CN103066848B - 用于快速跟踪参考的直流变压器型多电平输出直流电源 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于快速跟踪参考的直流变压器型多电平输出直流电源，以满足某些场合下需要输出电压快速变化并跟踪参考的需要。对现有的技术进行改进，本发明提出了利用直流变压器、整流桥以及功率开关管等器件，实现单输入多电平输出的电源结构。直流变压器原边仅接一直流电源，副边增加绕组数目，每个绕组副边经过整流桥和滤波电容以后串联输出，控制开关管的开关，实现实时输出多电平。

Description

用于快速跟踪参考的直流变压器型多电平输出直流电源

技术领域

本发明提出的用于快速跟踪参考的直流变压器型多电平输出直流电源，属电力电子学领域。

背景技术

可变包络调制技术可以满足充分利用频谱的要求，因而广泛的应用于现代的无线通信调制技术中。可变包络调制技术需要使用放大器进行信号放大。

现代通信中，存在着线性度和效率的矛盾。为了放大信号，使用线性射频功率放大器(radio frequency power amplifier，RFPA)，它有着线性度高的特点，但是如果线性RFPA的工作效率低就会导致整个射频功率放大系统的效率低。

传统供电方式下，线性RFPA由恒定的直流电压供电。在这种方法下，射频功率放大系统在多数情况下工作在低效率区，损耗大，会造成RFPA的使用寿命减小。为了提高线性RFPA的效率，研究人员提出了一系列的方法，其中最有效的是电源控制方案。该类方案使用变化的电平为线性RFPA供电。变化的电平能够跟随待放大射频信号的包络，从而使得RFPA时刻工作在理想的高效率区域附近。

现有的电源方案中，使用多个电源串联或者并联的方式组成一个输出电平可变的电源。这种方案中，每输多出一种电平，就需要多并接一个直流电源，若所需直流电平较多，则直流电源的数量同时直线上升，过于复杂，在实际工程中，成本较高，实现较为不便。

本文针对现有技术的不足，提出一种新型的电源结构——利用直流变压器、整流桥、滤波电容、开关管等实现单端输入、多路输出的电源结构。直流变压器的原边通入直流电，副边经过整流桥以及滤波电容输出直流电压。本发明结构简单，能够满足输出变化的电平的要求的同时能够方便的扩展。

发明内容

本发明的目的是针对于现有技术的不足，提出一种利用直流变压器以及整流滤波技术实现单输入、多电平输出的电源电路结构。

该电路的主要特征在于：直流变压器的原边接一直流电压源，变压器的副边增加绕组的个数，各路副边输出经过整流桥以及滤波电容后串联输出，控制开关管的开通关断，可实现多电平输出。

该电路较现有的电路的优势在于：

(1)传统电路中，使用较多的电源，实际工程中，成本较高，实现不便，本发明的电路仅需要一个直流电压源，与原电路相比，更为简单方便。

(2)对于本发明的电路，各路副边串联输出，根据控制逻辑控制开关管的开关，可以方便实现多电平输出，结构简单灵活，方便扩展。

(3)可以通过改变副边绕组的匝数，易于得到想要的输出电平值：各路副边的匝数相同的时候，即n₁＝n₂＝…＝n_k＝n′₁＝n′₂＝…＝n′_k，可现实等分电平输出，即U_o1∶U_o2∶…∶U_ok＝1∶2∶…∶k(负组部分为U′_o1∶U′_o2∶…∶U′_ok＝1∶2∶…∶k)；当等分电平无法满足系统效率最大化的时候，可以改变各路副边的匝数，以用来优化输出电平。

附图说明

图1是用于快速跟踪参考的直流变压器型多电平输出直流电源的结构图。

图2是系统的控制框图。

图3是开关管的逻辑与输出电压的关系。

图4是本发明在输出各直流电平时对应的各开关模态示意图。虚线表示器件关断。

表1表2是各个输出电压下的所对应的开关管与二极管的状态表。ON代表开通或者导通，OFF代表关断。

图中的主要符号名称：(1)U_in——输入直流电压。(2)n₀、n₁、n₂、n₃……n′₁、n′₂、n′_k——变压器匝数。(3)D₁₁-D₁₄、D₂₁-D₂₄……D_k1-D_k4、D′₁₁-D′₁₄、D′₂₁-D′₂₄……D′_k1-D′_k4——全桥整流二极管。(4)C₁、C₂……C_k、C′₁、C′₂……C′_k——滤波电容。(5)S₀₁-S₀₄、S₁、S₂、S₃……S_k-1、S_k、S′₁、S′₂、S′₃……S′_k-1、S′_k——功率开关管。(6)D₁、D₂……D_k-1、D′₁、D′₂……D′_k-1——防止环流的二极管。(7)U_o1、U_o2、U_o3、U_o4……U_ok、U′_o1、U′_o2、U′_o3、U′_o4……U′_ok——各路输出的直流电压。(8)R、R′——负载电阻。

具体实施方式：

电路如图1所示。直流变压器的正组部分与负组部分相对称，以正组的连接方式进行介绍。

主体上由直流电源、直流变压器、整流桥、滤波电容、开关管、二极管组成。连接方式为：直流变压器原边接直流电源，变压器副边分别接D₁₁-D₁₄、D₂₁-D₂₄……D_k1-D_k4构成的全桥整流电路，C₁、C₂……C_k分别并接于整流桥的输出端，开关管S_k的漏极接整流桥的输出端，源极接输出电阻R(最高电压支路没有环流问题，不需要二极管)，S₁、S₂、S₃……S_k-1的源极分别接二极管D₁、D₂……D_k-1的阳极，漏极接各路滤波电容的高压端，二极管D₁、D₂……D_k-1的阴极接输出电阻R、R′串接于多电平输出端与地之间。

具体的实施方式是：采用单路输入、多路输出的结构——直流变换器的原边接直流电源，副边增加绕组的数目，形成多路输出的结构，将输出串联在一起，通过整流桥二极管D₁₁-D₁₄、D₂₁-D₂₄……D_k1-D_k4(正组部分)、D′₁₁-D′₁₄、D′₂₁-D′₂₄……D′_k1-D′_k4(负组部分)二极管D₁、D₂……D_k-1(正组部分)、D′₁、D′₂……D′_k-1(负组部分)和开关管S₁、S₂、S₃……S_k-1、S_k(正组部分)、S′₁、S′₂、S′₃……S′_k-1、S′_k(负组部分)与多电平输出端相连，根据控制逻辑，控制开关管的开关，可在各路输出端分别输出如下公式所示的电平(k₁-k′_k为系数)：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{o1}=k_1{U}_{\mathrm{in}}{n}_1/n_0\\ U_{o2}=k_2{U}_{\mathrm{in}}{n}_2/n_0+U_{o1}\\ \·\\ \·\\ \·\\ U_{\mathrm{ok}}=k_k{U}_{\mathrm{in}}{n}_k/n_0+\·\·\·+U_{o2}+u_{o1}\\ U_{o1}^{\′}=k_1^{\′}{U}_{\mathrm{in}}{n}_1^{\′}/n_0\\ U_{o2}^{\′}=k_2^{\′}{U}_{\mathrm{in}}{n}_2^{\′}/n_0+U_{o1}^{\′}\\ \·\\ \·\\ \·\\ U_{\mathrm{ok}}^{\′}=k_k^{\′}{U}_{\mathrm{in}}{n}_k^{\′}/n_0+\·\·\·+U_{o2}^{\′}+U_{o1}^{\′}\end{array}\right.$

由于包络线是正负对称的，所以对应输出的正组负组电压也是对称的，即：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{o1}=-U_{o1}^{\′}\\ U_{o2}=-U_{o2}^{\′}\\ \·\\ \·\\ \·\\ U_{\mathrm{ok}}=-U_{\mathrm{ok}}^{\′}\end{array}\right.$

当各路变压器副边绕组的匝数相同的时候(即n₁＝n₂＝…＝n_k＝n′₁＝n′₂＝…＝n′_k)可以实现等分电平输出，即U_o1∶U_o2∶…U_ok＝1∶2∶…k(负组部分为U′_o1∶U′_o2∶…U′_ok＝1∶2∶…k)，但等分电平输出的时候不一定能够实现系统效率最大话，因而可以改变各路绕组的匝数，以用来优化输出电平，提高系统的效率。

系统的控制框图如图2所示，输入信号是经过调制了的高频信号，其包络线如虚线所示，经过检测分析以后，得到它的包络信号U_ref(t)，根据控制逻辑分别控制S₁、S₂、S₃……S_k-1、S_k、S′₁、S′₂、S′₃……S′_k-1、S′_k的开通关断，以实现多电平输出，开关管开关逻辑与对应的输出电平的关系如图3所示。当0＜|U_ref(t)|＜U₁时(U₁及下文的U₂…U_k是用来与U_ref(t)比较的参考电压)，正组部分输出U_o1，负组部分输出U′_o1(正组部分负组部分相对称，所以U_o1＝-U′_o1，)；当U₁＜|U_ref(t)|＜U₂时，正组部分输出U_o2，负组部分输出U′_o2(U_o2＝-U′_o2)……当U_k-2＜|U_ref(t)|＜U_k-1时，正组部分输出U_o(k-1)，负组部分输出U′_o(k-1)(U_o(k-1)＝-U′_o(k-1))，当U_k-1＜|U_ref(t)|＜U_k时，正组部分输出U_ok，负组部分输出U′_ok(U_ok＝-U′_ok)。可以看出，电路开始工作以后，最低电压支路电路的开关管一直导通，理论上讲可以去掉开关管S₁(正组部分)和S′₁(负组部分)，但实际工程中，RFPA不工作时还存在供电电压就会引起损耗，所以本发明中开关管S₁和S′₁保留，若RFPA不工作，则S₁(正组部分)和S′₁(负组部分)关断。二极管D₁、D₂……D_k-1(正组部分)、D′₁、D′₂……D′_k-1(负组部分)的作用是防止高低压支路的环流，最高电压支路不存在环流问题，可不串接二极管。

输出电平的大小与包络线电压U_ref大小如下关系式所示：

$\&PlusMinus;U_o=\left\{\begin{array}{c}\&PlusMinus;U_{o1},0\&le;\left|U_{\mathrm{ref}}\right|<U_1\\ \&PlusMinus;U_{o2},U_1\&le;\left|U_{\mathrm{ref}}\right|<U_2\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&PlusMinus;U_{\mathrm{ok}},U_{k-1}\&le;\left|U_{\mathrm{ref}}\right|<U_k\end{array}\right.$

输出各个电平时对应的开关模态示意图如图4所示：

(1)当|U_ref|的大小在0与U₁之间时，正组与负组分别输出+U_o1、-U_o1、S₁、S′₁开通，开关管S₂-S_k、S′₂-S′_k处于关断状态，二极管D₁、D′₁导通，二极管D₂-D_k-1、D′₂-D′_k-1处于关断状态，如图4(a)所示，直流变压器副边分别经过全桥整流二极管D₁₁-D₁₄、D′₁₁-D′₁₄和滤波电容C₁、C′₁，输出直流电压：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{o1}=k_1{U}_{\mathrm{in}}{n}_1/n_0\\ U_{o1}^{\&prime;}=k_1^{\&prime;}{U}_{\mathrm{in}}{n}_1^{\&prime;}/n_0=-U_{o1}\end{array}\right.$

(2)当|U_ref|的大小在U₁与U₂之间时，正组与负组分别输出+U_o2、-U_o2，S₂、S′₂开通，S₁、S′₁不关断，开关管S₃-S_k、S′₃-S′_k处于关断状态，二极管D₁、D′₁承受反压关断，二极管D₂、D′₂导通，二极管D₃-D_k-1、D′₃-D′_k-1处于关断状态，如图4(b)所示，直流变压器副边分别经过全桥整流二极管D₂₁-D₂₄、D′₂₁-D′₂₄和滤波电容C₂、C′₂，输出直流电压：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{o2}=k_2{U}_{\mathrm{in}}{n}_2/n_0+U_{o1}\\ U_{o2}^{\&prime;}=k_2^{\&prime;}{U}_{\mathrm{in}}{n}_2^{\&prime;}/n_0+U_{o1}^{\&prime;}=-U_{o2}\end{array}\right.$

(3)当|U_ref|的大小在U_k-1与U_k之间时，正组与负组分别输出+U_ok、-U_ok，S_k、S′_k开通，S₁-S_k-1、S′₁-S′_k-1不关断，二极管D₁-D_k-1、D′₁-D′_k-2承受反压关断，如图4(c)所示，直流变压器副边分别经过全桥整流二极管D₁₁-D₁₄、D′_k1-D′_k4和滤波电容C_k、C′_k，输出直流电压：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{ok}}=k_k{U}_{\mathrm{in}}{n}_k/n_0+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+U_{o2}+U_{o1}\\ U_{\mathrm{ok}}^{\&prime;}=k_k^{\&prime;}{U}_{\mathrm{in}}{n}_k^{\&prime;}/n_0+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;U_{o2}^{\&prime;}+U_{o1}^{\&prime;}=-U_{\mathrm{ok}}\end{array}\right.$

表1各输出电压下的所对应的开关管的状态表

表2各输出电压下的所对应的二极管的状态表

注：实际工作时，当输出U_ok时，必定也同时输出U′_ok，这意味着当S_k开通时，S′_k也会开通。但上表表示的是仅某一电平输出情况下的开关管和二极管的工作情况。

Claims (1)

1.一种用于快速跟踪参考的直流变压器型多电平输出直流电源：采用单路输入、多路输出的结构——直流变换器的原边接直流电源，副边增加绕组的数目，形成多路输出的结构，各路副边分别通过整流桥二极管D₁₁-D₁₄、D₂₁-D₂₄……D_k1-D_k4、D′₁₁-D′₁₄、D′₂₁-D′₂₄……D′_k1-D′_k4，二极管D₁、D₂……D_k-1、D′₁、D′₂……D′_k-1和开关管S₁、S₂、S₃……S_k-1、S_k、S′₁、S′₂、S′₃……S′_k-1、S′_k串联输出，与多电平输出端相连，通过控制开关管的开关来实现多电平输出；副边分为正组部分和负组部分：正组部分每路副边分别接一个全桥整流电路、滤波电容C_i、开关管S_i和防止环流的二极管D_i，其中i＝1、2、3……k，由于正组最高路不存在环流的可能，所以D_k省略，正组输出+U_oi，负组部分每路副边分别接一个全桥整流电路、滤波电容C′_i、开关管S′_i和防止环流的二极管D′_i，由于负组最高路不存在环流的可能，所以D′_k省略，负组输出-U_oi；连接方式为：正组部分每路变压器副边输出端接一个全桥整流电路，全桥整流电路的输出端并联一个滤波电容C_i，滤波电容C_i的高电势端与开关管S_i的漏极相连，除最高路，开关管S_i的源极与二极管D_i的阳极相连，D_i的阴极与负载电阻R相连，在最高路中，开关管S_k的源极与负载电阻R相连，负载电阻的另一端与地相连；负组部分连接方式与正组部分相对称；各支路的输出串联，因而高压支路的输出端的电压可表示为U_oi＝k_iU_inn_i/n₀+U_o(i-1)+U_o(i-2)+…+U_o2+U_o1，负组部分为U′_oi＝k′_iU_inn′_i/n₀+U′_o(i-1)+U′_o(i-2)+…+U′_o2+U′_o1，其中k_i、k′_i为电压转换系数，n₀为变压器原边匝数，n_i、n′_i为变压器副边匝数，U_in为输入电压，当各路绕组的匝数相同的时候，即n₁＝n₂＝…＝n_k＝n′₁＝n′₂＝…＝n′_k，可以实现等分电平输出，即U_o1∶U_o2∶…U_ok＝1∶2∶…k、U′_o1∶U′_o2∶…U′_ok＝1∶2∶…k，并且U_oi＝-U′_oi，如果等分电平输出不能够实现系统效率最大化的话，可以改变各路绕组的匝数，以用来优化输出电平，提高系统的效率；输入信号为高频信号，经过检测分析以后，得到它的包络信号U_ref(t)，用来控制开关管的开关以实现多电平输出：当0＜|U_ref(t)|＜U₁时，正组部分开关管S₁开通，开关管S₂、S₃……S_k-1、S_k处于关断状态，二极管D₁导通，二极管D₂……D_k-1处于关断状态，负组部分开关管S′₁开通，开关管S′₂、S′₃……S′_k-1、S′_k处于关断状态，二极管D′₁导通，二极管D′₂……D′_k-1处于关断状态，正组部分和负组部分分别输出+U_o1、-U_o1，其中U₁及下文的U₂…U_k是用来与U_ref(t)比较的参考电压；当U₁＜|U_ref(t)|＜U₂时，正组部分开关管S₁不关断，开关管S₂开通，开关管S₃……S_k-1、S_k处于关断状态，二极管D₁承受反压关断，二极管D₂导通，二极管D₃……D_k-1处于关断状态，负组部分开关管S′₁不关断，开关管S′₂开通，开关管S′₃……S′_k-1、S′_k处于关断状态，二极管D′₁承受反压关断，二极管D′₂导通，二极管D′₃……D′_k-1处于关断状态，正组部分和负组部分分别输出+U_o2、-U_o2，以此类推，当U_k-1＜|U_ref(t)|＜U_k时，正组部分开关管S₁、S₂……S_k-1不关断，开关管S_k开通，二极管D₁、D₂……D_k-1承受反压关断，负组部分开关管S′₁、S′₂、S′₃……S′_k-1不关断，开关管S′_k开通，二极管D′₁、D′₂……D′_k-1承受反压关断，正组部分和负组部分分别输出+U_ok、-U_ok。