[發明專利]一種提高線性功率放大器效率的電路拓撲及方法

有效

• 申請號: 201910368660.8
• 申請日: 2019-05-05
• 公開（公告）號: CN110113012B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發明（設計）人: 陳柏超;周宇雄;熊健豪;薛鋼;高偉;田翠華
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: H03F1/02
• 分類號: H03F1/02;H03F1/30;H03F3/21
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 彭艷君

1.一種提高線性功率放大器效率的電路的控制方法，電路包括依次連接的直流電源模塊、逐級導通控制模塊、線性功率放大模塊、信號源模塊和補償控制模塊；直流電源模塊包括多個直流電壓源串聯，用于產生多級電平的直流電源；線性功率放大模塊為多個并聯的大功率半導體器件及其輔助電路組成的多個并聯的大容量射極跟隨器；大功率半導體器件包括絕緣柵雙極型晶體管IGBT，大功率雙極型三極管BJT，大功率金屬-氧化物半導體場效應晶體管MOSFET；逐級導通控制模塊包括通過電力二極管限制直流電源模塊能量的單向流通，通過小功率雙極型三極管BJT極間電位，鉗位電力二極管陽極與陰極之間電位以及外加控制信號控制對應大功率半導體器件的導通狀態；信號源模塊為信號發生器；補償控制模塊包括控制系統及保護電路；其特征是，該電路為四級電平電路，直流電源模塊包括第一直流電源E₁、第二直流電源E₂、第三直流電源E₃和第四直流電源E₄串聯而成，第一直流電源E₁、第二直流電源E₂、第三直流電源E₃和第四直流電源E₄的輸出端口電壓分別是第一直流電壓源電壓U₁=E₁、第二直流電壓源電壓U₂=E₂+E₁、第三直流電壓源電壓U₃= E₃+E₂+E₁和第四直流電壓源電壓U₄=E₄+E₃+E₂+E₁，在第一直流電壓源電壓U₁、第二直流電壓源電壓U₂、第三直流電壓源電壓U₃、第四直流電壓源電壓U₄的輸出端口分別引出電源線與第一電力二極管（D_N1）、第二電力二極管（D_N2）、第三電力二極管（D_N3）、第四電力二極管（D_N4）串聯單向傳送輸出電能；信號源V_s施加在各分級控制模塊和系統零電位參考點之間；

該方法包括以下步驟：

步驟1、通過逐級導通控制模塊控制不同信號源電壓值情況下哪級直流電壓供電以及哪級射極跟隨器投入運行；具體包括：

步驟1.1、當0＜V_s≤U₁ ，逐級導通控制模塊控制第一級射極跟隨器（LPA1）投入運行，第一直流電壓源電壓U₁的輸出端口通過與之串聯的第一電力二極管（D_N1）提供電壓、電流，此時只有第一直流電源供電，只有第一級射極跟隨器進行能量傳輸變換，輸出電壓0≤V_oU₁；

步驟1.2、當U₁＜V_s≤U₂ ，逐級導通控制模塊控制第二級射極跟隨器（LPA2）投入運行，第一直流電源與第二直流電源串聯組成的第二直流電壓源電壓U₂的輸出端口通過與之串聯的第二電力二極管（D_N2）提供電流、電壓，此時第一、第二直流電源串聯供電，只有第二級射極跟隨器進行能量傳輸變換，輸出電壓U₁≤V_oU₂；

步驟1.3、當U₂＜V_s≤U₃，逐級導通控制模塊控制第三級射極跟隨器（LPA3）投入運行，第一直流電壓源、第二直流電壓源和第三直流電壓源從第三直流電壓源電壓U₃的輸出端口通過與之串聯的第三電力二極管（D_N3）提供電流、電壓，此時第一、第二和第三直流電源串聯供電，只有第三級射極跟隨器進行能量傳輸變換，輸出電壓U₂≤V_oU₃；

步驟1.4、當U₃＜V_s≤U₄ ，逐級導通控制模塊控制第四級射極跟隨器（LPA4）投入運行，第一直流電壓源、第二直流電壓源、第三直流電壓源和第四級直流電壓源從第四直流電壓源電壓U₄的輸出端口直接提供電流、電壓，此時第一、第二、第三和第四直流電源串聯供電，只有第四級射極跟隨器進行能量傳輸變換，輸出電壓U₃≤V_oU₄；

步驟2、逐級導通控制模塊控制的步驟：

步驟2.1、當0＜V_s≤U₁時，在逐級導通控制模塊的控制下，只有第一級射極跟隨器（LPA1）處于線性放大狀態，即只有第一MOS管（Q₁）處于線性區，第二MOS管（Q₂）、第三MOS管（Q₃）、第四MOS管（Q₄）均處于截止區；第一級射極跟隨器處于線性導通狀態且進行能量的傳輸變換；

步驟2.2、當U₁＜V_s≤U₂時，在逐級導通控制模塊的控制下，第一級射極跟隨器（LPA1）、第二級射極跟隨器（LPA2）處于線性放大狀態，即第一MOS管（Q₁）、第二MOS管（Q₂）處于線性區，第三MOS管（Q₃）、第四MOS管（Q₄）均處于截止區，但由于U₁＜V_o，第二電力二極管（D_N2）處于反向截止狀態，只有第二級射極跟隨器處于線性導通狀態且進行能量的傳輸變換；

步驟2.3、當U₂＜V_s≤U₃時，在逐級導通控制模塊的控制下，第一級射極跟隨器（LPA1）、第二級射極跟隨器（LPA2）和第三級射極跟隨器（LPA3）處于線性放大狀態，即第一MOS管（Q₁）、第二MOS管（Q₂）、第三MOS管（Q₃）處于線性區，第四MOS管（Q₄）處于截止區，但由于U₁＜U₂＜V_o，第一電力二極管（D_N1）、第二電力二極管（D_N2）處于反向截止狀態，只有第三級射極跟隨器處于線性導通狀態且進行能量的傳輸變換；

步驟2.4、當U₃＜V_s≤U₄時，在逐級導通控制模塊的控制下，第一級射極跟隨器（LPA1）、第二級射極跟隨器（LPA2）和第四級射極跟隨器（LPA4）處于線性放大狀態，即第一MOS管（Q₁）、第二MOS管（Q₂）、第三MOS管（Q₃）、第四MOS管（Q₄）均處于線性區，但由于U₁＜U₂＜U₃＜V_o，第一電力二極管（D_N1）、第二電力二極管（D_N2）、第三電力二極管（D_N3）處于反向截止狀態，只有第四級射極跟隨器處于線性導通狀態且進行能量的傳輸變換。