DE类高频调谐功率放大器

1 引言

D类和E类功率放大器克服了A、B、c类功率放大器的缺陷，使功率器件工作于开关状态。但是在工作频率升高时D类就出现一些缺点：(1)由于晶体管存在开关时间，如果开关时问占去信号周期的较大部分时．渡越损耗就显得十分突出，放大器难以保持高效率工作；(2)两个晶体管可能同时导通或截止，由此引起二次击穿而使功率管损坏；(3)产生的波形是矩形波，要用LC谐振电路滤出基波，难免有谐波损耗。因此转换效率减小，这就限制了D类状态的电路工作频率的进一步提高。而E类功率放大器对高频晶体管的工作电流和耐压要求比D类要高一些，因此限制了电路输出功率的提高。本文研究的是DE类高频调谐功率放大器电路，他综合了D类和E类的优点，使两个功率管类似于D类放大器轮流导通，当关断时，功率管两端电压等于电源电压。同时每个功率管的工作状态又能满足E类条件，因此电路既可以工作在与E类相同的高频条件下，又保证了较高的工作效率和较大的输出功率。

2 DE类放大器的基本电路和工作原理

图1(a)为DE类高频谐振功率放大器的电路原理图。其中开关器件为两个功率场效应管S1、S2，Csl、Cs2为开关器件两端的外接电容(包括了开关的输出电容和分布电容之和)，L、Lf、cf、R组成负载串联回路。其中R是电路的等效负载电阻，L为电路中的剩余电感，Lf、cf为理想串联谐振回路，谐振于信号的基波频率，它的作用是保证流过回路的电流波形是理想正弦波。放大器等效电路如图l中(b)所示，其中将功率管器件s1、s2等效为理想开关(饱和导通时电阻为零．相当于s闭合；截止时电阻无穷大时，s断开)。


图1 DE类功率放大器

下面分析DE类功率放大电路的工作过程。在稳态工作下，一个完整的开关周期包括了四个阶段，下面在一个周期具体描述其工作过程(0≤θ≤2π，0≤θ≤2π)：

(1)当0≤θ≤2/π时，s1闭合、s2断开。此时s1两端电压Vs1为零．s2两端电压Vs2和电容Cs1两端电压均为电源电压Vcc保持不变。由于负载网络的影响，电流is1有—个上升的过程，is2为零。

(2)当2/π≤θ≤π时，s1、s2断开。谐振回路和电源同时开始向电容cs1充电．两端逐渐上升至Vcc，s2并联电容cs2开始放电，两端逐渐减小至零。电流is1、is2为零。

(3)当π≤θ≤3π/2时，s1断开，S2闭合。Vs1为电源电压Vcc，Vs2为零。is2等于负载网络电流。

(4)当3π/2≤θ≤2π时．S1、S2断开。电容Cs1放电，Vs1逐渐减小至零，Cs2开始充电，Vs2逐渐上升至Vcc。is1、is2为零。

可以看出，DE类高频调谐功率放大器电路结构与D类放大器类似，都是由两个功率管组成，都工作于开关状态．所谓DE类功率放大器的最佳工作状态是指每个功率管．E作时都满足E类条件，也就是指每个功率器件的漏源(集电极或阳极)的电压电流波形满足以下三个条件：

(1)从导通到关断转换时，漏源的(集电极或阳极)电压应在功率管关断之后才开始上升；
(2)从关断到导通转换时，漏极(集电极或阳极)电流应在漏源(集电极或阳极)电压降到零之后才开始上升；
(3)在从关断到导通转换时，即导通时刻，还必须满足电压变化率等于零。

图2是电路丁作时的开关管两端电压和电流波形，可以看出每个开关管都满足E类条件。


图2开关两端电压电流波形

电路主要参数的分析与计算：

首先从输出端的电压和电流的表达式作为分析的出发点。由等效电路图2—2(b)中可以得出功率放大器的基本电路方程，θ为相对于驱动信号的初相位：


由以上方程可以看出电路中各个电流与电压的相互关系。其中和是待定参数。

开关的电压和电流必须满足以下条件：


为了使每个开关在工作的时候都能满足E类开关条件，有以下公式：


从式(17)和(18)可以比较得出．在理想状态下电路的功率转换率为100％。

(2) 负载刚络参数：

通过以上对于电路丁作时应满足的各个参数的波形方程的描述，可以由以下方程计算出电路元器件的确切值公式：


3 仿真结果

取电路的仿真参数为Ql=10，f=1MHz，Vcc=500V，Pint=4KW，根据公式计算得出Cn=C2=8000PF，Lr=5.0462μH，Cf=5960PF，R=3.169Ω。各点仿真波形如图3所示(以功率管S1为例)。最上面为驱动信号，其次为功率管S1两端电压波形，第三为功率管S1漏极电流波形，最下面为通过负载电阻R的电流波形。


图3 DE类放大器各点仿真波形

4 电路设计

4．1主电路设计

设计参数同仿真参数。实际电路中Cs1、Cs2和Cf，是多个电容串并联组成，开关管选用APT60M75L2FLL，允许峰值电流为73A。

4．2控制与驱动电路

控制电路采用是美国Ti公司生产的UC3825，它是一种脉宽调制开关电源集成控制器，适用于电流型或电压型开关电源电路。它的工作频率可达1MHz，最大峰值电流可达2.2A。


图4控制电路原理图

图4是控制电路原理图．它可以提供相位差为180°的双路矩形波输出。通过管脚5和6自行设定芯片的振荡频率，由外接Rr，和Cr确定，其中Rr是可变电阻器，通过调节R，可以微调振荡频率f使其达到2.0MHz左右。25％的占空比主要是通过7脚和3脚来调整的，从7脚输入的信号是一个锯齿波，3脚的输入信号是16脚输出的基准电压(+5．1v)通过分压电路得到的，从而以3脚和7脚为输入的比较器的输出是一个占空比可调的矩形波．通过调整3脚的电压可以在很大范围内调节该占空比。最后通过后面的锁存器(PWM Latch)以及分相器的协调来实现输出信号的占窄比调整，达到设计要求的波形。

为了使功率管能够准确、快速的开通或者关断，需要对UC3825中产生的方波控制信号放大以后，才能用来驱动功率管。信号放大部分电路如图5(a)所示。该驱动放大电路使用三极管对UC3825所产生的驱动控制信号的电压和电流进行放大。

按照以上计算的驱动电路参数，搭建电路，检测驱动电路的输出波形。测得图的波形如图5(h)所示：


图5驱动电路原理图和实测图