[发明专利]一种多电平功率放大系统及其PWM控制信号产生方法

权利要求书

1.一种多电平功率放大系统，其特征在于，包括主控机箱、功率模块和级联变压器；

所述主控机箱的一端与外部通讯设备连接；所述主控机箱的另一端与所述功率模块的一端双向连接；所述级联变压器的一端与所述功率模块的另一端连接；

所述主控机箱用于根据外部通讯设备传递的控制信号进行多电平调制，产生功率模块中各功率单元对应的PWM控制信号；所述主控机箱还用于监控各功率单元的Fault信号和电压电流信号是否正常，并向Fault信号和电压电流信号正常的功率单元发送对应的PWM控制信号；

其中，所述多电平调制为基于“面积等效原则”的迭代初值选择方法和基于“内点法”的优化迭代方法的多电平调制方法；

所述功率模块用于测量各功率单元的Fault信号和电压电流信号，并将其上报至主控机箱；接收到PWM控制信号的功率单元还用于产生对应的交流电压方波，并将其向级联变压器输出；

所述级联变压器用于将从功率模块传递的交流方波串联后输出。

2.根据权利要求1所述的多电平功率放大系统，其特征在于，所述主控机箱包括DSP和FPGA，所述DSP的一端与外部通讯设备连接；所述DSP的另一端和所述FPGA的一端双向通讯；所述FPGA的另一端与所述功率模块的一端进行光纤通讯；

所述DSP用于根据外部通讯设备传递的控制信号进行多电平调制，产生功率模块对应的PWM控制信号；并监控功率模块的Fault信号和电压电流信号是否正常；

FPGA用于向Fault信号和电压电流信号正常的功率单元发送对应的PWM控制信号。

3.根据权利要求1或2所述的多电平功率放大系统，其特征在于，所述功率模块为分布式结构，包括一一对应的N块分控板和N块H桥功率单元；

所述分控板用于根据接收的PWM控制信号控制所述H桥功率单元输出交流方波；同时测量对应的H桥功率单元的Fault信号以及电压电流信号，并将其上报至主控机箱。

4.根据权利要求3所述的多电平功率放大系统，其特征在于，所述级联变压器为N个单相变压器串联得到的电磁模块；

其中，N个单相变压器的一次侧不耦合，二次侧串联连接。

5.基于权利要求1所述的多电平功率放大系统的PWM控制信号产生方法，包括：

(1)对级联变压器的目标输出波形进行傅里叶分解，获取目标输出波形的特定次数的谐波幅值的表达式

并根据面积等效原则，计算得到开通角向量的初值；

(2)对目标输出波形特定次数的谐波幅值的表达式取平方和，获取目标函数；

(3)根据目标函数和开通角向量不等式约束条件，获取约束优化模型；

(4)将开通角向量不等式约束条件转化为罚函数形式，实现约束优化模型向无约束优化模型的转化；

(5)将初始化的罚因子输入无约束优化模型，将开通角向量的初值进行迭代，直至收敛至第一开通角向量；

(6)将初始化的罚因子扩大m倍形成第一罚因子输入无约束优化模型，将第一开通角向量进行迭代直至收敛至第二开通角向量；

(7)第k罚因子扩大m倍形成第(k+1)罚因子输入无约束优化模型，将第(k+1)开通角向量进行迭代直至收敛至第(k+2)开通角向量；

(8)判断第(k+1)罚因子是否大于等于最大罚因子，若是，则第(k+2)开通角向量为功率模块对应的PWM控制信号；否则，k＝k+1，转至步骤(7)；

其中，k≥1，k的初始值为1；b为指定消除的谐波次数；m＞1；为N个功率单元的开通角组成的开通角向量；α_i(i＝1,2,3,,,N)为第i个功率单元的开通角。

6.根据权利要求5所述的PWM控制信号产生方法，其特征在于，所述约束优化模型为：

其中，为目标函数；为N个功率单元的开通角组成的开通角向量；α_i(i＝1,2,3,,,N)为第i个功率单元的开通角。

7.根据权利要求5或6所述的PWM控制信号产生方法，其特征在于，所述无约束优化模型为：其中，为开通角向量不等式约束条件转变的罚函数；t为罚因子；为目标函数；为N个功率单元的开通角组成的开通角向量。