專利名稱：單周控制的雙降壓式半橋、全橋開關功率放大器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種開關功率放大器，尤其是一種單周控制的雙降壓式半橋、全橋開關功率放大器，屬于基本電子電路領域。
背景技術：
功率放大器在工業(yè)、航空電子、通信及家庭娛樂等領域中有著廣泛的應用。傳統(tǒng)的線性功率放大器具有良好的線性度和帶寬，但也存在效率低，發(fā)熱量大的缺點，導致放大器體積龐大，在功率等級較高時就顯得更為突出。開關功率放大器由于具有很高的效率，在體積、效率和功耗要求較高的場合具有很大的優(yōu)勢。開關功率放大器大多采用傳統(tǒng)的半橋或者全橋逆變器，這些逆變器存在著不少問題，由于是橋式逆變，存在橋臂上下功率管直通現(xiàn)象，在開關的轉換期間必須設置延遲時間，以防止上下兩只功率管直通，這就造成控制死區(qū)。在死區(qū)時間里，輸出電壓取決于負載電流的方向，輸出電壓波形會因此發(fā)生畸變。通過對功率放大器的電路拓撲與控制策略的改進來提高放大器的性能和可靠性，對功率放大器的發(fā)展具有重要意義。

實用新型內容本實用新型針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提出一種基于單周控制的雙降壓式半橋、全橋開關功率放大器，它由功率開關管和二極管組成的橋式電路組成，能夠有效的避免橋臂直通的危險，具有控制結構簡單，無橋臂直通，效率和可靠性高等優(yōu)點。本實用新型為實現(xiàn)上述實用新型目的采用如下技術方案方案一，一種雙降 壓式半橋開關功率放大器所述開關功率放大器包括由功率開關管和二極管組成的橋式主電路，用于放大輸入信號的功率；輸出檢測運算電路，用于把需要的輸出信號檢測出來，并輸入單周控制器；單周控制器，用于將控制信號轉換為脈寬調制信號。驅動電路，用于將脈寬調制信號驅動主電路開關管。所述開關功率放大器主電路輸出端外接負載，輸出檢測運算電路輸入端與主電路輸出端連接，單周控制器輸入端與輸出檢測運算電路輸出端連接，驅動電路輸入端與單周控制器輸出端連接，驅動電路輸出端與主電路開關管連接。所述開關功率放大器主電路包括第一橋臂單元、第二橋臂單元和輸出端并聯(lián)雙電感；其中，第一橋臂單元包括第一 M0SFET管S1，第一二極管D1 ;所述第二橋臂單元包括第一MOSFET管S2,第二二極管D2 ;其中第一 MOSFET管S1源極與第一二極管D1陰極相連，第二MOSFET管S2漏極與第二二極管D2陽極相連；第一 MOSFET管S1漏極、第二二極管D2陰極分別與直流電源正極相連，第二 MOSFET管S2源極、第一二極管D1陽極分別與直流電源負極相連。所述輸出端并聯(lián)雙電感包括第一電感L1、第二電感L2 ;其中第一電感L1的一端、第二電感L2的一端相連作為開關功率放大器主電路的正輸出端,與負載相連；第一電感1^的另一端與第一橋臂單元的中點相連，第二電感L2的另一端與第二橋臂單元的中點相連。進一步的，上述半橋開關功率放大器的主電路輸出端并雙電感中第一電感L1，第二電感L2的電感值相同。方案二，一種雙降壓式全橋開關功率放大器所述開關功率放大器包括由功率開關管和二極管組成的雙橋式主電路，用于放大輸入信號的功率；輸出檢測運算電路，用于把需要的輸出信號檢測出來，并輸入單周控制器；單周控制器，用于將控制信號轉換為脈寬調制信號。驅動電路，用于將脈寬調制信號驅動雙橋式主電路開關管。所述開關功率放大器主電路輸出端外接負載，輸出檢測運算電路輸入端與主電路輸出端連接，單周控制器輸入端與輸出檢測運算電路輸出端連接，驅動電路輸入端與單周控制器輸出端連接，驅動電路輸出端與主電路開關管連接。
所述開關功率放大器雙橋式主電路包括第一橋式電路、第二橋式電路和輸出端并聯(lián)電感電路；其中，第一橋式電路包括第一橋臂單元和第二橋臂單元；其中第一橋臂單元包括第一 MOSFET管S1，第一二極管D1 ;所述第二橋臂單元包括第一 MOSFET管S2,第二二極管D2 ;其中第一 MOSFET管S1源極與第一二極管D1陰極相連，第二 MOSFET管S2漏極與第二二極管D2陽極相連；第一 MOSFET管S1漏極、第二二極管D2陰極分別與直流電源正極相連，第二 MOSFET管S2源極、第一二極管D1陽極分別與直流電源負極相連；所述第二橋式電路包括第三橋臂單元和第四橋臂單元；其中第三橋臂單元包括第三MOSFET管S3,第三二極管D3 ;所述第四橋臂單元包括第四MOSFET管S4，第四二極管D4 ;其中第三MOSFET管S3源極與第三二極管D3陰極相連，第四MOSFET管S4漏極與第四二極管D4陽極相連；第三MOSFET管S3漏極、第四二極管D4陰極分別與直流電源正極相連，第四MOSFET管S4源極、第三二極管D3陽極分別與直流電源負極相連。所述輸出端并聯(lián)電感電路包括第一電感L1、第二電感L2、第三電感L3、第四電感L4 ；其中，第一電感L1的一端、第二電感L2的一端相連作為開關功率放大器主電路的正輸出端，與負載正輸入端相連；第一電感1^的另一端與第一橋臂單元的中點相連，第二電感L2的另一端與第二橋臂單元的中點相連；第三電感L3的一端、第四電感L4的一端相連作為開關功率放大器主電路的負輸出端，與負載負輸入端相連；第三電感1^3的另一端與第三橋臂單兀的中點相連，第四電感L4的另一端與第四橋臂單元的中點相連。進一步的，上述半橋開關功率放大器的主電路輸出端電感電路中第一電感L1、第二電感L2、第三電感L3和第四電感L4的電感值相同；第一橋式電路、第二橋式電路和輸出端并聯(lián)電感電路的連接方式可以互換。本實用新型結構簡單，使用方便，與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點(I)相對于傳統(tǒng)的開關功率放大器，無橋臂直通的危險，可靠性高。(2)在開關的轉換期間無須設置延遲時間，輸出信號保真度高。(3)與傳統(tǒng)的滯環(huán)控制比較，單周控制頻率固定，在工程設計上便于輸出濾波器設計。(4)使用電流傳感器減少，會降低成本，易于小型化。

[0023]
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。圖1是本實用新型的雙降壓式半橋開關功率放大器結構原理圖。圖2是本實用新型的雙降壓式全橋開關功率放大器結構原理圖。圖3是本實用新型的雙降壓式全橋開關功率放大器工作模態(tài)圖。圖4是本實用新型的雙降壓式半橋開關功率放大器工作模態(tài)圖。圖5是本實用新型仿真輸出波形(應用于控制信號為sin (1000 Jit)，放大器的增益為10)。圖6是本實用新型仿真輸出波形諧波含量分析(應用于控制信號為sin(1000 Jit)，放大器的增益為10)。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步的描述。實施例1附圖1是本實用新型的雙降壓式半橋開關功率放大器結構原理圖。由功率開關管和二極管組成的橋式主電路，用于放大輸入信號的功率；輸出檢測運算電路把需要的輸出信號檢測出來，輸入單周控制器；單周控制器將控制信號轉換為脈寬調制信號。驅動電路將脈寬調制信號放大并通過邏輯運算驅動主電路開關管。如圖1所示，開關功率放大器主電路包括第一橋臂單元、第二橋臂單元和輸出端并聯(lián)雙電感三部分；并聯(lián)雙電感一端與負載相連，另一端分別與第一橋臂單元、第二橋臂單元中點相連。如圖3所示，開關功率放大器的半周期工作狀態(tài)可分為4個模態(tài)工作模態(tài)1:此時S1開通，S2, D1, D2關斷。L2上的電流L = 0，此時L1上的電流iL1線性增大；工作模態(tài)I1:此時S1, S2, D2關斷由于電感電流iu>0，D1將導通續(xù)流，電感L1上的電流iL1線性減小;工作模態(tài)II1:開關管S2導通，S17D17D2關斷，iL1 = O,電感L2的電流iL2反向線性增加；工作模態(tài)IV :開關管S1, S2, D1關斷，iL1 = O,電感電流L從二極管D2續(xù)流，反向線性下降。前半輸出周期工作的功率管和后半輸出周期工作的功率管之間串聯(lián)著一個較大的濾波電感，所以沒有傳統(tǒng)逆變橋功率放大器功率管直通問題，提高了功率放大器的可靠性。實施例2附圖2是本實用新型的雙降壓式全橋開關功率放大器結構原理圖。如圖2所示，開關功率放大器主電路正輸出端與負輸出端之間接負載，輸出檢測運算電路輸入端與主電路輸出端連接，單周控制器輸入端與輸出檢測運算電路輸出端連接，驅動電路輸入端與單周控制器輸出端連接，驅動電路輸出端與主電路開關管連接。開關功率放大器主電路包括第一橋式電路、第二橋式電路和輸出端并聯(lián)電感電路三部分；第一橋式電路包括第一橋臂單元和第二橋臂單元，二橋式電路包括第三橋臂單元和第四橋臂單元；并聯(lián)電感一端與負載相連，另一端分別與第一橋臂單元、第二橋臂單元、第三橋臂單元和第四橋臂單元中點相連。如圖4所示，開關功率放大器的半周期工作狀態(tài)可分為4個模態(tài)[0043]工作模態(tài)1:此時S1, S4開通，S2，S3關斷，DpD2截止。電感L2, L3的電流iL2 = 0，此時L4和L1上的電流iu線性增大；工作模態(tài)I1:此時S1, S2, S3, S4關斷，iL2 = O,由于電感電流iu>0，D1將導通續(xù)流，電感L1, L4上的電流iu線性減??；工作模態(tài)II1:開關管S2，S3導通，S2, S4關斷，DpD2截止，iL1 = O,電感L2, L3的電流iL2線性上升;工作模態(tài)IV :開關管S1, S2, S3, S4關斷，iL1 = O,電感電流iu從二極管D2續(xù)流,線性下降。前半輸出周期工作的功率管和后半輸出周期工作的功率管之間串聯(lián)著兩個較大的濾波電感，所以沒有傳統(tǒng)逆變橋功率放大器功率管直通問題，提高了功率放大器的可靠性。上述兩個實施例以單周控制器作為控制核心，用于將控制信號轉換為脈寬調制信號，以實施例1為例，其控制模型通過以下步驟得出在11。>0的半個工頻周期內，假定開關頻率為fs，開關周期Ts=l/fs。在0〈t〈DTs期間，開關S1導通，S2, D1, D2關斷，電感L1上電壓:uL1=Uin-u0(I)在01^〈1'8期間，此 時51，52，02關斷，電感1^上電壓uL1=-Uin_u。(2)穩(wěn)態(tài)時在一個開關周期內電感滿足伏秒平衡原理，得到D (uin-u0)+ (1-D) (-Uin-U0) =0(3)則有u0=(2D-l)uin⑷輸出信號u。，I0跟蹤輸入控制信號uMf，可以得到如下方程i0 ==(ΚΛ -Κ2)μ0(5)
ο其中R。為等效電阻，K1是限制最大輸出電流的常數，K2是用來控制輸出功率大小的參數。假設R。為電流采樣比，取Uffl=2R0K2Uin(6)Uref=R0K1U0(7)由(4)，(5)，(6)式可以得出RJ0 — Mre, - DUm + ~Um(8)在一個開關周期Ts中，可認為i。、! 。、Un^PK1的值近似不變，對式⑶兩端進行積分，積分時間常數為開關周期Ts，可得其控制方程為
■I |*1IRJ,, =Umf1Ji'十；1(9)
1S-在11?！?時，控制方程推導過程類似，在11。>0與11?！?兩種狀態(tài)，開關驅動的選擇可以通過驅動電路簡單的邏輯電路實現(xiàn)。實施例2的單周控制模型可以類似推導出。[0067]采用MATLAB/SMULINK對本實用新型進行了仿真分析(應用于控制信號為sin (1000 π t)，放大器的增益為10)，開關功率放大器輸出波形質量好，開關功率放大器的輸出波形能夠很好的跟蹤控制信號的變化，如圖5所示；放大器的輸出電流總的諧波畸變率為O. 18%，如 圖6所示，實現(xiàn)了高保真度。
權利要求1.一種雙降壓式半橋開關功率放大器，所述開關功率放大器包括由功率開關管和二極管組成的橋式主電路，用于放大輸入信號的功率；輸出檢測運算電路，用于把需要的輸出信號檢測出來，并輸入單周控制器；單周控制器，用于將控制信號轉換為脈寬調制信號；驅動電路，用于將脈寬調制信號驅動主電路開關管；其特征在于所述開關功率放大器主電路輸出端外接負載，輸出檢測運算電路輸入端與主電路輸出端連接，單周控制器輸入端與輸出檢測運算電路輸出端連接，驅動電路輸入端與單周控制器輸出端連接，驅動電路輸出端與主電路開關管連接。
2.根據權利要求1所述的雙降壓式半橋開關功率放大器，其特征在于所述開關功率放大器主電路包括第一橋臂單元、第二橋臂單元和輸出端并聯(lián)雙電感；其中，第一橋臂單元包括第一 MOSFET管S1，第一二極管D1 ;所述第二橋臂單元包括第一 MOSFET管S2,第二二極管D2 ;其中第一 MOSFET管S1源極與第一二極管D1陰極相連，第二 MOSFET管S2漏極與第二二極管D2陽極相連；第一 MOSFET管S1漏極、第二二極管D2陰極分別與直流電源正極相連，第二 MOSFET管S2源極、第一二極管D1陽極分別與直流電源負極相連； 所述輸出端并聯(lián)雙電感包括第一電感L1、第二電感L2 ;其中第一電感L1的一端、第二電感L2的一端相連作為開關功率放大器主電路的正輸出端,與負載相連；第一電感1^的另一端與第一橋臂單元的中點相連，第二電感L2的另一端與第二橋臂單元的中點相連。
3.一種雙降壓式全橋開關功率放大器，所述開關功率放大器包括由功率開關管和二極管組成的雙橋式主電路，用于放大輸入信號的功率；輸出檢測運算電路，用于把需要的輸出信號檢測出來，并輸入單周控制器；單周控制器，用于將控制信號轉換為脈寬調制信號，驅動電路，用于將脈寬調制信號驅動雙橋式主電路開關管；其特征在于所述開關功率放大器主電路輸出端外接負載，輸出檢測運算電路輸入端與主電路輸出端連接，單周控制器輸入端與輸出檢測運算電路輸出端連接，驅動電路輸入端與單周控制器輸出端連接，驅動電路輸出端與主電路開關管連接。
4.根據權利要求3所述的雙降壓式全橋開關功率放大器，其特征在于所述開關功率放大器雙橋式主電路包括第一橋式電路、第二橋式電路和輸出端并聯(lián)電感電路；其中，第一橋式電路包括第一橋臂單元和第二橋臂單元；其中第一橋臂單元包括第一 MOSFET管S1，第一二極管D1 ;所述第二橋臂單元包括第一 MOSFET管S2，第二二極管D2 ;其中第一 MOSFET管S1源極與第一二極管D1陰極相連，第二 MOSFET管S2漏極與第二二極管D2陽極相連；第一MOSFET管S1漏極、第二二極管D2陰極分別與直流電源正極相連，第二 MOSFET管S2源極、第一二極管01陽極分別與直流電源負極相連；所述第二橋式電路包括第三橋臂單元和第四橋臂單元；其中第三橋臂單元包括第三MOSFET管S3，第三二極管D3 ;所述第四橋臂單元包括第四MOSFET管S4,第四二極管D4 ;其中第三MOSFET管S3源極與第三二極管D3陰極相連，第四MOSFET管S4漏極與第四二極管D4陽極相連；第三MOSFET管S3漏極、第四二極管D4陰極分別與直流電源正極相連，第四MOSFET管S4源極、第三二極管D3陽極分別與直流電源負極相連； 所述輸出端并聯(lián)電感電路包括第一電感L1、第二電感L2、第三電感L3、第四電感L4 ;其中，第一電感L1的一端、第二電感L2的一端相連作為開關功率放大器主電路的正輸出端,與負載正輸入端相連；第一電感1^的另一端與第一橋臂單元的中點相連，第二電感L2的另一端與第二橋臂單元的中點相連；第三電感L3的一端、第四電感L4的一端相連作為開關功率放大器主電路的負輸出端，與負載負輸入端相連；第三電感1^3的另一端與第三橋臂單元的中點相連，第四電 感L4的另一端與第四橋臂單元的中點相連。
專利摘要本實用新型提供一種單周控制的雙降壓式半橋、全橋開關功率放大器，屬于基本電子電路領域。本實用新型分別包括雙降壓式半橋開關功率放大器，雙降壓式全橋開關功率放大器兩種結構。本實用新型包括由功率開關管和二極管組成的橋式主電路、輸出檢測運算電路、單周控制器和驅動電路。它具有控制結構簡單，無橋臂直通，效率和可靠性高等優(yōu)點，開關功率放大器輸出波形能夠快速跟蹤輸入信號的變化，單周控制頻率固定，使用電流傳感器數目減少。本實用新型可廣泛應用于在對可靠性要求較高的場合。
文檔編號H03F3/20GK202906843SQ20122057281
公開日2013年4月24日 申請日期2012年11月2日 優(yōu)先權日2012年11月2日
發(fā)明者庹元科 申請人:庹元科