基于遗传算法的功放电路控制参数优化

作者:李娜;赵锦波;查明;刘庆;龙根;罗成;王琦思;丁葵; 刊名:声学与电子工程 上传者:莲花

【摘要】将遗传算法应用于17电平8模块级联D类功放电路的移相控制参数优化,避免了复杂的数值求解,可得到良好的谐波抑制能力.建立仿真电路模型进行验证,结果表明采用遗传算法优化的功放电路输出波形良好,满足射频功放对输出谐波含量的限制要求.

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处于几十kHz至几百kHz频段的固态功率放大器广泛应用在主动声呐、超声波、长波通信、长波授时发射机中[1-3],利用半导体开关器件,将直流电能变换为激励所需的高频交流电能,实现探测、通信、定位、导航等功能,这些应用场合对功率放大器的控制精度,特别是输出的谐波含量有较高要求。为了提高放大效率,大功率类射频功率放大器通常采用开关模式的D类放大电路拓扑。受当前功率半导体的工作频率的限制,功放电路不能采用电力电子中常规的SPWM调制方法,只能采用产生逆变方波即D类放大模式。多个D类功放移相合成多电平阶梯波输出电压,以降低功放输出的谐波含量,然后经过滤波环节得到正弦的输出电流。对于多电平级联的D类功率放大电路,移相控制参数直接关系到功放输出的谐波含量。因此需要设定合理的移相角,消除较低次谐波。求解消除特定低次谐波的方程本来就是非线性超越方程。目前,公开文献只有对5电平和9电平阶梯波开关时刻的优化配置[4,5],更多电平数阶梯波的优化配置还有待研究。而借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的遗传搜索算法可以不依赖于具体求解对象,原理简单、鲁棒性强,尤其适用于处理传统搜索方法难以解决的复杂和非线性问题[6,7]。本文将遗传算法应用于17电平8模块级联D类功放电路的移相控制参数优化。对遗传算法搜索8模块级联D类功放电路的最优移相角的过程进行了详细阐述。1多电平级联D类功率放大电路多电平级联的D类固态功率放大器是大功率百kHz发射机的核心部件,主要完成已调制激励小信号的功率放大,即在执行发射任务过程中,将mW级的小信号通过功率叠加合成的方式,实现峰值功率大功率激励信号输出,其电路拓扑结构如图1所示。图1电路拓扑结构示意图功率放大器的基本模块单元为D类功放模块,由四个MOS管Q1、Q2、Q3、Q4构成H桥逆变电路。MOS管工作在开关状态,驱动对管Q1、Q2和Q3、Q4轮流导通,将输出端正接、反接输入直 流源,或者输出端短路。则D类功放输出电压方波波形或者零电压。由于MOS工作在开关状态,而非线性放大状态,理论上MOS管损耗为零,故从DC到RF的变换效率实际可达98%以上。固态功率放大器由多个D类功放基本模块组成,每个D类功放模块的输出端经过合成变压器在次级串联输出,产生大功率激励信号。在固态功率放大器的输出后级还会加入阻抗匹配补偿网络,实现对负载(例如发射天线,声呐换能器)的电抗成分补偿和阻抗匹配,以实现最大效率和最大功率输出。17电平8模块级联的D类固态功率放大器的输出阶梯波电压波形如图2所示。其中i是第i个D类功放模块的移相角,Vd为输入端直流电压。图217电平阶梯波典型波形对多电平阶梯波进行傅立叶级数分解()dc121,3,5,...()4cos()cos()...cos()sin()snVtVnnnntn==+++(1)其中s表示D类功放模块的个数,n表示谐波次数。第n阶次的谐波含量别为()dcth124cos()cos()...cos()nsVVnnnn=+++(2)在选定电平数后,需要确定阶梯波的台阶移相角,优化功放输出谐波性能。对于(2n+1)电平阶梯波,有n个移相角可优化配置,可建立n个非线性方程,理论上可以消除(2n-1)次以下谐波。但该方程组是一个非线性超越方程组,难以获得代数解。一般采用Newton-Raphson法迭代求解数值解或近似值,这种方法的关键问题是初始值的选择,初始值选择不好,可能导致迭代过程不收敛。超越方程组的阶数随着电平数的增加而增加,高阶超越方程组的迭达求解难以收敛,求解更加困难。为此,本文将适合于求解非线性问题的遗传算法应用于17

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