一種新型串聯(lián)電感并聯(lián)調(diào)諧DE-1類功率放大器

摘要：

提出了一種新型串聯(lián)電感并聯(lián)調(diào)諧DE-1類功率放大器，利用零電流轉(zhuǎn)換(ZCS)和零電流斜率轉(zhuǎn)換(ZCSS)條件對(duì)電路進(jìn)行理論分析。推導(dǎo)出了理想條件下該功率放大器的各元件參數(shù)的計(jì)算表達(dá)式。計(jì)算分析了該放大器的性能。DE-1類功率放大器理論上具有100%的效率，既具有D類功率放大器的優(yōu)點(diǎn)，又具有E-1類放大器的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路對(duì)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證。采用3 V電源，在110 kHz頻率下，該功率放大器的效率達(dá)到了97.8%，且實(shí)驗(yàn)波形與理論分析一致。

0 引言

D類功率放大器由于器件寄生電容的存在，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通引起能量損耗，該損耗與工作頻率成正比[1-2]。E類功率放大器利用零電壓轉(zhuǎn)換(Zero Voltage Switching，ZVS)和零電壓斜率轉(zhuǎn)換(Zero Voltage Slope Switching，ZVSS)減小了晶體管輸出寄生電容的損耗，具有較高的輸出功率和效率[3]。SUETSUGU T等研究了任意占空比下的最優(yōu)和次優(yōu)E類功率放大器[4]。鄧思建等研究了輸出負(fù)載變化對(duì)E 類功率放大器的性能影響[5]。然而，E類功率放大器的開關(guān)上的峰值電壓會(huì)達(dá)到電源電壓的3倍以上[3-4]，這對(duì)于耐壓受限的晶體管來說應(yīng)用受到了限制。結(jié)合D類與E類功率放大器產(chǎn)生了DE類功率放大器[6]。劉昌等研究了輸出電容對(duì)DE類功率放大器的影響[7]。SEKIYA H等進(jìn)一步將DE類功率放大器拓展到任意占空比[8]。DE類功率放大器已經(jīng)被應(yīng)用在無線能量傳輸中[9]。E-1類功率放大器[10]相比于E類功率放大器，其開關(guān)器件上的峰值電壓下降為電源電壓的1/2.8，且最優(yōu)負(fù)載相比E類功率放大器提高數(shù)倍，具有較高的研究價(jià)值[11-12]。

本文將D類功率放大器與E-1類功率放大器結(jié)合，提出一種新型串聯(lián)電感并聯(lián)調(diào)諧DE-1類功率放大器。首先利用ZCS和ZCSS條件[10]對(duì)該功率放大器的工作過程進(jìn)行分析。然后給出元件參數(shù)的計(jì)算表達(dá)式，接著對(duì)電路特性進(jìn)行分析，最后實(shí)現(xiàn)了一個(gè)串聯(lián)電感并聯(lián)調(diào)諧DE-1類放大器，對(duì)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證。

1DE-1類功率放大器理論

串聯(lián)電感并聯(lián)調(diào)諧DE-1類功率放大器如圖1所示。S1和S2分別是NMOS管和PMOS管，工作在開關(guān)狀態(tài)，受驅(qū)動(dòng)電壓VDr1和VDr2控制。電感L1和L2分別與MOS管的漏極連接，形成串聯(lián)關(guān)系。串聯(lián)中心點(diǎn)通過隔直電容與Lp-Cp并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)、補(bǔ)償電容C和負(fù)載RL連接。

為了簡(jiǎn)化分析，作如下假設(shè)：

(1)晶體管是理想開關(guān)，導(dǎo)通時(shí)短路，截止時(shí)開路。

(2)開關(guān)工作在占空比為25%的方波下。

(3)并聯(lián)LC電路的Q值足夠大使得輸出電壓是正弦波。

(4)所有元件為理想元件。隔直電容CDC為理想電容，無交流壓降。

理想串聯(lián)電感并聯(lián)調(diào)諧DE-1類功率放大器的等效電路如圖2所示。

根據(jù)假設(shè)(3)，負(fù)載上的電壓和電流是正弦的，表達(dá)式如式(1)和式(2)所示。

當(dāng)開關(guān)中的電流滿足式(15)和式(16)的ZCS和ZCSS條件時(shí)，串聯(lián)電感并聯(lián)調(diào)諧DE-1類功率放大器達(dá)到最優(yōu)的操作[10]。

2 DE-1類功率放大器元件參數(shù)計(jì)算

3 DE-1類功率放大器的特性

對(duì)電流is2(θ)進(jìn)行積分得到從直流電壓源吸取的電流：

4 電路實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

給定參數(shù)Vdd=3 V，Po=0.2 W，Q=5.8，f=100 kHz，根據(jù)相關(guān)表達(dá)式設(shè)計(jì)串聯(lián)電感并聯(lián)調(diào)諧DE-1類功率放大器。根據(jù)表達(dá)式計(jì)算電路元件參數(shù)，利用計(jì)算元件參數(shù)搭建該放大器電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中MOS管選用IRF7309，它包含1個(gè)NMOS管和1個(gè)PMOS管，參數(shù)如表1所列[13]。

實(shí)驗(yàn)DE-1類功率放大器的元件參數(shù)的理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)用值列在表2中。

圖3給出了工作頻率分別是100 kHz、110 kHz和120 kHz下的MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)和MOS漏極電壓波形。各頻率下波形從上往下4個(gè)信號(hào)依次是PMOS管柵極驅(qū)動(dòng)電壓vDr2、PMOS管漏極電壓vD2、NMOS管漏極電壓vD1和NMOS管柵極驅(qū)動(dòng)電壓vDr1。

由于元件參數(shù)和理論計(jì)算存在誤差，實(shí)驗(yàn)電路最優(yōu)工作頻率不是設(shè)計(jì)的100 kHz，而是110kHz。工作在非最優(yōu)頻率下，開關(guān)斷開時(shí)，由于電感中電流不為零，電流斜率也不為零，導(dǎo)致開關(guān)斷開瞬間，電感電壓不為零，從而造成開關(guān)兩端電壓不連續(xù)。頻率低于最優(yōu)頻率時(shí)，開關(guān)斷開相比最優(yōu)頻率下滯后，電感電壓歸零后繼續(xù)充電，電流斜率為正，此時(shí)開關(guān)斷開，電感L2電壓上沖，而電感L1電壓下沖，從而導(dǎo)致PMOS管漏極電壓低于電源電壓，NMOS管漏極電壓高于0 V，如圖3(a)所示；工作頻率高于最優(yōu)頻率，開關(guān)斷開相比最優(yōu)頻率下提前，電感電流還未下降到零，電流斜率為負(fù)，此時(shí)斷開開關(guān)，電感L2電壓出現(xiàn)下沖，而電感L1電壓出現(xiàn)上沖，從而導(dǎo)致PMOS管漏極電壓高于電源電壓，NMOS管漏極電壓低于0 V，如圖3(c)所示；最優(yōu)工作頻率下開關(guān)，開關(guān)斷開時(shí)，電感中電流為0，其斜率為零，PMOS管漏極電壓等于電源電壓，NMOS管漏極電壓等于0 V，開關(guān)兩端電壓連續(xù)，如圖3(b)所示。

不同工作頻率下測(cè)試直流電流、輸出電壓計(jì)算功率放大器的效率，結(jié)果在表3中列出。最優(yōu)工作頻率110 kHz下功率放大器的效率最高，達(dá)到了97.8%，頻率偏離10 kHz時(shí)，效率分別為83.3%和93.5%。

圖4顯示了最優(yōu)工作頻率110 kHz時(shí)的波形，從上往下依次是PMOS管柵極驅(qū)動(dòng)電壓vDr2、PMOS管漏極電壓vD2、輸出電壓vo和NMOS管驅(qū)動(dòng)電壓vDr1波形。測(cè)量得出輸出相位為25°，與理論值接近；負(fù)載上電壓幅度為1.72 V，與理論計(jì)算接近，此時(shí)功率放大器的效率為97.8%。

5 結(jié)論

本文提出了一種新型串聯(lián)電感并聯(lián)調(diào)諧DE-1類功率放大器，利用ZCS和ZCSS條件對(duì)功率放大器波形進(jìn)行了理論分析，給出了電路元件的計(jì)算方法。最后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路驗(yàn)證該功率放大器。理論上DE-1類功率放大器具有100%的效率。實(shí)驗(yàn)中，3 V電源電壓110 kHz工作頻率下該放大器的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了97.8 %，且波形與理論分析一致。