模块化多电平功率放大器的研究及装置研制

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1、学校代号10532学号S150900718分类号TM76密级公开硕士学位论文模块化多电平功率放大器的研究及装置研制学位申请人姓名丁红旗培养单位电气与信息工程学院导师姓名及职称罗安教授马伏军副教授学科专业电气工程研究方向电力电子与电力传动论文提交日期2018年5月10日学校代号：10532学号：S150900718密级：公开湖南大学硕士学位论文模块化多电平功率放大器的研究及装置研制学位申请人姓名：丁红旗导师姓名及职称：罗安教授马伏军副教授培养单位：电气与信息工程学院专业名称：电气工程论文提交日期：201

2、8年5月10日论文答辩日期：2018年5月22日答辩委员会主席：李欣然教授ResearchandEquipmentDevelopmentofModularMulti-levelPowerAmplifierbyDINGHongqiB.E.(ShaoyangUniversity)2015AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringinElectricalEngineeringi

3、ntheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorProfessorLUOAnAssociateProfessorMAFujunMay,2018模块化多电平功率放大器的研究及装置研制摘要功率放大器在工业、航空和通信等领域具有广泛的应用。伴随功率半导体器件的迅速发展，全控型器件的出现使得人们将目光由传统线性功率放大器逐渐转移到数字功率放大器。传统的线性功率放大器功率器件工作在放大区，损耗大效率低，难以满足大功率应用场合，而数字功率放大器功率器件工作在开关区，损耗小

4、效率高，可以实现大功率的功率放大需求，因此开展大功率数字功率放大器的研究具有重要意义。本文以数字功率放大器为研究对象，分别对数字功率放大器的拓扑结构、工作原理、控制策略以及装置研制几个方面进行研究，主要研究内容如下：(1)研究了模块化多电平功率放大器(Modularmulti-levelpoweramplifier，MM-PA)拓扑。采用模块化多电平结构，每个功率模块由前级工频二极管整流器和隔离型DC/DC变换器以及后级单相全桥逆变器组成，模块化结构可以有效地提高功率放大器的输出电压等级，具有更好的动

5、态性能；阐述了MM-PA的拓扑结构和工作原理，并从四个方面总结了MM-PA拓扑的优势；分析了MM-PA的系统控制策略，给出了MM-PA的总体控制框图；针对MM-PA的前级高频整流器带单相逆变器负载引入的二倍频波动问题，推导了二倍频电压波动的公式，并通过功率前馈控制有效抑制了电压波动，为后级提供较为平稳的直流源；后级多电平逆变器采用电压电流双闭环控制，对内环和外环参数进行了设计，并通过仿真验证了控制策略的有效性。(2)针对后级多电平逆变器提出了一种虚拟电容电压排序模型预测控制策略。详细分析了该控制策略的

6、实现过程，包括有限控制集的构造、代价函数的建立和虚拟电容电压排序的控制方法，并对提出的控制策略进行了仿真验证，仿真结果验证了提出的模型预测控制可以有效提高功率放大器的输出精度；对比分析了双闭环控制和所提模型预测控制策略的输出性能，仿真结果表明所提策略在稳态输出保真度与跟踪性能两方面均优于传统的双闭环控制，更适合具有高精度要求的场合。(3)完成了一台25kW的MM-PA样机的工程设计。设计了高频整流器和后级滤波器的电路参数；构建了基于STM32+DSP+FPGA的三核控制器，并完成了控制系统硬件电路的设

7、计，主要包括电源、AD采样、串口通信以及光纤收发电路的设计；研究了MM-PA的散热系统，包括机箱散热和功率单元的散热；最后搭建了25kW的MM-PA实验平台，实验结果满足系统性能指标的要求，验证了MM-PA拓扑、控制方法及方案设计的有效性。关键词：功率放大器；二倍频抑制；功率前馈；双闭环控制；虚拟电容电压排序；模型预测控制II硕士学位论文AbstractPoweramplifiershaveawiderangeofapplicationsinthefieldsofindustry,aviation,a

8、ndcommunications.Withtherapiddevelopmentofpowersemiconductordevices,theemergenceoffully-controlleddeviceshasledpeopletograduallydrawtheirattentionfromtraditionallin-earpoweramplifierstodigitalpoweramplifiers.Thetraditionalpoweram