[發明專利]超高效率單級隔離式開關功率放大器

在審

• 申請號: 201380070477.0
• 申請日: 2013-11-29
• 公開（公告）號: CN105075091A
• 公開（公告）日: 2015-11-18
• 發明（設計）人: 陳學健
• 申請（專利權）人: 廣東銳頂電力技術有限公司;陳學健
• 主分類號: H02M3/22
• 分類號: H02M3/22;H02M3/335
• 代理公司: 深圳市德錦知識產權代理有限公司 44352
• 代理人: 丁敬偉

相關申請的交叉引用

本申請要求基于美國法典第35篇第119條(e)(35U.S.C.119(e))，于2012年11月28日遞交的臨時專利申請NO61/7330，947的權利，其全部公開的內容在此被引用。

背景

1、技術領域

該發明和功率變換系統相關。特別是和超高效率單級隔離式開關放大器相關。

2、相關技術說明

功率轉換裝置用于將電源供應的功率轉換為用于負載的電力功率。對于一個電力轉換裝置的理想功率轉換過程，直流電源理論上可以轉換所有應被提供傳輸給負載的有效能量。然而，這樣的效率在現實的轉化設備中并不總是可能的。為了獲得高效率，設計目標是最大的或最優化的減少或者消除在功率流中的種種因素導致的功率損失。

在功率轉換裝置中產生的功率損失可以從兩個角度來看，也即，元件角度和級角度。對于元件角度，如圖1所示，常規的功率裝置10通常的包含六個元件，可以分為功率損耗元件，如這里示出的開關元件P1，變壓器元件P2，整流器元件P3，放大器元件P4，濾波器元件P5，和輔助電源元件P6。

開關元件P1通常包括一或多個用于產生合適的電源所需要的功率轉換的高頻開關。變壓器元件P2通常包括一或多個高頻開關隔離變壓器。整流器元件P3通常包括一或多個整流電路。放大器元件P4通常包括開關驅動放大器，比如脈寬調制(PWM)放大器，其用于再生和放大輸入信號到負載。濾波器元件P5通常包括一或多個電路以濾出脈寬調制放大器的高的載波頻率。輔助電源元件P6通常包括輔助電源，其一方面消耗功率，另一方面，功率元件，比如調制器電路，用于轉換裝置的驅動電路，吸收環流和尖峰的吸收電路。

從級角度看，常規功率轉換裝置10，例如常規功率放大器10，通常經歷至少兩級----也即生成所需電源的第一級(以下簡稱“供應級”)和使用生成的電源用一或多組開關組合以放大輸入信號的第二級(以下簡稱“放大級”)。在各級，這樣的二級(或多級)功率放大器10產生功率損失，導致降低了系統效率。已經有努力將上述兩級合并為單級以便提高系統效率。然而這樣的努力在傳統技術中的非常少的單級功率轉換裝置10上收效甚微。

無論級的數量多少，通常包括整流電路的整流器元件P3，在常規功率轉換裝置10里通常是必要的元件。在常規的技術里，如單級功率放大器，典型的包括在功率轉換處理過程中的整流電路。在另一方面，整流器元件P3消耗功率，是常規的功率轉換裝置10中的上述六個元件中最大能量消耗元件的一個。

例如，：(i)在圖2示出的半橋式結構中，1000-瓦開關功率放大器系統15，(ii)驅動兩歐負載的放大器元件P4，和(iii)具有90％的效率的放大級。在這種結構中，整流器元件P3為放大級供給功率，放大級具有通過全波整流電路16的8安培有效電流36。在整流電路16中，各二極管的功率損失大約5.6瓦，使用下列方程式：

Ps＝1/2×I×Vf＝0.5×8A×1.4V＝5.6W

I是經過二極管的有效直流電流

Vf是整流二極管的正向電壓降

相應的，四個整流二極管的總功率損失大約22.4瓦，或大約2.24％損失。

由于整流器元件P3的功率損耗的性質，工作重點放在了消除在開關功率放大器拓撲中的整流器元件P3上，特別是在單級開關功率放大器拓撲中，如上面所說的在傳統技術中是非常少的。美國專利號為4，479，175(以下簡稱為“175專利”)，名為“相位調制的開關功率功率放大器和波形發生器”，由伊勒等(Gille)提出，描述了有意避免使用整流器元件P3的單級開關功率放大器。175專利的全部公開內容在這兒被參考引用。

圖3A示出了在175專利中描述的開關功率放大器。參考圖3A，放大器20在功率流動環中沒有加入整流器元件P3。第一場效應晶體管S1(FET)和第二場效應晶體管S2被配置用作推挽開關電路以產生固定頻率，以及確定50％占空比方波以驅動隔離變壓器Tl。理想的，如圖3B所示，干凈的方波21與放大器20的結點A-B相交。功率MOS場效應晶體管(S3，S4)和(S5，S6)分別充作雙向開關26A和26B。在操作中，當一個雙向開關接通，另一個雙向開關斷開。兩個開關在第一場效應晶體管S1和第二場效應晶體管S2處于同樣頻率時開關。雙向開關26A和26典型地通過相移調制器(PSM)而控制。