适应复杂波形回放的快速动态功率放大器设计

严勤，傅萌，夏鹏，王永生，秦伟

(1.国网江西省电力有限公司，江西 南昌 330077；2. 江苏智臻能源科技有限公司，江苏 南京 219600)

非介入式负荷辨识技术属于客户侧电力物联网的重要技术之一，应用于居民家庭、商业楼宇、工业企业等多个场景[1-3]。当前该类技术还处在技术探索期，市面上具备负荷辨识功能的各种设备参差不齐，性能差异很大，面对规模化推广应用，亟需明确设备性能的评价方法与标准，实现准确的批量化检测[4]，其中的关键环节是使用数字信号控制的功率放大器来复现多样化用电场景下负荷的电压、电流波形。波形回放过程中，功率放大器一般工作在空载状态，且要求具备快速的动态响应和良好的指令跟踪性能。

传统的线性功率放大器效率较低，功率处理能力受限，而且体积较大[5-6]。以D类放大器为代表的开关式功率放大器具有效率高、体积小等优点，更适合于音频功放和其他功率放大应用场合。新型宽禁带功率器件的应用进一步提升了开关式功率放大器的功率密度[7-9]。在波形回放的应用中，重点关注功率放大器的快速动态响应。基于传统脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)反馈控制的功率放大器由于环路幅频特性的限制，往往带宽有限，指令跟踪性能一般[10-11]。文献[12-13]通过添加一套具有高速动态性能的小功率放大器电路来补偿主功率放大器的纹波和电压暂态，提升主功率放大器的动态性能；但是电路架构比较复杂，控制难度较高。文献[14-18]将单周期控制技术应用于开关式功率放大器，具有动态响应快、控制电路简单等优势；但是由于积分电容复位时间的存在，实际测试效果与理论分析结果存在偏差。文献[19]对传统单周期控制电路进行改进，将积分器移出反馈回路，通过增加单脉冲发生器来控制驱动脉冲的宽度，从而实现定频工作和快速动态；但是在单脉冲发生电路中依然使用了积分器，因此并未从根本上解决积分电容复位时间所导致的问题；此外，传统单周期控制没有负载侧反馈控制，因此负载调整率较差。

由于功率放大器在波形回放应用中一般处于空载状态，因此无需对负载变化进行反馈控制。考虑到单周期控制的动态响应极快，将其应用于波形回放功率放大器控制非常合适。本文初步选择较为简单的半桥电路作为功率放大器的主电路拓扑来验证波形回放的相关思路和设想。在传统单周期控制电路的基础上，增设1组额外的积分电路，以2组积分电路交替工作的方式来解决积分电容复位时间的问题。通过对比实际采集的用电侧负荷数据与波形回放数据，来验证功率放大电路的指令跟踪能力和动态响应速度。

1 模拟检测系统架构

非介入终端模拟检测系统结构如图1所示。核心结构主要是上位机测试主站和下位机波形回放装置。测试主站是控制中心，管理整个测试环境的硬件、案例库及执行全过程，主站的案例库是家庭用电场景的录制数字波形；波形回放装置包括可控的电压源及电流源，具有可控性高、动态响应快、波形跟踪能力强和低功耗的特点，可模拟真实居民用户电压、电流波形，其核心部分为功率放大电路和输出控制电路。

图1 非介入终端模拟检测系统结构Fig.1 Structure of detection emulation system for non-intrusive device

工作过程简述为：现场采集的波形数据经过存储后作为案例下发到波形回放装置，经过内部数模转换后输出参考指令到改进型单周期控制器。改进型单周期控制器控制半桥功率放大电路的输出快速跟踪参考指令，从而实现特定波形回放的目标。回放的电压、电流波形分别输入到非介入式辨识设备中进行负荷辨识。辨识结果通过数字接口输出后与原始数据进行精度对比，最后将辨识结果及对比误差生成相关报告。

可见，波形回放系统主要用来模拟用电侧各种复杂场景下电器负荷的电压、电流波形，用于考核具备负荷辨识能力设备的辨识性能。功率放大电路需要具备快速跟踪和复现复杂模拟小信号的能力。同时，功率放大电路应结构相对简单、成本相对较低。

2 半桥功率放大器电路

2.1 功率放大器主电路

半桥功率放大器电路如图2所示，其中：S1、S2为组成半桥电路的功率开关；C1—C3为滤波电容器；R为负载；L为滤波电感器；D1、D2分别为S1、S2的寄生体二极管；U1、U2为C1、C2的电压；up为桥臂中点电压；Uo为输出电压峰值；Ug1、Ug2为门极驱动脉冲。改进型单周期控制电路部分在后文中详述。主功率级采取双极性调制的方式，以输出波形的正半部分为例，当S1关断、S2导通时，桥臂中点电压up的电平为-U2，此时D1反向偏置关断，U2与Uo之和加在L两端，流过L的电流线性下降。当S1导通、S2关断时，桥臂中点电压up的电平为U1，此时D2反向偏置关断，U1与Uo之差加在L两端，流过L的电流线性上升。U1与U2通常设计为相等，均记作Uin。up作为受控开关变量输入改进型单周期控制器进行积分处理，积分结果与参考指令进行比较后产生脉冲信号。脉冲信号经过驱动电路后，分别生成门极驱动脉冲Ug1、Ug2来控制功率开关S1、S2的通断。

图2 半桥功率放大器电路Fig.2 Circuit of half-bridge power amplifier

半桥功率放大器的器件电压应力见表1。在实际电路设计中，由于器件和线路寄生参数的存在，开关S1、S2的额定电压通常选择理论应力值的1.5倍，电容C1、C2、C3的额定电压通常选择理论应力值的1.2倍。由于波形回放应用中的功率放大器工作在空载状态，因此并不过多关注器件的电流应力。另外，为了防止开关S1、S2直通，需要在它们的门极驱动之间适当加入可调节的死区时间。死区的存在会影响功率变换的效率，也会对电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)、器件应力等造成一定影响，因此需要在实际测试中反复调整和优化。

表1 主要器件的电压应力Tab.1 Voltage stress of main components

2.2 改进型单周期控制器

2.2.1 工作原理

改进型单周期控制电路如图3所示，其中：Uc为积分电路输出信号；S3—S6为复位开关；R1为积分电阻；C4、C5为积分电容；U1为误差放大器；U2为高速比较器；U3为RS触发器；U4为D触发器。开关S3、S4和电容C4组成1套积分复位电路，开关S5、S6和电容C5组成1套积分复位电路，2套积分复位电路交替工作，工作频率为开关频率的一半。双通道积分复位电路能够有效解决传统单周期控制电路中积分电容非理想放电影响控制精度的问题，大幅改善控制性能。

图3 改进型单周期控制电路Fig.3 Circuit of modifiedone-cycle control

单周期控制的核心理念在于对开关变量进行积分控制，使其在每个开关周期内的平均值能够快速跟踪参考指令[20]。本文以图2中桥臂中点电压up为开关变量，将其采样到双通道积分电路进行积分运算，所得输出Uc与参考指令信号进行比较，产生相应脉冲信号来复位触发器U3。时钟信号的频率为开关S1、S2的开关频率。触发器U3的/Q端输出PWM脉冲，经过驱动电路后给到开关S1、S2的门极。同时，/Q端的输出作用于触发器U4，产生双通道积分复位电路中相应开关动作所需的窄脉冲信号。其中，开关S3、S5的动作一致，开关S4、S6的动作一致，2组开关分别工作在相邻的开关周期。

2.2.2 控制函数

结合半桥功率电路的工作模式，改进型单周期控制电路中主要变量的波形如图4所示，其中：CLK为时钟信号；Ts为开关周期；uref为参考指令；t为时间。

图4 控制电路中主要变量的波形Fig.4 Main variables waveforms in control circuit

根据单周期控制工作原理，电路的控制函数可表述为

(1)

式中：R1为积分电阻R1的阻值；Cint为积分电容(即电容C4或C5)的容值。

由式(1)可得每个开关周期内开关变量up的平均值

(2)

k=R1Cint/Ts.

(3)

式中k为增益系数。

在波形回放功率放大器的应用中，与开关周期相比，参考指令的变化通常很慢。根据准稳态原则，开关变量up在单个开关周期的平均值能够快速追踪参考指令的变化。

2.2.3 双通道积分复位电路

在单周期控制电路中，传统的单通道积分复位电路中存在电容放电时间，导致控制精度受到影响，尤其在占空比接近100%的情况下。图3所包含的双通道积分复位电路中，2组积分电路交替工作，有1个开关周期的时间用于保证积分电容的完全复位。双通道、单通道积分复位电路的性能对比如图5所示。可以清晰地看出，单通道积分复位电路中控制波形存在一定的放电时间，而双通道积分复位电路中控制波形实现了瞬间放电。

图5 2种积分复位电路的性能比较Fig.5 Performance comparisons of two types of resettable integration circuit

3 仿真与实验

PSIM软件具有器件模型全、收敛速度快、界面友好和易于使用的优点。使用PSIM对基于改进型单周期控制器的半桥波形回放电路进行仿真，主要参数见表2。D触发器的输出作用于电容与电阻串联组成的微分电路后，产生窄脉冲来驱动积分电容复位开关S3—S6。图6为仿真与硬件实验框图。

表2 主要的仿真参数Tab.2 Main simulation parameters

图6 仿真与硬件实验框图Fig.6 Block diagram of simulation and hardware experiments

改进型单周期控制器稳态表现如图7所示，可以看出控制电路的性能表现符合前文的理论分析。改进型单周期控制器动态表现如图8所示，指令变化出现在开关周期内积分电容复位之后，在下一个开关周期控制电路已经快速跟上新的参考指令。

图7 改进型单周期控制器稳态表现Fig.7 Steady-state behaviors of modified one-cycle controller

图8 改进型单周期控制器动态表现Fig.8 Dynamic behaviors of modified one-cycle controller

如果指令变化出现在开关周期内积分电容复位之前，则控制电路在当前开关周期即可跟上新的参考指令。可见改进型单周期控制器具备极快的动态响应速度，适用于波形回放电路。工频周期时间尺度下，输出电压对参考指令的跟踪情况如图9所示，可以看出功率放大电路的输出波形在稳态和暂态情况下都能够快速跟踪参考指令。

图9 输出电压对参考指令的跟踪情况Fig.9 Tracking performance of output voltage to reference command

基于改进型单周期控制的快速动态波形回放装置如图10所示。所采集的家用电器或其他负载的负荷数据通过数字通信接口输入到波形回放装置，经过功率放大后产生相关波形包络并由波形输出接口提供给后级的待测负荷装置。家用空调负载的电压、电流波形回放结果如图11所示，波形回放装置较为真实地模拟了正弦电压波形和冲击电流波形，回放效果较好。电水壶负载的电压、电流波形回放结果如图12所示，波形回放装置能够较好地模拟负载的真实用电特性。

图10 波形回放装置的后视图Fig.10 Rear view of waveform restoration equipment

图11 空调的电压、电流波形回放Fig.11 Current and voltagewaveform restoration of air-conditioner

图12 电水壶的电压、电流波形回放Fig.12 Current and voltage waveform restoration of electric kettle

表3和表4分别列出了空调电压波形和电流波形部分回放结果与原始数据的对比以及差异度。记波形回放数据为dres，原始数据为dorg，定义数据差异度指标

表3 空调电压波形回放数据与原始数据的对比Tab.3 Comparisons between restorated data and raw data of air-conditioner voltage waveforms

表4 空调电流波形回放数据与原始数据的对比Tab.4 Comparisons between restorated data and raw data of air-conditioner current waveforms

(4)

使用基于模数转换芯片的数据采集装置对相应参考波形进行二次数据采集，以获得比对所用的原始数据。对比电压数据集所有数据发现，回放数据与原始数据的差异度不超过±0.4%，回放效果较好。对比电流数据集所有数据发现，回放数据与原始数据的差异度不超过±0.5%。考虑到空调电流波形存在较为陡峭突变的情况，回放效果符合实际应用需求。

表5和表6分别列出了电水壶电压波形和电流波形部分回放结果与原始数据的对比以及差异度。对比电压和电流数据集所有数据发现，回放数据与原始数据之间的差异度不超过±0.5%，回放效果较好。

表5 电水壶电压波形回放数据与原始数据的对比Tab.5 Comparisons between restorated data and raw data of electric kettle voltage waveforms

表6 电水壶电流波形回放数据与原始数据的对比Tab.6 Comparisons between restorated data and raw data of electric kettle current waveforms

以空调的电压波形和电流波形回放为例，比较双通道积分器的波形回放结果与单通道积分器的波形回放结果。通过对回放结果进行工频周期内20点数据采样并与相应参考波形数据进行比较，分别得到如图13、图14所示的误差数据。其中图13为2种不同积分器方案下空调电压波形回放结果对比，图14为2种不同积分器方案下空调电流波形回放结果对比。可以看出：单通道积分器的波形回放结果误差波动范围较大，最大误差超过4%；双通道积分器的波形回放结果误差稳定，最大误差低于2%。对本文探讨的波形回放装置进行长期测试，发现其误差指标小于2%，满足波形回放的实际应用要求。

图13 2种积分器方案下空调电压波形回放结果对比Fig.13 Comparisons of air-conditioner voltage waveform restoration results under two different integrator solutions

图14 2种积分器方案下空调电流波形回放结果对比Fig.14 Comparisons of air-conditioner current waveform restoration results under two different integrator solutions

4 结束语

针对非介入辨识终端检测系统中对复杂电压、电流波形快速复现回放的需求，提出一种基于改进型单周期控制的半桥功率放大电路。分析了主电路的工作模态和稳态特性，详细介绍了改进型单周期控制器的工作原理，并推导相关控制函数。通过增设额外的积分复位电路，解决了传统单周期控制中积分电容复位时间影响控制精度的问题，实现了快速指令跟踪和波形回放功能。仿真模拟和硬件测试的结果验证了理论分析的有效性和电路方案的可行性。回放数据与原始数据的相对误差在可接受范围之内，取得了良好的波形回放效果。