开关线性复合式任意波形功率变换器 技术领域：
本发明涉及一种电力电子功率变换技术。
背景技术：
为了模拟自然界、经济建设和国防领域中各种规则及不规则强干扰现象，以便获取有效的测试数据，进行防范措施的预案研究，均需要具有一定功率的任意波形非标准电源装置。例如，对电力系统设备运行过程中可能遇到的各种干扰和谐波的状态模拟；对水电站、大坝抗震强度的测试；对某一设施抗破坏能力的判断；对生命科学研究人为制造特殊的恶劣环境等等，均需柔性化制造出携带能量的任意波形信号施于目标。
为了实现高力能密度的功率传递，国外现有的此类装置——智能波形功率电源(例如ELGAR公司制造的Smart Wave Power Source，简称SW)采用了开关功率放大器实施对任意波形信号发生器信号的功率放大。该装置在规定的性能指标范围内，频带有限(能产生直流，交流40HZ到5KHZ)，其中0到40HZ带宽为盲区。最低效率达到70％，波形组合为贮存的有限函数波形。
前一发明专利ZL00112420.X不具有覆盖连续频谱的任意波形柔性制造功能。
发明内容：
本发明地目的就是要克服以上问题而提供一种开关线性复合式任意波形功率变换器，采用开关放大与线性放大原理相结合的电路实现任意波形功率变换，它可在高于现有装置效率的前提下补齐0到40HZ范围的信号放大，使装置放大频带展宽到器件极限工作频率以内的全频带；并从瞬时功率理论中频率连续的概念出发，包含了对无限个基波非整数倍频的放大能力，以及对非周期、非对称组合波形的放大能力；同时，得到很强的多类(阻、容、感、非线性)负载适应性、抗负载扰动能力和快速响应特性(这是由于被复合的功率级线性电压跟随器事实上是一个小参数深度电压负反馈闭环单元)。
本发明开关线性复合式任意波形功率变换器，包括信号源1、将信号进行放大的线性电压放大单元2、将放大后的信号进行跟随输出的线性功率放大单元3、从线性电压放大单元2进行取样的取样单元4、功率级开关变换单元5、将功率级开关变换单元5产生的输出波形进行滤波后送线性功率放大单元3作为工作电源的滤波单元6，其特点是：所述的信号源为能产生任意波形信号的信号发生单元1；在取样单元4与功率级开关变换单元5之间接有可随机改变开关触发脉冲频率和占空比的柔性脉冲形成单元8，柔性脉冲形成单元8对取样信号进行识别，根据取样信号每个瞬时的变化率确定形成脉冲的频率，且使脉冲占空比随任意波形信号的幅值而变化，由柔性脉冲形成单元8输出的可变脉冲序列控制功率级开关变换单元5完成功率级开关变换，产生携带能量的脉冲序列。
本发明能使负载上得到与设定的任意波形信号一致的功率级供电波形，对阻性、容性、感性及非线性负载具有较强的鲁棒性，实现了任意波形的功率级保真跟踪放大；装置放大频带为0频到器件极限工作频率以内的全频带；控制线性功率放大单元功率管上降落的纹波电压在管饱和压降量级，使功率放大单元具有较高的效率。
附图说明：
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明的结构方框图。
图2是本发明实现附图1原理时射极输出对管的一种组合电路。
图3是本发明实现附图1原理时射极输出对管的另一种组合电路。
图4是本发明实现附图1原理时射极输出对管的又一种组合电路。
图5是本发明实现附图1原理时最基本组合电路。
具体实施方式：
附图1中单元1为可设定的任意波形信号发生单元，信号频率范围为0Hz到装置器件允许的极限工作频率，其信号复杂程度涵盖正负直流分量，基波整数倍频或非整数倍频波形，非周期量与非对称量波形的任意组合。该信号通过线性电压放大单元2进行线性放大电压，再通过线性功率放大单元3进行线性放大功率后输出至负载7。为保证线性功率放大单元3的高效率，其供电电源不采用传统的直流电源，而采用与线性电压放大单元2瞬时幅值相当的任意波形纹波电压供电，使线性功率放大单元3输出到负载7上的任意波形瞬时值与供电的纹波电压大致相差一个纹波电压峰一峰值，即让线性功率放大单元3中的功率放大器件损耗较小。
该纹波供电电压由以下路径生成，取样单元4从线性电压放大单元2放大后的任意波形信号进行取样，柔性脉冲形成单元8对该取样信号进行识别，根据取样信号每个瞬时的变化率确定形成脉冲的频率，且使脉冲占空比随任意波形信号的幅值变化，由柔性脉冲形成单元8输出的可变脉冲序列控制功率级开关变换单元5完成功率级开关变换，产生携带能量的脉冲序列，经滤波单元6简单滤波后得到与线性电压放大单元2输出电压信号幅值相当的纹波电压，亦即本发明中所需的为线性功率放大单元3供电的任意波形纹波电压。该纹波电压、线性电压放大单元2输出到线性功率放大单元3的电压、线性功率放大单元3输出到负载7上的电压均按比例跟踪信号发生单元1产生的任意波形信号的幅值、相位、频率和形状。对线性功率放大单元3供电的纹波电压幅值略高于线性功率放大单元3的输出电压，纹波峰一峰值约为二者之差，控制在略高于功率放大器件的管饱和压降值，使线性功率放大单元3效率颇高。鉴于线性功率放大单元3由高阻输入、低阻输出的射极输出器(电压跟随器)构成，必然取得很高的负载鲁棒性和快速响应能力。
附图2中，功率对管跟随放大的线性功率放大单元3由两同型压控器件T1、T2及两续流二极管D1、D2组成。线性电压放大单元2对信号发生单元1产生的信号进行线性放大电压，得到电压Vgg′，滤波单元6产生幅值略高于线性电压放大单元2输出电压信号幅值的纹波电压，该纹波电压对线性功率放大单元3供电，由此在负载7两端得到功率级任意波形。
附图3中，功率对管跟随放大的线性功率放大单元3由两异型压控器件T1、T2及两续流二极管D1、D2组成。线性电压放大单元2输出电压Vg对功率管T1、T2的公共门极施控。其它功能与附图2相同。
附图4中，功率对管跟随放大的线性功率放大单元3由两异沟道压控器件T1、T2及两续流二极管D1、D2组成。滤波单元6产生的带纹波的任意波形电压分正、负波形对线性功率放大单元3供电。其中，功率管T1的射极跟踪线性电压放大单元2发出的任意波形正信号；另一功率管T2的射极跟踪线性电压放大单元2发出的任意波形负信号。由此在负载7上合成双极性完整功率级任意波形。
附图5中的功率放大电路是图4中电路之半，当信号发生单元1仅提供单极性任意波形时，滤波单元6和线性功率放大单元3的电路均可简化，线性功率放大单元3由单个压控器件T1及其续流二极管D1、D2组成，在负载7上得到单极性的功率级任意波形。当信号发生单元1仅为可调直流(0频)信号时，负载上得到可调直流电压，是任意波形功率变换器的一种特殊状态，是开关线性复合式DC/DC变换器。
同理当附图2、附图3、附图4中的信号发生单元1被设定为单一频率波形信号时，最后负载7上就得到各种单一频率的功率级波形。由于功率级开关变换单元5与滤波单元6组合部件的能量源头是大电网或独立电网，事实上可由AC/DC，DC/DC甚至AC/AC/DC来完成，而线性功率放大单元3接着放大的任意波形，在理论上又囊括全频(含0频)波形的柔性组合，因此本发明可以是AC/DC，AC/DC/DC，DC/DC/DC，AC/AC/DC/DC，AC/DC/AC，DC/DC/AC，AC/AC/DC/AC等的多种变换电路组合和多种功率波形变换的柔性组合。
本发明对专利号为ZL00112420.X的发明专利进行了拓展，其拓展主要表现在信号单元具有覆盖连续频谱的任意波形柔性制造功能，增加了为适配每段波形的形状、随机改变开关触发脉冲频率和占空比的柔性脉冲形成单元8，以及它们与开关线性复合技术的其它基本单元包括线性电压放大单元2、线性功率放大单元3、取样单元4、功率级开关变换单元5、滤波单元6的有机结合上。