PID控制算法能夠獲得更高的可靠性，便于維護，而且控制算法靈活，便于在線修改方案。

圖6 控制系統框圖

5 驅動電路設計

驅動電路基于瑞士CONCEPT公司的雙通道、大功率驅動模塊2SC0435T而設計，如圖7所示，主要包含以下幾個部分：控制信號接口電路、電源濾波電路、輸入信號調理電路、錯誤信號處理電路、死區時間生成電路、IGBT接口電路、有源箝位電路、過流保護電路和IGBT吸收電路。

圖7 驅動電路結構框圖

控制信號接口電路是控制模塊和功率模塊之間負責信號傳輸的電路，它的主要功能是將功放控制模塊給出的調制信號一分為二，分別給兩個半橋模塊驅動，同時交換使能信號和保護信號。輸入信號調理電路接收控制信號接口電路傳輸過來的PWM信號，然后進行濾波、整形處理后傳送給驅動芯片。錯誤信號處理電路接收驅動芯片傳輸過來的錯誤信息，然后進行上拉、鉗位、緩沖處理后傳送給控制信號接口電路。死區時間生成電路為驅動芯片提供死區時間，防止上下橋臂直通。有源箝位電路用來鉗住IGBT的集電極電位，使其不要到達太高的水平，避免IGBT在故障狀態關斷時電壓尖峰過高而損壞。過流保護電路通過檢測IGBT集電極-發射極電位，送入驅動芯片進行比較，在集電極-發射極電壓超過預設的閾值時，立即關斷IGBT，從而保護IGBT不會因過流或者短路而燒毀，提高系統可靠性。IGBT吸收電路用來吸收IGBT在開通和關斷時產生的電壓尖峰。

6 操作界面設計

大功率全數字功率放大器設計了本地觸摸屏和遠程監控電腦兩種操作界面，兩種界面通過設置選項決定單一操作界面進行控制，另一操作界面失去控制功能，但仍然可以查看功放運行狀態信息。本地觸摸顯示屏采用7英寸電容屏，分辨率800×400，5點電容觸控，RGB屏幕，觸摸屏顯控軟件基于Linux操作系統。相比電阻觸摸屏，電容觸摸屏操作更加便利、流暢，視覺效果好，清晰度高。遠程操作界面采用Visual Studio平臺MFC進行開發，和本地觸摸屏操作界面完全一樣，便于用戶操作使用。振動臺系統操作界面采用主窗口與子窗口相結合的方式進行設計，其中主窗口包含5個界面，子窗口包含8個界面，主要結構如圖8所示。

圖8 操作界面結構框圖

7 樣機試驗結果

圖9所示為大功率全數字功率放大器樣機，樣機由1個主柜和1個功率柜組成，功率柜內部包含4個功率模塊，每個功率模塊額定輸出功率60 kVA，每個功率柜輸出功率可達240 kVA。機箱機柜全部采用風冷散熱，樣機測試各項指標均滿足要求，功率密度達到傳統風冷散熱功放的3倍。樣機中的觸摸屏為功放實際操作界面，界面觸摸敏感度高，視覺效果好，清晰度高，內容豐富。

圖9 樣機實物

圖10所示為功放正弦掃頻實測輸出波形，1通道波形為輸出電壓波形，2通道波形為輸出電流波形，從圖中可以看出，輸出波形穩定，信噪比高，失真度小。

圖10 實測功放輸出波形

8 結論

1）相比于全橋逆變電路，多重化載波移相逆變電路結構能夠在較低的器件開關頻率工作下獲得較高開關頻率輸出效果，在提高裝置容量的同時，有效地減少輸出諧波，從而使得逆變電路IGBT工作更加穩定可靠，功率模塊發熱量顯著降低，濾波系統容量變小，整個功率系統的性能指標得到優化，成本也得到降低，特別適合大功率設備應用場合。

2）使用ARM作為功率放大器系統控制電路核心處理單元，功能強大，資源豐富，滿足網絡化和智能化的要求，具有靈活的二次開發、升級和擴展能力。

3）基于FPGA的數字PWM調制技術帶來的多通道、高精度輸出的好處，可以方便實現多電平、多重化等復雜的電力變換技術，從而使功率放大器獲得優越的性能。

4）基于FPGA的電壓電流雙閉環數字控制技術不僅能夠實現功率模塊自動均流，而且有利于參數整定和變參數調節，便于通過改變算法實現多種方案及完成對不同領域的控制。

5）樣機實際測試效果良好，基于本文提出的大功率全數字功率放大器技術不僅適用于振動試驗領域，它更是一種大功率寬頻帶電源，對于其他電力電子逆變技術領域同樣具有參考意義。