基于电力电子电路的功率/信号复合传输方法和理论研究

摘要

本文将电力电子电路与通信技术相结合，在传统的电力电子电路与PWM控制技术基础上，应用数据通信领域的相关技术，提出了利用功率变换电路同时实现功率变换和数字信号传输的方法，并分析了功率变换/信号传输在频域和时域的实现方式，即功率/信号频分复合传输和功率/信号时分复合传输。
　　 功率/信号频分复合传输可以通过电力电子电路的功率/信号频分复合调制方法实现。功率/信号频分复合调制在传统的PWM控制基础上，利用开关次谐波作为载波传输数据。功率/信号频分复合调制有两种基本方法:PWM/FSK调制和PWM/PSK调制。通过功率/信号频分复合调制，电力电子电路的输入开关纹波和输出开关纹波均包含了数据信息。由于开关纹波信号的幅值与电路拓扑、输入电压、输出电压及负载等因素相关，为保证通信信号的稳定，功率/信号频分复合传输系统应选择开关纹波变化较小的电路拓扑。在恒压输出和负载电流大范围变化的条件下，通过对基本DC/DC拓扑输入纹波与输出纹波的分析，得到如下结论:Boost拓扑适合在输入端实现通信功能;Buck拓扑适合在输出端实现通信功能;Cuk拓扑在输入端或输出端均可实现通信功能;而Buck-Boost在输入端或输出端均不适合。
　　 本文还以Boost电路为例，详细分析了PWM/FSK和PWM/2PSK直序扩频复合调制与解调的实现过程，推导了载波频率和载波形状的选择原则，并分别针对这两种调制方法，设计了相应的数字解调算法，最后通过实验验证了这两种调制方法的正确性。
　　 功率变换电路通过时分方式实现功率变换/信号传输的原理是利用电力电子电路传递能量的间隙，传输数字信号。该方法具有电路结构简单、抗干扰能力强的优点，但是不能实现稳压输出功能。本文将功率/信号时分复合传输系统的传输设备分为供电设备和受电设备，在此基础提出了通用功率/信号时分复合传输系统的设计方法:首先确定功率/信号传输的时序，其次设计供电设备和受电设备的电源电路，最后设计通信电路。根据该方法，给出了几种基本的电源电路和通信电路。
　　 功率/信号时分复合传输系统的应用场合之一是分布式控制系统，传输距离较远，因此必须考虑传输线效应。本文详细分析了功率开关电路串联传输线时的工作过程，理论分析和实验结果均表明，在脉冲电源输出端实现阻抗匹配可以有效改善线路末端的电压波形，但是无法抑制源端的关断反射尖刺。抑制传输线效应的另一种方法是增加脉冲电源输出的上升沿和下降沿时间。本文设计了一种软开关电路，通过调节谐振参数控制输出电压脉冲的上升沿和下降沿时间，以降低传输线效应的不利影响。该电路的传输效果通过实验得到验证。
　　 通信电路必须遵循相应的通信协议，才能实现数据可靠传输。本文分析了时分复合传输系统各层次协议的设计:物理层分析了通信时序设计和传输距离计算;MAC层介绍了采用预约方式和竞争方式的协议设计方法。最后给出了三个应用实例，表明功率/信号时分复合传输方法具有布线方便、实现电路简洁、抗干扰能力强的优点，能适用于多种不同的环境。

目录

声明

论文说明

摘要

第1章 绪论

1．1 电力电子与通信的相关技术

1．1．1 谐波分析与正交频分复用技术

1．1．2 抖频技术与扩频通信(DS)

1．1．3 软件无线电与电力电子数字控制

1．2 电源/信号复合传输技术综述

1．2．1 电力线载波通信

1．2．2 IEC61158-2总线供电技术

1．2．3 以太网供电

1．3 国内外相关技术研究与应用现状

1．4 本文的主要研究内容和成果

第2章 功率/信号频分复合调制原理分析

2．1 基于PWM技术的功率/信号频分复合调制

2．2 功率/信号频分复合传输系统结构

2．3 功率/信号频分复合传输电路拓扑选择

2．3．1 Buck电路纹波

2．3．2 Boost电路纹波

2．3．3 Buck-Boost电路纹波

2．3．4 Cuk电路纹波

2．4 功率/信号频分复合传输系统的信号传输模型

2．5 本章小结

第3章 PWM/FSK复合调制技术研究

3．1 FSK调制频率选择

3．2 开关载波频率切换瞬态分析

3．2．1 锯齿波载波

3．2．2 三角波载波

3．3 FSK解调算法

3．4 实验结果

3．5 本章小结

第4章 PWM/2PSK直序扩频复合调制技术研究

4．1 PWM载波的PSK调制原理

4．1．1 锯齿波调制

4．1．2 三角波调制

4．1．3 PSK调制的干扰信号分析

4．2 PWM/2PSK直序扩频复合调制系统设计

4．2．1 直序扩频调制技术的原理

4．2．2 2PSK直序扩频调制方法设计

4．2．3 2PSK直序扩频解调算法设计

4．2．4 直序扩频数字解调算法的实现

4．3 实验结果

4．4 PWM/FSK与PWM/2PSK直序扩频复合调制的比较

4．5 本章小结

第5章 功率/信号时分复合传输技术研究

5．1 基于电力电子电路总线供电技术的提出

5．1．1 通信总线供电技术的优点

5．1．2 1-Wire总线与Boost电路

5．1．3 Buck型总线供电电路

5．1．4 简化的Buck型总线供电电路稳态分析

5．2 功率/信号时分复合传输系统的通用设计方法研究

5．2．1 总线设备定义

5．2．2 PSE供电电路的基本结构

5．2．3 PD受电电路的基本结构

5．2．5 数据通信电路的基本结构

5．3 传输线效应对开关过程的影响

5．3．1 无畸变传输线方程

5．3．2 开通过程分析

5．3．3 关断过程分析

5．3．4 实验结果

5．4 软开关PSE电路

5．4．1 传输线效应的解决方法

5．4．2 软开关PSE电路分析

5．5 本章小结

第6章 功率/信号时分复合传输系统通信协议设计及应用

6．1 通信协议设计

6．1．1 物理层

6．1．2 MAC层

6．2 Buck型总线供电应用系统设计

6．3 隔离型功率/信号时分复合传输系统的应用

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 论文工作总结

7．2 功率/信号复合传输技术展望

参考文献

攻读博士学位期间的主要研究成果

致谢