CN110932677B - 一种新型高性能线性功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型高性能线性功率放大器，包括正电流功率放大器和负电流功率放大器。所述正电流功率放大器包含晶体管、直流电压源、钳位二极管、驱动信号源，所述晶体管的栅极连接在一起，并与第一驱动信号源相连，各个晶体管的发射极与相邻晶体管的集电极连接，第四晶体管的发射极为一侧输出点，各个直流电压源的正极相邻直流电压源的负极连接，第四直流电压源的负极为另一侧输出点。本发明实现对控制信号的不失真跟随，将微弱功率的控制信号进行功率放大。功率管承受的压降显著降低，解决了常规的线性功率放大器管耗严重，效率较低的问题，有利于充分利用半导体器件的容量，增大输出功率。

Description

一种新型高性能线性功率放大器

技术领域

本发明属于线性功率放大技术领域，尤其涉及一种新型高性能线性功率放大器。

背景技术

在放大电路中，输出信号往往要送去驱动一定的装置，例如收音机中扬声器的音圈、电动机的控制绕组等，这类主要用于向负载提供功率的放大电路常称为功率放大电路。功率放大分为开关型功率变换器和线性功率放大器。PWM开关变换器电路结构简单，效率高，但其输出波形实质上是离散的脉冲方块，须滤除含量丰富的谐波方可得到性能满足要求的单一频率正弦电能，且其中半导体开关器件的高频开关过程带来电磁辐射。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，输出波形质量优良，理论上无谐波；但传统线性功率放大器效率较低；大功率领域常用的推挽式甲乙类线性功率放大器，输出完整正弦波时理论效率不高于78.54％。功率放大电路主要要求获得一定的不失真(或失真较小)的输出功率，因此功率放大器电路的特性主要体现在以下几个方面：要求输出功率尽可能大、效率更高、非线性失真较小、功率器件的散热要好。

开关变换器存在一些无法解决的固有缺陷，并不能适应一些对电能质量要求很高的应用场合，传统的线性功率放大器尽管在输出波形质量方面优势明显，但由于工作效率较低，传统结构的线性功率放大器在功率变换的领域应用受限，此外输出功率相较于开关变换器也较小。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型高性能线性功率放大器，在一定程度上可以降低功率管损耗、提高效率，增大输出功率。通过改变直流供电电源的形式达到减小功率管管压降，有效降低线性功率放大器的损耗；使用大功率器件从而增大功率输出。

本发明的技术方案：

一种新型高性能线性功率放大器，包括正电流功率放大器和负电流功率放大器。所述正电流功率放大器包含第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第一直流电压源、第二直流电压源、第三直流电压源、第四直流电压源、第一钳位二极管、第二钳位二极管、第三钳位二极管、第一驱动信号源，所述第一、二、三、四晶体管的栅极连接在一起，并与第一驱动信号源相连，所述第一晶体管的发射极与第一钳位二极管的阴极、第二晶体管的集电极连接，第二晶体管的发射极与第二钳位二极管的阴极、第三晶体管的集电极连接，第三晶体管的发射极与第三钳位二极管的阴极、第四晶体管的集电极连接，第四晶体管的发射极为一侧输出点，所述第一直流电压源的正极与第一晶体管的集电极相连，负极与第二直流电压源的正极、第一钳位二极管的正极连接，第二直流电压源的负极与第三直流电压源的正极、第二钳位二极管的正极连接，第三直流电压源的负极与第四直流电压源的正极、第三钳位二极管的正极连接，第四直流电压源的负极为另一侧输出点。所述负电流功率放大器包含第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管、第五直流电压源、第六直流电压源、第七直流电压源、第八直流电压源、第四钳位二极管、第五钳位二极管、第六钳位二极管、第二驱动信号源，所述第五、六、七、八晶体管的栅极连接在一起，并与第二驱动信号源相连，所述第五晶体管的发射极与第四钳位二极管的阴极、第六晶体管的集电极连接，第六晶体管的发射极与第五钳位二极管的阴极、第七晶体管的集电极连接，第七晶体管的发射极与第六钳位二极管的阴极、第八晶体管的集电极连接，第八晶体管的发射极为一侧输出点，所述第五直流电压源的正极与第五晶体管的集电极相连，负极与第六直流电压源的正极、第四钳位二极管的正极连接，第六直流电压源的负极与第七直流电压源的正极、第五钳位二极管的正极连接，第七直流电压源的负极与第八直流电压源的正极、第六钳位二极管的正极连接，第八直流电压源的负极为另一侧输出点。

所述第一直流电压源、第二直流电压源、第三直流电压源、第四直流电压源形成正电流串联结构，第五直流电压源、第六直流电压源、第七直流电压源、第八直流电压源形成负电流串联结构，并与正电流串联结构相对称，用于产生对称的四级电平的直流电源。

所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管以及第八晶体管是绝缘栅双极型晶体管IGBT或大功率双极型三极管BJT或大功率金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。

所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管以及第八晶体管按照钳位电位的高低依次线性导通，先开通的器件保持其状态不变。

第一驱动信号源、第二驱动信号源为能产生两路相位相差180度信号的信号发生器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明线性功率放大器输出特性优良，理论效率可以达到89％以上。其功率管依次线性导通的工作形式可以在一定程度上减小放大器整体的热损耗，从而提高改线性功率放大器的效率，有利于充分利用半导体器件的容量，增大输出功率，提高功率变换系统的安全性和稳定性。

附图说明

图1为一种传统线性功率放大器电路结构图；

图2为图1的线性功率放大器控制信号及输出波形图；

图3(a)为图1的的单电平线性功率放大器输出波形及损耗示意图；

图3(b)为本发明一个实施例输出波形及提高效率的原理示意图；

图4为本发明一个实施例一种新型高性能线性功率放大器的结构图。。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种新型高性能线性功率放大器，其特征是，包括正电流功率放大器和负电流功率放大器，所述正电流功率放大器包含第一晶体管101、第二晶体管102、第三晶体管103、第四晶体管104、第一直流电压源201、第二直流电压源202、第三直流电压源203、第四直流电压源204、第一钳位二极管301、第二钳位二极管302、第三钳位二极管303、第一驱动信号源401，所述第一晶体管101、第二晶体管102、第三晶体管103、第四晶体管104的栅极连接在一起，并与第一驱动信号源401相连，所述第一晶体管101的发射极与第一钳位二极管301的阴极、第二晶体管102的集电极连接，第二晶体管102的发射极与第二钳位二极管302的阴极、第三晶体管103的集电极连接，第三晶体管103的发射极与第三钳位二极管303的阴极、第四晶体管104的集电极连接，第四晶体管104的发射极为一侧输出点，所述第一直流电压源201的正极与第一晶体管101的集电极相连，第一直流电压源201的负极与第二直流电压源202的正极、第一钳位二极管301的正极连接，第二直流电压源202的负极与第三直流电压源203的正极、第二钳位二极管302的正极连接，第三直流电压源203的负极与第四直流电压源204的正极、第三钳位二极管303的正极连接，第四直流电压源204的负极为另一侧输出点；所述负电流功率放大器包含第五晶体管105、第六晶体管106、第七晶体管107、第八晶体管108、第五直流电压源205、第六直流电压源206、第七直流电压源207、第八直流电压源208、第四钳位二极管304、第五钳位二极管305、第六钳位二极管306、第二驱动信号源402，所述第五晶体管105、第六晶体管106、第七晶体管107、第八晶体管108的栅极连接在一起，并与第二驱动信号源402相连，所述第五晶体管105的发射极与第四钳位二极管304的阴极、第六晶体管106的集电极连接，第六晶体管106的发射极与第五钳位二极管305的阴极、第七晶体管107的集电极连接，第七晶体管107的发射极与第六钳位二极管306的阴极、第八晶体管108的集电极连接，第八晶体管108的发射极为一侧输出点，所述第五直流电压源205的正极与第五晶体管105的集电极相连，负极与第六直流电压源206的正极、第四钳位二极管304的正极连接，第六直流电压源206的负极与第七直流电压源207的正极、第五钳位二极管305的正极连接，第七直流电压源207的负极与第八直流电压源208的正极、第六钳位二极管306的正极连接，第八直流电压源208的负极为另一侧输出点。

本实施例在分析各种传统的线性功率放大器的拓扑结构、性能特点的基础上，针对传统线性功率放大器热损耗大、效率低等缺点提出一种全新高性能线性功率放大器，通过减小直流电源电压与线性功率放大器输出电压之间的差值的方法，有效降低了线性功率放大器的损耗，提高了基于线性功率放大器的功率变换系统的整体效率，并以此为依据给出一种新型高性能线性功率放大器的电路结构。

本实施例提高线性功率放大器效率的原理是：当线性功率放大器的输出电压较低时，直流电源侧采用较低的电压供电，随着输出电压的升高，多个功率管模块逐级增加导管功率管的数量，直流电源也自动切换到较高的电压供电。直流电源采用多级直流电压源串联得到具有多级直流电压值的多电平直流电源；二极管的作用是钳住每一导通工作级的输入电源电位。

提出具体的高性能线性功率放大器电路拓扑结构，具体来说电路拓扑包括依次相连的直流电源模块、依次相连的功率器件模块、二极管钳位模块、信号源模块，每个部分都是模块化的结构。

具体实施时，如图1所示，为电力等大功率领域常用的推挽式甲乙类线性功率放大器的电路结构图，该电路用到了对称的N沟道和P沟道MOS管，其直流侧只有一个正负电压值，分别在正负半波提供电压，且该直流电压的幅值必须高于输出波形电压的最大值；图2为推挽式甲乙类线性功率放大器的信号源V_s及输出波形V_o的电压波形图，可以看到，输出波形与信号源波形是完全同步跟随的，而且输出波形与信号源波形都是单一频率正弦波，无需滤波环节即可得到单一频率的正弦波。

本实施例提高线性功率放大器效率原理，如附图3所示，传统的单电平线性功率放大器的直流电压高于输出电压的最大值，而输出波形是一个动态变化的函数，因此直流电源电压与输出波形电压之间在绝大部分时间存在一个较大的电压差值，这个较大的电压差值是普通线性功率放大器效率较低的根本原因；图3(a)中竖条纹阴影部分即为造成线性功率放大器功率损耗的半导体器件上的电压降落。如图3(b)所示，当直流电源具有四级直流电平，而非单一直流电压值的时候，随输出电压的升高，逐渐由最低的电压E供电一级级爬升到由4E供电，图3(b)中竖条纹阴影部分依然表示的是带来功率损耗的电压差值，而斜线条纹阴影部分则表示四级电平直流电源相对于单一电压值直流电源所减少的电压差值，亦可理解为减少的功率损耗，进而大幅度提高线性功率放大器的效率。

如图4所示，以四级电平的具体电路为例，来对电路的具体运行原理做详细说明。具体实施有以下几个步骤：

1)直流电源模块采用的是多个直流电压源的串联叠加来得到多级电平的直流电源；以四级电压分别为E₁、E₂、E₃、E₄为例，则四个串联的直流电源本身的电压分分别是U₁＝E₁、U₂＝E₂+E₁、U₃＝E₃+E₂+E₁、U₄＝E₄+E₃+E₂+E₁，在电压为U₁、U₂、U₃、U₄的端口分别通过钳位二极管连接着每一功率管的漏极。

2)为获得正负半周的电压波形，分别加入相位相差180度的电压信号，在信号逐渐升高的过程中，有以下工作状态的切换：

步骤1.当0＜V_s≤U₁，第一级功率管线性导通，第一级直流电源供电，此时输出电压0≤V_o<U₁。

步骤2.当U₁＜V_s≤U₂，第一、二级功率管线性导通，第一级、第二级直流电源串联供电，此时输出电压U₁≤V_o<U₂。

步骤3.当U₂＜V_s≤U₃，第一、二、三级功率管线性导通，第一级、第二级和第三级直流电源串联供电，此时输出电压E₂≤V_o<E₃。

步骤4.当U₃＜V_s≤U₄，第一、二、三、四级功率管线性导通，第一级、第二级、第三级和第四级直流电源串联供电，此时输出电压U₃≤V_o<U₄。

3)输出电压负半周的波形通过对称的结构产生，其工作步骤与2)相同。

4)信号源模块提供高质量的微弱功率模拟信号，在信号源模块中调节信号的频率，幅值等波形特征参数即可调节输出波形的对应参数。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种高性能线性功率放大器，其特征是，包括正电流功率放大器和负电流功率放大器，所述正电流功率放大器包含第一晶体管(101)、第二晶体管(102)、第三晶体管(103)、第四晶体管(104)、第一直流电压源(201)、第二直流电压源(202)、第三直流电压源(203)、第四直流电压源(204)、第一钳位二极管(301)、第二钳位二极管(302)、第三钳位二极管(303)、第一驱动信号源(401)，所述第一晶体管(101)、第二晶体管(102)、第三晶体管(103)、第四晶体管(104)的栅极连接在一起，并与第一驱动信号源(401)相连，所述第一晶体管(101)的发射极与第一钳位二极管(301)的阴极、第二晶体管(102)的集电极连接，第二晶体管(102)的发射极与第二钳位二极管(302)的阴极、第三晶体管(103)的集电极连接，第三晶体管(103)的发射极与第三钳位二极管(303)的阴极、第四晶体管(104)的集电极连接，第四晶体管(104)的发射极为一侧输出点，所述第一直流电压源(201)的正极与第一晶体管(101)的集电极相连，第一直流电压源(201)的负极与第二直流电压源(202)的正极、第一钳位二极管(301)的正极连接，第二直流电压源(202)的负极与第三直流电压源(203)的正极、第二钳位二极管(302)的正极连接，第三直流电压源(203)的负极与第四直流电压源(204)的正极、第三钳位二极管(303)的正极连接，第四直流电压源(204)的负极为另一侧输出点；所述负电流功率放大器包含第五晶体管(105)、第六晶体管(106)、第七晶体管(107)、第八晶体管(108)、第五直流电压源(205)、第六直流电压源(206)、第七直流电压源(207)、第八直流电压源(208)、第四钳位二极管(304)、第五钳位二极管(305)、第六钳位二极管(306)、第二驱动信号源(402)，所述第五晶体管(105)、第六晶体管(106)、第七晶体管(107)、第八晶体管(108)的栅极连接在一起，并与第二驱动信号源(402)相连，所述第五晶体管(105)的发射极与第四钳位二极管(304)的阴极、第六晶体管(106)的集电极连接，第六晶体管(106)的发射极与第五钳位二极管(305)的阴极、第七晶体管(107)的集电极连接，第七晶体管(107)的发射极与第六钳位二极管(306)的阴极、第八晶体管(108)的集电极连接，第八晶体管(108)的发射极为一侧输出点，所述第五直流电压源(205)的正极与第五晶体管(105)的集电极相连，负极与第六直流电压源(206)的正极、第四钳位二极管(304)的正极连接，第六直流电压源(206)的负极与第七直流电压源(207)的正极、第五钳位二极管(305)的正极连接，第七直流电压源(207)的负极与第八直流电压源(208)的正极、第六钳位二极管(306)的正极连接，第八直流电压源(208)的负极为另一侧输出点。

2.如权利要求1所述的一种高性能线性功率放大器，其特征是，所述第一直流电压源(201)、第二直流电压源(202)、第三直流电压源(203)、第四直流电压源(204)形成正电流串联结构，第五直流电压源(205)、第六直流电压源(206)、第七直流电压源(207)、第八直流电压源(208)形成负电流串联结构，并与正电流串联结构相对称，用于产生对称的四级电平的直流电源。

3.如权利要求1所述的一种高性能线性功率放大器，其特征是，所述第一晶体管(101)、第二晶体管(102)、第三晶体管(103)、第四晶体管(104)、第五晶体管(105)、第六晶体管(106)、第七晶体管(107)以及第八晶体管(108)是绝缘栅双极型晶体管IGBT或大功率双极型三极管BJT或大功率金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。

4.如权利要求3所述的一种高性能线性功率放大器，其特征是，所述第一晶体管(101)、第二晶体管(102)、第三晶体管(103)、第四晶体管(104)、第五晶体管(105)、第六晶体管(106)、第七晶体管(107)以及第八晶体管(108)按照钳位电位的高低依次线性导通，先开通的器件保持其状态不变。

5.如权利要求1所述的一种高性能线性功率放大器，其特征是，第一驱动信号源(401)、第二驱动信号源(402)为能产生两路相位相差180度信号的信号发生器。

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