[发明专利]一种模块化混合型直流功率放大器

说明书

一种模块化混合型直流功率放大器，涉及电力电子技术领域。它包括核心单元和外围配置单元，核心单元包括模块化开关功率放大单元和线性功率放大单元，外围配置单元包括联网变压器输入单元和桥臂控制单元；联网变压器为三相结构。测量单元采集核心单元中的电压电流等信息，并通过通信单元实现与主控制单元、桥臂控制单元之间的数据据交互，主控制单元与桥臂控制单元配合实现对核心单元的控制。本发明综合利用了线性功率放大单元响应带宽高、输出精度高的优势，以及开关功率放大单元损耗低、可串联承担高压、高功率密度的优势，弥补了解决了现有功率放大器无法同时具备较大电压、功率等级和较高带宽、较快动态性能的问题。

技术领域

本发明属于四象限数模混合仿真、宽频高精度受控电压源、电力电子技术领域。

背景技术

数模混合仿真融合了实时仿真的便捷性与物理实验的真实性，既可以对大规模电网进行数字仿真，也可以对需要重点研发的电力电子设备进行动态测试，为新型装备的研究与测试带来极大的灵活性，是进行电力电子化电力系统等关键装备研究和测试验证的有效手段。目前，数模混合仿真技术相关研究仍较为初步，存在诸多技术难题，特别是数模混合仿真接口的特性直接决定了系统的稳定性和精确性，是数模混合仿真技术研究的重点。其中，功率放大器将仿真所得数字信号转化为功率信号，驱动物理装置，是数模混合仿真中的关键环节。

功率放大器应具备高带宽、高精度、低延时、高压摆率、高电压输出等特点，以适应直流电网等电力电子化电力系统数模混合仿真的宽频化特性以及潮流反转、系统故障、负荷投切等复杂工况。同时，该功率放大器不仅适用于电力系统科研院所、高校的实验室科学研究，也适用于电网以外的航天航空、车船动力、汽车工业等多学科、多领域的数模混合仿真测试。除数模混合仿真外，功率放大器还可以作为可编程受控电压源为各类负载供电，或者用于水下电声换能系统、阻抗模拟(电子负载)、扫频等场景，应用前景广泛。

为适应数模混合仿真等应用的快速性需求，具有更高输出带宽的线性功率放大器受到广泛关注。线性功率放大器中晶体管被偏置在线性区，其动态响应仅受制于晶体管的寄生参数，因此线性功率放大器一般具有优越的动态性能和低延时特点。但线性功放不具备功率回馈能力，只能通过电阻耗能的方式，或将回馈功率消纳在晶体管上，因此线性功放的效率较低、往往需要大体积的散热装置，功率等级受到限制。以Spitzenberger公司的PVS7500为例，其额定输出功率为7.5kW，重量却达600公斤。

开关型功率放大器与线性功放正好相反，其电路中功率器件均工作在饱和区和截止区，这使得开关功放的效率较高适用于大功率的应用场景。开关功放是通过面积等效的方式将参考信号转化为输出的功率信号，所以开关功放的输出中不仅有放大后的参考信号还包含大量开关频率及高次谐波使其精度相对较低。而为提高输出精度，模块化开关功率放大单元(1)往往需要在输出侧增设无源滤波器将开关频率谐波滤掉。这种方案虽然能使谐波带来的精度下降问题有所改善，但滤波器带来的系统传递函数变化可能恶化系统的稳定性，同时也降低了开关功放的带宽和动态性能，使压摆率受限，无法满足各类应用对宽频带、高精度、低延时功放的需求。

发明内容

本发明针对现有功率放大器无法同时具备较大电压、功率等级和较高带宽、较快动态性能的问题，本发明提出了一种模块化混合型直流功率放大器，使电压、功率等级灵活拓展，以满足数模混合仿真等应用的需求。

本发明采用的技术方案是：

一种模块化混合型直流功率放大器，它包括核心单元和外围配置单元，核心单元包括模块化开关功率放大单元(1)和线性功率放大单元(2)，外围配置单元包括联网变压器(31)、测量单元(32)、汇集单元(33)、通信单元(34)、主控制单元(35)、保护单元(36)、信号输入单元(37)和桥臂控制单元(38)；联网变压器为三相结构；

模块化开关功率放大单元(1)采用模块化多电平换流器结构，模块化多电平换流器的交流侧通过联网变压器(31)与交流电源相连，线性功率放大单元(2)与模块化开关功率放大单元(1)的桥臂串联；