逆变切换电路、射频电源的E类定频功放并联驱动系统
技术领域
本发明涉及射频技术领域,尤其涉及一种逆变切换电路、射频电源的E类定频功放并联驱动系统。
背景技术
现有的推挽式逆变器并联输出驱动电路,利用该逆变驱动电路的定频工作特性,结合BUS提供恒定的DC,通过开关管逆变电路的定频特性,与可并联形成功率放大的组合特性,提供定频大功率的射频功率输出。
推挽式逆变器的输出端的上下端电位点通常是接入BUS电位,但时常受制于开关管的元件性能,若是推挽开关管的耐压力不足,很容易造成管击穿、电子器件炸裂,使得电路烧毁。
发明内容
鉴于上述的分析,本发明实施例旨在提供一种逆变切换电路、射频电源的E类定频功放并联驱动系统,用以解决现有推挽式逆变器容易造成管击穿、电子器件炸裂等问题。
一方面,本发明公开了一种逆变切换电路,所述逆变切换电路包括变压器、第一开关管、第二开关管、第一嵌位防逆流模块和第二嵌位防逆流模块;其中,
第一方波直流源、第二方波直流源分别输入到变压器的初级线圈的异名端、同名端;第一方波直流源和第二方波直流源交替为高电平;
变压器的第一次级线圈、第二次级线圈的同名端分别连接第一嵌位防逆流模块、第二嵌位防逆流模块的输入端,第一嵌位防逆流模块、第二嵌位防逆流模块的输出端分别连接第一开关管、第二开关管的栅极;第一开关管、第二开关管的漏极相接作为所述逆变切换电路的切换信号输出端;
第一次级线圈、第二次级线圈的异名端均接地;第一嵌位防逆流模块、第二嵌位防逆流模块的嵌位端均接地;第一开关管、第二开关管的源极均接地。
在上述方案的基础上,本发明还做出了如下改进:
进一步,所述第一嵌位防逆流模块和第二嵌位防逆流模块的结构相同,均包括第一二极管、第三开关管和第一电阻;其中,
第三开关管的栅极连接第一二极管的阳极,第三开关管的源极连接第一二极管的阴极,第三开关管的漏极连接第一电阻的一端;
将第一电阻的另一端作为第一嵌位防逆流模块或第二嵌位防逆流模块的嵌位端;将第三开关管的栅极作为第一嵌位防逆流模块或第二嵌位防逆流模块的输入端;将第三开关管的源极作为第一嵌位防逆流模块或第二嵌位防逆流模块的输出端。
进一步,所述逆变切换电路还包括第一RC滤波模块和第二RC滤波模块;其中,
第一次级线圈的同名端和异名端之间并联第一RC滤波模块;
第二次级线圈的同名端和异名端之间并联第二RC滤波模块。
进一步,所述第一RC滤波模块和第二RC滤波模块的结构相同,均包括第二电阻和第一电容;其中,
第一次级线圈或第二次级线圈的同名端连接第一电容的一端,第一电容的另一端连接第二电阻的一端,第二电阻的另一端连接第一次级线圈或第二次级线圈的异名端。
进一步,所述逆变切换电路还包括第一同相器和第二同相器;其中,
第一同相器串联在变压器的初级线圈的异名端;第一方波直流源经由第一同相器输入到变压器的初级线圈的异名端;
第二同相器串联在变压器的初级线圈的同名端;第二方波直流源经由第二同相器输入到变压器的初级线圈的同名端。
进一步,所述逆变切换电路还包括第二电容;所述第二电容串联在变压器的初级线圈的同名端与第二同相器之间或串联在初级线圈的异名端与第一同相器之间。
另一方面,本发明还公开了一种射频电源的E类定频功放并联驱动系统,所述系统包括:多组如上所述的逆变切换电路、输出电容、平衡电阻和一阶LC滤波器,以及,射频稳定器和稳压调变器;其中,
每组逆变切换电路的切换信号输出端分别连接各自平衡电阻的一端,所有平衡电阻的另一端与一个共同的中心点相连,形成星型结构;
每组逆变切换电路的切换信号输出端还分别连接相应一阶LC滤波器的输入端,所有一阶LC滤波器的输出端相连形成汇流输出端口,汇流输出端口同时连接所述稳压调变器和所述射频稳定器;
将所述汇流输出端口作为所述系统的射频信号输出端;
其中,所述稳压调变器用于调整引入所述汇流输出端口的电压振幅的大小。
在上述方案的基础上,本发明还提出了如下改进:
进一步,所述系统还包括多组输出电容;
每组逆变切换电路的切换信号输出端还分别经由各自的输出电容后接地。
进一步,所述系统还包括隔直器;此时,
所述汇流输出端口还连接隔直器的输入端,并将所述隔直器的输出端作为所述系统的射频信号输出端。
进一步,所述系统还包括高阶LC滤波电路;此时,
所述汇流输出端口还连接高阶LC滤波电路的输入端,将高阶LC滤波电路的输出端作为所述系统的射频信号输出端。
进一步,所述系统还包括高阶LC滤波电路和隔直器;此时,
所述汇流输出端口还连接高阶LC滤波电路的输入端,所述高阶LC滤波电路的输出端连接隔直器的输入端,并将所述隔直器的输出端作为所述系统的射频信号输出端。
与现有技术相比,本发明至少可实现如下有益效果之一:
一方面,本发明提供的逆变切换电路,通过限制第一方波直流源和第二方波直流源交替为高电平,并在变压器的第一次级线圈、第二次级线圈的输出端设置第一嵌位防逆流模块、第二嵌位防逆流模块,并通过将第一开关管和第二开关管的漏极并接,实现逆变切换电路的切换信号输出端的高低电平的切换,使得逆变切换电路能够维持开关管的切换能力,很好地解决现有线性RF脉冲功率放大器容易出现动态非线性和增益失衡现象。同时,第一嵌位防逆流模块和第二嵌位防逆流模块可防止线圈短路瞬时高压烧毁推挽管,同时避免逆电流冲击线圈造成线圈高压烧毁,很好地解决了现有推挽式逆变器容易造成管击穿、电子器件炸裂等问题。此外,由于逆变切换电路的切换信号输出端的输出电位与输出功率的调变通过直流BUS处的电压Vbus的电位变化而定,只要两输入信号的频率稳定,其输出的交流信号频率亦会相对稳定,达到定频调变功率的效果,从而满足定频环境下调整功率的需求。
另一方面,本发明提供的射频电源的E类定频功放并联驱动系统,
设计简便,在频率相对固定的前提下,通过简单的并联或是合路,即可将多组逆变切换电路结合多阶滤波的振谐拓扑以形成的E类攻放,达到提升功率上限的目的。同时,通过稳压调变器调整引入所述汇流输出端口的电压振幅的大小,保证输出功率的稳定性。此外,通过采用多组逆变切换电路结合相关谐振拓扑,从而使得输出的射频信号功率增加、电压恒定,有效扩展了射频电源的的E类定频功放并联驱动系统可提供的射频信号的功率范围,丰富了其应用场景。
本发明中,上述各技术方案之间还可以相互组合,以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分优点可从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的,而并不认为是对本发明的限制,在整个附图中,相同的参考符号表示相同的部件;
图1为本发明实施例1提供的逆变切换电路的电路图;
图2为本发明实施例1提供的逆变切换电路中第一开关管MOS1、第二开关管MOS2的控制波形示意图;
图3为本发明实施例2提供的射频电源的E类定频功放并联驱动系统的电路图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例,其中,附图构成本申请一部分,并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理,并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个具体实施例1,公开了一种逆变切换电路,电路图如图1所示,所述逆变切换电路包括变压器、第一开关管MOS1、第二开关管MOS2、第一嵌位防逆流模块和第二嵌位防逆流模块;其中,第一方波直流源、第二方波直流源分别输入到变压器的初级线圈的异名端、同名端;第一方波直流源和第二方波直流源交替为高电平;变压器的第一次级线圈、第二次级线圈的同名端分别连接第一嵌位防逆流模块、第二嵌位防逆流模块的输入端,第一嵌位防逆流模块、第二嵌位防逆流模块的输出端分别连接第一开关管MOS1、第二开关管MOS2的栅极;第一开关管MOS1、第二开关管MOS2的漏极相接作为所述逆变切换电路的切换信号输出端;第一次级线圈、第二次级线圈的异名端均接地;第一嵌位防逆流模块、第二嵌位防逆流模块的嵌位端均接地;第一开关管MOS1、第二开关管MOS2的源极均接地。
在本实施例中,第一开关管MOS1和第二开关管MOS2均为切换开关管。第一嵌位防逆流模块和第二嵌位防逆流模块的结构相同,均包括第一二极管、第三开关管(嵌位管)和第一电阻(嵌位电阻);其中,第三开关管的栅极连接第一二极管的阳极,第三开关管的源极连接第一二极管的阴极,第三开关管的漏极连接第一电阻的一端;将第一电阻的另一端作为第一嵌位防逆流模块或第二嵌位防逆流模块的嵌位端;将第三开关管的栅极作为第一嵌位防逆流模块或第二嵌位防逆流模块的输入端;将第三开关管的源极作为第一嵌位防逆流模块或第二嵌位防逆流模块的输出端。在图1中,为加以区分,第一嵌位防逆流模块中的第一二极管、第三开关管、第一电阻分别用符号D1、MOS3、R1表示。第二嵌位防逆流模块中的第一二极管、第三开关管、第一电阻分别用符号D2、MOS4、R4表示。
优选地,本实施例中的逆变切换电路还包括第一RC滤波模块和第二RC滤波模块;其中,第一次级线圈的同名端和异名端之间并联第一RC滤波模块;第二次级线圈的同名端和异名端之间并联第二RC滤波模块。具体地,所述第一RC滤波模块和第二RC滤波模块的结构相同,均包括第二电阻和第一电容;其中,第一次级线圈或第二次级线圈的同名端连接第一电容的一端,第一电容的另一端连接第二电阻的一端,第二电阻的另一端连接第一次级线圈或第二次级线圈的异名端。在图1中,为加以区分,第一RC滤波模块中的第二电阻、第一电容分别用R2、C1表示。第二RC滤波模块中的第二电阻、第一电容分别用R3、C2表示。
优选地,为避免第一方波直流源和第二方波直流源的信号过于薄弱、不稳定,因此,本实施例中的逆变切换电路还包括第一同相器和第二同相器;其中,第一同相器串联在变压器的初级线圈的异名端;第一方波直流源经由第一同相器输入到变压器的初级线圈的异名端;第二同相器串联在变压器的初级线圈的同名端;第二方波直流源经由第二同相器输入到变压器的初级线圈的同名端,以对输入信号作初次的同相稳定放大。
优选地,本实施例中的逆变切换电路还包括第二电容C3;第二电容C3串联在变压器的初级线圈的同名端与第二同相器之间或串联在初级线圈的异名端与第一同相器之间,以吸收一部分电压波动的能量,使得输入到变压器的初级绕组的电压更加稳定。
此外,具体实施过程中,第一开关管MOS1和第二开关管MOS2采用NMOS管;第三开关管采用PMOS管。
下面,对本实施例提供的逆变切换电路的工作过程做如下描述:
具体实施过程中需要注意,第一方波直流源和第二方波直流源交替为高电平,且高电平所占比例视占空比而确定。在有些情况下,第一方波直流源和第二方波直流源严格互为反相。同时,为方便描述,在图1中,将第一次级线圈、第一开关管MOS1、第一嵌位防逆流模块和第一RC滤波模块连接形成的电路作为第1组电路,标号为。第二次级线圈、第二开关管MOS2、第二嵌位防逆流模块和第二RC滤波模块连接形成的电路作为第2组电路,标号为。
(1)第一方波直流源为低电平,第二方波直流源为高电平
此时,初级线圈电流为2->1,因次级线圈同名端相同,两组电路的次级线圈电流方向与初级线圈相同。
两组电路的嵌位管的G极与S极之间均未形成有效电位,两组电路的嵌位管均关断(即图1中的MOS3、MOS4均关断)。两组电路的开关管的G极与S极两端均形成有效电位,两组电路的开关管均导通(即第一开关管MOS1和第二开关管MOS2均导通),两组电路的次级线圈几乎等同短接通路,两组电路的RC滤波模块即会对开关管的开通形成限压与限流的缓冲保护。
在第一开关管MOS1和第二开关管MOS2均导通的情况下,由于第一开关管MOS1和第二开关管MOS2的D极并接,此时,逆变切换电路的切换信号输出端输出高位信号。
(2)第一方波直流源为高电平,第二方波直流源为低电平
此时,初级线圈电流为1->2,因次级线圈同名端相同,两组电路的开关管的G极与S极两端均未形成有效电位,两组电路的开关管均关断(即第一开关管MOS1和第二开关管MOS2均关断)。两组电路的嵌位管的G极与S极两端均形成有效电位,两组电路的嵌位管均导通。同时,嵌位电阻形成限流保护,两组电路的次级线圈、RC滤波模块与嵌位防逆流模块形成不干涉输出的内循环回路。
此时,逆变切换电路的切换信号输出端的电位等同接地、零电位或相对低位信号。
示例性地,逆变切换电路中第一开关管MOS1、第二开关管MOS2的控制波形示意图如图2所示。由图2可以看出,第一开关管MOS1、第二开关管MOS2的控制波形除个别位置略有偏差外,整体保持一致。在第一开关管MOS1和第二开关管MOS2均导通的情况下,逆变切换电路的切换信号输出端输出高位信号。在第一开关管MOS1和第二开关管MOS2均关断的情况下,逆变切换电路的切换信号输出端的电位等同接地、零电位或相对低位信号。因此,通过两个时序延迟差的方波直流源,可以产生波形相对稳定、定频的交流信号。
在本实施例所提供的电路中,信号输出端的输出电位与输出功率,其调变是通过直流BUS处的电压Vbus(参见图3)的电位变化而定,只要两输入信号(第一方波直流源和第二方波直流源)的频率稳定,其输出的交流信号频率亦会相对稳定,从而达到定频调变功率的作用。
本发明的具体实施例2,公开了一种射频电源的E类定频功放并联驱动系统,该系统的电路图如图3所示,该系统包括:多组如实施例1所述的逆变切换电路、平衡电阻和一阶LC滤波器,以及,射频稳定器和稳压调变器;其中,每组逆变切换电路的切换信号输出端分别连接各自平衡电阻的一端,所有平衡电阻的另一端与一个共同的中心点(star)相连,形成星型结构;每组逆变切换电路的切换信号输出端还分别连接相应一阶LC滤波器的输入端,所有一阶LC滤波器的输出端相连形成汇流输出端口,汇流输出端口同时连接稳压调变器和所述射频稳定器;将所述汇流输出端口作为所述系统的射频信号输出端;其中,所述稳压调变器用于调整引入所述汇流输出端口的电压振幅的大小。
具体实施过程中,可根据稳压调变的需求选择相应的稳压调变器,如BUCK降压调变器、BOOST升压调变器或CUK调变器等。图3中示例出的稳压调变器为BUCK降压调变器。具体地,BUCK降压调变器包括BUCK开关管MOS5、电感L、二极管D、电容C0;其中,BUCK开关管MOS5的栅极用于接收占空比调制信号;BUCK开关管MOS5的漏极经由电容C0接地,BUCK开关管MOS5的漏极还连接电源Vdc;BUCK开关管MOS5的源极分别连接电感L的一端、二极管D的阴极,二极管D的阳极接地,电感L的另一端连接所述汇流输出端口;BUCK降压调变器根据占空比调制信号调整引入所述汇流输出端口的电压振幅的大小。此外,为避免占空比调整信号过于薄弱不稳定,BUCK降压调变器还可以包括第三同相器。此时,第三同相器的输入端用于接收占空比调制信号,第三同相器的输出端连接BUCK开关管的栅极。在本实施例中,BUCK开关管MOS5为NMOS管。BOOST升压调变器或CUK调变器的具体形式参见现有方式即可,不再赘述。
优选地,为保证射频信号输出质量,本实施例在上述方案的基础上,还提供了以下可选的优化方案:
(1)系统还包括隔直器
此时,所述汇流输出端口还连接隔直器的输入端,并将所述隔直器的输出端作为所述系统的射频信号输出端。通过隔直器隔离信号中的直流分量,从而优化射频信号输出质量。示例性地,隔直器可采用隔直电容C实现。
(2)系统还包括高阶LC滤波电路
此时,所述汇流输出端口还连接高阶LC滤波电路的输入端,将高阶LC滤波电路的输出端作为所述系统的射频信号输出端。通过高阶LC滤波电路滤除高阶谐波,有效保证输出信号的质量。示例性地,所述高阶LC滤波电路为二阶LC滤波器,或者,依次串联的二阶LC滤波器和三阶LC滤波器。
(3)系统还包括高阶LC滤波电路和隔直器;
此时,所述汇流输出端口还连接高阶LC滤波电路的输入端,所述高阶LC滤波电路的输出端连接隔直器的输入端,并将所述隔直器的输出端作为所述系统的射频信号输出端。通过组合高阶LC滤波电路和隔直器,既能滤除信号中的高阶谐波,又能隔离信号中的直流分量,从而优化射频信号输出质量。
具体实施过程中,可根据实际应用场景对射频信号的输出需求,选取上述基础系统设计方式,或者各种优选系统设计方式。
在本实施例提供的射频电源的E类定频功放并联驱动系统中,采用多组逆变切换电路结合相关谐振拓扑。每组逆变切换电路的输出端配置有输出电容与平衡电阻,并通过一阶LC滤波器进行波形滤整后,以并联或合路器的方式将各组信号输出进行汇流。其中,与现行推挽式功放不同在于,汇流输出端口(即直流BUS)的引入点在于LC滤波器输出端,不直接作用于开关管上,依据设计需求可选择任一阶LC滤波器输出端作为引入点。
以图3为例,直流BUS引入在于一阶LC滤波的输出端,整个谐振拓扑会与前述逆变切换电路输出作用而提供高功率输出,并通过二阶、甚至于三阶的滤波器进行波形优化,同时通过射频稳定器(RF Stabilizer)避免整个功放拓扑的自激,更甚一步的,可以通过隔直器限定射频信号输出。
同时,考虑到直流BUS的振幅直接影响输出电位高低与输出功率的稳定性,在系统中可设置BUCK降压调变器,通过对Buck开关管占空比的控制,可以调整引入功放的直流BUS的振幅大小,就此例,直流BUS振幅可调范围为0至Vdc。
此外,在本实施例中,每组逆变切换电路的输出端通过连接输出电容,实现了输出端信号的稳定。同时,每组逆变切换电路的输出端通过平衡电阻与一阶LC滤波器并联连接,并通过分流形式限制信号输出端的输出至一阶LC滤波器的电流。此外,逆变切换电路的切换信号输出端的电流通过平衡电阻时,因为器件本身的温度变化而影响阻值变动,当以星型结构连接时,各组逆变切换电路输出的实质平衡电阻会形成一种动态调节,这种动态调节是因各组逆变切换电路输出相应的阻值与电流形成的一种平衡,这使得各输出端的电压及电流会因这种平衡而形成电压及电流的稳定,形成稳定的功率输出。在上述射频电源的E类定频功放并联驱动系统中,通过一阶LC滤波器对逆变切换电路的输出信号进行波形滤整。同时,所有一阶LC滤波器的输出端以并联或者合路器的方式将各组信号输出进行汇流,形成汇流输出端口。通过射频稳定器(RF Stabilizer)进行输出电平校准/校正,从而得到上述系统的射频信号输出。
本领域技术人员可以理解,实现上述实施例方法的全部或部分流程,可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中,所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。