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多电平射频脉宽调制开关模式功率放大器在可见光通信中的应用
Multilevel RF-PWM Switching-Mode Power Amplifier for Visible Light Communication
| 作者 | Juan R. García-Meré · Juan Rodríguez · Diego G. Lamar · Javier Sebastián |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 PWM控制 多电平 工商业光伏 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 可见光通信 线性功率放大器 开关模式功率放大器 飞跨电容拓扑 效率提升 |
语言:
中文摘要
可见光通信（VLC）利用商用高亮度发光二极管（HB - LED）发出的光来传输信息。为了根据待传输的通信信号改变光强度，通常会使用线性功率放大器（LPA）。然而，其较低的功率效率对集成到VLC驱动器中构成了重大挑战，尤其是在高功率水平下。为了提高当前VLC驱动器的效率，本文提出了一种基于调谐式三电平飞跨电容（FC）拓扑结构的新型开关模式功率放大器（SMPA）。所提出的基于FC的SMPA通过多级射频脉冲宽度调制（RF - PWM）技术进行控制，与其他传统SMPA相比，能够再现带宽更宽的通带调制方案。该设想已通过使用160 W的HB - LED负载传输正交幅度调制（QAM）信号得到验证，在3米的传输距离上实现了98.3%的峰值效率和4 Mbps的最大比特率。
English Abstract
Visible light communication (VLC) uses the light emitted by commercial high-brightness LEDs (HB-LEDs) to transmit information. To vary the light intensity according to the communication signal to be transmitted, linear power amplifiers (LPAs) are typically used. However, their poor power efficiency poses a significant challenge for integration into a VLC driver, particularly at high power levels. To improve the efficiency of current VLC drivers, this work presents a novel switching-mode power amplifier (SMPA) based on a tuned three-level flying capacitor (FC) topology. The proposed FC-based SMPA, which is controlled by means of multilevel radiofrequency pulse-width modulation (RF-PWM) techniques, is able to reproduce passband modulation schemes with broader bandwidths in comparison to other conventional SMPAs. The idea has been validated with the transmission of a quadrature amplitude modulation (QAM) using a 160 W HB-LED load, achieving a peak efficiency of 98.3% and a maximum bit rate of 4 Mbps at a distance of 3 m.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这篇关于可见光通信（VLC）开关模式功率放大器的研究具有多维度的技术启发意义。论文提出的三电平飞跨电容拓扑结构及多电平RF-PWM调制技术，在功率转换效率方面达到98.3%的峰值，这与我们在光伏逆变器和储能变流器领域追求的高效率目标高度契合。
从技术迁移角度分析，该研究的核心价值在于其多电平拓扑与高频调制技术的结合。阳光电源在多电平逆变器技术上已有深厚积累，论文中的飞跨电容拓扑可为我们的储能双向变流器提供新的设计思路，特别是在需要快速功率调节和高频响应的应用场景。其RF-PWM技术能够处理更宽带宽的调制信号，这对于我们正在开发的智能微网系统中多设备协同通信具有参考价值。
在实际应用层面，VLC技术可作为光伏电站和储能电站内部通信的补充方案。相比传统无线通信，可见光通信具有抗电磁干扰能力强、安全性高的特点，适合在强电磁环境的变电站和储能站应用。160W功率级别的LED驱动技术也可延伸至我们的智慧照明与能源管理集成方案。
然而需要注意的是，该技术目前仍处于实验室验证阶段，4Mbps的传输速率和3米的有效距离在工业应用中存在局限性。对于阳光电源而言，关键挑战在于如何将高效功率转换技术与现有产品线融合，以及评估VLC在实际新能源场景中的成本效益比。建议将其多电平拓扑的设计理念优先应用于功率电子主业，通信功能可作为中长期技术储备。