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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D類就出現(xiàn)一些缺點：(1)由于晶體管存在開關(guān)時間，如果開關(guān)時問占去信號周期的較大部分時．渡越損耗就顯得十分突出，放大器難以保持高效率工作；(2)兩個晶體管可能同時導(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一步提高。而E類功率放大器對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，使兩個功率管類似于D類放大器輪流導(dǎo)通，當(dāng)關(guān)斷時，功率管兩端電壓等于電源電壓。同時每個功率管的工作狀態(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)器件為兩個功率場效應(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)通時電阻為零．相當(dāng)于s閉合；截止時電阻無窮大時，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，一個完整的開關(guān)周期包括了四個階段，下面在一個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，s1閉合、s2斷開。此時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—個上升的過程，is2為零。 (2)當(dāng)2/π≤θ≤π時，s1、s2斷開。諧振回路和電源同時開始向電容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，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．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)是指每個功率管．E作時都滿足E類條件，也就是指每個功率器件的漏源(集電極或陽極)的電壓電流波形滿足以下三個條件： (1)從導(dǎo)通到關(guān)斷轉(zhuǎn)換時，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，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，即導(dǎo)通時刻，還必須滿足電壓變化率等于零。 圖2是電路丁作時的開關(guān)管兩端電壓和電流波形，可以看出每個開關(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)的分析與計算： 首先從輸出端的電壓和電流的表達式作為分析的出發(fā)點。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為相對于驅(qū)動信號的初相位：
由以上方程可以看出電路中各個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：
為了使每個開關(guān)在工作的時候都能滿足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)： 通過以上對于電路丁作時應(yīng)滿足的各個參數(shù)的波形方程的描述，可以由以下方程計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)公式計算得出Cn=C2=8000PF，Lr=5.0462μH，Cf=5960PF，R=3.169Ω。各點仿真波形如圖3所示(以功率管S1為例)。最上面為驅(qū)動信號，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類放大器各點仿真波形 4 電路設(shè)計 4．1主電路設(shè)計 設(shè)計參數(shù)同仿真參數(shù)。實際電路中Cs1、Cs2和Cf，是多個電容串并聯(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)動電路 控制電路采用是美國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1MHz，最大峰值電流可達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腳輸入的信號是一個鋸齒波，3腳的輸入信號是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)來實現(xiàn)輸出信號的占窄比調(diào)整，達到設(shè)計要求的波形。 為了使功率管能夠準(zhǔn)確、快速的開通或者關(guān)斷，需要對UC3825中產(chǎn)生的方波控制信號放大以后，才能用來驅(qū)動功率管。信號放大部分電路如圖5(a)所示。該驅(qū)動放大電路使用三極管對UC3825所產(chǎn)生的驅(qū)動控制信號的電壓和電流進行放大。 按照以上計算的驅(qū)動電路參數(shù)，搭建電路，檢測驅(qū)動電路的輸出波形。測得圖的波形如圖5(h)所示：
圖5驅(qū)動電路原理圖和實測圖 5 結(jié)論 通過理論分析、電路仿真、實際驅(qū)動電路的設(shè)計，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。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：本文結(jié)合D類和E類放大器的優(yōu)點，提出DE類放大器，而且根據(jù)電路的工作條件要求設(shè)計了方波驅(qū)動電路，并得到了試驗驗證。 經(jīng)濟效益：該項目主要應(yīng)用于功率射頻放大器方面，項目產(chǎn)生的經(jīng)濟效益初步估計為100萬。 作者：劉平 來源：《微計算機信息》(嵌入式與soc)2009年第25卷第5-2期 |
