0 引言 功率放大器在音頻功放、發射系統、伺服系統、聲納探測、振動測試等很多領域都得到廣泛的應用。傳統的功率放大器采用線性放大電路，其效率較低（40％～60％），且體積大，故應用領域受到限制。為了解決傳統功率放大器的缺點，開關功率放大器應運而生[1]。 目前國內外在高功率（5kW以上）放大器系統設計中，為了滿足功率要求普遍使用IGBT為主的全橋逆變拓撲[2]。相比之下，以MOSFET為功率器件的高功率放大器系統的設計方案[3]只占少數，而且其開發的控制方式不能夠很好地解決系統模塊間的均流控制，以及電容器中點電位控制等問題。故急需開發出以MOSFET為主的高功率放大器系統，以可靠地提高放大器系統的性能。本文提出了一種適合于高功率放大器系統模塊化使用的逆變單元，并詳細介紹了單元的拓撲和數字控制原理，實驗結果證明了它的良好性能。 1 主電路拓撲 　　傳統的兩電平全橋逆變拓撲應用于高功率放大器系統時，由于受到器件耐壓的限制，難以使用頻率較高的MOSFET，故系統性能無法有效提高。借鑒了已有的研究，我們采用了文獻[4]提出的五電平二極管中點鉗位逆變拓撲（“Five－Level NPC Inverter”，以下簡寫為“FNI”）作為基礎功率單元。圖1所示為FNI電路。 　　這種FNI結構的基礎——NPC逆變拓撲，最早是由Nable等人于1981年提出的。與傳統兩電平變換器相比，有以下優點：在大功率系統中，將功率器件直接串聯使用而無須外加輔助電路；器件耐壓極限降至直流側電壓的一半，使器件的選取變得靈活；輸出波形中諧波成分相對于兩電平變換器大為減少，減輕了濾波環節負擔；負載上電壓紋波減小，抑止了電磁干擾問題。 2 控制方式的比較與改進 2.1 已有控制方案的介紹 　　文獻[4]中Lau W H等開發的控制方案的優點在于提高模塊輸出的等效開關頻率，抑止輸出諧波；缺點在于系統的輸入信號在經過PWM調制后，仍不能作為驅動信號使用，還須繼續進行較繁瑣的計算，故不能很好地使用于現有的數字信號處理芯片。該方案的詳細分析請見文獻[4]。 2.2 改進的控制方案的原理 　　改進后的控制方式首先將文獻[4]中的載波頻率提高一倍至2fC，并調整其偏置后，再進行PWM比較，如圖2所示調制后的信號即為驅動信號。而且控制左右橋臂（Leg1、Leg2）的載波相位相同，沒有文獻[4]控制方式所要求的相位差，其好處在于避免系統在調整開關頻率的同時還需要調整相位差，同時有利于系統調節直流側電容的中點電位。 　　比較圖2和文獻[4]可以發現，開關管的驅動信號是相同的，所以輸出波形也一定是相同的。改進后的控制策略能夠便捷地應用到數字信號處理芯片中，同時保留文獻[4]控制方式的優點。例如在DSP（TMS320LF2407）芯片上PWM的調制可以通過專職的事件管理模塊EVA及EVB直接完成，這樣大大降低了控制方式的實現難度。 　　改進后的控制策略也有不足之處，就是也沒有提供解決直流側電容的中點電位不平衡問題的方案。根據實驗結果可以發現，由于電路元件的固有電阻特性不對稱所造成的電容中點電位的靜態誤差不能被忽略。圖9（f）為直流側電源為400V時中點電位的情況，可以發現有13.2V的靜態誤差。 2.3 中點電位不平衡的危害與解決方案