CN110492851B - 一种基于igbt的线性功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及放大器技术，具体涉及一种基于IGBT的线性功率放大器，包括：大功率低压差P‑IGBT，与大功率低压差P‑IGBT特性参数对称的异型大功率低压差N‑IGBT，大功率低压差N‑IGBT作为上管，大功率低压差P‑IGBT作为下管，上管大功率低压差N‑IGBT和下管大功率低压差P‑IGBT的栅极和发射极相互连接，构成双电源互补对称功率放大电路；输入信号从放大电路的栅极输入，发射极输出。该放大器构造的大功率低压差P‑IGBT与大功率低压差N‑IGBT等效晶体管，切断了PNP、NPN型三极管与IGBT的直接联系回路，内部标准IGBT的集电极‑发射极电压的最小值降低，有效恢复了等效IGBT晶体管的线性区，提高了线性功率放大的动态范围。IGBT作为大功率器件用于线性功率放大器中将简化电路结构，实现更高功率密度的输出。

Description

一种基于IGBT的线性功率放大器
技术领域
本发明属于放大器技术领域，尤其涉及一种基于IGBT的线性功率放大器。
背景技术
线性功率放大技术在传统的功率变换领域占据着重要的地位，近年来因其效率低、体积大等缺点已逐渐被开关型功率放大器所取代。PWM开关变换器电路结构简单，效率高，但是其输出实质上是离散的脉冲矩形波，须加入额外的滤波环节滤除含量丰富的谐波，此外其控制策略及优化算法较为复杂，且半导体开关器件的高频开关过程还会带来电磁辐射。线性功率放大器直接对微弱功率的控制信号进行功率放大，输出波形具有很高的保真度，理论上无谐波，故在对电磁干扰敏感、追求宽带宽等场合下线性功率放大器仍然无可替代。
为满足电压波形高正弦度、多类负载适应性、抗突变负载扰动能力兼顾的需求，跟随器型线性电路成为首选对象。线性功率放大器具有高工作带宽和输出电压线性度高的优点，可以很好地实现对输入信号的功率放大。传统的线性功率放大器采用多级三极管或场效应管电路构成，受电路结构和器件参数所限，输出电压及输出电流较小，无法达到高电压、大电流输出的目的。IGBT作为线性功率管的功率放大器虽然可以解决三极管并联输出带来的系列问题，但是需要构造大功率低压差P-IGBT与特性参数对称的大功率低压差N-IGBT构成互补对管实现推挽式功率输出。
在现有技术中，一般利用前管PNP型三极管与后管标准IGBT构成大功率P-IGBT，前管与后管皆工作在同一状态。三极管的集电极接至IGBT管的栅极，三极管的发射极与IGBT的集电极接在一起作为P-IGBT的发射极，IGBT的发射极作为P-IGBT管的漏极，三极管的基极作为P-IGBT管的栅极。在此种复合方式下，前级三极管确定电流的方向从而控制加在后级IGBT栅极电压的大小，当栅极-发射极电压UGE略大于开启电压UGE(th)时，IGBT处于线性工作区域而线性导通。使用该P-IGBT构成的B类单电源功率放大器，当输入电压vi的幅值逼近直流供电电压Vcc时，由于IGBT线性导通时栅极-发射极电压UGE的限制使其无法工作于临界饱和点，输出电压vo的幅值与直流电压会存在7-8V较大压差，而无法准确跟踪输入电压信号，从而使得输出电压的动态范围减小，直流电压的利用率下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种能以简单电路结构实现宽动态范围及大功率输出的放大器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于IGBT的线性功率放大器，包括：大功率低压差P-IGBT，与大功率低压差P-IGBT特性参数对称的异型大功率低压差N-IGBT，大功率低压差N-IGBT作为上管，大功率低压差P-IGBT作为下管，上管大功率低压差N-IGBT和下管大功率低压差P-IGBT的栅极和发射极相互连接，构成双电源互补对称功率放大电路；输入信号从放大电路的栅极输入，发射极输出。
在上述的基于IGBT的线性功率放大器中，大功率低压差P-IGBT包括第一PNP型三极管、第一NPN型三极管、第二NPN型三极管和第一标准IGBT晶体管，还包括串联接至第一PNP型三极管基极的第一电阻，串联连接在第一PNP型三极管集电极和第一NPN型三极管基极之间的第二电阻，串联接在第一NPN型三极管发射极与第二NPN型三极管发射极之间的第四电阻，串联连接在第一NPN型三极管集电极与第二NPN型三极管集电极之间的第三电阻、第五电阻；第一PNP型三极管发射极接至第一标准IGBT晶体管的集电极；第一NPN型三极管发射极连接第一标准IGBT晶体管的发射极；第二NPN型三极管集电极接至第一标准IGBT晶体管栅极；
大功率低压差N-IGBT管包括第三NPN型三极管、第四NPN型三极管、第五NPN型三极管和第二标准IGBT晶体管；还包括串联接至第三NPN型三极管基极的第六电阻，串联连接在第三NPN型三极管发射极和第四NPN型三极管基极之间的第七电阻，串联接在第四NPN型三极管发射极与第五NPN型三极管发射极之间的第十电阻，串联连接在第四NPN型三极管集电极与第五NPN型三极管集电极之间的第八电阻、第九电阻；第三NPN型三极管集电极接至第二标准IGBT晶体管的集电极；第四NPN型三极管发射极接至第二标准IGBT晶体管的发射极；第五NPN型三极管集电极接至第二标准IGBT晶体管的栅极。
上述的基于IGBT的线性功率放大器中，第三电阻与第五电阻的连接点与第二直流电压源正极相连，第一NPN型三极管的发射极连接第二直流电压源负极；第八电阻与第九电阻的连接点连接第一直流电压源正极，第四NPN型三极管的发射极连接第一直流电压源负极。
本发明的有益效果：本发明构造的大功率低压差P-IGBT与大功率低压差N-IGBT等效晶体管，切断了PNP、NPN型三极管与IGBT的直接联系回路，内部标准IGBT的集电极-发射极电压的最小值可以被降低至1.7V左右，从而有效恢复了等效IGBT晶体管的线性区，提高了其线性功率放大的动态范围。IGBT作为一种大功率器件用于线性功率放大器中将会大大简化电路结构，实现更高功率密度的输出。
附图说明
图1是本发明一个实施例大功率低压差P-IGBT的电路图；
图2是本发明一个实施例由大功率低压差P-IGBT构成的B类功率放大器的电路图；
图3是本发明一个实施例基于IGBT的线性功率放大器的电路图；
图4是本发明一个实施例基于IGBT的线性功率放大器的输出电压、电流波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种基于IGBT的线性功率放大器，包括直流供电电压+Vcc、-Vcc，独立电压源E1、E2，信号源vi以及大功率低压差P-IGBT、大功率低压差N-IGBT。大功率低压差P-IGBT包括第一PNP型三极管T1、第一NPN型三极管T2、第二NPN型三极管T3、第一标准IGBT晶体管T4，第一电阻R1接至第一PNP型三极管T1的基极，第一PNP型三极管T1的集电极通过第二电阻R2接至第一NPN型三极管T2的基极，第一PNP型三极管T1的发射极接至第一标准IGBT晶体管T4的集电极；第一NPN型三极管T2的发射极与第二NPN型三极管T3的发射极通过第四电阻R4连接，并接至第一标准IGBT晶体管T4的发射极，第一NPN型三极管T2的集电极与第二NPN型三极管T3的集电极通过第三电阻R3、第五电阻R5连接，第二NPN型三极管T3的集电极接至第一标准IGBT晶体管T4的栅极；直流电压源E2的值为15V，正极接至第三电阻R3与第五电阻R5的连接点，直流电压源E2负极与第一NPN型三极管T2的发射极相连。第一PNP型三极管T1的基极等效为大功率低压差P-IGBT的栅极，第一标准IGBT晶体管T4的发射极等效为大功率低压差P-IGBT的集电极，第一标准IGBT晶体管T4的集电极等效为大功率低压差P-IGBT的发射极。
大功率低压差N-IGBT包括第三、第四、第五NPN型三极管T5、T6、T7、第二标准IGBT晶体管T8，内部连接方式与大功率低压差P-IGBT完全对称，第三NPN型三极管T5的基极等效为大功率低压差N-IGBT的栅极，第二标准IGBT晶体管T8的发射极等效为大功率低压差N-IGBT的发射极，第二标准IGBT晶体管T8的集电极等效为大功率低压差N-IGBT的集电极。
大功率低压差P-IGBT与大功率低压差N-IGBT组成双电源互补对称功率放大电路，功率管轮流导电，实现推挽式功率输出。
具体实施时，在P型复合管传统组成原则的基础上，阻断PNP三极管的集电极与IGBT栅极的直接连接，通过增加两级三极管放大环节控制加在IGBT栅极上的电压，得到的大功率低压差P-IGBT电路如图1所示。当第一PNP型三极管T1满足线性导通的条件时，流过第一PNP型三极管T1集电极的电流通过系列三极管的放大环节转换为电压最终加在第一标准IGBT晶体管T4的栅极，第二NPN型三极管T3的输出作为最终的栅极-发射极电压控制标准IGBT的导通状态。使用该大功率低压差P-IGBT管构成的单电源功率放大器结构如图2所示，由于切断了第一PNP型三极管T1与第一标准IGBT晶体管T4的直接联系回路，输出电压的表达式如下：
Figure BDA0002146946570000051
Figure BDA0002146946570000052
在(1)式、(2)式中，vo为输出电压，Vcc为直流供电电压，vce4为第一标准IGBT晶体管T4的集电极-发射极电压，vec1为第一PNP型三极管T1的发射极-集电极电压，vR2为第二电阻R2上的电压，vbe2为第一NPN型三极管T2的基极-发射极电压。
此时第一标准IGBT晶体管T4的集电极-发射极电压vce4的最小值可以被降低至1.7V左右，vec1约为1V，vR2忽略不计，vbe2约为0.7V，从而有效恢复了大功率低压差P-IGBT管的线性区，实现宽动态范围的功率输出。
如图2所示，输入信号vi与输出vo的参考电位相同，正弦信号由第一PNP型三极管T1的基极输入，由发射极输出，输出对输入的跟随效果体现在第一PNP型三极管T1上。第一PNP型三极管T1具有电压比较器的作用，接收输入信号与反馈至此的输出电压信号，得到的误差信号ve控制第一标准IGBT晶体管T4的导通状态。输出电压vo经过反馈环节与输入信号vi进行比较，其误差信号送至信号传递环节。由于信号传递环节与功率放大器不共地，其传递的信号仅用于驱动第一标准IGBT晶体管T4，使之工作于线性状态，故需要独立的直流电源为此环节供电。信号传递部分由两级放大环节构成，由于误差信号具有一定的动态变化范围，为了保证其与确定的栅极电压间具有合适的增益，需要在第一NPN型三极管T2放大环节的基础上加入第二NPN型三极管T3放大环节进行增益匹配，第二NPN型三极管T3的输出作为第一标准IGBT晶体管T4栅极-发射极电压，经过第一标准IGBT晶体管T4转移特性便得到最终的功率输出。
参照等效大功率低压差P-IGBT的电路结构，构造出特性参数完全对称的异型大功率低压差N-IGBT，一种基于IGBT的线性功率放大器的拓扑如图3所示。供电电源分别为正负电平+Vcc、-Vcc，上管大功率低压差N-IGBT和下管大功率低压差P-IGBT的栅极和发射极相互连接在一起，输入信号从栅极输入，从发射极输出，从而构成双电源互补对称功率放大电路。在静态时两管不导电，而有信号输入时，大功率低压差N-IGBT和大功率低压差P-IGBT二者轮流导电，实现推挽式线性功率放大。
实施例1：
直流供电电压Vcc＝100V，输入正弦信号幅值vi＝98V，频率fi＝50Hz，负载电阻RL＝8.1Ω，第一PNP型三极管T1的型号为2SA1968，第三NPN型三极管T5的型号为BUT11A，第一NPN型三极管T2、第二NPN型三极管T3、第四NPN型三极管T6、第五NPN型三极管T7的型号为2SC2328，第一标准IGBT晶体管T4、第二标准IGBT晶体管T8型号为FF200R12KT4。如图4为在输入信号电压vi逼近电源电压Vcc时，得到的输出电压与电流的波形图。输出电压vo、电流io的波形，vo波形是幅值为97.2V的正弦波，THD＝0.98％，io的幅值为11.8A，二者相位一致，可见IGBT-LPA拓扑可不失真地实现宽动态范围的线性功率放大。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种基于IGBT的线性功率放大器，其特征是，包括：大功率低压差P-IGBT，与大功率低压差P-IGBT特性参数对称的异型大功率低压差N-IGBT，大功率低压差N-IGBT作为上管，大功率低压差P-IGBT作为下管，上管大功率低压差N-IGBT和下管大功率低压差P-IGBT的栅极和发射极相互连接，构成双电源互补对称功率放大电路；输入信号从放大电路的栅极输入，发射极输出。
2.如权利要求1所述的基于IGBT的线性功率放大器，其特征是，大功率低压差P-IGBT包括第一PNP型三极管、第一NPN型三极管、第二NPN型三极管和第一标准IGBT晶体管，还包括串联接至第一PNP型三极管基极的第一电阻，串联连接在第一PNP型三极管集电极和第一NPN型三极管基极之间的第二电阻，串联接在第一NPN型三极管发射极与第二NPN型三极管发射极之间的第四电阻，串联连接在第一NPN型三极管集电极与第二NPN型三极管集电极之间的第三电阻、第五电阻；第一PNP型三极管发射极接至第一标准IGBT晶体管的集电极；第一NPN型三极管发射极连接第一标准IGBT晶体管的发射极；第二NPN型三极管集电极接至第一标准IGBT晶体管栅极；
大功率低压差N-IGBT管包括第三NPN型三极管、第四NPN型三极管、第五NPN型三极管和第二标准IGBT晶体管；还包括串联接至第三NPN型三极管基极的第六电阻，串联连接在第三NPN型三极管发射极和第四NPN型三极管基极之间的第七电阻，串联接在第四NPN型三极管发射极与第五NPN型三极管发射极之间的第十电阻，串联连接在第四NPN型三极管集电极与第五NPN型三极管集电极之间的第八电阻、第九电阻；第三NPN型三极管集电极接至第二标准IGBT晶体管的集电极；第四NPN型三极管发射极接至第二标准IGBT晶体管的发射极；第五NPN型三极管集电极接至第二标准IGBT晶体管的栅极。
3.如权利要求1所述的基于IGBT的线性功率放大器，其特征是，第三电阻与第五电阻的连接点与第二直流电压源正极相连，第一NPN型三极管的发射极连接第二直流电压源负极；第八电阻与第九电阻的连接点连接第一直流电压源正极，第四NPN型三极管的发射极连接第一直流电压源负极。
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