[发明专利]一种数字仿真开关功率放大器

说明书

本发明公开了一种数字仿真开关功率放大器，所述开关功率放大器由以下元件组成：高速数字控制接口，DSP+FPGA控制器，驱动电路，功率模块组件，输出滤波器。本发明的数字仿真开关功率放大器及其制备方法，在所述放大器中加入了以DSP+FPGA的高性能控制器以输出信号为反馈进行闭环控制，使得开关功率放大器在运用频率上失真极低；在功率部分，运用H桥级联技术以获得多电平输出，进一步提高开关功率放大器的性能；同时，在系统效率上，本发明采用水冷加风冷式复合冷却技术，对主要功率发热部件采用水冷技术，控制板等其它回路采用风冷技术，使得单位体积功率密度最大化，提高了系统的可靠性。

技术领域

本发明属于电力电子设备领域，具体涉有一种数字仿真开关功率放大器。

背景技术

在电力电子等电气设备中，功率放大器是非常重要的一个元器件，在医疗设备、工业设备中有广泛的应用。功率放大器根据功率器件工作方式的不同，可分为线性功率放大器和开关功率放大器。线性功率放大器失真小、响应快，输入输出信号基本上是线性关系，但是由于其存在直流导通损耗，导致效率一般在30％～60％之间，低效率导致其功率很难超过1kW。开关功率放大器，以功率开关器件为基础，运用脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation,PWM)技术，将输入参考小信号放大为所需要的功率信号的设备，驱动相应的功率负载。其功率器件工作于开关状态，因此效率较高，一般在80％以上，但是失真大、响应慢，其主要衡量指标是系统失真，用于反映输出信号变化能够与输入信号的变化相一致的能力。

目前，随着经济持续稳定的发展，以工业、医疗需求为主的大功率高性能开关功率放大器的相关技术也得到了快速发展。早在上世纪60年代就有人提出了开关功率放大器的概念，而鉴于当对电力电子器件开关特性的限制，设计出的开关功率放大器输出波形畸变大，无法得到有效的推广。随着电力电子器件制造技术的进步，尤其是上世纪90年代功率场效应晶体管(Power MOSFET，简写为“功率MOSFET”)器件及绝缘栅双极晶体管(IGBT)的性能大幅度提升，推动了开关功率放大器的研究。九十年代以来，半导体集成制作工艺的发展，尤其是以CMOS电路为主要部件的制造工艺的发展，使得开关功率放大器及其控制电路已能实现单片集成。芯片中开关功率放大器自身能耗低，而CMOS构成的配套电路能耗亦低，整个芯片无需外加散热装置，体积小，效率高，功能强。这些特性满足了日益发展的小型化要求和低能耗的期望，使得开关功率放大器的研究、开发成为电力电子领域中的研究热点，受到人们越来越多的关注。

但是，开关功率放大器非线性失真大，这亦是限制开关功率放大器应用的一个主要因素。

目前国内外开关功率放大器的主要研究方向有两个：一个是结合开关功率放大器与线性功率放大器的研究即开关功率放大器承受主功率，线性功率放大器做补偿；这样既提高了功率放大器的整体效率，也利用了线性功率放大器失真小的优点。不过这种电路结构对功率放大器模块功率等级的大幅度提升帮助不大，基本仍徘徊在1kW左右。另一个是为了提高系统的动态性能，将数字控制技术应用到开关功率放大器中，采用一些新型控制技术，例如单周控制技术和多电平技术，来改善开关功率放大器的失真度。但是，现有技术中所生产的开关功率放大器，在输出频率范围、波形质量、输出功率或整机效率方面还是远远无法达到设备的要求，限制了设备性能的提升。一些不得不采用线性功率放大器的电气设备，效率低、体积庞大，使用不方便。

发明内容

本发明实施例的目的是为了解决现有技术中开关功率放大器性能不佳的问题，提出了一种数字仿真开关功率放大器，所述数字仿真开关功率放大器由高速数字控制接口，数字信号处理(Digital Signal Processor,DSP)和现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array,FPGA)控制器，供电回路，驱动电路，功率模块组，输出滤波器组成，基于脉宽调制原理，工作于开关状态，无需偏置电流，闲置功耗极低，效率高。