Disseny òptim d'amplificadors d'audio commutats DCI-NPC d'alta potència i qualitat
Authors:   , Sala Caselles Vicenç 
Published: August 2023

Class-D Amplification has been an absolute improvement in terms of electrical efficiency in audio amplification systems, but it has been during the first stabilization decade of this technology in the market when manufacturers have made public their concern about the incompatibility between distributed audio or PA (Public Address) applications and HiFi or Professional sound applications. High quality sound systems need switching frequencies (>1MHz) whose switching losses do not allow to work at high power (>250W). To the contrary, applications for high power amplification need high electrical efficiency, so the switching frequencies must be set to low values (<400kHz), reducing the signal quality. This incompatibility is called Power-Quality Compromise. The Characteristics of the Multilevel Topologies of DC-AC power electronic converters allow them to work at high power (increasing the working voltage) while maintaining or even increasing the quality of the output signal using the extra levels in the PWM output signal. The application of these topologies in the world of sound amplification could lead to the resolution of the Quality-Power Compromise and so, the main problem of the Class-D amplifiers. In the first place, this Thesis proposes the study of the Multilevel Topologies in order to determine the one who shows better features and feasibility, in terms of implementation as a Switching Audio Amplifier. Having determined the Optimal Topology, it is proposed to study, characterize and model the non-ideal phenomena and those mechanisms who generate Time and Pulse Width errors in the PWM output signals of the Amplifier Topology selected. Using these models, the effects of the errors in the output signals are studied by means of computer simulation, expressing these effects using non normative merit factors. These merit factors, unlike regulations, allow to evaluate quantitatively and qualitatively the degree of involvement of each one of the different error sources intrinsic to the design and topology. From these results it can be developed Estimation Models of the Non Normative Merit Factors, which allow to calculate the values of the Width Error and Distortion, local or total, generated by any source of error in the Amplification Sound Chain. In order to express this information in normative values, Estimation Models of Electric Efficiency, Distortion (THD) and Signal Efficiency are developed from the estimated non normative values of Width Error Distortion. These estimation models provide an information that, once ordered and classified in order to be used as a tool in the different levels of the design process, production and marketing of Switching Amplifier Equipment, allow the optimal component selection in the pre-design phase and the decision-making process to ensure the future validation of the Multilevel Switching Amplifier under market regulatory criteria. The Estimation models of the Width and Distortion Errors and the estimation models of the Electrical Efficiency, Distortion and Signal have been validated through the comparison with experimental results from a laboratory prototype and an industrial manufacturing prototype, designed by a company in the sector using the Optimal Design Tools based on the Estimation Models developed in this Thesis. The experimental results confirm that the normative values measured of the Electrical Efficiency, Distortion and Signal Efficiency are within the acceptable values for the commercialization of the equipment.
L'amplificació en Classe-D ha suposat una millora absoluta en quant a eficiència elèctrica en els sistemes d'amplificació d'àudio, però ha estat durant la primera dècada d'estabilització d'aquesta tecnologia al mercat, quan els fabricants han fet pública la seva preocupació per la incompatibilitat entre aplicacions de so distribuït o PA (Public Addres) i so HiFi o Professional. Els sistemes d'alta qualitat de so, necessiten de freqüències de commutació (>1MHz) per les quals les pèrdues en commutació no permeten treballar a potències elevades (>250W). Per al contrari, per aplicacions d'amplificació de so de potència es necessita d'alta eficiència elèctrica, amb el que les freqüències de commutació han de quedar fixades a valors baixos (<400kHz), reduint la qualitat del senyal. Aquesta incompatibilitat d'aplicacions s'anomena Compromís Qualitat-Potència. Les topologies Multinivell de convertidors electrònics de potència DC-AC, per les seves característiques, permeten treballar a gran potència (augmentant la tensió de treball), mantenint o augmentant la qualitat del senyal de sortida mitjançant els nivells extra en el senyal PWM de sortida. L'aplicació d'aquestes topologies en el mon de l'Amplificació de So, podria suposar la resolució del compromís Qualitat-Potència, i per tant de la principal problemàtica que presenta la Classe-D. Aquesta Tesis proposa en primer lloc l'estudi de les topologies Multinivell per determinar quina és la que millors prestacions i viabilitat mostra en quant a la seva aplicació com a Amplificador d'Àudio Commutat. Un cop determinada la Topologia Òptima, es proposa estudiar, caracteritzar i modelar els fenòmens no ideals i mecanismes generadors d'errors de Temps i d'Amplitud al polsos del senyal PWM de sortida d'un Amplificador amb la Topologia seleccionada. A partir d'aquests models, s'estudia mitjançant simulació els efectes dels errors en els senyals de sortida, expressant aquests efectes mitjançant factors de mèrit no normatius. Aquests factors de mèrit, al contrari que els normatius, permeten avaluar quantitativa i qualitativament el grau d'afectació de cada una de les diferents fonts d'errors intrínseques al disseny i a la topologia. A partir d'aquests resultats es desenvolupen Models d'Estimació dels Factors de Mèrit No Normatius, que permeten calcular el valor d'Error d'Amplitud i Distorsió, local o total, generat per qualsevol font d'error de la Cadena d'Amplificació de So. Per tal d'expressar aquesta informació en valors normatius, es desenvolupen Models d'Estimació d'Eficiències Elèctriques, Distorsió (THD) i Eficiència de Senyal a partir dels valors estimats d'Error d'Amplitud i Distorsió no normatius. Aquests models d'estimació proveeixen d'una informació que, un cop ordenada i classificada per tal de ser utilitzada, com a eina en els diferents nivells del procés de disseny, producció i comercialització d'equips d'amplificació commutada, permet, de forma òptima en la fase de pre-disseny, la selecció de components i la presa de decisions per tal d'assegurar, un cop construït, la futura validació de l'amplificador commutat multinivell, sota criteris normatius de mercat. Els models d'estimació d'Errors d'Amplitud i Distorsió, així com els models d'estimació de les Eficiències Elèctriques, de Distorsió i de Senyal han estat validats mitjançant la seva comparació amb resultats experimentals obtinguts a partir d'un prototipus de laboratori i un prototipus de fabricació industrial, dissenyat per una empresa del sector a partir de l'ús de les Eines de Disseny Òptim basades en els Models d'Estimació, desenvolupades en aquesta Tesis. Els resultats experimentals confirmen que els valors normatius mesurats d'Eficiència Elèctrica, Distorsió i Eficiència de Senyal estan dintre dels valors acceptables per la comercialització de l'equip.