CN215268202U - 一种功率放大器 - Google Patents

Abstract

本新型公开了一种功率放大器，包括控制器、驱动模块、功率放大模块和滤波模块，控制器通过驱动模块与功率放大模块电连接，功率放大模块的输出端与滤波模块电连接；其中，功率放大模块包括n个功率放大单元，每个功率放大单元分别包括输入端和输出端，n个功率放大单元的输入端串联连接，n个功率放大单元的输出端并联连接，功率放大模块输入端与外部的高压直流供电单元连接，1≤n≤32。可通过调节功率放大单元的个数调节本申请的功率放大器的工作输入电压的等级和输出信号功率的大小，以适应不同功率输出、不同电压输入应用场合。

Description

一种功率放大器

技术领域

本新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种功率放大器。

背景技术

进入21世纪以来，电力电子技术得到了高速发展，功率放大器在社会生活的很多领域得到了广泛应用。传统的模拟功放和AB类功放存在效率低、体积大、笨重等缺点。而数字功放不仅结构简单、传输效率高、易于集成，而且在体积、重量、效率和可靠性等方面具有明显优势，近年来得到迅速发展。

但因为功率开关器件工艺水平和技术的限制，单模块数字功放的功率等级、电压等级和开关频率有限，很难满足一些高压输入、大功率、低失真度应用场合的需求。

为了解决这一问题，目前公知的适用于高压直流输入的大功率数字功放应用多采用DC/DC高压电源变换和数字功率放大两级功率变换，以达到高压输入、大功率输出的使用要求。功率放大部分则多采用功率等级较高的功率管串、并联使用，或者，采用功率模块级联，以达到大功率要求。

可是由于器件的非理想开关特性，串并联合后造成等效输入电容增大，实际开关频率进一步降低，致使数字功放失真度恶化，滤波模块体积增大。另外，由于各器件本身/模块的特性不可能完全相同，导致各器件/模块承受的电压、电流不均衡，甚至造成器件的损坏，系统可靠性变差。同时，采用两级功率变换大大降低了功放工作效率，增加了控制逻辑复杂度。

因此，提供一种适用于高压直流输入的高可靠、模块化、低失真度的大功率数字功率放大器具有重要的意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本新型提供了一种功率放大器。

根据本申请的一个方面，提供了一种功率放大器，包括控制器、驱动模块、功率放大模块和滤波模块，控制器通过驱动模块与功率放大模块电连接，功率放大模块的输出端与滤波模块电连接；其中，功率放大模块包括n个功率放大单元，每个功率放大单元分别包括输入端和输出端，n个功率放大单元的输入端串联连接，n个功率放大单元的输出端并联连接，功率放大模块输入端与外部的高压直流供电单元连接，1≤n≤32。

可选择地，每个功率放大单元包括全桥逆变电路，每个全桥逆变电路包括H桥电路、输入电容和变压器；H桥电路由四组电路结构相同的功率开关单元呈H桥形式连接形成，其中，每一组功率开关单元包括一个功率开关器件。

可选择地，H桥电路的输入和输入电容并联，设置在功率放大模块输入端的正极和功率放大模块输入端的负极之间，H桥电路接收高压直流供电单元的高压直流电；属于同一桥臂的两个功率开关单元分别与驱动模块连接。变压器包括初级绕组和次级绕组，H桥电路两端输出分别与变压器的初级绕组的两端连接；变压器的次级绕组的两端分别与功率放大模块输出端的正极和功率放大模块输出端的负极连接。

可选择地，H桥电路的每个桥臂包括串联连接的第一功率开关单元和第二功率开关单元；第一功率开关单元的栅极与驱动模块连接，第一功率开关单元的发射极分别与第二功率开关单元的集电极和变压器的初级绕组的正极或负极连接，第一功率开关单元的集电极与输入端的正极连接；第二功率开关单元的栅极与驱动模块连接，第二功率开关单元的发射极与输入端的负极连接。

可选择地，控制器包括在相同的时钟节拍下并行运行的采样/缓存模块、定时器、2n个PWM调制器；PWM调制器包括一一对应设置的计数器和比较器，计数器与定时器连接，比较器分别与采样/缓存模块和计数器电连接。

可选择地，滤波模块包括无源低通梯形滤波器。

本申请提供的功率放大器，包括功率放大模块，功率放大模块的n个功率放大单元通过输入串联、输出并联的方式连接，n个功率放大单元分别功率放大处理多个调制信号，多个放大信号功率合成，可通过调节功率放大单元的个数调节本申请的功率放大器的工作输入电压的等级和输出信号功率的大小，以适应不同功率输出、不同电压输入应用场合。

本申请的功率放大器的功率放大模块的n个功率放大单元独立设置，模块化程度高，易于扩展维护。

本申请的功率放大器的单级功率变换结构能够满足高压输入、大功率输出使用需求，提高了功放工作效率和放大器的集成度，简化了设备控制流程，信号进入功率放大模块分别进行单级放大后功率合成，功率合成后输出的信号失真度较低。

附图说明

构成本新型的一部分的附图用来提供对本新型的进一步理解，本新型的示意性实施例及其说明用于解释本新型，并不构成对本新型的不当限定。在附图中：

图1是一示例中的功率放大器的框图；

图2是一示例中全桥逆变电路的电路图；

图3是一示例中控制器的示意图；

图4是一示例中功率放大器信号功率合成的框图；

具体实施方式

为使本新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本新型实施例中的附图，对本新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本新型中的实施例，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，都属于本新型保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征向量可以相互任意组合。

因为功率开关器件工艺水平和技术的限制，单模块数字功放的功率等级、电压等级和开关频率有限，很难满足一些高压输入、大功率、低失真度应用场合的需求。

为了解决这一问题，目前公知的适用于高压直流输入的大功率数字功放应用多采用DC/DC高压电源变换和数字功率放大两级功率变换，以达到高压输入、大功率输出的使用要求。功率放大部分则多采用功率等级较高的功率管串、并联使用，或者，采用功率模块级联，以达到大功率要求。

可是由于器件的非理想开关特性，串并联合后造成等效输入电容增大，实际开关频率进一步降低，致使数字功放失真度恶化，滤波模块体积增大。另外，由于各器件本身/模块的特性不可能完全相同，导致各器件/模块承受的电压、电流不均衡，甚至造成器件的损坏，系统可靠性变差。同时，采用两级功率变换大大降低了功放工作效率，增加了控制逻辑复杂度。

因此，提供一种适用于高压直流输入的高可靠、模块化、低失真度的大功率数字功率放大器具有重要的意义。

为此，本申请提供了一种功率放大器，包括控制器、驱动模块和功率放大模块，功率放大模块包括n个功率放大单元，n个功率放大单元的输入端串联连接，n个功率放大单元的输出端并联连接，n个功率放大单元分别功率放大处理调制信号后并联输出实现功率合成，可通过调节功率放大单元的个数调节本申请的功率放大器适应的工作输入电压的等级和输出信号功率的大小。

本申请的功率放大器，如图1所示，包括控制器、驱动模块和功率放大模块，控制器通过驱动模块与功率放大模块电连接并传输调制信号；其中，功率放大模块包括n个功率放大单元，每个功率放大单元分别包括输入端和输出端，n个功率放大单元的输入端串联连接，n个功率放大单元的输出端并联连接，功率放大模块的输入端与高压直流供电单元连接。

其中，高压直流供电单的工作输入电压为500V～16kV。

本申请的功率放大器，功率放大模块接收到的调制信号分别进入n个功率放大单元中功率放大，功率放大后的信号通过功率放大单元的输出端输出实现功率合成，功率放大模块输出功率合成后的信号。本申请的功率放大器为单级功率变换结构，本申请通过多个功率放大单元串联输入、并联输出的方式连接，使得本申请的功率放大器能够满足高压直流输入、大功率输出的使用需求。而且本申请中，调制信号进入功率放大模块分别进行单级放大后功率合成，功率合成的信号失真度明显优于多级放大的功率信号。

如图2所示，每个功率放大单元包括全桥逆变电路，每个全桥逆变电路包括H桥电路、输入电容C和变压器T。H桥电路由四组电路结构相同的功率开关单元Q呈H桥形式连接形成，其中，每一组功率开关单元Q分别包括功率开关器件。属于H桥电路的同一桥臂的两个功率开关单元Q接收来自驱动模块输出的一组调制信号。

每个功率放大单元接收两组调制信号，H桥电路的两个桥臂分别接收一组调制信号并对进行一组调制信号功率放大处理。通过H桥电路的两个桥臂分别处理两组调制信号，提高了功率放大单元的工作效率，提高了功率放大模块的集成度，简化了本申请的功率放大器在进行功率放大过程中的过程流程。

如图2所示，H桥电路的两个桥臂和输入电容C并联设置在输入端的正极和输入端的负极之间，H桥电路的两个桥臂通过输入端接收高压直流供电单元的高压直流电。属于同一桥臂的两个功率开关单元Q分别与驱动模块连接。变压器T包括初级绕组和次级绕组，H桥电路的输出端与变压器T的初级绕组的两端连接，变压器T的次级绕组的两端分别与功放放大模块输出端的正极和输出端的负极连接。

作为本申请的一个实施方式，如图2所示，H桥电路的每个桥臂包括串联连接的第一功率开关单元Q1和第二功率开关单元Q2。第一功率开关单元Q1的栅极与驱动模块连接，第一功率开关单元Q1的发射极分别与第二功率开关单元Q2的集电极和变压器的初级绕组的正极或负极连接，第一功率开关单元Q1的集电极与输入端的正极连接。第二功率开关单元Q2的栅极与驱动模块连接，第二功率开关单元Q2的发射极与输入端的负极连接。

在此实施方式中，H桥电路的两个桥臂，其中一个桥臂的第一功率开关单元Q1的发射极和变压器的初级绕组的正极连接，另一个桥臂的第一功率开关单元Q1的发射极和变压器的初级绕组的负极连接。H桥电路的一个桥臂接收来自驱动模块的一组调制信号传送到变压器T的初级绕组的正极，另一个桥臂接收来自驱动模块的另一组调制信号传送到变压器T的初级绕组的负极，初级绕组受到输入端的高压直流的激励，次级绕组和初级绕组感应耦合，产生激励响应将初级绕组接收到的调制信号放大并输出至输出端。

其中，每个功率开关单元Q上的功率开关器件为绝缘栅双极晶体管IGBT、半导体场效应晶体管MOSFET或碳化硅MOSFET管。

如图3所示，本申请的功率放大器，控制器包括采样/缓存模块、定时器和PWM调制器。每个PWM调制器包括计数器和比较器，计数器与定时器连接，用于接收定时器输出的相位触发信号TRG。比较器分别与采样/缓存模块和计数器电连接，比较器接收计数器输出的三角载波和采样/缓存模块输出信号，比较器还用于向驱动模块传输调制信号。

其中，控制器的各模块在相同的时钟节拍下并行运行，接收相同的时钟信号。采样/缓存模块用于接收输入的信号，将信号进行数字量化，并将数字量化后的信号发送给比较器。定时器根据功率放大单元的数量n产生2n路相位触发信号TRG并将相位触发信号TRG发送给计数器。计数器接收定时器输送的相位触发信号TRG，产生三角载波并将三角载波发送给比较器。比较器接收信号和三角载波生成调制信号，并将调制信号传输给驱动模块。

作为本申请的一种实施方式，比较器包括PWM/输出端和/PWM输出端，比较器比较三角载波和信号的数字大小，PWM输出端输出PWM/调制信号，/PWM输出端输出/PWM调制信号，PWM/调制信号和/PWM调制信号组成比较器向驱动模块输出的一组PWM调制信号。

在此实施方式中，比较器接收并实时比较采样/缓存模块传输的信号和比较器传输的三角载波的数值的大小。信号的数值大于三角载波的数值时，PWM/输出端输出高电平调制信号，/PWM输出端输出低电平调制信号，信号的数值小于三角载波的数值时，PWM/输出端输出低电平调制信号，/PWM输出端输出高电平调制信号。

基于此实施方式，比较器输出的一组调制信号中，/PWM调制信号和PWM/调制信号的电平互补、占空比与信号的幅度成线性相关。

作为本申请的一个实施方式，如图3所示，控制器包括定时器、PWM调制器和功率放大模块电连接。

本申请的滤波模块包括无源低通梯形滤波器。滤波模块用于接收功率放大模块输出的功率合成后的信号，并对功率合成后的信号进行滤波处理，产生大功率模拟功率信号。

作为本申请的一个实施方式，本申请的功率放大器包括控制器、驱动模块、功率放大模块、滤波模块。控制器通过驱动模块与功率放大模块电连接并传输调制信号；滤波模块与功率放大模块电连接。其中，功率放大模块包括n个功率放大单元，每个功率放大单元分别包括输入端DC_in和输出端out，n个功率放大单元的输入端DC_in串联连接，n个功率放大单元的输出端out并联连接，功率放大模块与高压直流供电单元连接，0＜n≤32，n为正整数。

每个功率放大单元包括全桥逆变电路，每个全桥逆变电路包括H桥电路、输入电容C和变压器T。H桥电路的两个桥臂、输入电容C并联设置在输入端的正极DC_in+和输入端的负极DC_in-之间，H桥电路的两个桥臂通过输入端DC_in接收高压直流供电单元的高压直流电DC。属于同一桥臂的两个功率开关单元Q分别与驱动模块连接。

H桥电路的每个桥臂包括串联连接的第一功率开关单元Q1和第二功率开关单元Q2。第一功率开关单元Q1的栅极与驱动模块连接，第一功率开关单元Q1的发射极分别与第二功率开关单元Q2的集电极正极连接，第一功率开关单元Q1的集电极与输入端的正极DC_in+连接。第二功率开关单元Q2的栅极与驱动模块连接，第二功率开关单元Q2的发射极与输入端的负极DC_in-连接。其中，H桥电路其中一个桥臂的第一功率开关单元Q1的发射极还与变压器T的初级绕组的正极连接，另一桥臂的第一功率开关单元Q1的发射极还与变压器T的初级绕组的负极连接。变压器T的次级绕组的两端分别与功率放大模块输出端的正极out+和输出端的负极out-连接。

控制器包括采样/缓存模块、定时器、2n个PWM调制器。

其中，每个PWM调制器包括计数器和比较器，计数器与定时器连接，用于接收定时器输出的相位触发信号TRG。比较器分别与采样/缓存模块和计数器电连接，比较器接收计数器输出的三角载波和采样/缓存模块输出的信号。

此实施方式中，如图2～4所示，本申请的功率放大器的工作过程为：

采样/缓存模块接收输入的信号，对输入的信号进行数字量化处理后，发送给比较器。

定时器接收到开关信号，产生2n路时间间隔依次相差T/2n的相位触发信号TRG1、TRG2、TRG3…TRG2n，并将分别2n路相位触发信号分别发送给2n个PWM调制器的计数器1、计数器2、计数器3…计数器2n，其中，T为计数器的三角载波的载波周期。

以PWM调制器2n为例，PWM调制器2n的计数器2n接收到定时器传输的相位触发信号TRG2n启动，从零开始做递增计数，当计数达到周期计数值时，做递减计数直至零，如此往复循环生成三角载波2n，并将三角载波2n发送给比较器n。

比较器2n接收并实时比较采样/缓存模块传输的音频信号和比较器2n传输的三角载波的数值的大小，信号的数值大于三角载波2n的数值时，PWM/2n输出端输出高电平调制信号，/PWM2n输出端输出低电平调制信号，音频信号的数值小于三角载波的数值时，PWM/2n输出端输出低电平调制信号，/PWM2n输出端输出高电平调制信号。比较器输出的PWM/2n调制信号和PWM/2n调制信号作为一组PWM2n调制信号通过功放模块发送给功率放大模块。

如图4所示，2n个PWM调制器的比较器通过功放模块向功率放大模块2n组调制信号，第一组PWM调制信号、第二组PWM调制信号、…第2n组PWM调制信号。

功率放大模块的每个功率放大单元接收两组PWM调制信号。功率放大单元的H桥电路的其中一个桥臂的接收一组PWM调制信号发送给变压器T的初级绕组的正极，另外一个桥臂接收一组PWM调制信号发送给变压器T的初级绕组的负极。变压器T在高压直流电的激励下，变压器T的次级绕组向功率放大单元的输出端输出放大信号，经过功率放大单元的输出端与其它功率放大单元输出的放大信号功率合成，得到功率合成后的信号。

具体的，如图2所示，以n个功率放大单元中任一功率放大单元a为例，功率放大单元a的其中一个桥臂接收第a组PWM调制信号，第一功率开关单元Q1接收第a组PWM调制信号的PWM/a调制信号，第二功率开关单元Q2接收第a组PWM调制信号的/PWMa调制信号；功率放大单元a的另一个桥臂接收第n+a组PWM调制信号，第一功率开关单元Q1接收第n+a组PWM调制信号的PWM/n+a调制信号，第二功率开关单元Q2接收第n+a组PWM调制信号的/PWMn+a调制信号。

功率放大模块将功率合成后的信号发送给滤波模块，滤波模块对功率合成后的信号进行滤波处理，得到大功率音频信号。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本新型的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本新型进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本新型的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种功率放大器，其特征在于，包括控制器、驱动模块、功率放大模块和滤波模块，所述控制器通过所述驱动模块与所述功率放大模块电连接，所述功率放大模块的输出端与所述滤波模块电连接；

其中，所述功率放大模块包括n个功率放大单元，每个所述功率放大单元分别包括输入端和输出端，n个所述功率放大单元的输入端串联连接，n个所述功率放大单元的输出端并联连接，所述功率放大模块输入端与外部的高压直流供电单元连接，1≤n≤32。

2.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，每个所述功率放大单元包括全桥逆变电路，每个所述全桥逆变电路包括H桥电路、输入电容和变压器；

所述H桥电路由四组电路结构相同的功率开关单元呈H桥形式连接形成，其中，每一组所述功率开关单元包括一个功率开关器件。

3.如权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，所述H桥电路的输入和所述输入电容并联，设置在所述功率放大模块输入端的正极和所述功率放大模块输入端的负极之间，所述H桥电路接收所述高压直流供电单元的高压直流电；

属于同一桥臂的两个所述功率开关单元分别与所述驱动模块连接；

所述变压器包括初级绕组和次级绕组，所述H桥电路两端输出分别与所述变压器的所述初级绕组的两端连接；所述变压器的所述次级绕组的两端分别与所述功率放大模块输出端的正极和所述功率放大模块输出端的负极连接。

4.如权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，所述H桥电路的每个所述桥臂包括串联连接的第一功率开关单元和第二功率开关单元；

所述第一功率开关单元的栅极与所述驱动模块连接，所述第一功率开关单元的发射极分别与所述第二功率开关单元的集电极和所述变压器的初级绕组的正极或负极连接，所述第一功率开关单元的集电极与所述输入端的正极连接；

所述第二功率开关单元的栅极与所述驱动模块连接，所述第二功率开关单元的发射极与所述输入端的负极连接。

5.如权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，所述控制器包括在相同的时钟节拍下并行运行的采样/缓存模块、定时器、2n个PWM调制器；

所述PWM调制器包括一一对应设置的计数器和比较器，所述计数器与所述定时器连接，所述比较器分别与所述采样/缓存模块和所述计数器电连接。

6.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述滤波模块包括无源低通梯形滤波器。

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