李　斌　王永斌

(1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院　武漢　430033)(2.91919部隊(duì)　羅田　438600)

LI Bin1,2　WANG Yongbin1

(1.College of Electronic Engineering,Naval University of Engineering, Wuhan　430033) (2.No.91919 Troops of PLA, Luotian 438600)

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SLF通信系統(tǒng)中功率放大器諧波抑制問題研究*

李斌1,2王永斌1

(1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院武漢430033)(2.91919部隊(duì)羅田438600)

論述了SLF通信系統(tǒng)中開關(guān)功率放大器諧波產(chǎn)生的機(jī)理，分析了目前SLF通信系統(tǒng)中采用LC濾波方案來抑制諧波的優(yōu)點(diǎn)和局限性。結(jié)合SLF通信系統(tǒng)的實(shí)際，提出了APF和波形合成兩種進(jìn)一步抑制諧波的方案，并論證了其可行性。

開關(guān)功率放大器; 諧波抑制; LC濾波; APF; 波形合成

LI Bin1,2WANG Yongbin1

(1.College of Electronic Engineering,Naval University of Engineering, Wuhan430033) (2.No.91919 Troops of PLA, Luotian 438600)

Class NumberTN839

1　引言

超低頻(SLF 30Hz-300Hz)通信[1]是目前對(duì)潛艇進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大深度、不間斷通信的唯一有效手段，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。超低頻對(duì)潛通信系統(tǒng)因其系統(tǒng)龐大復(fù)雜、技術(shù)含量高，目前世界上只有美國、俄羅斯等少數(shù)國家掌握了超低頻對(duì)潛通信技術(shù)。SLF通信系統(tǒng)中，受天線效率低下的影響，為達(dá)到通信要求，不得不提高發(fā)信功率。在SLF實(shí)際通信系統(tǒng)中，其發(fā)信功率已經(jīng)達(dá)到兆瓦級(jí)別，如此大的功率讓系統(tǒng)必須十分注意效率問題。隨著電子電力技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)型功率放大器因?yàn)槠錁O高的功率轉(zhuǎn)化效率(80%以上)，在SLF通信系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。但是，開關(guān)型功率放大器作為非線性器件，在提高效率的同時(shí)也產(chǎn)生了諧波問題。本文就SLF通信中開關(guān)功率放大器件產(chǎn)生的諧波問題進(jìn)行研究，分析了目前SLF通信系統(tǒng)中采用LC濾波方案來抑制諧波的優(yōu)點(diǎn)和局限性。結(jié)合SLF通信系統(tǒng)的實(shí)際，提出了有源濾波器( Active Power Filter，APF)和波形合成兩種進(jìn)一步抑制諧波的方案，并論證了其可行性。

2　SLF通信系統(tǒng)中開關(guān)功率放大器的諧波及其危害

2.1諧波產(chǎn)生機(jī)理

在SLF通信系統(tǒng)中，大量非線性器件的使用，使得諧波廣泛存在于系統(tǒng)的各個(gè)模塊。按諧波來源的不同可以分為電源諧波、輸電線路諧波、通信用電設(shè)備諧波三種諧波源[2]。電源和輸電線路上的諧波在電力電氣方向上有非常多的研究，實(shí)際中也采用了一系列消除抑制措施，對(duì)通信的影響很小。通信用電設(shè)備在功率放大器之前通信信號(hào)功率很小，產(chǎn)生的諧波功率可以忽略不計(jì)。因此，本文重點(diǎn)討論功率放大器產(chǎn)生的諧波問題。

SLF通信系統(tǒng)由發(fā)信系統(tǒng)，收信系統(tǒng)兩部分組成。開關(guān)功率放大器主要工作于其發(fā)信系統(tǒng)。SLF發(fā)信系統(tǒng)基本原理如圖1所示。

圖1　SLF發(fā)信系統(tǒng)基本原理圖

由圖1可知，功率放大器的作用是將小信號(hào)進(jìn)行功率放大，大功率信號(hào)經(jīng)調(diào)諧濾波后送至天線。理想的功率放大器[3]是比照輸入的原始信號(hào)，將直流電源提供的直流功率轉(zhuǎn)換為功率放大后的輸出信號(hào)的功率，只進(jìn)行功率放大，放大后的波形質(zhì)量不受影響。目前，按功放管的工作狀態(tài)把功率放大器分為模擬類功率放大器和開關(guān)型功率放大器。模擬類功率放大器的功放管工作于線性放大狀態(tài)，所以輸出線性度是比較好的。但由于其功放管工作于線性放大狀態(tài)，其損耗很大。在大功率通信系統(tǒng)中，為提高效率，功放模塊會(huì)選擇效率更高的開關(guān)型功率放大器。開關(guān)管“放大”的基本思路是:從輸入信號(hào)的波形中采集有關(guān)信息(如頻率)，利用這些信息去分別控制各功率開關(guān)，輸出幅度相同且含有特定相位的矩形脈沖，把這些相位按特定要求的矩形脈沖有序地疊加起來，經(jīng)濾波而得到與輸入波形相似、但功率非常大的輸出。在開關(guān)功率放大器中，輸入信號(hào)不是線性放大，而是經(jīng)過一系列非線性變換，因此開關(guān)型放大器的失真較大，產(chǎn)生了大量諧波。

2.2諧波產(chǎn)生的危害

理想情況下，經(jīng)過功率放大器功率后，放大后的信號(hào)與輸入信號(hào)波形相同，功率變大。在SLF通信中，信號(hào)采用MSK調(diào)制方式，開關(guān)功率放大器在信號(hào)波形上可以看成把小功率MSK信號(hào)變成大功率矩形脈沖信號(hào)。通過Matlab軟件，選取60Hz和70Hz兩個(gè)頻率對(duì)經(jīng)過開關(guān)功放的MSK方波信號(hào)進(jìn)行仿真和傅里葉變換，得到圖2和圖3。

如圖2所示，MSK信號(hào)經(jīng)過功率放大器以后變成相位連續(xù)，頻率變化的方波。如圖3所示，對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換后發(fā)現(xiàn)，仿真信號(hào)產(chǎn)生了奇次(3，5，7…)諧波。這些諧波消耗了能量，造成了功率的浪費(fèi)。

開關(guān)型功率放大器產(chǎn)生的諧波功率很大，在實(shí)際中產(chǎn)生了許多不利的影響。主要有以下幾點(diǎn)[4～5]。

圖2　矩形仿真信號(hào)

圖3　仿真信號(hào)頻譜

1) 對(duì)通信的干擾：諧波電流會(huì)使得系統(tǒng)周邊的有線通信線路產(chǎn)生干擾使得通信線路不通暢。基波信號(hào)產(chǎn)生的N次諧波疊加在其他頻段的信號(hào)上會(huì)產(chǎn)生干擾。同時(shí)，諧波的電磁噪聲和射頻噪聲會(huì)干擾小信號(hào)的穩(wěn)定性，典型的例子是SLF通信會(huì)對(duì)天線附近的有線電話產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

2) 對(duì)電子控制設(shè)備的影響：諧波電流會(huì)造成控制設(shè)備的信號(hào)受到影響而發(fā)生紊亂，使得電腦發(fā)出誤動(dòng)作或發(fā)出的操作指令無法傳達(dá)。繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)裝置、電能計(jì)量及儀表指示等會(huì)受到諧波的影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成損害。

3) 對(duì)電器設(shè)備的影響：諧波電流作為無用的能量存在于電路中，使短路器等電氣設(shè)備受到了不必要的損害，減短了設(shè)備的使用壽命。

3　SLF中開關(guān)型功率放大器諧波抑制方案

在SLF通信系統(tǒng)中，由于整個(gè)系統(tǒng)工作頻率低，功率大，諧波所造成的危害巨大，諧波的抑制也就變的非常重要。在諧波的治理過程中，主要從兩方面進(jìn)行處理。一方面通過釆用濾波裝置進(jìn)行電力系統(tǒng)中諧波的濾除,另一方面通過改造用電設(shè)備，從而使其產(chǎn)生的諧波減小。

3.1LC濾波器

LC濾波器[6]是一種無源濾波器，通過對(duì)諧波進(jìn)行吸收的方式來抑制諧波。目前，SLF通信系統(tǒng)中，正是采用了LC濾波器進(jìn)行調(diào)諧濾波。釆用LC濾波器進(jìn)行諧波的濾除也是當(dāng)前抑制諧波的主要措施。

LC濾波器[7]由電容器、電抗器及電阻組成。通過不同的組合，LC濾波器可以實(shí)現(xiàn)四種濾波功能:低通濾波、高通濾波、帶通濾波、帶阻濾波。LC無源濾波器具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

圖4為一個(gè)帶通濾波器，它利用C1和L1串聯(lián)對(duì)諧振信號(hào)阻抗小、C2和L2并聯(lián)對(duì)諧振信號(hào)阻抗大的特性，讓諧振信號(hào)f容易通過，從而阻止其他頻率信號(hào)通過，從而有效濾除高次諧波。SLF通信系統(tǒng)中使用LC濾波器消除諧波，其結(jié)構(gòu)簡單，消除諧波效果好，是一種簡便易操作的消除諧波的方法。

圖4　帶通濾波電路圖

但同時(shí)也存在以下不足：

1) 信號(hào)經(jīng)過濾波器，能量被濾波器吸收，變成電磁能和熱能，存在功率浪費(fèi)的問題。

2) 由于調(diào)諧偏移和殘余電阻的存在，調(diào)諧濾波器的阻抗等于零的理想條件是不可能出現(xiàn)的，阻抗的變化大大妨礙了濾波效果，并且還存在濾波器過負(fù)荷的可能性。

3) 消耗大量的有色金屬，體積大，占地面積大。

3.2有源濾波

有源電力濾波器[8](Active Power Filter，APF)是由 H Sasaki 和 H Machida 于 1971 年首先提出。通過向系統(tǒng)中注入一個(gè)與負(fù)載諧波電流幅值相等、相位相反的電流，從而抵消了系統(tǒng)中的諧波電流。原理如下：

如圖5所示，有源電力濾波器一般由四部分組成:諧波電流檢測電路、電流跟蹤控制電路、主開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路和主電路。諧波電流檢測電路利用諧波電流檢測算法檢測出負(fù)載電流中的諧波分量，同時(shí)監(jiān)測有源濾波器直流側(cè)母線電容的電壓。電流跟蹤控制電路根據(jù)諧波電流檢測電路的檢測結(jié)果，經(jīng)由控制算法計(jì)算生成一系列 PWM 控制信號(hào)作為補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，將指令信號(hào)送入主開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)主電路中的開關(guān)器件。這樣，由 APF 主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流，注入系統(tǒng)中。該補(bǔ)償電流與非線性負(fù)載電流的諧波分量大小相同、相位相反，從而達(dá)到濾除非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波的目的。和無源濾波器相比，有源濾波器能夠?qū)ψ兓闹C波進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤補(bǔ)償且補(bǔ)償特性與電力系統(tǒng)阻抗無關(guān)。

圖5　并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

從原理上看，在SLF大功率系統(tǒng)通信時(shí)，信號(hào)的頻率是實(shí)時(shí)變化的，要實(shí)現(xiàn)諧波實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償，對(duì)算法和設(shè)備的要求非常高，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大。在大功率系統(tǒng)中使用APF，較高的電壓水平也帶來了電壓隔離問題和開關(guān)的串并聯(lián)連接問題。APF主要作用是消除或減少諧波電流，出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，直接采用有源逆變器實(shí)現(xiàn)大功率的諧波抑制不是明智之舉。因此，我們考慮采用綜合無源電力濾波器和有源電力濾波器的混合型有源電力濾波器，讓其中的無源電力濾波器承擔(dān)大部分諧波抑制功能。但從通信需求來看，采用混合濾波器只是對(duì)諧波抑制能力的進(jìn)一步提升，并且設(shè)備造價(jià)較高、運(yùn)行維護(hù)不太方便，須額外消耗能量，是一種性價(jià)比極低的方案。

3.3波形合成

波形合成[9]技術(shù)是一種從諧波源處來抑制諧波的方法。波形合成的原理是在不影響技術(shù)參數(shù)的情況下，通過對(duì)輸入信號(hào)波形的改變，使經(jīng)過功率放大器后的信號(hào)產(chǎn)生的諧波盡可能的小，從而達(dá)到抑制諧波輻射的目的。

在圖1的通信系統(tǒng)中，頻率是信號(hào)的載體，在不改變頻率的情況下，可以通過波形合成來抑制諧波輻射。階梯波技術(shù)就是一種能夠抑制諧波的波形合成技術(shù)，它通過把輸出的方波變成階梯波來抑制諧波的產(chǎn)生。其抑制諧波原理如圖6所示。

圖6為取圖1中的MSK方波信號(hào)，通過Matlab仿真，合成為幅度相等頻率相同的八階階梯波波形圖，圖7為八階階梯波的頻譜圖。由圖可以看出，階梯波相對(duì)于方波，能量更多集中在基波上，對(duì)諧波分量的抑制作用十分明顯。

下面對(duì)方波(圖3)和八階階梯波(圖7)的低次諧波進(jìn)行量化分析。

圖6　八階階梯波

圖7　八階階梯波頻譜

表1中，以基波為參考單位，列舉了3次、5次、7次諧波幅度與基波幅度的比值百分比。通過上表可知，在相同輸出功率即基波功率相同的情況下，3、5、7次諧波減少的能量損耗分別為26.81%、11.2%、9.2%。這說明階梯波合成能有效抑制諧波。

表1　低次諧波的能量與基波占比分析

在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上階梯波[10]合成基于階梯調(diào)制(Step Moldulation，SM)技術(shù)，其原理如圖8所示。

如圖8所示，基于SM技術(shù)的高壓開關(guān)功率模塊是由n個(gè)開關(guān)功率模塊經(jīng)功率開關(guān)串聯(lián)而成，每個(gè)開關(guān)功率模塊單元都可以簡化為由開關(guān)管S、續(xù)流二極管D和直流電源電壓UDC三部分組成。其工作原理是:當(dāng)Si導(dǎo)通時(shí)第i個(gè)模塊的直流電源接入回路，不考慮Si的導(dǎo)通壓降時(shí)，輸出電壓為UDC;當(dāng)Si關(guān)斷時(shí)其對(duì)應(yīng)的續(xù)流二極管導(dǎo)通為系統(tǒng)提供續(xù)流回路，不考慮續(xù)流二極管Di的導(dǎo)通壓降，則第i個(gè)模塊輸出電壓為0。在任意時(shí)刻，通過控制各模塊單元開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷來控制n個(gè)UDC電壓的疊加，從而控制輸出系統(tǒng)電壓的大小。功率模塊的個(gè)數(shù)就是階梯波所能達(dá)到的最大階數(shù)。在SLF通信系統(tǒng)中通過對(duì)功率放大器的改造，選擇合適的功率模塊個(gè)數(shù)和相應(yīng)的控制算法，可以實(shí)現(xiàn)階梯波合成。

圖8　基于SM技術(shù)的高壓開關(guān)電源電路

相對(duì)于LC無源濾波和有源濾波，波形合成技術(shù)通過使諧波源輸出波形似于正弦波來抑制諧波，是一種從諧波源處來抑制諧波的方法。相比于方波，在相同輸出功率要求下，波形合成能減小輸入功率，大大提高效率。與此同時(shí)，波形合成技術(shù)也存在增加設(shè)備復(fù)雜度的缺點(diǎn)。以階梯波為例，階梯級(jí)數(shù)越多，輸出波形越近似于正弦波，諧波抑制效果越好，效率會(huì)越高，但同時(shí)設(shè)備復(fù)雜程度越高，可靠性越差。這要求我們在合成和控制的算法上進(jìn)行優(yōu)化，使諧波抑制效果、能量利用率和設(shè)備復(fù)雜程度上達(dá)到一個(gè)均衡。

波形合成技術(shù)是一種能夠有效抑制諧波的方案，具有極好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和一些新的波形合成技術(shù)的出現(xiàn)，波形合成是一種很有應(yīng)用前景的方案。

4　結(jié)語

開關(guān)型功率放大器是一種非線性器件，在大功率通信系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，其產(chǎn)生的諧波危害也需要引起我們足夠的重視。在諧波治理方面， LC濾波方案因其簡單高效的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛使用。APK雖然可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地抑制諧波產(chǎn)生，但通信系統(tǒng)頻率是實(shí)時(shí)變化的，使此方案設(shè)備復(fù)雜化，性價(jià)比極低。波形合成方案是從諧波源處來抑制諧波，在抑制諧波的同時(shí)，提高了大功率通信系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)化效率。所以，從提高通信質(zhì)量來看，波形合成是應(yīng)該得到重視的一個(gè)方案。

未來波形合成和LC濾波組合來抑制諧波的

方式必將成為大功率通信系統(tǒng)中開關(guān)功放諧波抑制的主要手段。而在波形合成抑制諧波方面，諧波抑制效果由采用的波形合成技術(shù)和采用此技術(shù)所使用的波形合成策略決定。目前，PSM(脈沖階梯調(diào)制技術(shù))在諧波抑制中具有很好的發(fā)展前景。如何選擇合適的波形合成策略，使設(shè)備復(fù)雜程度和諧波抑制效果達(dá)到一個(gè)均衡，從而使效益達(dá)到最大化，這是一個(gè)值得去研究的問題。

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Harmonic Restraining in Switching Power Amplifier of SLF Communication System*

The mechanism of harmonic restraining in switching Power Amplifier of SLF communication system is discussed, and the advantages and limitations of SLF ommunication system using LC filter scheme to suppress the harmonic at present are analyzed. Combined with the practical of SLF communication system, further harmonic suppression scheme with synthesis of APF and waveform is proposed, and its feasibility is proved.

switching power amplifier, harmonic restraining, LC filter, APF, waveform synthesis

2016年2月7日,

2016年3月24日

李斌,男,碩士研究生,助理工程師，研究方向：對(duì)潛通信。 王永斌,男,碩士,教授,研究方向：對(duì)潛通信。

TN839

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.007