电力电子系统中的功率脉冲时序组合与逻辑组合︱大容量电力电子混杂系统多时间尺度动力学表征与运行机制专题
2017第十二届中国电工装备创新与发展论坛
会议由中国电工技术学会主办，定于2017年8月19-21日在北京铁道大厦召开，本届大会主题为“电网技术创新与电能新业态”。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
清华大学电机系电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室的研究人员陈凯楠、赵争鸣、袁立强，在2017年第13期《电工技术学报》上撰文，从电力电子系统的底层脉冲组合理论出发，对功率脉冲时序组合与逻辑组合的概念、方法和实现进行总结提炼分析。
针对功率脉冲纯时序组合的局限性，提出功率脉冲及功率脉冲序列的逻辑组合方法，并对其组合思路和应用场景进行分析归纳。由于基于不同脉冲逻辑组合思路的两种典型应用，即多电平技术和倍频策略，均可以有效提高系统变换性能，以电力电子功率放大器为分析对象，对二者的谐波特性和适用性进行对比分析，以此作为上述理论的一个分析应用实例。
通过电力电子系统中脉冲组合方法论的研究，有助于从更为底层的角度对相关技术进行系统认识，从而延伸拓展出新的脉冲组合与实现方式，推动电力电子技术的发展。
电力电子变换技术区别于模拟功率放大技术最为本质的特征之一，为前者的功率器件工作于开关状态。这使得单个功率半导体器件的输出波形只能呈现方波脉冲的形式。本文将电力电子系统中产生方波脉冲的一个基本单元称为一个“开关单元”，它可以由单个功率半导体器件构成，也可以由若干同步动作的开关器件串并联而成。
为了利用方波脉冲合成所需的各种形式的波形，通常使开关单元随着时间的推移发出一组脉冲序列，通过该序列上所承载的调制信息，得到所需波形分量，例如最为常用的脉宽调制（Pulse WidthModulation, PWM）方式。此为电力电子系统中功率脉冲时序组合的概念：单一开关单元所产生的功率脉冲随着时间的推移而组合成为一条脉冲序列的过程。
但随着电力电子系统功率等级、输出频率、波形质量以及功率密度等性能要求的不断提高，在现有器件水平下使用单纯的脉冲时序组合已难以满足需求，因此有必要引入功率脉冲逻辑组合的概念，其涵义为：不同开关单元按照一定组合规律，在同一时间段各自产生特定的功率脉冲或功率脉冲序列，并通过空间上的叠加组合，共同实现输出波形的合成。
实际上，上述时序组合的概念作为当今电力电子技术的基石之一，在几乎所有的电力电子变换器当中均有体现；而脉冲逻辑组合的概念，尤其是在效果上，也已出现在许多电力电子系统当中，例如多电平技术、交错并联技术等。但对于相关方法论层面的提炼归纳，以及对其进行深入分析与延伸拓展的研究却很少出现。
文献[1]对电力电子系统中的功率脉冲进行过深入分析，其中也包含脉冲时序组合与逻辑组合的表述，但并未对其进行进一步的研究与阐述。文献[2]给出了一种多电平通用调制算法，其首先经由普遍适用的载波调制方法得出目标输出波形，之后再利用逻辑组合的思路，结合不同的拓扑与开关管状态，利用各开关器件所产生的脉冲序列组合叠加而形成所需输出波形。其直接从实现方法上（而不仅仅是最终效果上）体现了脉冲逻辑组合的思想，但该文献仅针对多电平变换器的一种调制方式分析，而没有针对这一通用的方法论进行归纳总结。
除了多电平技术以外，脉冲逻辑组合的另一个典型应用思路为本文所针对的倍频策略。该方法可通过不同开关单元之间的脉冲逻辑组合，使得变换器输出PWM频率为单个器件等效开关频率的数倍，进而达到提升波形质量、减小无源器件、拓宽工作频带等目的。
实际上，某些多电平方法，例如基于载波移相调制的级联式多电平[3-5]，在输出波形方面同样可以达到类似倍频的效果，但其输出谐波特性与上述倍频策略不尽相同，因此应用场合也有所区别，下文将会对此进行具体分析。
此外，感应加热电源领域也有类似的倍频策略研究，例如文献[6]给出了一种基于IGBT的倍频拓扑，通过负载、直流母线电感、桥臂以及桥臂间的换流支路构成特殊的换流模式，从而实现了输出频率为器件开关频率的2倍，但由于其谐振换流方式的特殊性，该拓扑仅适用于感应加热电源以及类似功能的变换器当中，且只能实现有限的2倍频。
由此可见，虽然从实现效果上来说脉冲逻辑组合的概念在现有的多种变换器当中均有所体现，但却缺乏对其普遍适用性方法论的提炼和分析；而对于由此引出的倍频思想，也同样缺乏对其系统性的研究，且独立于多电平的倍频策略在电力电子系统中的应用并不多见。
本文将首先从时域和频域的角度介绍功率脉冲时序组合的概念，并阐述其局限性，进而引出脉冲和脉冲序列的逻辑组合；在给出三种功率脉冲逻辑组合思路之后，结合现有调制策略对脉冲的纯逻辑组合以及脉冲序列的逻辑组合进行了归纳总结，并引出一种普遍适用的倍频策略；由于基于不同逻辑组合思路的两种方法，即多电平技术和倍频策略，均能有效提高变换器性能，但二者的具体特性又有所不同，因此本文从理想脉冲层面对二者的谐波特性及其适用性进行了深入对比分析，以此作为功率脉冲时序与逻辑组合理论的一个分析应用实例。
图1 电力电子功率放大器典型输出波形频域图（滤波前）
结论
本文从电力电子系统中最底层的功率脉冲组合理论出发，首先阐述了功率脉冲纯时序组合的概念和局限性，由此引出功率脉冲逻辑组合的概念，并提炼出基于电平、脉冲以及边沿的三种功率脉冲逻辑组合方式。
在此基础上，一方面对多重化、多电平等现有技术中的脉冲组合思想进行了总结归纳；另一方面提出了基于脉冲序列逻辑组合的倍频策略。该策略的特征在于，通过多条脉冲序列的逻辑组合，使得变换器输出脉冲频率为器件实际开关频率的若干倍，从而达到突破现有器件开关频率限制的效果。
由于现有的多电平策略以及上述倍频策略均可以在不同方面提升变换器的性能，本文以电力电子功率放大器的应用需求为例，对两种策略的脉冲频谱特征进行了深入对比分析，从而明确了两种方法的适用性，同时以此为例，展示了基于功率脉冲组合理论的分析思路和应用价值。