階梯波合成開(kāi)關(guān)功率放大器的研究與實(shí)現(xiàn)

李　騰，徐　池，王永斌，汪　玲

(1.海軍大連艦艇學(xué)院,大連 116018；2.海軍工程大學(xué)，武漢 430000)

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階梯波合成開(kāi)關(guān)功率放大器的研究與實(shí)現(xiàn)

李騰1，徐池1，王永斌2，汪玲1

(1.海軍大連艦艇學(xué)院,大連 116018；2.海軍工程大學(xué)，武漢 430000)

摘要：針對(duì)D類開(kāi)關(guān)功率放大器諧波輻射功率大且對(duì)其他電信系統(tǒng)造成干擾的問(wèn)題，提出基于階梯波合成的開(kāi)關(guān)功率放大的思想。利用階梯調(diào)制技術(shù)，構(gòu)建階梯波合成的思路；結(jié)合Multism軟件仿真，設(shè)計(jì)一個(gè)階梯波合成開(kāi)關(guān)功率放大系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)輸出信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，經(jīng)電路調(diào)試，輸出了五電平階梯波，驗(yàn)證了方案的可行性。

關(guān)鍵詞：階梯波；開(kāi)關(guān)功率放大器；諧波分析

0引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，電力電子技術(shù)得到了高速發(fā)展，功率放大器[1]更廣泛地應(yīng)用于社會(huì)生活，比如功率較小的音頻系統(tǒng)，國(guó)防建設(shè)領(lǐng)域里的大功率發(fā)射裝置、醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域里的核磁共振器、水下搜救的聲吶探測(cè)裝置等。

然而實(shí)際的功率放大器總是存在放大效率與波形質(zhì)量不可兼得的矛盾。現(xiàn)階段使用的線性功率放大器與開(kāi)關(guān)功率放大器相比，效率低，可靠性差，開(kāi)關(guān)功放必將其逐步代替。簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)功放由于諧波成分大，用于大功率超低頻發(fā)射系統(tǒng)時(shí)，會(huì)對(duì)其他電子系統(tǒng)造成諧波干擾，降低了輻射效率。為此，通過(guò)采用多電平技術(shù)[2]，利用Multism軟件仿真，研制了階梯波合成的開(kāi)關(guān)功放,從而獲得了較高的波形質(zhì)量，提高了工作效率。

1基于階梯調(diào)制的階梯波合成

1.1階梯調(diào)制技術(shù)

階梯調(diào)制(SM)技術(shù)是采用多種電源模塊進(jìn)行控制輸出的技術(shù)，是高電壓大功率電源系統(tǒng)的一種重要的調(diào)制技術(shù)，為階梯波合成開(kāi)關(guān)功放的制作提供了重要的理論依據(jù)。

基于階梯調(diào)制技術(shù)[3]的高壓電源的結(jié)構(gòu)及負(fù)載輸出如圖1所示。

圖1　階梯波合成原理

該電源由n個(gè)直流功率模塊級(jí)聯(lián)而成，其中每一個(gè)直流功率模塊輸出電壓均為US，由開(kāi)關(guān)管K1、K2、……、Kn的斷開(kāi)閉合決定直流功率模塊是否級(jí)聯(lián)到總電路中去，負(fù)載L兩端的輸出電壓UL=nUS，n為接入到總電路中的直流功率模塊的數(shù)目，D1、D2、……、Dn為續(xù)流二極管，為電路提供回路。如果K1、K2、K3閉合，則負(fù)載L上輸出電壓UL=3US。通過(guò)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的有效打開(kāi)和關(guān)閉，使輸出的階梯波形能較好地接近輸入正弦波。階梯波基于SM的開(kāi)關(guān)電源，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出電壓可調(diào)，只需要控制開(kāi)關(guān)管的通斷即可調(diào)節(jié)電壓的輸出范圍。而且每個(gè)功率模塊采用歸一化的電路結(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性。即使其中有幾路發(fā)生故障不能正常工作，通過(guò)冗余設(shè)計(jì)仍可以迅速地用其他功率模塊替換。

1.2階梯波合成的基本思路

由于開(kāi)關(guān)功率放大器輸出的波形，無(wú)論是方波還是階梯波，其頻率特性不變，即它們的基波都是原信號(hào)波形。實(shí)際上，信號(hào)的波形由于所攜帶的信息不同會(huì)千差萬(wàn)別。為了更好地還原信號(hào)波形，利用脈沖階梯調(diào)制法可以得到頻率特性不變的階梯波。以正弦波為例，其設(shè)計(jì)思路為：

步驟1：將原正弦信號(hào)與不同的各級(jí)電平進(jìn)行比較(以4級(jí)電平為例)，形成了4路占空比不同的方波信號(hào)，如圖2所示。

圖2　步驟1的波形示意圖

步驟2：經(jīng)過(guò)反相器，輸出4路信號(hào)的上升沿為輸入信號(hào)的下降沿，從而形成了8路均由上升沿觸發(fā)的控制信號(hào)，如圖3所示。

圖3　步驟2的波形示意圖

步驟3：將上述的8路信號(hào)輸入積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，輸出脈沖的由上升沿觸發(fā)的控制信號(hào)，如圖4所示。

圖4　步驟3的波形示意圖

步驟4：利用同步JK觸發(fā)器的置0、置1功能，用8路信號(hào)的上升沿分別控制功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)，合成與原信號(hào)相似階梯波的控制信號(hào)，在疊加負(fù)載上即可得到五電平階梯波，如圖5所示。

圖5　步驟4的波形示意圖

原正弦信號(hào)可以經(jīng)一次比較直接生成方波，原理簡(jiǎn)單，但諧波含量大；原正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)4級(jí)比較，輸出信號(hào)直接疊加即可生成階梯波。但在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到功率開(kāi)關(guān)的先開(kāi)先斷原則，應(yīng)再經(jīng)變換得到占空比相同而各級(jí)電平不同步的4路控制信號(hào)，將這4路信號(hào)疊加，既可產(chǎn)生方波，又可使功率開(kāi)關(guān)循環(huán)合理使用，提高了功放的使用壽命。

隨著比較級(jí)數(shù)的增多，階梯波的電平數(shù)也隨之增多。電平數(shù)越多，階梯波也就越接近正弦波。電工學(xué)意義是：電平數(shù)越多，其中的諧波含量越少，信號(hào)能量更集中于基波信號(hào)，信號(hào)失真度越小，信號(hào)質(zhì)量越高。

2階梯波合成開(kāi)關(guān)功放設(shè)計(jì)與仿真分析

2.1階梯波合成開(kāi)關(guān)功率放大器的設(shè)計(jì)

階梯波合成[4]開(kāi)關(guān)功率放大器簡(jiǎn)圖如圖6，系統(tǒng)的輸入信號(hào)為單極性的正弦波信號(hào)，輸出為n電平階梯波信號(hào)(n取決于直流功率模塊的多少)。該系統(tǒng)分為4個(gè)模塊：直流電源模塊，它的電壓大小直接影響功率放大倍數(shù)；功率開(kāi)關(guān)模塊，它的耐壓性能和靈敏度決定了直流電壓大小和波形質(zhì)量；主控系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，階梯波合成的主要部分；負(fù)載濾波模塊，主要由濾波器組成，原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易。

圖6　階梯波合成開(kāi)關(guān)功率放大器結(jié)構(gòu)總圖

控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能是根據(jù)階梯波合成的基本思路設(shè)計(jì)的。輸入的原始信號(hào)為正弦波，給正弦信號(hào)加偏路電壓，以便對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)單極性量化，方便各階梯電平與其對(duì)比，產(chǎn)生控制開(kāi)關(guān)開(kāi)斷的4路信號(hào)。符合先通先斷原則的4路控制信號(hào)分別控制功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷，直流電源就可以以階梯波狀疊加到負(fù)載上，形成階梯波信號(hào)。其原理圖如圖7所示。

圖7　階梯波合成開(kāi)關(guān)放大器控制系統(tǒng)原理圖

先開(kāi)先斷主要由比較器、反相器、積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和同步JK觸發(fā)器等各功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)比較器產(chǎn)生的4路信號(hào)，均由上升沿控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)，下降沿控制開(kāi)關(guān)的關(guān)。為了滿足先開(kāi)先斷原則，用一級(jí)信號(hào)上升沿打開(kāi)的開(kāi)關(guān)由四級(jí)信號(hào)的下降沿關(guān)閉，二級(jí)信號(hào)上升沿打開(kāi)的開(kāi)關(guān)由三級(jí)信號(hào)的下降沿關(guān)閉，其余依此類推。而反相器的作用是將信號(hào)分成8路，都由上升沿控制，便于8路信號(hào)分別控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷；同步JK觸發(fā)器可將八路信號(hào)換成高低電平的4路信號(hào)來(lái)控制一個(gè)開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷。積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的作用是實(shí)現(xiàn)寬方波變成觸發(fā)脈沖的器件。

2.2基于Multsim的功放電路仿真分析

Multsim軟件是一款功能強(qiáng)大、貼近實(shí)際的電子電工仿真軟件，設(shè)計(jì)思路中的器件能夠在軟件中直接找到，比如直流電源、單刀雙擲的功率開(kāi)關(guān)、負(fù)載等。主控系統(tǒng)中的各器件采用了分模塊測(cè)試、1路方波信號(hào)產(chǎn)生、4路信號(hào)合成階梯波的步驟，最終輸出4路高低電平控制，實(shí)現(xiàn)了繼電器即功率開(kāi)關(guān)部分的先通先斷原則。

功率開(kāi)關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)了工作時(shí)加上9 V電壓、不工作時(shí)仍可導(dǎo)通的功能，加在負(fù)載兩端的是系統(tǒng)主要供電模塊。如果控制信號(hào)不變，增大功率開(kāi)關(guān)管的性能同時(shí)增大直流電源電壓和電流，便可實(shí)現(xiàn)大功率放大。

仿真得到的波形如圖8，階梯波能夠很好地?cái)M合原正弦信號(hào)，實(shí)際階梯波的幅度是正弦信號(hào)的7倍。這實(shí)現(xiàn)了功率放大，同時(shí)又保持了原信號(hào)的頻率特性相比于方波，其諧波含量大大減小，這樣既減小了失真率，又防止了諧波所造成的能量浪費(fèi)。

圖8　五電平階梯波生成波形圖

利用頻譜分析儀對(duì)2種波形(基波均為相同正弦波的方波和階梯波)進(jìn)行頻譜分析，結(jié)論為：階梯波的諧波分量明顯小于方波，即階梯波的能量更多地集中在基波中。

經(jīng)光頻譜儀分析測(cè)量，得到如表1所示諧波能量比較。

表1　方波與階梯波的諧波能量比對(duì)

對(duì)應(yīng)的能量所占百分比如圖2所示。

表2　方波與正弦波諧波能量所占百分比

其3次、5次、7次諧波所占用能量的百分比減小了36.75%、26.5%、11.25%。階梯波諧波總能量比方波減小74.5%,軟件仿真的結(jié)果充分證明階梯波可減少諧波能量損失。在采用大功率技術(shù)的同時(shí)，減小諧波分量，降低波形的失真度，提高波形質(zhì)量，為低頻信號(hào)的超遠(yuǎn)距離發(fā)展發(fā)揮更大的作用。

3實(shí)際電路的搭建與調(diào)試

3.1電路的輸入輸出及設(shè)計(jì)要求

(1) 輸入信號(hào)：幅值為5 V、頻率為100 Hz的正弦波。輸出信號(hào)：幅值為36 V、頻率為100 Hz的五電平階梯波。

(2) 輸入波形為低頻連續(xù)可調(diào)信號(hào)，輸出為五電平階梯波，并進(jìn)行小型的功率放大。理想的功率開(kāi)關(guān)管在現(xiàn)實(shí)中不存在，大功率開(kāi)關(guān)器件如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、門極可關(guān)斷晶體管(GTO)等，理論上可以實(shí)現(xiàn)作為階梯波合成功放的功率開(kāi)關(guān)，但需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)踐中較難實(shí)現(xiàn)。因此，選擇了易于實(shí)現(xiàn)的繼電器作為功率開(kāi)關(guān)。取直流電源為9 V，則經(jīng)四級(jí)疊加，會(huì)產(chǎn)生幅值為36 V的五電平階梯波。

3.2電路的基本構(gòu)成及器件選擇

(1) 階梯波合成開(kāi)關(guān)功率放大器由4個(gè)9 V直流電壓、4個(gè)繼電器、1個(gè)負(fù)載和主控系統(tǒng)模塊組成。輸入信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，輸出信號(hào)由示波器檢測(cè)和分析。

(2) 根據(jù)電路的需求和實(shí)際電路器件的功能，選擇的芯片與模塊搭配如下：

信號(hào)源：DDS信號(hào)發(fā)生器

比較器：OP37

反相器：40106

積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：7400，7404，100 Ω色環(huán)電阻，10 μF電容

同步JK觸發(fā)器：7400，7410

功率開(kāi)關(guān)管：TQ2(最大工作電壓-5 V)繼電器

直流電源：9 V干電池

負(fù)載：1 kΩ色環(huán)電阻

3.3電路搭建及波形輸出

實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行1路信號(hào)的模塊搭建，利用焊錫將各模塊連通，測(cè)試了2路信號(hào)合成1路的波形圖，此方波信號(hào)正是控制繼電器開(kāi)斷的控制信號(hào)。將4路控制信號(hào)接入功率開(kāi)關(guān)后，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)使電源模塊循環(huán)加到負(fù)載的兩端，即可得到五電平階梯波。將輸入信號(hào)調(diào)為幅值為5 V、頻率為100 Hz的正弦波，在信號(hào)輸出端，通過(guò)調(diào)節(jié)示波器上掃描頻率、幅度等參數(shù)，示波器將呈現(xiàn)輸出波形。電路的實(shí)際構(gòu)造和示波器上的波形顯示如圖9所示。

圖9　五電平階梯波合成圖

從圖9可看出五電平階梯波的效果基本實(shí)現(xiàn)，但因使用的電子器件較多、繼電器工作的不穩(wěn)定，波形不夠理想，要真正實(shí)現(xiàn)功率放大器功能還需進(jìn)一步濾波，檢查各器件的工作效能，選擇更好的器件。

3.4搭建的注意事項(xiàng)

首先，將電源按要求調(diào)至特定電壓，確認(rèn)板子與各部分連接無(wú)誤后再將電源連至電板，以防連接造成電板燒毀或其他不安全事件的發(fā)生。

其次，若電路出現(xiàn)故障，檢查是否按要求將信號(hào)源連接至信號(hào)輸入端，將示波器連接至信號(hào)輸出端。檢查無(wú)誤后，用示波器或者萬(wàn)用表在各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處分別測(cè)出此時(shí)該點(diǎn)的狀態(tài)，判斷是由于電壓過(guò)大燒壞片子，還是接觸不良導(dǎo)致電路不同電壓為零，也可能是接線頭接觸造成短接或者干擾。

最后，四電路模塊的搭建接線復(fù)雜，電源和接地頭眾多，要實(shí)現(xiàn)其工作性能需4路信號(hào)同時(shí)按模塊依次進(jìn)行連通，等輸出波形效果理想后，再用導(dǎo)線連接下一模塊，直到電路全通。階梯波不理想，是由于功率開(kāi)關(guān)的工作特性所引起的，因此選擇正確良好的功率開(kāi)關(guān)依然是目前最需要解決的問(wèn)題。

4結(jié)束語(yǔ)

高效率、低失真是對(duì)開(kāi)關(guān)功率放大器的要求。設(shè)計(jì)的階梯波合成開(kāi)關(guān)功率放大器實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)低頻連續(xù)可調(diào)，輸出信號(hào)功率放大且諧波分量小，為實(shí)際應(yīng)用提供了一種新的方法。利用Multsim軟件進(jìn)行仿真，得到了五電平階梯波，并分析了它的頻譜特性，定量地得到了階梯波可減少諧波所占能量74.5%。按芯片選擇、模塊檢測(cè)、電路搭建順序完成了設(shè)計(jì)，最后在示波器上出現(xiàn)了五電平階梯波。實(shí)驗(yàn)中生成的階梯波并不是最優(yōu)化的，這取決于設(shè)置不同的比較電平，經(jīng)頻譜分析觀察，諧波含量最小的為最優(yōu)階梯波形。要實(shí)現(xiàn)大功率功放，可以選擇IGBT或GTO，在以后的研究中將重點(diǎn)研究大功率開(kāi)關(guān)電路的階梯波合成?？蓪⒋蠊β孰娐贩糯笮盘?hào)經(jīng)功率合成器進(jìn)行多級(jí)耦合放大，以實(shí)現(xiàn)更大功率的放大。

參考文獻(xiàn)

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Study and Realization of Stepwave Synthesis Switching Power Amplifier

LI Teng1,XU Chi1,WANG Yong-bin2,WANG Ling1

(1.Dalian Naval Academy,Dalian 116018,China;2.Naval University of Engineer,Wuhan 430000,China)

Abstract:Aiming at type D switching power amplifier harmonic radiation has high power and jams other telecommunication systems,this paper puts forward the ideal of switching power amplification based on step wave synthesis,uses step wave modulation technology to construct step wave synthetic;designs a step wave synthesis switching power amplifier system combining with Multism software simulation to analyze the spectrum of system output signal.Through the circuit debugging,the five-level step wave outputs,which verifies the feasibility of the program.

Key words:step wave;switching power amplifier;harmonic analysis

收稿日期:2016-02-02

中圖分類號(hào)：TN722.75

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2016)02-0086-05

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.022