DE類高頻調(diào)諧功率放大器的工作原理和應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

1 引言

D類和E類功率放大器克服了A、B、c類功率放大器的缺陷，使功率器件工作于開關(guān)狀態(tài)。但是在工作頻率升高時(shí)D類就出現(xiàn)一些缺點(diǎn)：（1）由于晶體管存在開關(guān)時(shí)間，如果開關(guān)時(shí)問占去信號(hào)周期的較大部分時(shí)．渡越損耗就顯得十分突出，放大器難以保持高效率工作；（2）兩個(gè)晶體管可能同時(shí)導(dǎo)通或截止，由此引起二次擊穿而使功率管損壞；（3）產(chǎn)生的波形是矩形波，要用LC諧振電路濾出基波，難免有諧波損耗。因此轉(zhuǎn)換效率減小，這就限制了D類狀態(tài)的電路工作頻率的進(jìn)一步提高。而E類功率放大器對(duì)高頻晶體管的工作電流和耐壓要求比D類要高一些，因此限制了電路輸出功率的提高。本文研究的是DE類高頻調(diào)諧功率放大器電路，他綜合了D類和E類的優(yōu)點(diǎn)，使兩個(gè)功率管類似于D類放大器輪流導(dǎo)通，當(dāng)關(guān)斷時(shí)，功率管兩端電壓等于電源電壓。同時(shí)每個(gè)功率管的工作狀態(tài)又能滿足E類條件，因此電路既可以工作在與E類相同的高頻條件下，又保證了較高的工作效率和較大的輸出功率。

2 DE類放大器的基本電路和工作原理

圖1（a）為DE類高頻諧振功率放大器的電路原理圖。其中開關(guān)器件為兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管S1、S2，Csl、Cs2為開關(guān)器件兩端的外接電容（包括了開關(guān)的輸出電容和分布電容之和），L、Lf、cf、R組成負(fù)載串聯(lián)回路。其中R是電路的等效負(fù)載電阻，L為電路中的剩余電感，Lf、cf為理想串聯(lián)諧振回路，諧振于信號(hào)的基波頻率，它的作用是保證流過回路的電流波形是理想正弦波。放大器等效電路如圖l中（b）所示，其中將功率管器件s1、s2等效為理想開關(guān)（飽和導(dǎo)通時(shí)電阻為零．相當(dāng)于s閉合；截止時(shí)電阻無窮大時(shí)，s斷開）。

圖1 DE類功率放大器

下面分析DE類功率放大電路的工作過程。在穩(wěn)態(tài)工作下，一個(gè)完整的開關(guān)周期包括了四個(gè)階段，下面在一個(gè)周期具體描述其工作過程（0≤θ≤2π，0≤θ≤2π）：

（1）當(dāng)0≤θ≤2/π時(shí)，s1閉合、s2斷開。此時(shí)s1兩端電壓Vs1為零．s2兩端電壓Vs2和電容Cs1兩端電壓均為電源電壓Vcc保持不變。由于負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的影響，電流is1有—個(gè)上升的過程，is2為零。

（2）當(dāng)2/π≤θ≤π時(shí)，s1、s2斷開。諧振回路和電源同時(shí)開始向電容cs1充電．兩端逐漸上升至Vcc，s2并聯(lián)電容cs2開始放電，兩端逐漸減小至零。電流is1、is2為零。

（3）當(dāng)π≤θ≤3π/2時(shí)，s1斷開，S2閉合。Vs1為電源電壓Vcc，Vs2為零。is2等于負(fù)載網(wǎng)絡(luò)電流。

（4）當(dāng)3π/2≤θ≤2π時(shí)．S1、S2斷開。電容Cs1放電，Vs1逐漸減小至零，Cs2開始充電，Vs2逐漸上升至Vcc。is1、is2為零。

可以看出，DE類高頻調(diào)諧功率放大器電路結(jié)構(gòu)與D類放大器類似，都是由兩個(gè)功率管組成，都工作于開關(guān)狀態(tài)．所謂DE類功率放大器的最佳工作狀態(tài)是指每個(gè)功率管．E作時(shí)都滿足E類條件，也就是指每個(gè)功率器件的漏源（集電極或陽極）的電壓電流波形滿足以下三個(gè)條件：

（1）從導(dǎo)通到關(guān)斷轉(zhuǎn)換時(shí)，漏源的（集電極或陽極）電壓應(yīng)在功率管關(guān)斷之后才開始上升；

（2）從關(guān)斷到導(dǎo)通轉(zhuǎn)換時(shí)，漏極（集電極或陽極）電流應(yīng)在漏源（集電極或陽極）電壓降到零之后才開始上升；

（3）在從關(guān)斷到導(dǎo)通轉(zhuǎn)換時(shí)，即導(dǎo)通時(shí)刻，還必須滿足電壓變化率等于零。

圖2是電路丁作時(shí)的開關(guān)管兩端電壓和電流波形，可以看出每個(gè)開關(guān)管都滿足E類條件。

圖2開關(guān)兩端電壓電流波形

電路主要參數(shù)的分析與計(jì)算：

首先從輸出端的電壓和電流的表達(dá)式作為分析的出發(fā)點(diǎn)。由等效電路圖2—2（b）中可以得出功率放大器的基本電路方程，θ為相對(duì)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的初相位：

由以上方程可以看出電路中各個(gè)電流與電壓的相互關(guān)系。其中和是待定參數(shù)。

開關(guān)的電壓和電流必須滿足以下條件：

為了使每個(gè)開關(guān)在工作的時(shí)候都能滿足E類開關(guān)條件，有以下公式：

從式（17）和（18）可以比較得出．在理想狀態(tài)下電路的功率轉(zhuǎn)換率為100％。

（2） 負(fù)載剛絡(luò)參數(shù)：

通過以上對(duì)于電路丁作時(shí)應(yīng)滿足的各個(gè)參數(shù)的波形方程的描述，可以由以下方程計(jì)算出電路元器件的確切值公式：

3 仿真結(jié)果

取電路的仿真參數(shù)為Ql=10，f=1MHz，Vcc=500V，Pint=4KW，根據(jù)公式計(jì)算得出Cn=C2=8000PF，Lr=5.0462μH，Cf=5960PF，R=3.169Ω。各點(diǎn)仿真波形如圖3所示（以功率管S1為例）。最上面為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其次為功率管S1兩端電壓波形，第三為功率管S1漏極電流波形，最下面為通過負(fù)載電阻R的電流波形。

圖3 DE類放大器各點(diǎn)仿真波形

4 電路設(shè)計(jì)

4．1主電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)參數(shù)同仿真參數(shù)。實(shí)際電路中Cs1、Cs2和Cf，是多個(gè)電容串并聯(lián)組成，開關(guān)管選用APT60M75L2FLL，允許峰值電流為73A。

4．2控制與驅(qū)動(dòng)電路

控制電路采用是美國(guó)Ti公司生產(chǎn)的UC3825，它是一種脈寬調(diào)制開關(guān)電源集成控制器，適用于電流型或電壓型開關(guān)電源電路。它的工作頻率可達(dá)1MHz，最大峰值電流可達(dá)2.2A。

圖4控制電路原理圖

圖4是控制電路原理圖．它可以提供相位差為180°的雙路矩形波輸出。通過管腳5和6自行設(shè)定芯片的振蕩頻率，由外接Rr，和Cr確定，其中Rr是可變電阻器，通過調(diào)節(jié)R，可以微調(diào)振蕩頻率f使其達(dá)到2.0MHz左右。25％的占空比主要是通過7腳和3腳來調(diào)整的，從7腳輸入的信號(hào)是一個(gè)鋸齒波，3腳的輸入信號(hào)是16腳輸出的基準(zhǔn)電壓（+5．1v）通過分壓電路得到的，從而以3腳和7腳為輸入的比較器的輸出是一個(gè)占空比可調(diào)的矩形波．通過調(diào)整3腳的電壓可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)該占空比。最后通過后面的鎖存器（PWM Latch）以及分相器的協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的占窄比調(diào)整，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的波形。

為了使功率管能夠準(zhǔn)確、快速的開通或者關(guān)斷，需要對(duì)UC3825中產(chǎn)生的方波控制信號(hào)放大以后，才能用來驅(qū)動(dòng)功率管。信號(hào)放大部分電路如圖5（a）所示。該驅(qū)動(dòng)放大電路使用三極管對(duì)UC3825所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的電壓和電流進(jìn)行放大。

按照以上計(jì)算的驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)，搭建電路，檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電路的輸出波形。測(cè)得圖的波形如圖5（h）所示：

圖5驅(qū)動(dòng)電路原理圖和實(shí)測(cè)圖

5 結(jié)論

通過理論分析、電路仿真、實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，表明所研究的DE類高頻功率放大器是正確的和可行的。DE類射頻大功率放大器有著很多關(guān)鍵技術(shù)。其中的降低開關(guān)損耗，提高放大器的效率，一直是現(xiàn)代高頻大功率領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。DE類大功率高頻電路還存在更廣闊的研究空間。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文結(jié)合D類和E類放大器的優(yōu)點(diǎn)，提出DE類放大器，而且根據(jù)電路的工作條件要求設(shè)計(jì)了方波驅(qū)動(dòng)電路，并得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。

經(jīng)濟(jì)效益：該項(xiàng)目主要應(yīng)用于功率射頻放大器方面，項(xiàng)目產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益初步估計(jì)為100萬。

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