一种H半桥开关功率放大器的信号调制装置的制作方法

本发明属于开关功率放大器技术领域，具体涉及一种h半桥开关功率放大器的信号调制装置。

背景技术：

h半桥开关功放是一种广泛应用在电机、磁悬浮轴承、电磁铁以及开关电源等领域的开关型功率放大器件，具有电路结构简单，无死区等特点，图1为其典型架构。传统地针对h半桥功放驱动信号的pwm调制方式包括直接调制与移相调制两种方法。

直接调制即h半桥2个不同桥臂中上下2个功率开关器件通过同一个pwm信号驱动，如图2所示，在此驱动方式下，负载上的电压具有或+vdc或-vdc两种状态，工作在两电平驱动模式，其具有驱动实现方式简单等优点，但其同时具有电流纹波以及总谐波失真(thd)较大等缺点。

移相调制即桥臂1中功率开关器件通过一个独立pwm信号驱动，桥臂2中的功率开关器件通过对控制桥臂1中的pwm通过180°移相以产生驱动桥臂2的pwm信号，如图3所示，在此驱动方式下，负载上的电压具有或+vdc或0或-vdc三种状态，工作在三电平驱动模式，其具有电流纹波与总谐波失真(thd)小等优点，但其缺点在于对于pwm信号进行90°移相需要使用分立移位寄存器或者fpga或者cpld等硬件器件实现，且会消耗大量的硬件资源，造成功放实现成本大幅提高。

此外，无论是直接驱动方式或移相驱动方式，均存在功放系统噪声较大，且电路中噪声最小的存在时刻无法预测，以及噪声会随着负载的实时控制需求动态移动等特点，使得功放所在的应用系统中的信号采集单元存在无法以一种周期性同步采集的方式在系统中噪声最小的时刻进行数据采集以获得最小的干扰等缺点。

技术实现要素：

针对上述缺点，本发明的目的在于提供一种h半桥开关功率放大器的信号调制装置，实现了h半桥开关功放的三电平驱动，使得功放的电流纹波与总谐波失真较小，同时，改进了移相驱动方式中pwm信号的产生方式，使得其硬件消耗指数级降低。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种h半桥开关功率放大器的信号调制装置，h半桥开关功率放大器至少包括上桥臂开关器件、下桥臂开关器件、上桥臂驱动模块和下桥臂驱动模块，所述装置包括：调制值计算模块，上桥臂开关器件控制信号调制模块、下桥臂开关器件控制信号调制模块；

所述调制值计算模块上设置两个信号输入端，记为第一信号输入端和第二信号输入端；

所述第一信号输入端用于输入母线电压信号；

所述第二信号输入端用于输入电压指令信号，所述电压指令信号为下一个载波周期内负载端的期望电压；

所述调制值计算模块的信号输出端分别与上桥臂开关器件控制信号调制模块的信号输入端、下桥臂开关器件控制信号调制模块的信号输入端连接；

所述上桥臂开关器件控制信号调制模块用于产生上桥臂开关器件的pwm驱动波形；

所述下桥臂开关器件控制信号调制模块用于产生下桥臂开关器件的pwm驱动波形。

本发明技术方案的特点和进一步的改进为：

(1)所述上桥臂开关器件控制信号调制模块包含：上升下降型计数器和第一比较器，所述下桥臂开关器件控制信号调制模块包含下降上升型计数器和第二比较器；

所述第一比较器上设置有两个信号输入端，分别用于连接上升下降型计数器的输出信号和调制值计算模块的输出信号；

所述第二比较器上设置有两个信号输入端，分别用于连接下降上升型计数器的输出信号和调制值计算模块的输出信号；

所述上升下降型计数器和所述下降上升型计数器为两个同步且相位相差180°的计数器。

(2)所述装置还包括数据采集同步信号产生模块；

所述数据采集同步信号产生模块与上升下降型计数器的峰值同步信号输出端或下降上升型计数器的零值同步信号输出端连接。

(3)上升下降型计数器采用先递增后递减型计数方式，在同步时刻从0开始递增计数，直至其峰值n，然后以递减方式计数，直至计数值为0，并以此重复。

(4)下降上升型计数器采用先递减后递增型计数方式，在同步时刻从峰值n开始递减计数，直至其值为0，然后以递增方式计数，直至计数值为峰值n，并以此重复。

(5)第一比较器通过比较上升下降型计数器的输出值与调制值计算模块输出的调制值m，确定用于控制上桥臂开关器件的pwm脉冲信号的电平，当m值大于上升下降型计数器的输出值时输出高电平，反之输出低电平。

(6)第二比较器通过比较下降上升型计数器的输出值与调制值计算模块输出的调制值m，确定用于控制下桥臂开关器件的pwm脉冲信号的电平，当m值小于下降上升型计数器的输出值时输出高电平，反之输出低电平。

(7)所述调制值m采用如下方法计算：

其中，vdc为母线电压信号，vo为电压指令信号，n为上升下降型计数器和下降上升型计数器的峰值。

本发明技术方案提供一种h半桥功率放大器的双载波pwm信号调制与驱动装置，实现了h半桥开关功放的三电平驱动，使得功放的电流纹波与总谐波失真较小；同时，改进了移相驱动方式中pwm信号的产生方式，使得其硬件资源消耗以指数级降低；更进一步地，实现h半桥开关功放电路噪声最小的存在时刻的周期性，使得功放的应用系统的信号采集单元可以在干扰最小的时刻获得周期性的更高品质的数据采集。

附图说明

图1为通用h半桥开关功放系统原理图；

图2为采用两电平直接pwm调制方式的h半桥开关功放原理图；

图3为采用三电平移相pwm调试方式的h半桥开关功放原理图；

图4为采用本发明三电平双载波pwm调制方式的h半桥开关功放系统原理图；

图5为h半桥开关功放正向充电工作状态示意图；

图6为h半桥开关功放续流工作状态1示意图；

图7为h半桥开关功放反向充电工作状态示意图；

图8为h半桥开关功放续流工作状态2示意图；

图9为s1功率开关器件的控制脉冲产生方式原理图；

图10为s2功率开关器件的控制脉冲产生方式原理图；

图11为vo≥0时h半桥功放电路的工作状态与线圈两端的电压；

图12为vo<0时开关电路的工作状态与线圈两端的电压；

图13为h半桥开关功放三电平双载波pwm调试方式的实现架构。

具体实施方式

如图4为本发明技术方案原理图，功放的输入信号为外部电压指令信号，输出信号为负载两端的电压以及数据采集同步信号，功放的供电电源为vdc，载波调制单元、功率开关器件s1、开关二极管d1、功率开关器件s2、开关二极管d2以及s1、s2内部反向寄生或外部并联二极管共同组成h半桥开关功放电路。

pwm载波调制单元根据外部电压指令信号以及功放供电电压的实时值，通过本发明技术方案提供的双载波调制装置产生控制开关s1、s2通断的脉冲信号，h半桥在s1、s2不同的通断组合作用下，使得下一个pwm周期内负载线圈电压的平均值等于外部电压指令的输入。

s1、s2不同的通断组合使得电路可工作在以下四种不同的状态，无论电路处于任何状态中，线圈中的电流方向保持不变，其两端所加电压为+vdc，0，-vdc其中的一种。

如图5所示，正向充电状态：对应于s1导通，s2导通。此时电流从母线正端流出，经过s1，线圈，s2，再回到母线负端，线圈两端电压为+vdc，线圈在母线电压+vdc的正向作用下进行充电，线圈的电流逐步增大。

如图6所示，续流状态1；对应于s1导通，s2关断。此时电流从线圈的负端流出，经过续流二极管d2，再通过开关s1，最后回到线圈的正端，线圈两端电压为0，由于线圈的电阻通常很小，所以此状态下电流的大小基本保持不变。

如图7所示，反向充电状态；对应于s1关断，s2关断。此时电流从母线的负端流出，经过续流二极管d1，线圈，二极管d2，最后回到母线的正端，线圈两端电压为-vdc，此状态下线圈在母线电压vdc的反向作用下放电，线圈的电流逐步减小。

如图8所示，续流状态2；对应于s1关断，s2导通。此时电流从线圈的负端流出，经过开关s2，再通过续流二极管d1，最后回到线圈的正端，线圈两端电压为0，此状态下电流大小同样基本保持不变。

表1为不同的s1、s2通断组合下功放的工作状态以及负载两端实际电压。

表1

设功放载波信号的周期为ts，母线电压为vdc，设与外部电压指令信号对应的等效输出电压为vo，在pwm载波信号调制单元内部，设计一个上升下降型的计数器产生s1的控制脉冲，其计数器的峰值为n，同时设计一个与之同步的下降上升型的计数器产生s2的控制脉冲，其计数器的峰值同样为n。

对于上桥臂s1开关的控制脉冲产生，与等效输出电压vo对应的调制值为m，设当计数器的瞬时值小于等于m时，对应的s1开关的脉冲为高电平，反之为低电平，其工作过程如图9所示。对于下桥臂s2开关的控制脉冲，同样，设当计数器的瞬时值小于等于调制值m时，对应的s2开关的脉冲为高电平，反之为低电平，工作过程如图10所示。

根据图9与图10的几何关系有：

以及

当在开关s1，s2上同时施加以上各自对应的控制信号时，电路的工作状态以及线圈两端的电压如下图11、图12所示。

因此有

即

结合(5)式与条件(8)

0≤m≤n(8)

可获得输出电压的范围为-vdc≤vo≤vdc(9)

根据式(1)至(9)，以及表1h半桥电路的输入输出关系，可得到当某个pwm载波周期(假定为第n+1个ts)内与外部指令对应的等效输出电压为vo时，负载线圈端电压ul与时间的关系(10)：

以及第n+1个ts内，负载线圈两端的电压的平均值

图13所示为h半桥开关功放双载波pwm信号调制方法的一种实现架构，当外部施加一个与目标电压vo对应的输入指令时，此指令以及母线电压实时值vdc被所设计的m值计算单元同步捕获，通过式(6)计算出下一个载波周期的调制值m，调制值m反馈至数字比较器1与数字比较器2，计数器1与计数器2分别为两个同步的相位互差180°的先递增后递减型与先递减后递增型计数器，计数器的峰值均为n，数字比较器1通过比较m值与计数器1的输出值的大小，当m值大于计数器1的输出值时输出高电平，反之输出低电平，比较器1所输出的pwm1信号用以驱动s1开关器件。数字比较器2通过比较m值与计数器2的输出值的大小，当m值小于计数器1的输出值时输出高电平，反之输出低电平，比较器2所输出的pwm1信号用以驱动s2开关器件。同时，可在计数器1的计数值上升到n的时刻或者在计数器2的计数值减小至0的时刻输出一个持续时间为1个计数时钟周期的电平信号用于数据采集系统的同步信号，此时刻对应于计数器1与计数器2的中间时刻，且其具有周期ts，数据采集同步信号产生单元通过检测计数器1或者计数器2的输出以产生此同步信号。