[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

本發明涉及線性功率放大技術，具體涉及一種提高線性功率放大器效率電路拓撲及方法，該電路拓撲，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。線性功率放大器通過控制半導體器件的導通狀態，使得開關器件的導通阻抗與負載阻抗進行線性動態分壓，實現對控制信號的不失真跟隨，將微弱功率的控制信號進行功率放大。解決了常規的線性功率放大器直流電源電壓與輸出電壓波形之間較大的電壓差值導致其損耗大，效率較低的問題。采用多電平分級逐段線性化的拓撲結構可以將放大器的熱損耗均勻分布在各個半導體器件模塊中，使得線性功率放大器的散熱壓力大幅降低，提高了線性功率放大器的效率。

技術領域

本發明屬于線性功率放大技術領域，尤其涉及一種提高線性功率放大器效率的電路拓撲及方法。

背景技術

功率變換的本質是將一直特征參數的電能轉化為另一種特征參數的電能，這其中最主流的一種方式就是功率放大。即直流電源提供電壓值恒定的直流電能，通過變換器將其轉變為具備某種波形特征參數的電能。功率放大分為開關型功率變換器和線性功率放大器。PWM開關變換器電路結構簡單，效率高，但其輸出波形實質上是離散的脈沖方塊，須濾除含量豐富的諧波方可得到性能滿足要求的單一頻率正弦電能，且其中半導體開關器件的高頻開關過程帶來電磁輻射，在一些EMI敏感的應用場合要做相應處理方可投入使用。線性功率放大器直接對微弱功率的控制信號進行功率放大，輸出波形質量優良，理論上無諧波；但傳統線性功率放大器效率較低；大功率領域常用的推挽式甲乙類線性功率放大器，輸出完整正弦波時理論效率不高于78.54％。

功率變換器的效率是其最核心的性能參數，PWM開關變換器較高的效率使其得到廣泛的改進研究及應用，成為當前主流功率變換方案；但PWM開關變換器存在一些無法解決的固有缺陷，并不能適應一些對電能質量要求很高的應用場合，而傳統的線性功率放大器盡管在輸出波形質量方面優勢明顯，但其較低的效率限制了廣泛應用。常規的線性功率放大器，直流電源電壓與輸出電壓波形之間較大的電壓差值是其損耗大，效率較低的根本原因。

發明內容

本發明的目的是提供一種通過減小直流電源電壓與線性功率放大器輸出電壓之間的差值，有效降低線性功率放大器的損耗的拓撲及方法。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種提高線性功率放大器效率的電路拓撲，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。

在上述的提高線性功率放大器效率的電路拓撲中，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。

在上述的提高線性功率放大器效率的電路拓撲中，線性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。

在上述的提高線性功率放大器效率的電路拓撲中，線性放大模塊中使用的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。

在上述的提高線性功率放大器效率的電路拓撲中，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。

在上述的提高線性功率放大器效率的電路拓撲中，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。

一種提高線性功率放大器效率的方法，包括采用多級直流電源串聯疊加的方式得到多電平直流電壓；采用電力二極管來控制電流的流通方向進而控制能量的流通；采用多個大功率半導體器件及其必要輔助電路構成并聯射極跟隨器；通過硬件電路來控制多個大功率半導體器件的開通順序實現分段逐級線性化；同時通過調節信號源頻率、幅值等波形特征參數實現輸出波形對應參數的調節；并采用補償控制為線性功率放大器電路提供保護。