一種基于分段線性化的高效率線性功率放大器

魏偉，李帆，蔡文嘉，榮先金，郭正，周宇雄

(1. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司計(jì)量中心，武漢430223；2. 武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，武漢430072)

0 引言

為確?；ジ衅饔?jì)量準(zhǔn)確性，減少供用電糾紛，保障國(guó)家法制計(jì)量器具的公正性和可靠性，提高電網(wǎng)計(jì)量工作的社會(huì)公信力，對(duì)計(jì)量用互感器的精確檢定、校準(zhǔn)具有重大意義[1 - 5]?；ジ衅餍ｒ?yàn)用電源主要有3種：基于開關(guān)型逆變器電源、電工式感應(yīng)電源和基于線性功率放大器的線性電源。基于開關(guān)型逆變器的校驗(yàn)電源效率高、體積重量小，但是輸出波形諧波含量高，電源抗干擾性較差[6 - 9]，互感器校驗(yàn)精度難以保障。電工式感應(yīng)電源的電壓難以平滑調(diào)節(jié)，電源本身較為笨重，操作復(fù)雜?；诰€性功率放大器的電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出波形質(zhì)量高，電壓調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便，抗干擾能力強(qiáng)，是理想的互感器校驗(yàn)用電源。但傳統(tǒng)的線性功率放大器效率低，基于傳統(tǒng)線性功率放大器的電源難以實(shí)現(xiàn)較大的容量，且熱損耗嚴(yán)重，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行能力差[10 - 12]。受限于互感器校驗(yàn)用電源的性能，當(dāng)前互感器校驗(yàn)工作需要大量手動(dòng)調(diào)節(jié)、操作，工作量大，效率較低。

本文提出一種基于分段線性化的線性功率放大器電路拓?fù)?，基于這種結(jié)構(gòu)的電源具有較高的效率，其輸出波形質(zhì)量好，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)。

1 基于分段線性化的高效率線性功率放大器

1.1 電路結(jié)構(gòu)

本文提出了一種新型高效率線性功率放大器，其電路如圖1所示。電路由正負(fù)2個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂包含直流電源、功率開關(guān)管、鉗位二極管、信號(hào)源。圖1中U1=E1、U2=E2+E1、U3=E3+E2+E1、U4=E4+E3+E2+E1，直流側(cè)由多個(gè)直流電源串聯(lián)構(gòu)成多電平疊加直流源，二極管控制電流的單向流通，多個(gè)串聯(lián)的功率開關(guān)管組成多個(gè)逐級(jí)介入的線性功率放大器，信號(hào)源Vs是被放大的原始信號(hào)，輸出波形Vout為經(jīng)過(guò)功率放大的具備信號(hào)源Vs的頻率、幅值等波形特征參數(shù)的輸出波形。

圖1 新型高效率線性功率放大器電路Fig.1 The Novel high efficiency LPA circuit

新型高效率線性功率放大器的系統(tǒng)原理圖如圖2所示?；谛滦透咝示€性功率放大器的程控源的基本原理是通過(guò)多級(jí)高效率射極跟隨器將微弱功率的信號(hào)源不失真地放大為可以帶大功率負(fù)載的相同輸出波形，輸出波形能量由直流電源提供，波形、幅值、頻率等特征參數(shù)由信號(hào)源決定。信號(hào)源為連續(xù)模擬信號(hào)，輸出波形理論上無(wú)諧波含量。

圖2 新型高效率線性功率放大器系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of the noval high efficiency linear poweramplifier (LPA) system

1.2 工作原理分析

如圖1所示，新型高效率線性功率放大器上下橋臂對(duì)稱，上橋臂輸出正半波波形，下橋臂輸出負(fù)半波波形，在此以正橋臂為例分析其基本原理，負(fù)橋臂原理類比可得。以電力領(lǐng)域常見的正弦波功率放大器為例做詳細(xì)分析；實(shí)際上新型高效率線性功率放大器不局限于正弦波功率放大，可以對(duì)任意模擬信號(hào)做功率放大。

上橋臂功率開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)圖如圖3所示。

圖3 新型高效率線性功率放大器開關(guān)狀態(tài)Fig.3 Switching state level of the novel high efficiency LPA

以輸出波形為正弦波為例，正半波周期內(nèi)電路運(yùn)行原理如下。

1)當(dāng)0

2)當(dāng)U1

3)當(dāng)U2

4)當(dāng)U3

當(dāng)信號(hào)源電壓較低時(shí)，由低電壓直流電源供電，輸出電壓也較低；當(dāng)信號(hào)源電壓升高時(shí)自動(dòng)切換到較高的直流電源供電，這時(shí)輸出電壓亦較高；電路始終只有1只功率管處于線性導(dǎo)通區(qū)間，其余功率開關(guān)管處于截止區(qū)間或者完全導(dǎo)通區(qū)間，整個(gè)程控源的熱損耗得以均勻分布在各個(gè)不同的功率開關(guān)管中，使得系統(tǒng)的散熱性能大幅提高，有利于提高程控源的容量。

2 新型高效率線性功率放大器的效率

2.1 提高效率的原理

圖4(a)所示為傳統(tǒng)的推挽式甲乙類線性功率放大器的電路結(jié)構(gòu)圖，圖4(b)所示為傳統(tǒng)的推挽式甲乙類線性功率放大器電壓關(guān)系及損耗示意圖。

圖4(a)為傳統(tǒng)推挽式甲乙類線性功率放大器電路圖，其中下半橋臂為P溝道MOS管，受限于當(dāng)前P溝道MOS管的耐壓值、容量，這種線性功率放大器很難實(shí)現(xiàn)較大的容量。圖4(b)所示為傳統(tǒng)推挽式甲乙類線性功率放大器的直流電平、輸出電壓波形之間的關(guān)系圖。傳統(tǒng)線性功率放大器的直流電源電壓必須始終高于輸出波形電壓的最高值，而輸出波形電壓是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的函數(shù)，直流電源和輸出波形之間的電壓差值即為功率開關(guān)管上承受的壓降，這個(gè)較大的電壓差值與輸出電流積分產(chǎn)生較大的功率損耗，這也是傳統(tǒng)的線性功放效率低的根本原因[13 - 18]。

圖4 傳統(tǒng)線性功率放大器電路Fig.4 Circuit of traditional LPA

圖5(a)所示為新型高效率線性功率放大器的電路結(jié)構(gòu)圖，圖5(b)所示為新型高效率線性功率放大器損耗示意圖。

圖5 新型高效率線性功率放大器效率分析圖Fig.5 Efficiency analysis chart ofnovel LPA

圖5(a)所示新型線性功率放大器的上橋臂部分電路與推挽式甲乙類線性功率放大器相比，其直流側(cè)為多個(gè)電源疊加構(gòu)成的多電平直流電源，通過(guò)二極管單相輸出電流提供能量，其功率開關(guān)管部分為對(duì)應(yīng)的多級(jí)串聯(lián)疊加結(jié)構(gòu)。由于二極管單向?qū)ㄌ匦砸约肮β书_關(guān)管的開通特性，當(dāng)信號(hào)源電壓較低時(shí)較低電壓的直流電源提供能量，隨著信號(hào)源電壓的升高自動(dòng)切換到較高電壓的直流電源提供電流，直流電源與輸出電壓之間始終保持一個(gè)比較小的電壓差值，如圖5(b)，相比于圖4(b)，黑色方塊部分為減小的電壓差值，亦可理解為減小的損耗。在器件可以正常工作的電壓范圍內(nèi)，電平數(shù)越多新型高效率線性功率放大器的效率越高。

2.2 新型高效率線性功率放大器效率計(jì)算

如圖4(a)所示傳統(tǒng)推挽式甲乙類線性功率放大器，以信號(hào)源和輸出電壓波形均為正弦波為例，功率因素角為φ， 有：

vout=Vsinθ

(1)

iout=Isin(θ-φ)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：vout、iout、Pout分別為功放輸出電壓、電流和功率；V、I為輸出電壓和電流幅值；VCC為電源電壓；Pdc為電源功率；η為效率。

當(dāng)輸入信號(hào)的電壓幅值與直流電源電壓幅值相等即V=VCC，且電壓與電流相位角為0時(shí)，cosφ=1，推挽式乙類功率放大器的輸出最大效率約為78.5%。

對(duì)圖1所示的線性功率放大器，以信號(hào)源和輸出電壓波形均為正弦波為例，功率因素角為φ， 新型高效率功率放大器的電平級(jí)數(shù)理論上可為任意大于1的正整數(shù)，圖1只是選取n=4的一種情況做為示例。計(jì)算新型高效率功率放大器的效率，我們假定有n級(jí)電平，每一級(jí)直流電源的電壓值依次為E1,E2,…,En-1,En。

(6)

(7)

當(dāng)θk-1<ωt<θk時(shí)，E1…Ek所疊加得到的直流電源Uk發(fā)出的平均功率為：

(8)

一個(gè)完整正弦周期內(nèi)直流電源平均輸出功率為：

(9)

輸出正弦波功率為：

(10)

(11)

由式(6)可知，E1,E2, …,En-1,En電壓值的不同，最終得到的θ1,θ2, …,θn-1也不相同，每一級(jí)功率開關(guān)管熱損耗以及系統(tǒng)最終的效率也會(huì)有差別。有很多種方法確定各級(jí)直流源的電壓值的大小和占比，在此不做詳細(xì)探討，只取最簡(jiǎn)單的一種特殊情況來(lái)做分析：E1=E2=…=En-1=En。很明顯，n值不同我們所得到的線性功率放大器的效率η也不同。結(jié)合式(6)、(9)—(11)以及E1=E2=…=En-1=En的設(shè)定，可以得到表1。

表1 新型高效率線性功率放大器效率Tab.1 Efficiency of the mentioned amplifier with different levels

從表1可以看出，相比式(5)所顯示的傳統(tǒng)推挽式甲乙類線性功率放大器不超過(guò)78.54%的理論效率，本文提出的新型高效線性功率放大器的效率優(yōu)勢(shì)明顯。直流電源和開關(guān)功率管的級(jí)數(shù)越多線性功率放大器的效率也越高。但同時(shí)，級(jí)數(shù)越多直流源和開關(guān)器件的數(shù)量也越多，成本也會(huì)越高，因此需要在線性功率放大器的性能和成本間找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提出的方案的正確性，搭建了一個(gè)8電平的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)框圖如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框圖Fig.6 Block diagram of experimental platform

8電平功率放大器正負(fù)橋臂一共需要16個(gè)電源，通過(guò)調(diào)壓器和變壓器提供，每個(gè)電源隔離，變壓器輸出經(jīng)過(guò)整流和電容濾波獲得相應(yīng)的直流電源，濾波電容為2 200 μF。信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生兩路相位相反的正弦信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔離高壓放大電路放大，再經(jīng)過(guò)交越失真抑制電路后作為正負(fù)橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖7所示為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物照片。功率管型號(hào)為IRFP4468PBF，由于互感器測(cè)試時(shí)的負(fù)載特性為阻感性，實(shí)驗(yàn)中用180 mH電感和90 Ω電阻串聯(lián)來(lái)模擬互感器，直流電源電壓為18 V。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖片F(xiàn)ig.7 Image of the test platform

圖8為基于分段線性化高效率線性功率放大器的輸出波形，其中CH1為輸出電壓波形，CH2為輸出電流波形，通過(guò)2 Ω電阻取樣得到。可以看出，輸出電壓和電流均具有良好的正弦特性。輸出電壓峰值約為135 V，接近總輸入直流電壓144 V。

圖8 新型功率放大器實(shí)測(cè)波形Fig.8 Measured waveforms of the mentioned amplifier

基于實(shí)測(cè)的新型功放各項(xiàng)數(shù)據(jù)，將圖8所得的波形數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中做波形成分分析，結(jié)果如表2所示。

表2 新型高效率線性功率放大器效率Tab.2 THD and efficiency of the mentioned amplifier

為進(jìn)一步研究新型功率發(fā)放大器的變頻特性，調(diào)整控制信號(hào)源輸出頻率，圖9所示為頻率分別為150 Hz和400 Hz時(shí)的輸出波形，輸出仍能保持良好的正弦特性，但頻率升高時(shí)，受門極驅(qū)動(dòng)電路的帶寬限制，輸出電壓幅值有所下降，后續(xù)研究應(yīng)考慮增大驅(qū)動(dòng)電路帶寬。

圖9 新型線性功率放大器變頻輸出Fig.9 Output voltages with variable frequency of the mentioned amplifier

為驗(yàn)證新型功率放大器在實(shí)際互感器校驗(yàn)中的應(yīng)用效果，把新型功率放大器輸出接入自升壓標(biāo)準(zhǔn)互感器二次輸入，將標(biāo)準(zhǔn)互感器一次高壓端子和被測(cè)互感器高壓端子連在一起，被測(cè)互感器二次端子接入10 W負(fù)荷?；ジ衅鞫屋敵鲭妷悍謩e為額定20%和100%的新型放大器輸出電壓和電流波形如圖10所示。新型功率放大器完全符合電壓互感器校驗(yàn)要求。

圖10 互感器校驗(yàn)測(cè)試中新型放大器輸出電壓和電流(CH1為電壓，CH2為電流)Fig.10 Output voltages and currents of the mentioned amplifier during the experiment of transformer test

4 結(jié)論

電力計(jì)量用互感器的校驗(yàn)準(zhǔn)確性及精確度受校驗(yàn)用電源的影響極大。為解決當(dāng)前互感器校驗(yàn)用電源存在的各種問(wèn)題，本文提出了一種基于分段線性化的高效率線性功率放大器作為其電源。本電源可以通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)源的幅值及頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出波形的幅值和頻率；解決了基于開關(guān)型逆變電源輸出波形諧波含量高的問(wèn)題；通過(guò)高精度控制驅(qū)動(dòng)電壓可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的精確控制，具備解決電工式電源難以精確調(diào)節(jié)電壓?jiǎn)栴}的能力。該電源具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

1) 所提新型高效率線性功率發(fā)電器電路可以顯著提高傳統(tǒng)線性功率放大器的效率，有效降低線性功率放大器的損耗；

2) 輸出波形理論上為單一頻率正弦波，無(wú)諧波成分，其輸出波形質(zhì)量?jī)?yōu)良，可以應(yīng)用于對(duì)波形質(zhì)量要求高的場(chǎng)合；

3)新型高效率線性功率放大器采用多級(jí)結(jié)構(gòu)，多個(gè)功率開關(guān)管逐級(jí)參與功率變換，其熱損耗得以均勻分布在各個(gè)開關(guān)管中，有效提高系統(tǒng)的散熱效率，同時(shí)可提高系統(tǒng)整體工作效率。