專利名稱：變換器及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電源領域，特別是一種適用于通信基站和手持終端設備的利用沃爾什變換具 有高效率的電源電壓變換器及其控制方法。
背景技術：
現(xiàn)代通信系統(tǒng)一般使用非恒定包絡調制技術來實現(xiàn)高的譜效率。為了防止光譜散布到臨 近信道，就需要高線性度的射頻功率放大器(RFPA)。傳統(tǒng)方式下，使用峰值電壓給功率放 大器(功放)供電，功放能夠實現(xiàn)非常高的線性度。然而，對于某一特定的輸入功率，功率 放大器有一個峰值效率，該效率是集合尺寸(例如電路元件和布線)、負載和供電電壓的函 數(shù)。利用峰值電平供電時，這些特性都是確定的。然而，由于功率放大器的輸入信號具有一 個較寬的動態(tài)范圍，并不經(jīng)常達到峰值電平，而是常常處在峰值電平以下，因此放大器的整 體效率非常低。
為改善放大器效率，可以通過改變幾何尺寸、負載和供電電壓中的一個或者多個來實現(xiàn) ，而改變器件和負載的技術對特殊的功率放大器拓撲具有較強的依賴性，且一般都會呈現(xiàn)射 頻問題。通過動態(tài)改變供電電壓提高放大器效率是切實可行的方案，并使得該類產品的設計 具有可重復性。
基于供電電壓提高放大器效率的技術主要有包絡消除與恢復技術和包絡跟蹤技術，而無 論哪種技術都需要具有高效率、高帶寬、高精度和高動態(tài)響應性能的包絡跟蹤電源。較為理 想的電源方案是使用一組高效率的中間電源，按照一定的切換規(guī)則，得到所需的中間電壓， 中間電壓再經(jīng)過進一步調節(jié)，便得到期望的包絡跟蹤電壓。

發(fā)明內容
為了解決現(xiàn)有技術電源效率低的問題，有必要提供一種改進電源效率的變換器。 還有必要提供一種上述變換器的控制方法。
其包括一包絡檢測單元、 一沃爾什級數(shù)計算單元、 一隔離驅動單元、 一主功率拓撲單元 和一濾波調節(jié)單元，該包絡檢測單元用于接收外部的通信調制信號并輸出相應的包絡信號到 該沃爾什級數(shù)計算單元，該沃爾什級數(shù)計算單元根據(jù)接收到的包絡信號計算得到對應的沃爾什基和對應的沃爾什系數(shù)到該主功率拓撲單元，該隔離驅動單元對所接收的沃爾什基進行過 零檢測和電氣隔離后得到一系列的互補驅動信號并將該互補驅動信號輸出到該主功率拓撲單 元，該主功率拓撲單元用于輸出與該沃爾什基和沃爾什系數(shù)對應的多電平中間電壓，該濾波 調節(jié)單元對該中間電壓進行調節(jié)用來實現(xiàn)全帶寬包絡電壓。
在本發(fā)明變換器中，該主功率拓撲單元包括一隔離電源模塊組和一開關矩陣，該隔離電 源模塊組包括多個隔離電源模塊，該開關矩陣包括多個開關單元，該隔離電源模塊組和該開 關矩陣相連接，該互補驅動信號是輸出到該開關矩陣，該沃爾什系數(shù)輸出到該隔離電源模塊 組。
在本發(fā)明變換器中，沃爾什基是連續(xù)的幅值大小為l或者一l的方波信號，而互補驅動信 號則包括與沃爾什基大于零部分對應的第一驅動信號和與小于零部分對應的第二驅動信號。
在本發(fā)明變換器中，該隔離電源模塊的組合按照沃爾什基序數(shù)的高低依次通過功率開關 串聯(lián)。
在本發(fā)明變換器中，該主功率拓撲可單元采用單電源單元的拓撲結構，其包括兩組相同 的拓撲結構用來完成功率擬合，兩組拓撲結構中對應的驅動脈沖控制信號完全互補，且每一 個單電源單元結構中的兩個驅動脈沖信號也完全互補。
在本發(fā)明變換器中，該主功率拓撲單元還可采用雙電源單元的拓撲結構，每一雙電源單 元包括二輸出的中間電壓值相等且連接極性相反的隔離電源模塊，以及二驅動控制信號互補 的開關。
在本發(fā)明變換器中，該主功率拓撲單元也可采用橋式電源單元的拓撲結構，每一橋式單 元包括一隔離電源模塊，其根據(jù)互補驅動控制信號輸出二極性相反的中間電壓。
一種變換器控制方法，包括提供一變換器，包括多個用于產生多個中間電壓的單元結構 ;對通信信號進行包絡檢測；對包絡檢測得到的信號包絡做沃爾什變換，得到擬合誤差最小 的有限組沃爾什基及其對應的基系數(shù)，其中一組沃爾什基與基系數(shù)在一個單元結構中嚴格對 應；沃爾什基經(jīng)過零檢測等方法處理后作為一個單元結構中功率開關的驅動信號；與其對應 的沃爾什基系數(shù)作為該單元結構中電源模塊的參考輸入從而得到每個電源模塊的期望輸出電 壓。
在本發(fā)明變換器控制方法中，該多個電源模塊相互隔離，可通過沃爾什基系數(shù)的變化對 電源電壓進行實時修正。
相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明變換器及其控制方法實現(xiàn)了獲得與包絡信號具有最小誤差的多 電平輸出電壓，實現(xiàn)包絡信號的功率擬合。由于擬合誤差的大小直接決定了中間多電平電壓與期望包絡跟蹤電壓之間誤差電壓的峰值平均比的大小，從而影響RFPA系統(tǒng)整體效率的高低 ，因此本發(fā)明變換器及其控制方法能夠實現(xiàn)最大的整體效率。因此，本發(fā)明變換器及其控制 方法采用基于沃爾什變換的切換規(guī)則，利用該規(guī)則實現(xiàn)高效率中間電壓變換。


圖l是本發(fā)明變換器一較佳實施方式的原理框圖。
圖2是圖1所示變換器的沃爾什基和互補驅動信號的信號示意圖。
圖3是本發(fā)明變換器另一較佳實施方式的方框示意圖。
圖4是圖1所示主功率拓撲單元第一實施方式的電路結構示意圖。
圖5是圖1所示主功率拓撲單元第二實施方式的電路結構示意圖。
圖6是圖1所示主功率拓撲單元第三實施方式的電路結構示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發(fā)明變換器及其控制方法的實施方式作進一步說明。 請參閱圖l，是本發(fā)明變換器一較佳實施方式的原理框圖。該變換器10包括一包絡檢測 單元ll、 一沃爾什級數(shù)計算單元12、 一隔離驅動單元13、 一主功率拓撲單元20和一濾波調節(jié) 單元14。該主功率拓撲單元20包括一隔離電源模塊組30和一開關矩陣40。該隔離電源模塊組 30包括多個隔離電源單元，該開關矩陣40包括多個開關單元。該隔離電源模塊組30和該開關 矩陣40相連接。
該包絡檢測單元ll用于接收外部的通信調制信號并輸出相應的包絡信號到該沃爾什級數(shù) 計算單元12。該沃爾什級數(shù)計算單元12根據(jù)接收到的包絡信號輸出對應的沃爾什基到該隔離 驅動單元13和對應的沃爾什系數(shù)到該主功率拓撲單元20的隔離電源模塊組30。該隔離驅動單 元13對所接收的沃爾什基進行過零檢測和電氣隔離后得到一系列的互補驅動信號，并將該互 補驅動信號輸出到該主功率拓撲單元20的開關矩陣40。該主功率拓撲單元13用于根據(jù)該沃爾 什基和沃爾什系數(shù)輸出多電平中間電壓。該濾波調節(jié)單元14是中間電壓變換的后繼環(huán)節(jié)，用 來實現(xiàn)全帶寬包絡電壓。
請同時參閱圖2，是圖1所示變換器10的沃爾什基和互補驅動信號的信號示意圖。由圖2 可知，沃爾什基是連續(xù)的幅值大小為l或者-l的方波信號，而互補驅動信號則包括與該沃爾 什基大于零部分對應的一第一驅動信號和與小于零部分對應的一第二驅動信號。其中，上述第一驅動信號對應該沃爾什基大小為l時其幅值大小為l，對應該沃爾什基大小為一l時其幅 值大小為0。上述第二驅動信號對應該沃爾什基大小為1時其幅值大小為0，對應該沃爾什基 大小為一l時其幅值大小為l。
本發(fā)明變換器及其控制方法是利用功率拓撲來完成包絡信號的沃爾什級數(shù)表示實現(xiàn)多電 平中間電壓輸出。該主功率拓撲單元13的拓撲結構中隔離電源模塊的組合按照沃爾什基序數(shù) 的高低依次通過功率開關串聯(lián)。
時間函數(shù)f (t)用沃爾什級數(shù)來表示
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例如， 一個隨時間變化的包絡，可由鄰介沃爾什級數(shù)表示，沃爾什基可表示為Wal (n， t) ，n=0、 1、 2、 3，對應的沃爾什系數(shù)表示為aO、 al、 a2、 a3。在附圖拓撲中，隔離電源模塊 輸出的電壓值DC1、 DC2、 DC3、 DC4分別等于aO、 al、 a2、 a3，而對應沃爾什基Wal (n， t) ，n=0、 2、 3、 4，構成的驅動信號用來控制DCrDC4所在單元結構的功率開關。事實上，在隨 時間連續(xù)變化的曲線擬合中，常常利用傅里葉級數(shù)來進行，但是傅里葉級數(shù)是由一組完備的 三角函數(shù)基組成的，無法得到多電平(階梯形)的曲線擬合。而與傅里葉級數(shù)相當?shù)奈譅柺?級數(shù)可用來表示一組有序的矩形波，可以證明，用一組多電平電壓波形來擬合一個已知波形 ，利用沃爾什級數(shù)進行擬合的誤差最小。
上述沃爾什級數(shù)計算單元12可以采用FPGA芯片編程實現(xiàn)。請同時參閱圖3，是本發(fā)明變 換器另一較佳實施方式的方框示意圖，其中隔離電源模塊l-4中隔離輸出母線上電壓可以是 15V，分別通過對應的DC/DC降壓成12V和5V兩路輸出。可調電源輸出模塊l-4接收來自沃爾什 級數(shù)計算單元輸出沃爾什基系數(shù)，并且分別輸出中間電壓到負載，該負載可以是任意阻性負 載。
由于功率放大器輸入信號的帶寬非常高，直接利用單體DC/DC變換器及其衍生結構得到 包絡跟蹤輸出電壓并不理想，較好的方案是在較高的效率下獲得帶寬較低的多電平(階梯形 )中間輸出電壓，然后在該電壓基礎上進行自適應調節(jié)，從而獲得滿足信號帶寬的包絡跟蹤 輸出電壓。請參閱圖4，是圖1所示主功率拓撲單元13第一實施方式的電路結構示意圖。圖4中所示 是單電源單元結構的主功率拓撲結構，該主功率拓撲單元13包括16個功率開關管S0(TS15和8 個隔離電源模塊DCrDC4以及DCl' DC4'。該16個開關管對應16個控制信號gO(Tg15。該多 個開關管S0(TS15每兩相鄰開關管為一組，分為8個單電源單元。該多個驅動控制信gO(Tg15 來自該隔離驅動單元13。每個單電源單元輸出一中間電平，8個單電源單元共輸出8個不同的 中間電平。在該主功率拓撲單元13第一實施方式中，單電源單元結構包括兩組相同的拓撲結 構來完成功率擬合，兩組拓撲結構中對應的驅動脈沖控制信號完全互補(如g00與g08互補) ，且每一個單電源單元結構中的兩個驅動脈沖信號也完全互補(如gOO與gOl互補)
請參閱圖5，是圖1所示主功率拓撲單元13第二實施方式的電路結構示意圖。圖5中所示 是雙電源單元結構的主功率拓撲結構。該主功率拓撲單元13包括S0(TS07共8個開關管， gO(Tg07共8個驅動控制信號輸入，輸出8個不同的中間電平。其中，SOO和SOl， S02和S03， S04和S05， S06和S07分別為四個基本單元。在該主功率拓撲單元13第二實施方式中，每一雙 電源單元結構中的兩個隔離電源模塊的輸出電壓值相等，但連接極性相反，只需要8個功率 開關管，較單電源單元結構減小一半。每一基本雙電源單元中的兩個開關的驅動控制信號是 互補的，如g00與g01互補，正好對應沃爾什基構成一組互補驅動脈沖。
請參閱圖6，是圖1所示主功率拓撲單元13第三實施方式的電路結構示意圖。圖5中所示 是橋式單元結構的主功率拓撲結構。該主功率拓撲單元13包括第一 第四橋式單元。其中， 第一橋式單元包括一隔離電源模塊DC1、四個開關管S41、 S42、 S43和S44。該開關管S41和 S44串聯(lián)連接在該隔離電源米快DC1兩端，且該開關管S42和S43串聯(lián)連接在該隔離電源模塊 DC1兩端。該開關管S41和S44構成的串聯(lián)支路和該開關管S42和S43構成的串聯(lián)支路并聯(lián)。第 二橋式單元包括一隔離電源模塊DC2、四個開關管S31、 S32、 S33和S34。該開關管S31和S34 串聯(lián)連接在該隔離電源米快DC2兩端，且該開關管S32和S33串聯(lián)連接在該隔離電源模塊DC2兩 端。該開關管S31和S34構成的串聯(lián)支路和該開關管S32和S33構成的串聯(lián)支路并聯(lián)。第三橋式 單元包括一隔離電源模塊DC3、四個開關管S21、 S22、 S23和S24。該開關管S21和S24串聯(lián)連 接在該隔離電源米快DC3兩端，且該開關管S22和S23串聯(lián)連接在該隔離電源模塊DC3兩端。該 開關管S21和S24構成的串聯(lián)支路和該開關管S22和S23構成的串聯(lián)支路并聯(lián)。第四橋式單元包 括一隔離電源模塊DC4、四個開關管Sll、 S12、 S13和S14。該開關管S11和S14串聯(lián)連接在該 隔離電源米快DC4兩端，且該開關管S12和S13串聯(lián)連接在該隔離電源模塊DC4兩端。該開關管 S11和S14構成的串聯(lián)支路和該開關管S12和S13構成的串聯(lián)支路并聯(lián)。
在該主功率拓撲單元13第三實施方式中，該開關管S41和S43接收控制信號g06，該開關管S42和S44接收控制信號g07，該開關管S31和S33接收控制信號g04，該開關管S32和S34接收 控制信號g05，該開關管S21和S23接收控制信號g02，該開關管S22和S24接收控制信號g03， 該開關管Sll和S13接收控制信號g00，該開關管S12和S14接收控制信號g01。并且，gOO和g01 、g02和g03、 g04和g05、 g06和g07分別為四對互補驅動控制信號。
以上實施方式均以8個中間電平輸出為例，事實上該主功率拓撲單元13內的開關管和隔 離電源模塊的數(shù)量可根據(jù)需要和電路組合設置。
由于中間輸出電壓與期望輸出的包絡電壓之間存在誤差，要使系統(tǒng)的整體效率較高，不 僅要求中間電壓變換器具有較高的效率，還要求誤差的峰值平均比盡可能小。使用上述任意 一種拓撲方案與沃爾什切換規(guī)則配合都可以實現(xiàn)最優(yōu)的中間電壓，請參閱圖7，曲線C 1為放 大器輸入信號包絡，而曲線C2為變換器輸出的多電平中間電壓。因此，上述三種實施方式的 主功率拓撲結構均能實現(xiàn)高效率的功率變換。
本發(fā)明變換器控制方法包括
提供一變換器，包括多個用于產生多個中間電壓的單元結構； 對通信信號進行包絡檢測；
對包絡檢測得到的信號包絡做沃爾什變換，得到擬合誤差最小的有限組沃爾什基及其對 應的基系數(shù)，其中一組沃爾什基與基系數(shù)在一個單元結構中嚴格對應；
沃爾什基經(jīng)過零檢測等方法處理后作為一個單元結構中功率開關的驅動信號； 與其對應的沃爾什基系數(shù)作為該單元結構中電源模塊的參考輸入從而得到每個電源模塊 的期望輸出電壓，其中，由于每個電源模塊相互隔離，因此可通過沃爾什基系數(shù)的變化對電 源電壓進行實時修正。
本發(fā)明變換器及其控制方法實現(xiàn)了獲得與包絡信號具有最小誤差的多電平輸出電壓，實 現(xiàn)包絡信號的功率擬合。由于擬合誤差的大小直接決定了中間多電平電壓與期望包絡跟蹤電 壓之間誤差電壓的峰值平均比的大小，從而影響RFPA系統(tǒng)整體效率的高低，因此本發(fā)明變換 器及其控制方法能夠實現(xiàn)最大的整體效率。因此，本發(fā)明變換器及其控制方法采用基于沃爾 什變換的切換規(guī)則，利用該規(guī)則實現(xiàn)高效率中間電壓變換。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之 內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種變換器，其特征在于包括一包絡檢測單元、一沃爾什級數(shù)計算單元、一隔離驅動單元、一主功率拓撲單元和一濾波調節(jié)單元，該包絡檢測單元用于接收外部的通信調制信號并輸出相應的包絡信號到該沃爾什級數(shù)計算單元，該沃爾什級數(shù)計算單元根據(jù)接收到的包絡信號計算得到對應的沃爾什基和對應的沃爾什系數(shù)到該主功率拓撲單元，該隔離驅動單元對所接收的沃爾什基進行過零檢測和電氣隔離后得到一系列的互補驅動信號并將該互補驅動信號輸出到該主功率拓撲單元，該主功率拓撲單元用于輸出與該沃爾什基和沃爾什系數(shù)對應的多電平中間電壓，該濾波調節(jié)單元對該中間電壓進行調節(jié)用來實現(xiàn)全帶寬包絡電壓。
2.如權利要求l所述的變換器，其特征在于該主功率拓撲單元包括一隔離電源模塊組和一開關矩陣，該隔離電源模塊組包括多個隔離電源模塊，該開關矩陣包括多個開關單元，該隔離電源模塊組和該開關矩陣相連接，該互補驅動信號是輸出到該開關矩陣，該沃爾什系數(shù)輸出到該隔離電源模塊組。
3.如權利要求l所述的變換器，其特征在于沃爾什基是連續(xù)的幅值大小為l或者一l的方波信號，而互補驅動信號則包括經(jīng)過零檢測得到的與大于零部分對應的第一驅動信號和與小于零部分對應的第二驅動信號。
4.如權利要求2所述的變換器，其特征在于該隔離電源模塊的組合按照沃爾什基序數(shù)的高低依次通過功率開關串聯(lián)。
5.如權利要求l所述的變換器，其特征在于該主功率拓撲單元可采用單電源單元的拓撲結構，其包括兩組相同的拓撲結構用來完成功率擬合，兩組拓撲結構中對應的驅動脈沖控制信號完全互補，且每一個單電源單元結構中的兩個驅動脈沖信號也完全互補。
6.如權利要求l所述的變換器，其特征在于該主功率拓撲單元還可采用雙電源單元的拓撲結構，每一雙電源單元包括二輸出電壓值相等且連接極性相反的隔離電源模塊，以及二驅動控制信號互補的開關。
7.如權利要求l所述的變換器，其特征在于該主功率拓撲單元也可 采用橋式電源單元的拓撲結構，每一橋式單元包括一隔離電源模塊，其根據(jù)互補驅動控制信 號輸出二極性相反的中間電壓。
8.一種變換器控制方法，包括 提供一變換器，包括多個用于產生多個中間電壓的單元結構； 對通信信號進行包絡檢測；對包絡檢測得到的信號包絡做沃爾什變換，得到擬合誤差最小的有限組沃爾什基及其 對應的基系數(shù)，其中一組沃爾什基與基系數(shù)在一個單元結構中嚴格對應；沃爾什基經(jīng)過零檢測等方法處理后作為一個單元結構中功率開關的驅動信號；與其對 應的沃爾什基系數(shù)作為該單元結構中電源模塊的參考輸入從而得到每個電源模塊的期望輸出 電壓。
9.如權利要求8所述的變換器控制方法，其特征在于該多個電源模 塊相互隔離，可通過沃爾什基系數(shù)的變化對電源電壓進行實時修正。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種變換器，其包括一包絡檢測單元、一沃爾什級數(shù)計算單元、一隔離驅動單元、一主功率拓撲單元和一濾波調節(jié)單元，該包絡檢測單元用于接收外部的通信調制信號并輸出相應的包絡信號到該沃爾什級數(shù)計算單元，該沃爾什級數(shù)計算單元根據(jù)接收到的包絡信號計算得到對應的沃爾什基和對應的沃爾什系數(shù)到該主功率拓撲單元，該隔離驅動單元對所接收的沃爾什基進行過零檢測和電氣隔離后得到一系列的互補驅動信號并將該互補驅動信號輸出到該主功率拓撲單元，該主功率拓撲單元用于輸出與該沃爾什基和沃爾什系數(shù)對應的多電平中間電壓，該濾波調節(jié)單元對該中間電壓進行調節(jié)用來實現(xiàn)全帶寬包絡電壓。本發(fā)明還涉及一種變換器控制方法。
文檔編號H02M3/04GK101667775SQ200910308489
公開日2010年3月10日 申請日期2009年10月20日 優(yōu)先權日2009年10月20日
發(fā)明者青 劉, 張東來 申請人:哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院