一種基于2SD106AI驅(qū)動(dòng)的D類功率放大器?

金 炎 許則富

（昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 昆明 650051）

一種基于2SD106AI驅(qū)動(dòng)的D類功率放大器?

金 炎 許則富

（昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 昆明 650051）

D類放大器的高效特性，使其成為便攜式和大功率應(yīng)用的理想選擇。文中簡要分析了D類放大器的工作原理和特點(diǎn)，介紹了以驅(qū)動(dòng)模塊2SD106AI為核心的驅(qū)動(dòng)電路，并將其應(yīng)用到D類功率放大器，該功率放大電路輸出能力強(qiáng)，可靠性高，可應(yīng)用于高電壓或大功率場合。

D類功放；2SD106AI

ClassNum ber TN433

1 引言

傳統(tǒng)的A類或AB類模擬功率放大器雖然保真度很高，但這類功率放大器的放大器件均工作在線性放大區(qū)域，其偏置元件和輸出晶體管的線性工作方式會(huì)損耗大量功率，導(dǎo)致效率低、能耗大，同時(shí)還對(duì)散熱設(shè)備提出了很高的要求。而現(xiàn)在D類功率放大器發(fā)展很快，各項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)很接近線性功率放大器，且其晶體管只是作為開關(guān)使用，晶體管大部分時(shí)間處于飽和導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)，輸出級(jí)損耗的功率極低，對(duì)散熱器的要求大為降低，甚至可省掉散熱器。所以具有效率高、體積小、輸出功率大、具備多種工作模式等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸大規(guī)模應(yīng)用于大功率或便攜式設(shè)備上。

2 D類功率放大器工作原理

經(jīng)典D類功率放大器主要由脈沖寬度調(diào)制器（PWM）、開關(guān)放大電路和低通濾波器等三部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示［1］。脈沖寬度調(diào)制器將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閷挾入S信號(hào)幅度變化的高頻脈沖，控制功率管以相應(yīng)的頻率導(dǎo)通或截止，功率管輸出的信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾波還原后驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。典型的D類功放可提供200W或更大的輸出，效率可達(dá)90%以上，諧波失真在1%～2.8%之間。另外，D類功放不存在交越失真。

圖1 D類功率放大器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 為一個(gè)半橋式D類功率放大器的基本工作原理圖，圖中三角波發(fā)生器、比較器和輸入信號(hào)構(gòu)成脈寬調(diào)制器（PWM）；兩只輸出場效應(yīng)管組成開關(guān)放大器；LF和CF構(gòu)成低通濾波器，用以恢復(fù)輸入信號(hào)。驅(qū)動(dòng)級(jí)用來驅(qū)動(dòng)開關(guān)放大器，使放大器輸出信號(hào)為在VDD和-VDD間切換的高頻方波［1］。

圖2 D類功率放大器工作原理簡圖

目前大部分D類功放使用全橋轉(zhuǎn)換電路，即用兩個(gè)圖2所示的半橋輸出電路交替驅(qū)動(dòng)負(fù)載，這種類型的負(fù)載連接方式又被稱為橋接負(fù)載（BTL）。全橋轉(zhuǎn)換電路通過交替開啟負(fù)載導(dǎo)通路徑工作，獲得雙向電流流經(jīng)負(fù)載而不像半橋結(jié)構(gòu)那樣需要一個(gè)負(fù)電源或隔直電容，且其導(dǎo)通損耗也小于半橋電路［1］。

3 2SD106AI驅(qū)動(dòng)模塊簡介及具體應(yīng)用設(shè)計(jì)

2SD106AI是瑞士CONCEPT公司生產(chǎn)的SCALE系列驅(qū)動(dòng)模塊之一，其可靠性高，使用壽命長，是驅(qū)動(dòng)大功率IGBT和MOSFET的專用驅(qū)動(dòng)器。2SD106AI具有良好的通用性，可靈活應(yīng)用于功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)、DC/DC變換、大功率功放等領(lǐng)域。該驅(qū)動(dòng)器采用ASIC設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，最大驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)±6A，芯片內(nèi)部集成了過流保護(hù)、欠壓監(jiān)測等功能［2］。使用15V單電源驅(qū)動(dòng)，開關(guān)頻率高達(dá)100KHz以上。所需外圍器件較少，具備兩種不同的工作模式，電氣隔離可達(dá)到4000VAC。

3.1 驅(qū)動(dòng)模塊簡介

2SD106AI的原理框圖如圖3所示，主要由電子接口LDI、智能柵極驅(qū)動(dòng)IGD和15VDC/DC電源組成。每個(gè)LDI可驅(qū)動(dòng)兩路信號(hào)，外部控制器輸入的PWM信號(hào)首先進(jìn)入LDI單元，由LDI模塊進(jìn)行編碼處理進(jìn)而通過脈沖變壓器送到IGD單元，脈沖變壓器用于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電氣隔離，IGD單元接收到編碼后的脈沖信息，將其解碼成原始的PWM信號(hào)，然后進(jìn)行放大，用于觸發(fā)外接的功率半導(dǎo)體器件［2］。同時(shí)IGD模塊內(nèi)集成了保護(hù)電路，當(dāng)檢測到功率管發(fā)生短路或者過流故障時(shí)，其封鎖時(shí)間邏輯電路和狀態(tài)確認(rèn)電路產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間和封鎖時(shí)間，并將此信號(hào)編碼后送至LDI單元［3］。LDI單元對(duì)狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行解碼處理，啟動(dòng)保護(hù)，封鎖輸入信號(hào)。為防止兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)互相干擾，由DC/DC轉(zhuǎn)換器提供彼此隔離的電源，且每路都具備欠壓監(jiān)測功能，當(dāng)電源電壓降至11V以下時(shí)，輸出將關(guān)斷并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖3 2SD106AI驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部原理圖

3.2 基于2SD106AI驅(qū)動(dòng)模塊的D類功率放大器電路設(shè)計(jì)

圖4為基于2SD106AI驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)電路。圖中INA、INB為PWM信號(hào)輸入端，其具有施密特觸發(fā)特性，能對(duì)輸入信號(hào)波形進(jìn)行整形，提高信號(hào)抗干擾能力。C1、G1、E1，C2、G2、E2為驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端，分別接至功率管的集電極C，柵極G，發(fā)射極E，G與E之間的電壓即為功率管的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，柵極驅(qū)動(dòng)電壓有+15V、-15V兩種電平，+15V使功率管導(dǎo)通，-15V可使功率管更加快速的可靠關(guān)斷，從而減小開關(guān)損耗。

2SD106AI有直接和半橋兩種工作模式。直接模式下，各路功率管獨(dú)立工作，用于已經(jīng)產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間的PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)。此時(shí)MOD端接電源VDD，RC1端和RC2端接地。在半橋模式下，MOD端接地，INA端接輸入信號(hào)，INB端接使能信號(hào)，死區(qū)時(shí)間由RC1端和RC2端外接的RC網(wǎng)絡(luò)確定。文中由于兩路PWM信號(hào)是分別單獨(dú)提供，所以選擇使用直接模式。

2SD106AI的邏輯電平由VL端來確定。VL端的電壓值決定了INA端和INB端施密特觸發(fā)器的觸發(fā)上限電平為2VL/3，觸發(fā)下限是1VL/3。所以根據(jù)加載在VL端不同的電壓值，驅(qū)動(dòng)模塊可以處理15V以內(nèi)的任何邏輯電平，這意味著驅(qū)動(dòng)模塊與前級(jí)PWM控制電路之間可以直接連接，不用增加額外電路。文中設(shè)計(jì)輸入是5V的PWM信號(hào)，所以在VL端接上一個(gè)4.7V的穩(wěn)壓二極管（圖4中V9、V10）即可將INA端和INB端設(shè)置工作在TTL電平。

圖4 基于2SD106AI的驅(qū)動(dòng)電路

SO1和SO2兩個(gè)引腳用于輸出模塊的工作狀態(tài)，由于其輸出為集電極開路形式，所以可以通過外接上拉電阻來適應(yīng)各種邏輯電平。驅(qū)動(dòng)模塊工作正常時(shí)，SOx為高電平，當(dāng)某一通道被檢測到故障信號(hào)時(shí)，所對(duì)應(yīng)的SOx端的輸出電平立即變?yōu)榈碗娖?，同時(shí)將該低電平送至鎖存電路，用以控制輸入PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)模塊將自動(dòng)進(jìn)入封鎖狀態(tài)，直至控制信號(hào)鎖存電路復(fù)位，封鎖時(shí)間一般為1s。SO1端和SO2端可以獨(dú)立使用，但在本文設(shè)計(jì)中將其連在一起，即將所有4路故障信號(hào)加在一起取“或”，只要4路中有任何一路出現(xiàn)異常就認(rèn)為驅(qū)動(dòng)模塊故障產(chǎn)生，以便簡化設(shè)計(jì)。

圖5即是2SD106AI模塊內(nèi)部集成的短路及過流保護(hù)功能電路圖。圖中驅(qū)動(dòng)模塊輸出C端所接二極管是為了防止電流從功率管的集電極倒灌進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊，起到保護(hù)模塊的作用。參考電阻Rth用于確定功率管保護(hù)關(guān)斷閾值，定義了驅(qū)動(dòng)模塊的過流保護(hù)電壓Vceoff。根據(jù)MOS功率管的特性，當(dāng)其飽和導(dǎo)通時(shí)，電流與管壓降Vce成正比。由圖5可知，模塊內(nèi)部有一個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓比較器，其輸出端OVERCURRENT為模塊內(nèi)部的過流保護(hù)信號(hào)。當(dāng)功率管飽和導(dǎo)通，如果此時(shí)最大管壓降Vce大于過流保護(hù)電壓Vceoff，比較器輸出高電平，驅(qū)動(dòng)模塊執(zhí)行過流保護(hù)功能，輸出-15V關(guān)斷功率管，同時(shí)輸出故障信號(hào)至SOx端。參考電阻Rth的計(jì)算公式為

式中，Vce為功率管的管壓降，Vd為C端所接二極管導(dǎo)通壓降，Ith為驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)置電流源，大小約為150μA［4］。

以IGBT功率管IKW40T120為例，根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊(cè)，電流50A時(shí)，Vce為2V。圖4中驅(qū)動(dòng)模塊C端接兩個(gè)1N4007二極管，所以Vd為0.6×2=1.2V，所以Rth=2+1.2/0.00015≈21K。

圖5 2SD106AI驅(qū)動(dòng)模塊過流保護(hù)電路圖

圖6 為功率放大器的全橋轉(zhuǎn)換及LC低通濾波電路。圖中可見功率管柵極都接有一個(gè)柵極電阻（圖5中R9、R10、R11、R12），在驅(qū)動(dòng)功率管時(shí)，必須選擇合適的柵極電阻。功率管的柵源極之間存在結(jié)電容，柵極回路還存在寄生電感，如果沒有柵極電阻，驅(qū)動(dòng)模塊輸出的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)在柵極回路產(chǎn)生強(qiáng)烈的振蕩，因此需串聯(lián)一個(gè)電阻使其迅速衰減。同時(shí)電容電感都是無功類器件，如果沒有柵極電阻，絕大部分的驅(qū)動(dòng)功率就將消耗在驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部，導(dǎo)致其溫度上升過快，影響可靠性。如果柵極電阻阻值小，驅(qū)動(dòng)電流就大，功率管通斷時(shí)間快，開關(guān)損耗?。环粗畡t慢，開關(guān)損耗大。但驅(qū)動(dòng)速度過快將使功率管的電壓和電流變化率大大提高，使功率管柵源極之間承受較高的尖峰電壓，從而產(chǎn)生較大的干擾，嚴(yán)重的可能會(huì)損壞功率管或使整個(gè)電路無法工作，因此必須統(tǒng)籌兼顧。2SD106AI的最大驅(qū)動(dòng)電流為6A，驅(qū)動(dòng)模塊的最大輸出電流需大于等于實(shí)際所需的柵極驅(qū)動(dòng)電流，所以柵極電阻的最小值計(jì)算公式如下：

式中ΔU是柵極上升電壓，由于是±15V驅(qū)動(dòng)，所以ΔU=30V，IG最大為6A，因此柵極電阻最小值

但實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)所選擇的功率管的參數(shù)和特性來確定柵極電阻值，50A左右的功率管應(yīng)采用10～20Ω的柵極電阻，也可根據(jù)實(shí)際電路調(diào)試結(jié)果來最終確定。

圖6 功率放大器全橋轉(zhuǎn)換及LC低通濾波電路

根據(jù)功率放大器不同的用途和負(fù)載，放大后的PWM方波信號(hào)可以直接用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載，或者先經(jīng)低通濾波器濾波，再驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。雖然本文設(shè)計(jì)直接用PWM方波驅(qū)動(dòng)負(fù)載，但還是有必要介紹一下D類功率放大器常用的輸出低通濾波器。如圖6所示，一般采用兩階的LC型巴特沃斯濾波器，巴特沃斯濾波器保證了全頻段內(nèi)的平滑頻率響應(yīng)，可使放大器具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，且所需元器件數(shù)量很少，是D類功率放大器最常使用的輸出濾波器。

根據(jù)二階巴特沃斯濾波器的通用轉(zhuǎn)移函數(shù)可以推導(dǎo)出濾波器中電感L的選取公式為

電容C選取公式為

從而推導(dǎo)出濾波器3dB截止頻率 fc計(jì)算公式為

其中電感L除了要考慮合適的電感值以外還要考慮其最大額定電流和最大直流電阻，如果電感的額定電流不足以維持功率放大器的輸出電流，則電感將起短路的作用，而直流電阻較低的電感可降低電感本身的功率損耗，提高電路的總體效率。如果兩階濾波器濾波效果達(dá)不到要求，可以將階數(shù)增加至4階，同時(shí)適當(dāng)降低截止頻率，這樣能更加有效的消除載波干擾。圖7為仿真的二階LC低通濾波器頻率響應(yīng)曲線圖。

圖7 LC低通濾波器頻率響應(yīng)曲線仿真圖

4 統(tǒng)調(diào)試波形及注意事項(xiàng)

本設(shè)計(jì)中功率管采用英飛凌生產(chǎn)的IGBT晶體管IKW40T120，最大電壓1200V，電流75A。圖8是使用示波器采集到的驅(qū)動(dòng)模塊輸出的功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。從圖中可以看出功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形較好，幅值為±15V，信號(hào)沒有明顯的尖峰和毛刺，柵極電阻值選取適當(dāng)。上升和下降速度適中，雖然高低電平轉(zhuǎn)換時(shí)稍有坡度，不是十分陡峭，但是由于此處信號(hào)頻率較低，已能滿足使用，如果應(yīng)用到更高頻率場合，適當(dāng)減小柵極電阻值即可。

圖8 驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)測波形

功率放大器采用200VDC供電，圖9為示波器采集的全橋轉(zhuǎn)換電路的輸出波形。圖中信號(hào)幅度與供電電壓一致，波形上尖峰與毛刺被有效抑制，尖峰電壓最高時(shí)也僅為供電電壓的10%左右。較小的尖峰電壓既能有效降低功率管負(fù)擔(dān)，也能防止較大的瞬間電流導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)模塊頻繁進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。

圖9 全橋轉(zhuǎn)換電路輸出信號(hào)波形

此外在電路板布板時(shí)要特別注意驅(qū)動(dòng)模塊與功率管之間的布線。驅(qū)動(dòng)信號(hào)布線對(duì)消除可能存在的振蕩、延緩柵極電壓的上升、減少尖峰毛刺信號(hào)損耗、降低柵極電源電壓或減少模塊過流保護(hù)電路的動(dòng)作次數(shù)有很大的影響。因此，必須將驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端和功率管之間的寄生電感降至最低，最直接的方法就是盡量縮短二者之間引線的距離，驅(qū)動(dòng)模塊盡量靠近功率管布置，并使用絞線傳輸信號(hào)，提高信號(hào)的抗干擾能力。同時(shí)參考電阻Rth也應(yīng)該盡可能靠近驅(qū)動(dòng)模塊的輸出E端，以免引起電磁干擾。

除了驅(qū)動(dòng)模塊自帶的過流及短路保護(hù)功能外，電路在供電電源兩端布置了兩個(gè)100μF/400V的濾波電容來濾除電源上的干擾，使用了RCD尖峰吸收電路來保護(hù)驅(qū)動(dòng)模塊和功率管。RCD電路通過消耗很小的功率來減輕功率管的負(fù)擔(dān)，能有效抑制功率器件工作時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓。RCD電路可以加在電源兩端也可加在功率管兩端，電路板空間允許的情況下可以多加幾組，效果更好。根據(jù)實(shí)測結(jié)果，RCD電路中的R最好選擇100Ω以上的功率電阻，C選擇1μF左右的高壓聚丙烯薄膜電容。在功率管的柵源極之間并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管和一個(gè)電阻，既能幫助穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓，還能在柵源極之間構(gòu)成一個(gè)放電回路，迅速消耗掉功率管關(guān)斷后因電容充電而余留的能量。這些措施都能有效保護(hù)驅(qū)動(dòng)模塊和功率管，提高整個(gè)電路的可靠性。

5 結(jié)語

本文介紹了以驅(qū)動(dòng)模塊2SD106AI為核心的驅(qū)動(dòng)電路，模塊外圍器件參數(shù)的設(shè)置選擇方法，并將其應(yīng)用到全橋模式的D類功率放大器。實(shí)測功率放大器輸出電流10A以上，功率大于2KW，表明基于2SD106AI的功率放大器輸出能力強(qiáng)，可靠性高，適用于高電壓或大功率場合。

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AClass D Power Am p lifier Based on 2SD106AI

JIN Yan XU Zefu
（Kunming Shipborne EquipmentResearch and TestCenter，Kunming 650051）

The class D amplifier isbecoming the ideal choice for portable and high power applicationsbecause of high efficiency.The paper analyzes theworking principle and characteristics of class D amplifier briefly，introduces the driving circuitbased on 2SD106AI，and applies it to the class D power amplifier.The power amplifier has the advantages of high outputpower and high reliability，can be used forhigh voltage and high power occasions.

class D poweramplifier，2SD106AI

TN433

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.034

2017年3月7日，

2017年4月29日

金炎，男，工程師，研究方向：電子電路設(shè)計(jì)。許則富，男，助理工程師，研究方向：電子電路設(shè)計(jì)。