一种数字功率放大器的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种数字功率放大器。

背景技术：

进入21世纪以来，电力电子技术得到了高速发展，功率放大器在社会生活的众多领域得到了广泛应用。传统的模拟功放和ab类功放效率低、体积大、笨重，而数字功放结构简单、传输效率高、易于集成，在体积、重量、效率和可靠性等方面具有明显优势。

由于功率开关器件工艺水平和技术的限制，单模块数字功放的功率等级和开关频率是有限的，很难满足一些中、大功率、低失真度应用场合的需要。为了解决这一问题，目前公知的大功率数字功放多采用功率等级较高的功率管串、并联使用或功率模块级联，以满足大功率的需求。

但是由于器件的非理想开关特性，串并联合后等效输入电容增大，实际开关频率进一步降低，致使数字功放失真度恶化，滤波模块体积增大。另外，由于各器件或模块本身的特性不可能完全相同，导致各器件或模块所承受的电压、电流不均衡，导致系统的可靠性变差，并严重影响器件和系统的使用寿命。

技术实现要素：

本实用新型旨在解决上面描述的问题。本实用新型的一个目的是提供一种解决以上问题中的任何一个的数字功率放大器。具体地，本实用新型提供能够有效提高输出功率、降低失真度的高可靠性、模块化的数字功率放大器。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种数字功率放大器，所述数字功率放大器包括数字控制器、驱动模块、状态采集模块、n个功放模块、m个功放冗余模块、功率合成模块和滤波模块，其中，n为大于0的整数，m为大于或等于0的整数；

所述数字控制器用于采集和缓存输入信号，并将输入信号进行脉宽调制产生2n组pwm控制信号，2n组所述pwm控制信号的频率相同、相位依次相差π/n，所述pwm控制信号的占空比与输入信号的幅度成正比；其中，每组所述pwm控制信号包括两个电平互补的pwm信号；

所述驱动模块位于所述数字控制器与n个所述功放模块之间，用于放大2n组所述pwm控制信号；

所述功放模块用于放大所述驱动模块输出的信号，所述功放冗余模块用于替换发生故障的所述功放模块；

所述状态采集模块用于采集所述驱动模块和每个所述功放模块的状态信息，所述状态信息包括正常运行状态信息和故障信息；所述数字控制器还用于接收所述状态采集模块采集的所述状态信息，并识别所述状态信息中的故障信息后，控制所述功放冗余模块替换发生故障的功放模块运行或者控制所述功放冗余模块和未发生故障的所述功放模块重新分配运行，并向所述功率合成模块发送旁路控制信号；

所述功率合成模块用于接收所述数字控制器输出的旁路控制信号，以及将所述功放模块输出的功率信号进行合成；

所述滤波模块用于对所述功率合成模块输出的功率信号进行滤波处理，生成模拟功率信号。

其中，所述数字控制器包括在相同的时钟节拍下并行运行的采样/缓存模块、延时/定时器、故障处理模块、2n个数字pwm调制器和输出信号分配模块；

所述采样/缓存模块用于接收输入信号，并将输入信号进行数字量化和缓存，然后输送至所述2n个数字pwm调制器；

所述故障处理模块用于接收所述状态采集模块采集的所述状态信息，识别所述状态信息中的故障信息和所述故障信息对应的发生故障的功放模块，统计发生故障的功放模块数量k并发送至所述延时/定时器，向所述输出信号分配模块发送使能控制信号en，并向所述功率合成模块发送旁路控制信号ei；

所述延时/定时器用于接收启停信号，并向所述2n个数字pwm调制器发出2n路时间间隔依次相差t/(2n)的相位触发信号，t为所述数字pwm调制器的载波周期；还用于接收发生故障的功放模块的数量k，并比较判断k与m的大小，根据判断结果向所述2n个数字pwm调制器发出对应的相位触发信号；

所述2n个数字pwm调制器用于完成所述采样/缓存模块输出的信号的pwm调制；还用于在接收所述相位触发信号后，按照所述相位触发信号控制输出的pwm控制信号的载波相位；

所述输出信号分配模块用于接收使能控制信号en后，根据所述使能控制信号en向驱动模块和该使能控制信号en对应的功放模块发送pwm控制信号。

其中，所述延时/定时器还用于比较判断发生故障的功放模块数量k大于所述功放冗余模块的数量m时，重新计算所述数字pwm调制器的相位触发时间间隔为t/(2×(n+m-k))，并向所述2×(n+m-k)个数字pwm调制器发送重置后的2×(n+m-k)路相位触发信号。

其中，每个所述数字pwm调制器均包括一一对应设置的计数器和比较器，其中，所述计数器由所述延时/定时器输出的对应相位触发信号启动，产生周期性数字三角调制载波；所述比较器用于实时将所述计数器的计数值与输入信号的数字量化值进行比较，输出所述pwm控制信号。

其中，所述将输入信号进行脉宽调制产生2n组pwm控制信号，包括：将输入信号与2n个频率相同、相位依次相差π/n的数字三角调制载波进行脉宽调制，产生2n组所述pwm控制信号。

其中，所述功放模块包括h桥电路，且每个所述h桥电路同一组的两个功率开关器件接收所述驱动模块输出的同一组pwm控制信号。

其中，所述功率合成模块为组合型变压器，包括n+m个初级绕组和n+m个次级绕组，每个所述初级绕组分别与所述功放模块或所述功放冗余模块的输出端一一对应连接，各所述次级绕组依次首尾串接。

其中，每个所述次级绕组的输出端分别并联一个旁路开关，当有所述功放模块出现故障时，所述数字控制器控制发生故障的所述功放模块对应的所述旁路开关闭合以及与发生故障的所述功放模块数量相同的所述功放冗余模块对应的旁路开关断开。

其中，所述滤波模块包括lc无源低通滤波器。

本实用新型的数字功率放大器通过调节参与运行的功放模块的数量和功率合成模块的绕组个数实现输出功率的调节，满足不同功率应用场合的需求；利用数字控制器产生频率相同、相位等差依次错开的pwm控制信号以驱动功放模块运行，大大减少合成波形中的谐波含量，可以大幅削减滤波模块的提及，明显提升失真度；同时，由状态采集模块实时采集各模块的运行状态，利用功率冗余模块替代发送故障的功放模块运行，进行在线故障处理，大幅提高放大器的可靠性和使用寿命。

参照附图来阅读对于示例性实施例的以下描述，本实用新型的其他特性特征和优点将变得清晰。

附图说明

并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并且与描述一起用于解释本实用新型的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示例性地示出了本实用新型的数字功率放大器的结构示意图；

图2示例性地示出了数字控制器的一种结构示意图；

图3示例性地示出了数字pwm调制器的一种工作波形图；

图4示例性地示出了功放模块的一种电路原理图；

图5示例性地示出了功率合成模块的一种结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

发明人设计了一种高可靠性的模块化数字功率放大器，主要利用多个功放模块对信号进行放大，然后再通过功率合成模块进行合成，在实际应用中可以通过调节用到的功放模块数量和功率合成模块的绕组个数来调节输出功率的大小，以便能够适应于各种不同功率需求的应用场合；并且每个功放模块只需放大一组pwm控制信号，每个功放模块的电路结构相同，因此，该数字功率放大器的拓扑电路结构简单、模块化程度高，易于扩展维护。由数字控制器产生多组频率相同、相位等差依次错开的pwm控制信号，并由驱动模块进行初步放大后驱动功放模块运行、放大，再经功率合成模块合成，合成后的总输出波形谐波含量大大减少，因此可以大幅削减滤波模块的提及，信号的失真度也得到明显提升，从而满足对于低失真度、高功率放大倍数的要求。另外，还设置了功放冗余模块，用以在有功放模块发生故障时进行替换，以保证数字功率放大器正常运行；利用状态采集模块实时采集各模块的运行状态并反馈至数字控制器，由数字控制器判断出现故障的功放模块的数量和位置，并调节pwm控制信号不再向发生故障的功放模块输出而由功放冗余模块对发生故障的功放模块进行替换运行，同时对应调节功率合成模块的运行绕组，实现功放模块的在线故障处理，确保功率放大器的运行稳定性和可靠性。

下面结合附图，对根据本实用新型的数字功率放大器进行详细说明。

图1示出了本实用新型的数字功率放大器的一种具体实施例的结构示意图，参照图1所示，本实用新型的数字功率放大器包括数字控制器1、驱动模块2、状态采集模块3、n个功放模块4、m个功放冗余模块40、功率合成模块5和滤波模块6，其中，n为大于0的整数，m为大于或等于0的整数。其中，数字控制器1用于采集和缓存输入信号，例如对模拟信号进行采样、缓存，并将输入信号进行脉宽调制产生2n组pwm控制信号，2n组pwm控制信号的频率相同、相位依次相差π/n，pwm控制信号的占空比与输入信号的幅度成正比。

其中，将输入信号进行脉宽调制产生2n组pwm控制信号的具体过程包括：将输入信号与2n个频率相同、相位依次相差π/n的数字三角调制载波进行脉宽调制，产生2n组pwm控制信号。

例如，n＝4、m＝1，即设置4个功放模块4、1个功放冗余模块40，对应的，数字控制器1完成模拟号采样后，将采样信号与8个频率相同、相位依次相差π/4的数字三角调制载波进行pwm脉宽调制，产生8组频率相同的pwm控制信号。

其中，每组pwm控制信号包括两个电平互补的pwm信号，其占空比与被采集的输入信号(即采样信号，也就是采集的模拟信号)的幅度成正比。

驱动模块2位于数字控制器1与n个功放模块4之间，用于接收并放大数字控制器1发出的2n组pwm控制信号，完成pwm控制信号的放大，以确保能够驱动功放模块4和功放冗余模块40。

功放模块4用于放大驱动模块2输出的信号，功放冗余模块40用于替换发生故障的功放模块4运行，以保证当有功放模块4发生故障时，该数字功率放大器仍然能够持续、稳定地运行，提高数字功率放大器的使用寿命和运行稳定性及可靠性。

状态采集模块3用于采集驱动模块2和每个功放模块4以及功放冗余模块40的状态信息，并将采集到的状态信息发送至数字控制器1，此状态信息包括正常运行状态信息和故障信息。相应的，数字控制器1还用于接收状态采集模块3采集的状态信息，并识别状态信息中的故障信息后，判断发生故障的功放模块4的数量和位置，然后控制功放冗余模块40替换发生故障的功放模块4运行或者控制功放冗余模块40和未发生故障的功放模块4重新分配运行。

具体地，数字控制器1接收到状态采集模块3发送的状态信息后，如判断发生故障的功放模块4的数量为k，则将功放模块4的故障数量k与配备的功放冗余模块40的数量m进行比较：若k≤m，则控制k个功放冗余模块40逐一代替发生故障的功放模块4进行运行；若k＞m，则将2(n+m-k)组pwm控制信号对未发生故障的(n-k)个功放模块4和m个功放冗余模块40进行重新分配、运行；同时，向功率合成模块5发送针对发生故障的功放模块4的旁路控制信息。

功率合成模块5用于将若干功放模块4或者功放模块4和功放冗余模块40输出的功率信号合成为一路信号，即为由该数字功率放大器进行功率放大后的信号。同时，功率合成模块5还用于接收数字控制器1输出的旁路控制信号，用以在有功放模块4发生故障时，根据该旁路控制信号调节对应于发生故障的功放模块4的信号通路位置的绕组断开(旁路开关闭合)、并调节对应代替运行的功放冗余模块40的信号通路位置的绕组进行工作，或者是根据旁路控制信号控制重新分配运行后的功放模块4和功放冗余模块40的信号通路对应的绕组进行工作，完成功放模块4的故障旁路处理。

滤波模块6用于对功率合成模块5输出的功率信号进行滤波处理，以生成大功率的模拟功率信号，此模拟功率信号即为本方案的数字功率放大器进行功率放大后的模拟功率信号，用以驱动末端负载。

图2示出了一种具体实施例中的数字控制器1的结构示意图。参照图2所示，数字控制器1包括在相同的时钟节拍下并行运行的采样/缓存模块11、延时/定时器12、故障处理模块13、2n个数字pwm调制器14和输出信号分配模块15。如图所示，在本实施例中，n＝4，即2n＝8。

其中，采样/缓存模块11用于接收输入信号，并将输入信号进行数字量化和缓存，然后输送至2n个数字pwm调制器14。

延时/定时器12用于接收输入的启停信号，并向8个数字pwm调制器14发出8路时间间隔依次相差t/8的相位触发信号trg1～trg8，以触发数字pwm调制器14，实现数字pwm调制器14的三角调制载波相位的控制。其中，t为数字pwm调制器14的载波周期。

故障处理模块13用于接收状态采集模块3采集的状态信息，识别状态信息中的故障信息和故障信息对应的发生故障的功放模块4，统计发生故障的功放模块4的数量k并发送至延时/定时器12，然后向输出信号分配模块15发送使能控制信号en(如图所示的en1～enn)，并向功率合成模块5发送旁路控制信号ei。相对应的，延时/定时器12还用于接收故障处理模块13发送的发生故障的功放模块4的数量k，并将该故障数量k与功放冗余模块40的数量m进行比较、判断，并根据判断结果向8个数字pwm调制器14发出对应的相位触发信号。

8个数字pwm调制器14用于完成采用/缓存模块11输出的信号的pwm调制；还用于在接收延时/定时器12发送的相位触发信号后，按照相位触发信号控制输出的pwm控制信号的载波相位。

输出信号分配模块15用于在接收故障处理模块13发送的使能控制信号en后，根据该使能控制信号向2n个数字pwm调制器发出的pwm控制信号所对应的功放模块4和功放冗余模块40分配pwm控制信号，以驱动未发生故障的功放模块4和选用替代发生故障的功放模块4的功放冗余模块40运行，避开发生故障的功放模块4，保证放大器的正常运行和功率放大效果。

在一个可选的实施例中，延时/定时器12还用于判断发生故障的功放模块4的数量k是否大于功放冗余模块40的数量m，具体包括：在判断发生故障的功放模块4的数量k大于功放冗余模块40的数量m时，重新计算2n个数字pwm调制器14的相位触发时间间隔为t/(2×(n+m-k))，并向2×(n+m-k)个数字pwm调制器14发送重置后的2×(n+m-k)路相位触发信号。此处的重置后的相位触发信号是针对(n-k)个未发生故障的功放模块4和m个功放冗余模块40的重新启动信号，将采集的输入信号按照(n+m-k)个未发生故障的功放模块4和功放冗余模块40的信号通路进行重新分配后发送。在本实施例中，即为向2×(4+m-k)个数字pwm调制器14发送重置后的相位触发信号。由2×(4+m-k)个数字pwm调制器14根据该重置后的相位触发信号信号对pwm载波进行调制后输出对应于该重置信号的pwm控制信号，以按照重置信号中的重置规则驱动(n-k)个未发生故障的功放模块4和m个功放冗余模块40运行。

图3则示出了该实施例中的数字pwm调制器的一种工作波形图，综合图2和图3所示，每个数字pwm调制器14均包括一一对应设置的计数器141和比较器142。其中，计数器141由延时/定时器12输出的对应相位触发信号启动，连续做递增-递减-递增的计数，产生周期性数字三角调制载波；比较器142用于在时钟节拍下实时地将计数器141的计数值与输入信号的数字量化值进行比较，以输出调制后的pwm控制信号，该pwm控制信号为两个电平互补、占空比与输入信号幅度值成正比的pwm信号。

例如，第一个数字pwm调制器14的计数器141由延时/定时器12输出的相位触发信号trg1启动，在时钟clk的节拍下，从零开始做递增计数，当计数达到周期计数值时，开始做递减计数至零，如此往复循环执行，产生周期为t的数字三角调制载波。与之对应的比较器142实时地将计数器141的计数值与所采集的输入信号的数值进行比较，当采集的输入信号的数值大于等于计数器141的数值时，比较器142的pwm1输出端输出高电平、/pwm1输出端输出低电平；当输入信号的数值小于计数器141的数值时，比较器142的pwm1输出端输出低电平、/pwm1输出端输出高电平，从而产生两路电平互补的、占空比与输入信号幅度值成线性正比的pwm控制信号。此pwm控制信号经驱动模块2输入功放模块4进行功率放大，再由功率合成模块5进行合成后，经滤波模块6滤波，即为输入信号进行功率放大后的信号。

图3中sa为输入信号(即采样的模拟信号)的波形；pwm1、pwm2、pwm3、pwm4～pwm8依次为8个比较器142依次输出的pwm信号；cc1、cc2、cc3、cc4依次为与pwm1～pwm4信号一一对应的4个计数器141产生的三角调制载波，另外4个计数器141所产生的三角调制载波图中未示出；so1为功率合成模块5对运行中的功放模块4输出的信号进行功率合成后所输出信号的波形；so为经滤波模块6滤波后的输出信号波形，即本方案的数字功率放大器进行功率放大后输出至负载的信号波形。

在本方案中，功放冗余模块40是为了替代发生故障的功放模块4而设置，因此功放冗余模块40的结构与功放模块4的结构相同，即可以看做在一个数字功率放大器中设置了n+m个功放模块4，其中，n个功放模块4作为正常运行使用，m个则作为备用功放模块使用。

需要指出的是，在实际实施过程中，可以对相邻功放模块4之间进行电气隔离，以降低各功放模块4之间的电气干扰和绝缘要求，提升功放模块4的电气故障隔离能力和整体功率放大器的可靠性。

在一个可选的实施例中，功放模块4包括h桥电路，且每个h桥电路同一组的两个功率开关器件接收驱动模块2输出的同一组pwm控制信号。

图4示出了功放模块4的一种具体实施例的结构示意图，在本实施例中，功放模块4由四组电路结构相同的功率开关模块呈h桥式连接而成，每一组功率开关模块包括一个带续流二极管的功率开关器件q。该功率开关器件q可以为绝缘栅双极晶体管igbt或半导体场效应晶体管mosfet或者碳化硅mosfet。

参照图4所示，第一功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管q1的栅极接经驱动模块2初步放大后的pwm1信号、发射极分别与第二功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管q2的集电极和h桥功放模块的输出端out1+相连、集电极与直流电源dc的正极相连；第二功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管q2的栅极接经驱动模块2初步放大后的/pwm1信号、发射极与直流电源dc的负极相连；第三功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管q3的栅极接经驱动模块2初步放大后的pwmn+1信号、发射极分别与第四功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管q4的集电极和h桥功放模块的输出端out1-相连、集电极与直流电源dc的正极相连；第四功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管q4的栅极接经驱动模块2初步放大后的/pwmn+1信号、发射极与直流电源dc的负极相连。

图5示出了功率合成模块5的一种具体实施例的示意图，参照图5所示，本方案中，功率合成模块5为组合型变压器，包括n+m个初级绕组和n+m个次级绕组，每个初级绕组分别与功放模块4或功放冗余模块40的输出端一一对应连接，各次级绕组依次首尾串接，用于将运行中的各个功放模块4或者运行中的各功放模块4和功放冗余模块40所输出的功率信号进行功率合成，形成一路合成数字信号。

其中，每个次级绕组的输出端分别并联一个旁路开关，当有功放模块4出现故障时，数字控制器1控制发生故障的功放模块4对应的旁路开关闭合以及控制与发生故障的功放模块数量相同的功放冗余模块40对应的旁路开关断开，实现发生故障的功放模块4的旁路处理，保证数字功率放大器的正常、稳定运行。

功率合成模块5将各运行中的功放模块4和/或功放冗余模块40输出的放大后的各信号进行合成，形成一路放大后的数字功率信号，其输出端out+/-将合成后的数字功率信号输送至滤波模块6，由滤波模块6滤波后，形成一路大功率模拟功率信号进行输出。

在一个可选的实施例中，滤波模块6可以采用lc无源低通滤波器构成的lc梯形滤波网络，用于对功率合成模块5输出的功率信号进行滤波，产生大功率模拟功率信号。

上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本实用新型的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。