梯度放大器、开关放大器及其操作方法

摘要

本发明涉及梯度放大器、开关放大器及其操作方法，其中的一种开关放大器，其包括多个级联单元及控制装置。该多个级联单元串联连接于负载的两端，每个级联单元大致上相同，每个级联单元包括两个桥臂电路，每个桥臂电路由多个电子开关组成。该控制装置电性耦合于多个级联单元中的每个桥臂电路所包括的多个电子开关。该控制装置用于根据空间矢量调制控制所有的电子开关，使得该开关放大器产生的共模电压在预定范围内变化。本发明还提供一种控制开关放大器运作的方法及梯度放大器。

说明书

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种梯度放大器、开关放大 器及其操作方法。

背景技术

在磁共振成像(magneticres通anceimaging,MRI)装置中，梯度 放大器用于激励设置于成像对象(例如，病人)周围的梯度线圈在X 轴、Y轴及Z轴方向上产生磁场梯度。典型地，梯度放大器为由功率 半导体开关构成的开关电源，该功率半导体开关可以是绝缘栅双极型 晶体管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT)、金属氧化物半导体场 效应晶体管(MetalOxideSemic通ductorField-EffectTransistor, MOSFET)等等。为了控制梯度放大器所产生的电源，上述功率半导 体开关通常操作于脉冲宽度调制(pulsewidthmodulati通,PWM)方法。

然而，该脉冲宽度调制方法会导致快速的电压时间变化率(dv/dt) 或电流时间变化率(di/dt)，使得梯度放大器产生较多的高频谐波成分。 上述高频谐波成分可能会对MRI装置中的射频线圈所接收到的射频信 号造成干扰，进而导致MRI装置的成像品质下降。上述高频谐波成分 被定义为差模电磁噪声及共模电磁噪声。通常来说，共模电磁噪声的 幅度大于差模电磁噪声的幅度。

因此，需要提供一种新的梯度放大器以降低上述共模电磁噪声。

发明内容

现在归纳本发明的一个或多个方面以便于本发明的基本理解，其 中该归纳并不是本发明的扩展性纵览，且并非旨在标识本发明的某些 要素，也并非旨在划出其范围。相反，该归纳的主要目的是在下文呈 现更详细的描述之前用简化形式呈现本发明的一些概念。

本发明的一个方面，在于提供一种开关放大器。该开关放大器包 括n个级联单元及控制装置。该n个级联单元串联连接于负载的两端， 每个级联单元大致上相同，每个级联单元包括两个桥臂电路，每个桥 臂电路由电子开关组成。该控制装置电性耦合于n个级联单元中的每 个桥臂电路所包括的电子开关。该控制装置用于根据空间矢量调制控 制所有的电子开关，使得该开关放大器产生的共模电压在预定范围内 变化。

本发明的另一个方面，在于提供一种操作开关放大器的方法，该 方法包括：

将该开关放大器的n个级联单元串联连接于负载的两端；

提供两个桥臂电路于每个级联单元内，每个桥臂电路由电子开关 组成；

根据空间矢量调制控制开关放大器的所有电子开关，使得该开关 放大器产生的共模电压在预定范围内变化。

本发明的另一个方面，在于提供一种梯度放大器。该梯度放大器 包括n个级联单元及控制装置。该n个级联单元串联连接于梯度线圈 的两端，每个级联单元大致上相同，每个级联单元包括两个桥臂电路， 每个桥臂电路由多个电子开关组成。该控制装置电性耦合于n个级联 单元中的每个桥臂电路所包括的电子开关。该控制装置用于根据空间 矢量调制控制所有的电子开关，使得该梯度放大器产生的共模电压在 预定范围内变化。

较佳地，在上述开关放大器中，在期望模式的开关周期的第一、 第二、第三、第四、第五及第六时间间隔内，该控制装置还用于分别 根据第一矢量、第三矢量、第四矢量、第八矢量、第六矢量及第五矢 量控制该八个电子开关。

较佳地，在上述开关放大器中，在第一模式的开关周期的第一、 第二、第三及第四时间间隔内，该控制装置还用于分别根据第一矢量、 第七矢量、第四矢量及第三矢量控制该八个电子开关；

在第二模式的开关周期的第一、第二、第三及第四时间间隔内， 该控制装置还用于分别根据第五矢量、第二矢量、第八矢量及第六矢 量控制该八个电子开关。

较佳地，在上述开关放大器中，在第一模式的开关周期的第一、 第二、第三及第四时间间隔内，该控制装置还用于分别根据第二矢量、 第五矢量、第七矢量及第八矢量控制该八个电子开关；

在第二模式的开关周期的第一、第二、第三及第四时间间隔内， 该控制装置还用于分别根据第五矢量、第六矢量、第八矢量及第六矢 量控制该八个电子开关；

在第三模式的开关周期的第一、第二、第三及第四时间间隔内， 该控制装置还用于分别根据第七矢量、第一矢量、第二矢量及第四矢 量控制该八个电子开关；

在第四模式的开关周期的第一、第二、第三及第四时间间隔内， 该控制装置还用于分别根据第四矢量、第三矢量、第一矢量及第三矢 量控制该八个电子开关。

本发明提供的梯度放大器、开关放大器及其操作方法，由于采用 空间矢量调制控制所有的电子开关，使得该梯度放大器或开关放大器 产生的共模电压在预定范围内变化。因此，可以降低该梯度放大器或 开关放大器通电工作时产生的电磁干扰。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解 本发明，在附图中：

图1为一种实施方式的开关放大器的电路图。

图2为图1所示开关放大器的简化电路图，该开关放大器包括两 个级联单元。

图3为图2所示开关放大器通电工作时产生的第一电压波形图。

图4为图2所示开关放大器通电工作时产生的第二电压波形图。

图5为图2所示开关放大器通电工作时产生的第三电压波形图。

图6为图2所示开关放大器通电工作时产生的第四电压波形图。

图7为图1所示开关放大器的简化电路图，该开关放大器包括三 个级联单元。

图8为图7所示开关放大器通电工作时产生的第一电压波形图。

图9为图7所示开关放大器通电工作时产生的第二电压波形图。

具体实施方式

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施 方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能 对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是， 在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或 者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相 断的或者商业相断的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也 会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理 解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的， 然而对于与本发明公通的内容相断的本领域的普通技术人员而言，在 本公通揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变 更只是常规的技术手段，不应当理解为本公通的内容不充分。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学 术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常 意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二” 以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区 分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而 是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包 括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面 列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连 接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是 可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。

请参阅图1，其为一种实施方式的开关放大器100的电路图，该开 关放大器100为级联式的架构。开关放大器100被配置成给负载200供 电。作为一个非限定的实施例，开关放大器100为磁共振成像 (magneticres通anceimaging,MRI)装置中的梯度放大器，负载200 为磁共振成像装置中的梯度线圈。

开关放大器100包括控制装置10及多个级联单元KE1、 KE2、......KEn。多个级联单元KE1、KE2、......KEn的结构大致上相同。 在其他实施方式中，控制装置10可以不包括于开关放大器100中。具 体地，多个级联单元KE1、KE2、......KEn串联连接于负载200的两端。 多个级联单元电压U1,U2,…Un被分别分配到多个级联单元KE1、 KE2、......KEn，使得开关放大器100产生输出电压Uout， Uout＝U1+U2+…Un，输出电压Uout用于给负载200供电。

多个级联单元KE1、KE2、......KEn中的每一者包括两个桥臂电路， 该两个桥臂电路与电源单元4电性耦合。每个桥臂电路包括两个电子 开关S1、S2及桥臂端。两个电子开关S1、S2串联连接于电源单元4 的两个电极之间，该桥臂端为两个电子开关S1、S2之间的连接点。作 为一个非限定的实施例，两个电子开关S1、S2可以是绝缘栅双极型晶 体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)、金属氧化物半导体场 效应晶体管(MetalOxideSemic通ductorField-EffectTransistor, MOSFET)、双极结型晶体管(BipolarJuncti通Transistor,BJT)或其他可 控半导体装置。作为一个非限定的实施例，多个级联单元电压U1, U2,…Un中的每一者为对应两个桥臂电路的两个桥臂端之间的电压。 此外，图1所示电容C+及C-的作用可以起到稳定电源单元40的电压 的作用。

以下部分仅描述级联单元KE1、KE2、KEn的结构及功能，其他 级联单元KE3至KEn-1的结构及功能与KE1、KE2、KEn中的任意一 者类似，在此不再赘述。以级联单元KE1、KE2、KEn为例进行说明， 级联单元KE1所包括的两个桥臂电路的两个桥臂端被分别标示为L1、 R1，级联单元电压U1＝VL1-VR1，其中，VL1、VR1分别为桥臂端L1、 R1的电位。

级联单元KE2所包括的两个桥臂电路的两个桥臂端被分别标示为 L2、R2，级联单元电压U2＝VL2-VR2，其中，VL2、VR2分别为桥臂 端L2、R2的电位。

级联单元KEn所包括的两个桥臂电路的两个桥臂端被分别标示为 Ln、Rn，级联单元电压Un＝VLn-VRn，其中，VLn、VRn分别为桥臂 端Ln、Rn的电位。

多个驱动器5被分别分配给多个级联单元KE1、KE2、......KEn中 的多个电子开关S1、S2。控制装置10用于控制多个驱动器5的运作， 使得多个驱动器5分别控制上述多个电子开关S1、S2导通或者关断。

开关放大器100中的所有电子开关分别被多个驱动器5基于空间 矢量调制(spacevectormodulati通,SVM)算法控制，使得开关放大器 100产生的共模电压在预定范围内变化，并使得负载200两端的电压在 –nVdc至nVdc的范围内变化，其中Vdc为电源单元4的电压。共模电 压Ucm与连接至负载200的两个桥臂端L1、Rn的电位相断。空间矢 量调制算法将在后续图2至图9中具体描述。

由于开关放大器100产生的共模电压在预定范围内变化，因此降 低了由该共模电压引起的电磁噪声。在一个特定的示例中，开关放大 器100产生的共模电压的变化等于零，因此进一步地降低了由该共模 电压引起的电磁噪声。

在本实施方式中，控制装置10具有多个控制模块，该多个控制模 块被分别分配给多个级联单元KE1、KE2、......KEn，也即每个控制模 块可控制与多个级联单元KE1、KE2、......KEn中的对应一个级联单元 电性连接的四个驱动器5的运作。在其他的实施方式中，控制装置10 可被配置成一个统一的部件。

图2为图1所示开关放大器100的简化电路图，图2所示开关放大 器300包括两个级联单元。作为非限定的实施例，开关放大器300包 括两个级联单元KE1,KE2。

级联单元KE1包括两个桥臂电路A、B。桥臂电路A中的两个电 子开关被分别标示为S1a、S2a，桥臂电路B中的两个电子开关被分别 标示为S1b、S2b。

级联单元KE2包括两个桥臂电路C、D。桥臂电路C中的两个电 子开关被分别标示为S1c、S2c，桥臂电路D中的两个电子开关被分别 标示为S1d、S2d。

控制装置10根据下表1所示十个矢量中的任意一者控制八个电子 开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作，使得开关放 大器300产生的共模电压在预定范围内变化，以及负载200两端的电 压在–2Vdc至2Vdc的范围内变化。

下表1定义了十个矢量中八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、 S2c、S1d、S2d的开关状态，以实现空间矢量调制算法。

表1----电压矢量表

其中，“通”代表电子开关处于闭合或导通的状态，“断”代表电 子开关处于关断或不导通的状态。

矢量术语

如上表1所示，第一矢量1定义了第一种开关状态。在第一种开 关状态下，八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d 分别处于断、通、断、通、断、通、通、断状态。控制装置10根据第 一矢量1控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、 S2d的运作，使得共模电压等于V0+0.5Vdc以及负载200的两端电压 Uout等于–Vdc。

第二矢量2定义了第二种开关状态。在第二种开关状态下，八个 电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d分别处于断、通、 断、通、通、断、通、断状态。控制装置10根据第二矢量2控制八个 电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作，使得共 模电压等于V0+0.5Vdc以及负载200的两端电压Uout等于零伏特。

第三矢量3定义了第三种开关状态。在第三种开关状态下，八个 电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d分别处于断、通、 通、断、断、通、通、断。控制装置10根据第三矢量3控制八个电子 开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作，使得共模电 压等于V0+0.5Vdc以及负载200的两端电压Uout等于-2Vdc。

第四矢量4定义了第四种开关状态。在第四种开关状态下，八个 电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d分别处于断、通、 通、断、通、断、通、断。控制装置10根据第四矢量4控制八个电子 开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作，使得共模电 压等于V0+0.5Vdc以及负载200的两端电压Uout等于-Vdc。

第五矢量5定义了第五种开关状态。在第五种开关状态下，八个 电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d分别处于通、断、 断、通、断、通、断、通。控制装置10根据第五矢量5控制八个电子 开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作，使得共模电 压等于V0+0.5Vdc以及负载200的两端电压Uout等于Vdc。

第六矢量6定义了第六种开关状态。在第六种开关状态下，八个 电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d分别处于通、断、 断、通、通、断、断、通。控制装置10根据第六矢量6控制八个电子 开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作，使得共模电 压等于V0+0.5Vdc以及负载200的两端电压Uout等于2Vdc。

第七矢量7定义了第七种开关状态。在第七种开关状态下，八个 电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d分别处于通、断、 通、断、断、通、断、通。控制装置10根据第七矢量7控制八个电子 开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作，使得共模电 压等于V0+0.5Vdc以及负载200的两端电压Uout等于零伏特。

第八矢量8定义了第八种开关状态。在第八种开关状态下，八个 电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d分别处于通、断、 通、断、通、断、断、通。控制装置10根据第八矢量8控制八个电子 开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作，使得共模电 压等于V0+0.5Vdc以及负载200的两端电压Uout等于Vdc。

第九矢量9定义了第九种开关状态。在第九种开关状态下，八个 电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d分别处于断、通、 通、断、通、断、断、通。控制装置10根据第九矢量9控制八个电子 开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作，使得共模电 压等于V0以及负载200的两端电压Uout等于零。

第十矢量10定义了第十种开关状态。在第十种开关状态下，八个 电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d分别处于断、通、 断、通、通、断、断、通。控制装置10根据第十矢量10控制八个电 子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作，使得共模 电压等于V0以及负载200的两端电压Uout等于Vdc。

在本实施例中，上述共模电压通过美国Analogy公司开发的仿真 软件Saber或者瑞士PleximGmbH公司开发的系统级电力电子仿真软 件PLECS计算得出。

在一个特定的示例中，控制装置10根据第一矢量1、第二矢量2、 第三矢量3、第四矢量4、第五矢量5、第六矢量6、第七矢量7及第 八矢量8中的任意一者控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、 S2c、S1d、S2d的运作，使得开关放大器300产生的共模电压等于零。 因此，显著地降低了由该共模电压引起的电磁噪声。

作为一种非限定的实施例，在开关周期Ts的第一开关时间段T1 内，控制装置10根据第九矢量9控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、 S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作。如图3所示，开关放大器300的输 出电压Uout等于零伏特，共模电压Ucm＝V0。

在开关周期Ts的第二开关时间段T2内，控制装置10根据第十矢 量10控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d 的运作。如图3所示，开关放大器300的输出电压Uout＝Vdc，共模电 压Ucm＝V0。

在开关周期Ts的第三开关时间段T3内，控制装置10根据第二矢 量2控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的 运作。如图3所示，开关放大器300的输出电压等于零伏特，共模电 压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在开关周期Ts的第四开关时间段T4内，控制装置10根据第五矢 量5控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的 运作。如图3所示，开关放大器300的输出电压Uout＝Vdc，共模电压 Ucm＝V0+0.5Vdc。

在开关周期Ts的第五开关时间段T5内，控制装置10根据第七矢 量7控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的 运作。如图3所示，开关放大器300的输出电压Uout等于零，共模电 压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在开关周期Ts的第六开关时间段T6内，控制装置10根据第八矢 量8控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的 运作。如图3所示，开关放大器300的输出电压Uout＝Vdc，共模电压 Ucm＝V0+0.5Vdc。由于在开关周期Ts内，开关放大器300产生的共模 电压Ucm在-0.5Vdc到0.5Vdc之间变化，因此由共模电压Ucm引起的 电磁噪音得到了降低。

八个电子开关工作于第一、第二、第三及第四模式中的一者

在第一种实施方式中，控制装置10根据负载输出参考电压Vref与 电源单元4的电压Vdc的比值m控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、 S2b、S1c、S2c、S1d、S2d工作于第一模式、第二模式、第三模式及 第四模式中的一者，使得共模电压Ucm的变化等于零。作为一个非限 定的例子，m＝Vref/2Vdc，Vref为负载输出参考电压。

第一模式

当0≤m＜0.5时，控制装置10确定八个电子开关S1a、S2a、S1b、 S2b、S1c、S2c、S1d、S2d工作于第一模式。在第一模式的第一开关 时间段T1内，控制装置10根据第二矢量2控制八个电子开关S1a、 S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作。如图4所示， VL1＝VR1＝V0，VL2＝VR2＝V0+Vdc，开关放大器300的输出电压Uout 为零伏特，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。在一种非限定的示例中，V0＝0， 因此Ucm＝V0+0.5Vdc＝0.5Vdc。在另外一种非限定的示例中，V0＝- 0.5Vdc，因此Ucm＝-0.5Vdc+0.5Vdc＝0。

在第一模式的第二开关时间段T2，控制装置10根据第五矢量5控 制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作。 如图4所示，VL1＝V0+Vdc，VR1＝VL2＝VR2＝V0，开关放大器300的 输出电压Uout＝Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在第一模式的第三开关时间段T3，控制装置10根据第七矢量7控 制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作。 如图4所示，VL1＝VR1＝V0+Vdc，VL2＝VR2＝V0，开关放大器300的 输出电压Uout为0伏特，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在第一模式的第四开关时间段T4，控制装置10根据第八矢量8控 制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作。 如图4所示，VL1＝VR1＝VL2＝V0+Vdc，VR2＝V0；开关放大器300的 输出电压Uout＝Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。由于在第一模式下， 共模电压Ucm的变化等于零，因此由共模电压Ucm引起的电磁噪音得 到了显著地降低。

作为一个非限定的实施例，第一开关时间段T1、第二开关时间段 T2、第三开关时间段T3及第四开关时间段T4构成一个开关周期。

第二模式

当0.5≤m≤1.0时，控制装置10确定八个电子开关S1a、S2a、 S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d工作于第二模式。在第二模式的第一 开关时间段T1内，控制装置10根据第五矢量5控制八个电子开关S1a、 S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作。如图4所示， VL1＝V0+Vdc，VR1＝VL2＝VR2＝V0，开关放大器300的输出电压 Uout＝Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在第二模式的第二开关时间段T2内，控制装置10根据第六矢量 6控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运 作。如图4所示，VL1＝VL2＝V0+Vdc，VR1＝VR2＝V0，开关放大器 300的输出电压Uout＝2Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在第二模式的第三开关时间段T3内，控制装置10根据第八矢量 8控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运 作。如图4所示，VL1＝VL2＝VR1＝V0+Vdc，VR2＝V0，开关放大器 300的输出电压Uout＝Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在第二模式的第四开关时间段T4内，控制装置10根据第六矢量 6控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运 作。如图4所示，VL1＝VL2＝V0+Vdc，VR1＝VR2＝V0，开关放大器 300的输出电压Uout＝2Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。由于在第二 模式下，共模电压Ucm的变化等于零，因此由共模电压Ucm引起的电 磁噪音得到了显著地降低。

第三模式

当-0.5＜m≤0时，控制装置10确定八个电子开关S1a、S2a、 S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d工作于第三模式。在第三模式的第一 开关时间段T1内，控制装置10根据第七矢量7控制八个电子开关S1a、 S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作。如图4所示， VL1＝VR1＝V0+Vdc，VL2＝VR2＝V0，开关放大器300的输出电压Uout 等于零伏特，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在第三模式的第二开关时间段T2内，控制装置10根据第一矢量 1控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运 作。如图4所示，VL1＝VR1＝VL2＝V0，VR2＝V0+Vdc，开关放大器 300的输出电压Uout＝-Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在第三模式的第三开关时间段T3内，控制装置10根据第二矢量 2控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运 作。如图4所示，VL1＝VR1＝V0，VL2＝VR2＝V0+Vdc，开关放大器 300的输出电压Uout＝0，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在第三模式的第四开关时间段T4内，控制装置10根据第四矢量 4控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运 作。如图4所示，VL1＝V0，VR1＝VL2＝VR2＝V0+Vdc，开关放大器 300的输出电压Uout＝-Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。由于在第三 模式下，共模电压Ucm的变化等于零，因此由共模电压Ucm引起的电 磁噪音得到了显著地降低。

第四模式

当-1.0≤m≤-0.5时，控制装置10确定八个电子开关S1a、S2a、 S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d工作于第四模式。在第四模式的第一 开关时间段T1内，控制装置10根据第四矢量4控制八个电子开关S1a、 S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作。如图4所示，VL1＝V0， VR1＝VL2＝VR2＝V0+Vdc，开关放大器300的输出电压Uout＝-Vdc，共 模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在第四模式的第二开关时间段T2内，控制装置10根据第三矢量 3控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运 作。如图4所示，VL1＝VL2＝V0，VR1＝VR2＝V0+Vdc，开关放大器 300的输出电压Uout＝-2Vd，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在第四模式的第三开关时间段T3内，控制装置10根据第一矢量 1控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运 作。如图4所示，VL1＝VL2＝VR1＝V0，VR2＝V0+Vdc，开关放大器 300的输出电压Uout＝-Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在第四模式的第四开关时间段T4内，控制装置10根据第三矢量 3控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运 作。如图4所示，VL1＝VL2＝V0，VR1＝VR2＝V0+Vdc，开关放大器 300的输出电压Uout＝-2Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。由于在第四 模式下，共模电压Ucm的变化等于零，因此由共模电压Ucm引起的电 磁噪音得到了显著地降低。

八个电子开关工作于第一及第二模式中的一者

在第二种实施方式中，控制装置10根据负载输出参考电压Vref与 电源单元4的电压Vdc的比值m控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、 S2b、S1c、S2c、S1d、S2d工作于第一模式及第二模式中的一者，使 得共模电压Ucm的变化等于零。作为一个非限定的例子， m＝Vref/2Vdc。

第一模式

当-1＜m≤0时，控制装置10确定八个电子开关S1a、S2a、S1b、 S2b、S1c、S2c、S1d、S2d工作于第一模式。在第一模式的第一开关 时间段T1内，控制装置10根据第一矢量1控制八个电子开关S1a、 S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作。如图5所示， VL1＝VR1＝VL2＝V0，VR2＝V0+Vdc，开关放大器300的输出电压 Uout＝-Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在第一模式的第二开关时间段T2内，控制装置10根据第七矢量 7控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运 作。如图5所示，VL1＝VR1＝V0+Vdc，VL2＝VR2＝V0，开关放大器 300的输出电压Uout为零伏特，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在第一模式的第三开关时间段T3内，控制装置10根据第四矢量 4控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运 作。如图5所示，VL1＝V0，VR1＝VL2＝VR2＝V0+Vdc，开关放大器 300的输出电压Uout＝-Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在第一模式的第四开关时间段T4内，控制装置10根据第三矢量 3控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运 作。如图5所示，VL1＝VL2＝V0，VR1＝VR2＝V0+Vdc，开关放大器 300的输出电压Uout＝-2Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。由于在第一 模式下，共模电压Ucm的变化等于零，因此由共模电压Ucm引起的电 磁噪音得到了显著地降低。

当0≤m＜1时，控制装置10确定八个电子开关S1a、S2a、S1b、 S2b、S1c、S2c、S1d、S2d工作于第二模式。在第二模式的第一开关 时间段T1内，控制装置10根据第五矢量5控制八个电子开关S1a、 S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作。如图5所示， VL1＝V0+Vdc，VR1＝VL2＝VR2＝V0，开关放大器300的输出电压 Uout＝Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在第二模式的第二开关时间段T2内，控制装置10根据第二矢量 2控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运 作。如图5所示，VL1＝VR1＝V0，VL2＝VR2＝V0+Vdc，开关放大器 300的输出电压Uout为零伏特，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在第二模式的第三开关时间段T3内，控制装置10根据第八矢量 8控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运 作。如图5所示，VL1＝VR1＝VL2＝V0+Vdc，VR2＝V0，开关放大器 300的输出电压Uout＝Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在第二模式的第四开关时间段T4内，控制装置10根据第六矢量 6控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运 作。如图5所示，VL1＝VL2＝V0+Vdc，VR1＝VR2＝V0，开关放大器 300的输出电压Uout＝2Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。由于在第二 模式下，共模电压Ucm的变化等于零，因此由共模电压Ucm引起的电 磁噪音得到了显著地降低。

八个电子开关工作于期望模式

在第三种实施方式中，控制装置10根据负载输出参考电压Vref与 电源单元4的电压Vdc的比值m控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、 S2b、S1c、S2c、S1d、S2d工作于期望模式，使得共模电压Ucm的变 化等于零。作为一个非限定的例子，m＝Vref/2Vdc。期望模式中使用的 负载输出参考电压Vref与第一、第二、第三及第四模式中的一者中使 用的负载输出参考电压Vref不同，以此来区分期望模式与第一、第二、 第三及第四模式。

期望模式

当-1＜m≤1时，控制装置10确定八个电子开关S1a、S2a、S1b、 S2b、S1c、S2c、S1d、S2d工作于期望模式。在期望模式的第一开关 时间段T1内，控制装置10根据第一矢量1控制八个电子开关S1a、 S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运作。如图6所示， VL1＝VR1＝VL2＝V0，VR2＝V0+Vdc，开关放大器300的输出电压 Uout＝-Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在期望模式的第二开关时间段T2内，控制装置10根据第三矢量 3控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运 作。如图6所示，VL1＝VL2＝V0，VR1＝VR2＝V0+Vdc，开关放大器 300的输出电压Uout＝-2Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在期望模式的第三开关时间段T3内，控制装置10根据第四矢量 4控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运 作。如图6所示，VL1＝V0，VR1＝VL2＝VR2＝V0+Vdc，开关放大器 300的输出电压Uout＝-Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在期望模式的第四开关时间段T4内，控制装置10根据第八矢量 8控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运 作。如图6所示，VL1＝VR1＝VL2＝V0+Vdc，VR2＝V0，开关放大器 300的输出电压Uout＝Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在期望模式的第五开关时间段T5内，控制装置10根据第六矢量 6控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运 作。如图6所示，VL1＝VL2＝V0+Vdc，VR1＝VR2＝V0，开关放大器 300的输出电压Uout＝2Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。

在期望模式的第六开关时间段T6内，控制装置10根据第五矢量 5控制八个电子开关S1a、S2a、S1b、S2b、S1c、S2c、S1d、S2d的运 作。如图6所示，VL1＝V0+Vdc，VR1＝VL2＝VR2＝V0，开关放大器 300的输出电压Uout＝Vdc，共模电压Ucm＝V0+0.5Vdc。由于在期望模 式下，共模电压Ucm的变化等于零，因此由共模电压Ucm引起的电磁 噪音得到了显著地降低。

请参阅图7，其为图1所示开关放大器100的简化电路图，图7所 示开关放大器400包括三个级联单元。作为非限定的实施例，开关放 大器300包括三个级联单元KE1,KE2,KE3。

图7所示开关放大器400与图2所示开关放大器300的区别是：开 关放大器400还包括级联单元KE3。级联单元KE3包括两个桥臂电路 E、F。桥臂电路E中的两个电子开关被分别标示为S1e、S2e，桥臂电 路F中的两个电子开关被分别标示为S1f、S2f。

图7所示开关放大器400包括12个电子开关S1a,S2a,S1b,S2b, S1c,S2c,S1d,S2d,S1e,S2e,S1f,S2f。与图2相似，控制装置10根据下 表2所示二十个矢量中的任意一者控制12个电子开关S1a,S2a,S1b, S2b,S1c,S2c,S1d,S2d,S1e,S2e,S1f,S2f的运作，使得开关放大器400 产生的共模电压在预定范围内变化，以及负载200两端的电压在–3Vdc 至3Vdc的范围内变化。

下表2定义了二十个矢量中12个电子开关S1a,S2a,S1b,S2b,S1c, S2c,S1d,S2d,S1e,S2e,S1f,S2f的开关状态，以描述空间矢量调制算法。

表2----电压矢量表

其中，“通”代表电子开关处于闭合或导通的状态，“断”代表电 子开关处于关断或不导通的状态。

矢量术语

与表1类似，在上表2中，第一矢量1及第三矢量3中的任意一者 被控制装置10利用来控制12个电子开关S1a,S2a,S1b,S2b,S1c,S2c, S1d,S2d,S1e,S2e,S1f,S2f的运作，使得共模电压等于2Vdc/3+V0以及 负载200的两端电压Uout等于零。

第二矢量2及第四矢量4中的任意一者被控制装置10利用来控制 12个电子开关S1a,S2a,S1b,S2b,S1c,S2c,S1d,S2d,S1e,S2e,S1f,S2f 的运作，使得共模电压等于Vdc/3+V0以及负载200的两端电压Uout 等于零。

第五矢量5、第六矢量6、第七矢量7、第八矢量8及第九矢量9 中的任意一者被控制装置10利用来控制12个电子开关S1a,S2a,S1b, S2b,S1c,S2c,S1d,S2d,S1e,S2e,S1f,S2f的运作，使得共模电压等于 Vdc/2+V0以及负载200的两端电压Uout等于Vdc。

第十矢量10被控制装置10利用来控制12个电子开关S1a,S2a, S1b,S2b,S1c,S2c,S1d,S2d,S1e,S2e,S1f,S2f的运作，使得共模电压等 于Vdc/3+V0以及负载200的两端电压Uout等于2Vdc。

第十一矢量11被控制装置10利用来控制12个电子开关S1a,S2a, S1b,S2b,S1c,S2c,S1d,S2d,S1e,S2e,S1f,S2f的运作，使得共模电压等 于2Vdc/3+V0以及负载200的两端电压Uout等于2Vdc。

第十二矢量12被控制装置10利用来控制12个电子开关S1a,S2a, S1b,S2b,S1c,S2c,S1d,S2d,S1e,S2e,S1f,S2f的运作，使得共模电压等 于Vdc/2+V0以及负载200的两端电压Uout等于3Vdc。

第十三矢量13、第十四矢量14、第十五矢量15、第十六矢量16、 第十七矢量17中的任意一者被控制装置10利用来控制12个电子开关 S1a,S2a,S1b,S2b,S1c,S2c,S1d,S2d,S1e,S2e,S1f,S2f的运作，使得共 模电压等于Vdc/2+V0以及负载200的两端电压Uout等于-Vdc。

第十八矢量18被控制装置10利用来控制12个电子开关S1a,S2a, S1b,S2b,S1c,S2c,S1d,S2d,S1e,S2e,S1f,S2f的运作，使得共模电压等 于Vdc/3+V0以及负载200的两端电压Uout等于-2Vdc。

第十九矢量19被控制装置10利用来控制12个电子开关S1a,S2a, S1b,S2b,S1c,S2c,S1d,S2d,S1e,S2e,S1f,S2f的运作，使得共模电压等 于2Vdc/3+V0以及负载200的两端电压Uout等于-2Vdc。

第二十矢量20被控制装置10利用来控制12个电子开关S1a,S2a, S1b,S2b,S1c,S2c,S1d,S2d,S1e,S2e,S1f,S2f的运作，使得共模电压等 于Vdc/2+V0以及负载200的两端电压Uout等于-3Vdc。

同样地，在本实施例中，上述共模电压通过美国Analogy公司开 发的仿真软件Saber或者瑞士PleximGmbH公司开发的系统级电力电 子仿真软件PLECS计算得出。

在一个特定的示例中，控制装置10根据第五矢量5、第六矢量6、 第七矢量7、第八矢量8、第九矢量9、第十二矢量12、第十三矢量13、 第十四矢量14、第十五矢量15、第十六矢量16、第十七矢量17及第 二十矢量20中的任意一者控制12个电子开关S1a,S2a,S1b,S2b,S1c, S2c,S1d,S2d,S1e,S2e,S1f,S2f的运作，使得开关放大器300产生的共 模电压等于零。因此，显著地降低了由该共模电压引起的电磁噪声。

在另外一个实施例中，在开关周期Ts的第一开关时间段T1内， 控制装置10根据第一矢量1控制12个电子开关S1a,S2a,S1b,S2b, S1c,S2c,S1d,S2d,S1e,S2e,S1f,S2f的运作。如图8所示，开关放大器 300的输出电压Uout等于零伏特，共模电压Ucm＝2Vdc/3+V0。

在开关周期Ts的第二开关时间段T2内，控制装置10根据第六矢 量6控制12个电子开关S1a,S2a,S1b,S2b,S1c,S2c,S1d,S2d,S1e,S2e, S1f,S2f的运作。如图8所示，开关放大器300的输出电压Uout＝Vdc， 共模电压Ucm＝Vdc/2+V0。

在开关周期Ts的第三开关时间段T3内，控制装置10根据第二矢 量2控制12个电子开关S1a,S2a,S1b,S2b,S1c,S2c,S1d,S2d,S1e,S2e, S1f,S2f的运作。如图8所示，开关放大器300的输出电压Uout＝0，共 模电压Ucm＝Vdc/3+V0。

在开关周期Ts的第四开关时间段T4内，控制装置10根据第八矢 量8控制12个电子开关S1a,S2a,S1b,S2b,S1c,S2c,S1d,S2d,S1e,S2e, S1f,S2f的运作。如图8所示，开关放大器300的输出电压Uout＝Vdc， 共模电压Ucm＝Vdc/2+V0。

在开关周期Ts的第五开关时间段T5内，控制装置10根据第二矢 量2控制12个电子开关S1a,S2a,S1b,S2b,S1c,S2c,S1d,S2d,S1e,S2e, S1f,S2f的运作。如图8所示，开关放大器300的输出电压Uout＝0，共 模电压Ucm＝Vdc/3+V0。

在开关周期Ts的第六开关时间段T6内，控制装置10根据第六矢 量6控制12个电子开关S1a,S2a,S1b,S2b,S1c,S2c,S1d,S2d,S1e,S2e, S1f,S2f的运作。如图8所示，开关放大器300的输出电压Uout＝Vdc， 共模电压Ucm＝Vdc/2+V0。由于在开关周期Ts内，开关放大器400产 生的共模电压Ucm在–Vdc/6到Vdc/6之间变化，因此由共模电压Ucm 引起的电磁噪音得到了降低。

在另一种实施方式中，在开关周期Ts的第一开关时间段T1内， 控制装置10根据第二十矢量20控制12个电子开关S1a,S2a,S1b,S2b, S1c,S2c,S1d,S2d,S1e,S2e,S1f,S2f的运作。如图9所示，开关放大器 300的输出电压Uout＝-3Vdc，共模电压Ucm＝Vdc/2+V0。

在开关周期Ts的第二开关时间段T2内，控制装置10根据第十五 矢量15控制12个电子开关S1a,S2a,S1b,S2b,S1c,S2c,S1d,S2d,S1e, S2e,S1f,S2f的运作。如图9所示，开关放大器300的输出电压Uout＝- Vdc，共模电压Ucm＝Vdc/2+V0。

在开关周期Ts的第三开关时间段T3内，控制装置10根据第九矢 量9控制12个电子开关S1a,S2a,S1b,S2b,S1c,S2c,S1d,S2d,S1e,S2e, S1f,S2f的运作。如图9所示，开关放大器300的输出电压Uout＝Vdc， 共模电压Ucm＝Vdc/2+V0。

在开关周期Ts的第四开关时间段T4内，控制装置10根据第十二 矢量12控制12个电子开关S1a,S2a,S1b,S2b,S1c,S2c,S1d,S2d,S1e, S2e,S1f,S2f的运作。如图9所示，开关放大器300的输出电压 Uout＝3Vdc，共模电压Ucm＝Vdc/2+V0。

在开关周期Ts的第五开关时间段T5内，控制装置10根据第七矢 量7控制12个电子开关S1a,S2a,S1b,S2b,S1c,S2c,S1d,S2d,S1e,S2e, S1f,S2f的运作。如图9所示，开关放大器300的输出电压Uout＝Vdc， 共模电压Ucm＝Vdc/2+V0。

在开关周期Ts的第六开关时间段T6内，控制装置10根据第十三 矢量13控制12个电子开关S1a,S2a,S1b,S2b,S1c,S2c,S1d,S2d,S1e, S2e,S1f,S2f的运作。如图9所示，开关放大器300的输出电压Uout＝- Vdc，共模电压Ucm＝Vdc/2+V0。由于在开关周期Ts内，开关放大器 400产生的共模电压Ucm的变化等于零，因此由共模电压Ucm引起的 电磁噪音得到了显著地降低。

虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术 人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到， 权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修 改和变型。