CN107196615B - 功率放大器及进行功率放大的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供功率放大器及功率放大的方法。该功率放大器包括：电平分离模块，其能够分离并输出正向电平和负向电平；第一及第二功率输出模块，每个功率输出模块包括k个相互并联的场效应管单元，并具有模块源极、模块漏极和模块门极；其中第一及第二功率输出模块的模块门极分别相应连接电平分离模块分离出的正向电平、负向电平；所述的每个场效应管单元包括m个N沟道场效应管、驱动电路、基板，所述的m个N沟道场效应管并联形成公共源极、公共漏极和公共门极。前述两个功率模块在电平分离模块交互作用下线性放大、推挽输出，并克服交越失真，实现无失真大功率输出。

Description

功率放大器及进行功率放大的方法

技术领域

本发明涉及低频率的功率放大技术领域，尤其涉及一种DC～20kHz频段的功率放大器及进行功率放大的方法。

背景技术

目前许多领域都需要功率放大器，如无线发射用的射频功率放大器、娱乐用的音频功率放大器等；而在电路仿真领域、电路测试领域等大功率驱动领域,需要大功率驱动源才能驱动这些大功率负载，如飞机电源输入端测试需要的功率为90kW，风力发电系统仿真需要的功率为1MW，全电动舰船仿真需要的功率为4MW。但目前上述各类应用场景中，信号测试发生器的输出功率都比较小，因此需要借助超强的功率放大器，将测试信号无失真地放大，得到更高的驱动电压和驱动电流，才能实现大功率驱动，以更好地应用于各类场景。具体来说，在大功率电网实时在线仿真、元件和系统测试、电机驱动与测试、强磁场发生器以及各类用电设备的电源输入端测试中，均需要频率范围从直流到一定频率范围(如20kHz)的大功率驱动源。本发明可以为上述应用提供合适的大功率驱动源。

图1和图2所示为目前普遍使用的两种推挽功率放大器的拓扑结构。当前的功率放大装置主要是以上两种结构。如图1所示，其采用互补双极晶体管11和12作为功率输出模块。其缺点是，双极晶体管11和双极晶体管12必须绝对对称，同时要具有相同的耐压特性。双极晶体管11为NPN型晶体管，双极晶体管12作为PNP型晶体管，都很难做到高耐压和大功率输出。

如图2所示，其采用了互补的MOSFET输出，即N沟道MOS管21和P沟道MOS管22，它们必须绝对对称，完成互补输出。其中，N沟道MOS管21是可以做到高耐压的，而P沟道MOS管22很难做到高耐压，因此，它们不能匹配出高电压输出的功率放大器。

无论是图1还是图2的功率放大器，都是直接处理输入信号，不需要对输入信号进行特别处理。所以，受限于所使用的NPN型及PNP型晶体管11、12和P沟道MOS管22的电子特性，无法提供高电压输出，因而也不能实现大功率输出。

另外，现有技术中为配合推挽电路而搭配使用的电平分离模块如图3、图4所示。图3中的隔直流变压器1和4，以及图4中的隔直流电容1’和3’和4’，直流信号无法通过，所以这类电路不能对频率范围DC～20kHz中的直流DC电信号进行正负电平分离。图3和图4所示电路常见于射频放大器和音频高保真功率放大器等不需要直流放大的应用场景中，在电信号的下限频率很低(例如5Hz)时，为了获得很好的通过效果，图3中的隔直流变压器1和4以及图4中的隔直流电容1’和3’和4’体积会非常大。也即，图3和图4的电平分离模块不能够处理直流信号。

发明内容

鉴于以上背景技术的缺陷，本发明旨在提供能够输出大功率直流信号的功率放大器和对功率进行放大的方法。

首先，本发明提供一种功率放大器，包括：

第一功率输出模块与第二功率输出模块，二者结构完全相同，且第一功率输出模块与第二功率输出模块各由k个完全相同的场效应管单元并联形成，所述第一功率输出模块与第二功率输出模块各具有模块源极、模块漏极和模块门极；所述每个场效应管单元包括m个N沟道场效应管、驱动电路和基板，每个场效应管单元的m个N沟道场效应管和驱动电路装于所述基板上，每个场效应管单元中的m个N沟道场效应管并联形成每个场效应管单元的公共源极、公共漏极和公共门极；

电平分离模块，其能够将待放大信号分离并输出正向电平和负向电平，所述电平分离模块包括电压跟随器、恒流源和放大器；所述电压跟随器的输出端与所述恒流源的输入端相连，所述恒流源的输出端与所述放大器的输入端相连；

其中第一功率输出模块的模块门极连接前述电平分离模块分离出的正向电平，第二功率输出模块的模块门极连接前述电平分离模块的负向电平。

进一步，所述功率放大器的最大输出功率与所述场效应管单元的个数k以及所述N沟道场效应管的个数m成正相关。

所述第一功率输出模块和所述第二功率输出模块各自所有的场效应管单元中的N沟道场效应管采用频率特性好的耐高压功率开关型场效应管，其能够将频率范围在DC～20kHz的信号以高达700Vpp的电压大功率地输出。

所述功率放大器还包括散热板，第一功率输出模块和第二功率输出模块的所有场效应管单元均装于该散热板上。

所述的功率放大器还包括前置放大模块，其能够放大输入到其中的信号，并将放大后的信号输入到所述电平分离模块。

所述前置放大模块采用集成电路模块与晶体管分立元件构成。

所述前置放大模块能够将不大于10Vpp的电压信号，最大放大至700Vpp，其中Vpp为电压峰峰值。

所述功率放大器还包括整流模块，其能够对市电进行整流、滤波，并为前述第一功率输出模块及第二功率输出模块供电。

本发明还提供一种利用前述功率放大器进行功率放大的方法，包括以下步骤：

分离：利用所述的电平分离模块将输入的电压信号分离成正向电平及负向电平；

正放大：由所述第一功率输出模块将前述分离步骤得到的正向电平线性放大；

负放大：由所述的第二功率输出模块将前述分离得到的负向电平线性放大；

推挽输出：通过所述电平分离模块对第一功率输出模块、第二功率输出模块交互作用，实现推挽输出。

所述功率放大的方法，还可以包括以下步骤之一或其组合：

消除交越失真：通过电平分离模块分离出的正向电平和负向电平精确配合，以消除电路的交越失真；

调整输出功率：通过调整第一功率输出模块与第二功率输出模块中场效应管单元的个数k，和/或调整每个场效应管单元中N沟道场效应管的个数m，来得到与k、m成正相关的输出功率；

高电压输出：利用频率特性好的耐高压功率开关型场效应管能够将DC～20kHz的信号以高达700Vpp的输出电压大功率地输出；

散热：功率放大时通过散热板进行散热；

前置放大：通过前置放大模块将输入信号放大，并将放大后的信号输入到所述电平分离模块；

整流、滤波：通过整流模块，对市电进行整流、滤波，为前述第一功率输出模块及第二功率输出模块供电。

按照以上本发明提供的功率放大器和对功率进行放大的方法，首先使用了电平分离模块对电子电平进行变换，因此，能够很好地实现直流通路，且在DC～20kHz频率范围内，能实现信号无失真地电平分离，并且配合本发明两个相同的功率输出模块，能够实现推挽输出，从而实现大功率无失真地输出。具体来说，本发明能够实现以下效果：

1、输出电压最大可为700Vpp(峰峰值)。

2、可以无失真地再现输入波形，总谐波失真(THD)小于3％。

3、输出电压摆率达到(Slew Rate)50V/us。

4、负载类型可为：电阻、电容、电感。

附图说明

图1为现有技术中采用三极管的推挽输出极电路。

图2为现有技术中采用MOSFET的推挽输出极电路。

图3为现有技术中的电平分离电路。

图4为现有技术中的另一种电平分离电路。

图5为本发明一个实施例的功率放大器的等效结构简图。

图6为本发明一个实施例的功率输出模块的结构简图。

图7为本发明一个功率输出模块的电路示意图。

图8为本发明一个场效应管单元的电路示意图。

图9为本发明电平分离模块的电路示意图。

图10为本发明的电平分离模块的输入端及输出端的信号示意图。

图11为本发明的另一实施例的功率放大器的电路示意图。

具体实施方式

为了对DC～20kHz范围的电流信号进行功率放大，本发明提供一种功率放大器及对应的功率放大方法。

为说明本发明的技术方案，下面结合实施例进行说明。须注意，所描述的实施例仅是本发明的一部分、而非全部实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员不付出创造性劳动所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例一

图5为本发明一实施例的功率放大器的等效结构简图，Output表示输出端。如图5与图9所示，所示的本发明的功率放大器包括：电平分离模块W，其能够将待放大信号W1分离并输出正向电平W4和负向电平W5；第一功率输出模块M1和第二功率输出模块M2，二者结构完全相同，且均可以分别等效为一个N沟道场效应管，图5中仅画出两个功率输出模块M1、M2所对应的两个等效N沟道场效应管，但这并不表示本实施例的两个功率输出模块仅仅由两个N沟道场效应管构成。

如上所述，第一功率输出模块M1及第二功率输出模块M2结构完全相同。在本实施例中，第一功率输出模块M1及第二功率输出模块M2各包括k个相互并联的完全相同的场效应管单元。所述的k个场效应管单元并联组合方式如图6、图7所示。图7为第一功率输出模块的电路示意图，所述的k个场效应管单元并联形成第一功率模块M1，其包含第一模块源极S1、第一模块漏极D1和第一模块门极G1；同理，第二功率模块的k个场效应单元并联，并包含第二模块源极、第二模块漏极和第二模块门极。

图8为所述第一功率模块中场效应管单元DY11的电路示意图。如图8所示，其包括基板L11(可采用铝基板、陶瓷基板等)、驱动电路Q11及m个相互并联的N沟道场效应管N111-N11m。如图8，场效应管单元DY11的驱动电路Q11及m个相互并联的N沟道场效应管N111-N11m均装于基板L11上(可采用焊接、粘接、压接等)。图8中，所述的m个N沟道场效应管并联形成场效应管单元DY11，并形成公共源极S11、公共漏极D11和公共门极G11。公共门极G11连接驱动电路Q11，驱动电路Q11可以提供足够的驱动电流来保证摆率高达50V/μs(伏/微秒)。

通过上述说明及图6、图11可知，第一功率输出模块的k个场效应管单元DY11、DY12、DY13……DY1k，并联形成第一功率输出模块M1，并形成第一模块源极S1、第一模块漏极D1和第一模块门极G1。同理可知，第二功率模块的k个场效应单元DY21、DY22……DY2k并联形成第二功率输出模块M2，并形成第二模块源极S2、第二模块漏极D2和第二模块门极G2。

电平分离模块W的电路示意图见图9。电平分离模块W包括电压跟随器A1、恒流源I1和I2、放大器A2和A3。电压跟随器A1可由高压晶体管实现，且其输出端与恒流源I1和I2相连。恒流源I1和I2在交流工作时具有很高的阻抗，二者可将输入的电压信号W1分离为正向电压W2和负向电压W3。放大器A2将正向电压W2放大并叠加第一功率输出模块M1的线性区开启电压VGT后，形成正向电平W4并传输给第一功率输出模块M1的模块门极G1；同理，放大器A2将负向电压W3放大并叠加第二功率输出模块M2的线性区开启电压VGT后，形成负向电平W5并传输给第二功率输出模块M2的模块门极G2。电压信号W1、正向电压W2、负向电压W3、正向电平W4、负向电平W5如图10所示，其中，横轴为时间轴，VS1是第一功率输出模块M1的模块源极S1的电压,VS2是第二功率输出模块M2的模块源极S2的电压。

参见图5，第一功率输出模块M1的第一模块门极G1连接电平分离模块W分离出的正向电平W4，第二功率输出模块M2的第二模块门极G2连接电平分离模块W分离出的负向电平W5。电平分离模块W交互作用于第一功率输出模块M1及第二功率输出模块M2，从而可实现推挽输出Output。同时，电平分离模块W经过优化设计，可使第一功率输出模块M1及第二功率输出模块M2工作在线性放大区并能克服交越失真，以实现无失真大功率输出。

此外，通过调整第一功率输出模块M1和第二功率输出模块M2中场效应管单元的个数即调整数值k，和/或调整每个场效应管单元中N沟道场效应管的个数即调整数值m值，即可得到与数值k、m成正相关的最大输出功率。

如上所述可知，本发明采用N沟道场效应管，特别是可采用频率特性好的耐高压的功率开关型场效应管，可以使其输出电平达到700Vpp(Vpp：电压峰峰值)，同时能保证对频率范围在DC～20kHz的电信号进行大功率输出。

见图6，将第一功率模块M1中各场效应管单元DY11-DY1k的基板L11、L12、L13…L1k安装于散热板L(可采用铝材、铜材、陶瓷等能起到散热作用的材料)上，如此可利用散热板L将所述场效应管单元上的所有元器件产生的热量与外界进行热交换(散热)。同理可知，第二功率输出模块M2中场效应管单元上的所有元器件产生的热量也用过该散热板与外界进行热交换(散热)，从而实现良好的散热效果。

利用上述本发明的功率放大器，本发明还提供一种功率放大的方法，其包括以下步骤：

分离：利用电平分离模块W将输入的电压信号W1分离成正向电平W4及负向电平W5；

正放大：由第一功率输出模块M1将前述分离得到的正向电平W4线性放大；

负放大：由第二功率输出模块M2将前述分离得到的负向电平W5线性放大；

推挽输出：通过电平分离模块W对第一功率输出模块M1及第二功率输出模块M2进行交互作用，以实现推挽输出。

所述的功率放大的方法，还可以包括以下步骤：

消除电路的交越失真：通过电平分离模块W分离出的正向电平及负向电平W4、W5精确配合，能够消除电路的交越失真。

调整输出功率：调整两个功率输出模块M1、M2中场效应管单元的个数即调整数值k，和/或调整所述每个场效应管单元中N沟道场效应管的个数即调整数值m，可得到与数值k、m成正相关的输出功率。

高电压输出：利用频率特性好的耐高压功率开关型场效应管将DC～20kHz的信号能够以高达700Vpp的输出电压大功率地输出、

散热：功率放大时可通过散热板L进行散热。

前置放大：通过设置前置放大模块FD将输入信号放大，可将放大后的信号输入到所述电平分离模块。

整流、滤波：通过整流模块ZL，对市电进行整流、滤波，为前述第一功率输出模块及第二功率输出模块供电。

实施例二

在实施例一所示的功率放大器的基础上，还可以包括前置放大模块FD，如图11所示。其可将输入信号放大以得到电压信号W1并输入到电平分离模块W。所述前置放大模块FD可采用集成电路和晶体管分立元件构成，其可将不大于10Vpp的信号最大放大至700Vpp，以获得高输出电压，所述Vpp指电压的峰峰值。

实施例三

在实施例一所示的功率放大器的基础上，还可以包括整流模块ZL，如图11所示。其能对输入的市电进行整流、滤波，得到直流电流，并以此为第一及第二功率输出模块供电。所述整流模块可以为半波整流电路、全波整流电路、全桥整流电路等任一类交流-直流转换电路(AC-DC)。

由上述可见，以上实施例所示的功率放大器，可实现对信号的无失真放大，可实现的性能指标为：

1、输出电压最大为700Vpp(峰峰值)。

2、无失真再现输入波形，总谐波失真(THD)小于3％。

3、输出电压摆率(Slew Rate)50V/us。

4、负载类型：电阻、电容、电感。

本发明的功率放大器可应用于以下场合：大功率电网实时在线仿真、用电系统测试、元件和系统测试、大功率驱动、强磁场发生器、大功率压电晶体驱动、大功率激光器驱动等诸多领域。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种功率放大器，包括：

第一功率输出模块与第二功率输出模块，二者结构完全相同，且第一功率输出模块与第二功率输出模块各由k个完全相同的场效应管单元并联形成，所述第一功率输出模块与第二功率输出模块各具有模块源极、模块漏极和模块门极；所述每个场效应管单元包括m个N沟道场效应管、驱动电路和基板，每个场效应管单元的m个N沟道场效应管和驱动电路装于所述基板上，每个场效应管单元中的m个N沟道场效应管并联形成每个场效应管单元的公共源极、公共漏极和公共门极；每个场效应管单元的公共门极连接该场效应管单元中的驱动电路，以接收驱动电路提供的驱动电流；

电平分离模块，其能够将待放大信号分离并输出正向电平和负向电平，所述电平分离模块包括电压跟随器、恒流源和放大器；所述电压跟随器的输出端与所述恒流源的输入端相连，所述恒流源的输出端与所述放大器的输入端相连；

其中第一功率输出模块的模块门极连接前述电平分离模块分离出的正向电平，第二功率输出模块的模块门极连接前述电平分离模块的负向电平；所述待放大信号频率范围为DC～20kHz。

2.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器的最大输出功率与所述场效应管单元的个数k以及所述N沟道场效应管的个数m成正相关。

3.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述N沟道场效应管采用耐高压功率开关型场效应管，其能够将频率范围在DC～20kHz的信号以高达700Vpp的电压大功率地输出。

4.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，还包括散热板，第一功率输出模块和第二功率输出模块的所有场效应管单元均装于该散热板上。

5.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，还包括前置放大模块，其能够放大输入到其中的信号，并将放大后的信号输入到所述电平分离模块。

6.如权利要求5所述的功率放大器，其特征在于，所述前置放大模块采用集成电路模块与晶体管分立元件构成。

7.如权利要求5所述的功率放大器，其特征在于，所述前置放大模块能够将不大于10Vpp的电压信号，最大放大至700Vpp，其中Vpp为电压峰峰值。

8.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，还包括整流模块，其能够对市电进行整流、滤波，并为前述第一功率输出模块及第二功率输出模块供电。

9.一种利用权利要求1所述的功率放大器进行功率放大的方法，包括以下步骤：

分离：利用所述的电平分离模块将输入的电压信号分离成正向电平及负向电平；

正放大：由所述第一功率输出模块将前述分离步骤得到的正向电平线性放大；

负放大：由所述的第二功率输出模块将前述分离得到的负向电平线性放大；

推挽输出：通过所述电平分离模块对第一、第二功率输出模块交互作用，实现推挽输出。

10.如权利要求9所述的功率放大的方法，其特征在于，还包括以下步骤，

消除交越失真：通过电平分离模块分离出的正向电平和负向电平精确配合，消除电路的交越失真；

调整输出功率：通过调整每个功率输出模块中场效应管单元的个数k，和/或调整每个场效应管单元中N沟道场效应管的个数m，来得到与k、m成正相关的输出功率；

高电压输出：利用耐高压功率开关型场效应管能够将DC～20kHz的信号以高达700Vpp的输出电压大功率地输出；

散热：功率放大时通过散热板进行散热；

前置放大：通过前置放大模块将输入信号放大并将放大后的信号输入到所述电平分离模块；

整流、滤波：通过整流模块，对市电进行整流、滤波，为前述第一功率输出模块及第二功率输出模块供电。