CN202906843U - 单周控制的双降压式半桥、全桥开关功率放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种单周控制的双降压式半桥、全桥开关功率放大器，属于基本电子电路领域。本实用新型分别包括双降压式半桥开关功率放大器，双降压式全桥开关功率放大器两种结构。本实用新型包括由功率开关管和二极管组成的桥式主电路、输出检测运算电路、单周控制器和驱动电路。它具有控制结构简单，无桥臂直通，效率和可靠性高等优点，开关功率放大器输出波形能够快速跟踪输入信号的变化，单周控制频率固定，使用电流传感器数目减少。本实用新型可广泛应用于在对可靠性要求较高的场合。

Description

单周控制的双降压式半桥、全桥开关功率放大器

技术领域

本实用新型涉及一种开关功率放大器，尤其是一种单周控制的双降压式半桥、全桥开关功率放大器，属于基本电子电路领域。

背景技术

功率放大器在工业、航空电子、通信及家庭娱乐等领域中有着广泛的应用。传统的线性功率放大器具有良好的线性度和带宽，但也存在效率低，发热量大的缺点，导致放大器体积庞大，在功率等级较高时就显得更为突出。开关功率放大器由于具有很高的效率，在体积、效率和功耗要求较高的场合具有很大的优势。

开关功率放大器大多采用传统的半桥或者全桥逆变器，这些逆变器存在着不少问题，由于是桥式逆变，存在桥臂上下功率管直通现象，在开关的转换期间必须设置延迟时间，以防止上下两只功率管直通，这就造成控制死区。在死区时间里，输出电压取决于负载电流的方向，输出电压波形会因此发生畸变。通过对功率放大器的电路拓扑与控制策略的改进来提高放大器的性能和可靠性，对功率放大器的发展具有重要意义。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于单周控制的双降压式半桥、全桥开关功率放大器，它由功率开关管和二极管组成的桥式电路组成，能够有效的避免桥臂直通的危险，具有控制结构简单，无桥臂直通，效率和可靠性高等优点。

本实用新型为实现上述实用新型目的采用如下技术方案：

方案一，一种双降压式半桥开关功率放大器：

所述开关功率放大器包括:由功率开关管和二极管组成的桥式主电路，用于放大输入信号的功率；输出检测运算电路，用于把需要的输出信号检测出来，并输入单周控制器；单周控制器，用于将控制信号转换为脉宽调制信号。驱动电路，用于将脉宽调制信号驱动主电路开关管。

所述开关功率放大器主电路输出端外接负载，输出检测运算电路输入端与主电路输出端连接，单周控制器输入端与输出检测运算电路输出端连接，驱动电路输入端与单周控制器输出端连接，驱动电路输出端与主电路开关管连接。

所述开关功率放大器主电路包括第一桥臂单元、第二桥臂单元和输出端并联双电感；其中，第一桥臂单元包括第一MOSFET管S₁，第一二极管D₁；所述第二桥臂单元包括第一MOSFET管S₂，第二二极管D₂；其中第一MOSFET管S₁源极与第一二极管D₁阴极相连，第二MOSFET管S₂漏极与第二二极管D₂阳极相连；第一MOSFET管S₁漏极、第二二极管D₂阴极分别与直流电源正极相连，第二MOSFET管S₂源极、第一二极管D₁阳极分别与直流电源负极相连。

所述输出端并联双电感包括第一电感L₁、第二电感L₂；其中第一电感L₁的一端、第二电感L₂的一端相连作为开关功率放大器主电路的正输出端，与负载相连；第一电感L₁的另一端与第一桥臂单元的中点相连，第二电感L₂的另一端与第二桥臂单元的中点相连。

进一步的，上述半桥开关功率放大器的主电路输出端并双电感中第一电感L₁，第二电感L₂的电感值相同。

方案二，一种双降压式全桥开关功率放大器：

所述开关功率放大器包括:由功率开关管和二极管组成的双桥式主电路，用于放大输入信号的功率；输出检测运算电路，用于把需要的输出信号检测出来，并输入单周控制器；单周控制器，用于将控制信号转换为脉宽调制信号。驱动电路，用于将脉宽调制信号驱动双桥式主电路开关管。

所述开关功率放大器主电路输出端外接负载，输出检测运算电路输入端与主电路输出端连接，单周控制器输入端与输出检测运算电路输出端连接，驱动电路输入端与单周控制器输出端连接，驱动电路输出端与主电路开关管连接。

所述开关功率放大器双桥式主电路包括第一桥式电路、第二桥式电路和输出端并联电感电路；其中，第一桥式电路包括第一桥臂单元和第二桥臂单元；其中第一桥臂单元包括第一MOSFET管S₁，第一二极管D₁；所述第二桥臂单元包括第一MOSFET管S₂，第二二极管D₂；其中第一MOSFET管S₁源极与第一二极管D₁阴极相连，第二MOSFET管S₂漏极与第二二极管D₂阳极相连；第一MOSFET管S₁漏极、第二二极管D₂阴极分别与直流电源正极相连，第二MOSFET管S₂源极、第一二极管D₁阳极分别与直流电源负极相连；所述第二桥式电路包括第三桥臂单元和第四桥臂单元；其中第三桥臂单元包括第三MOSFET管S₃，第三二极管D₃；所述第四桥臂单元包括第四MOSFET管S₄，第四二极管D₄；其中第三MOSFET管S₃源极与第三二极管D₃阴极相连，第四MOSFET管S₄漏极与第四二极管D₄阳极相连；第三MOSFET管S₃漏极、第四二极管D₄阴极分别与直流电源正极相连，第四MOSFET管S₄源极、第三二极管D₃阳极分别与直流电源负极相连。

所述输出端并联电感电路包括第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄；其中，第一电感L₁的一端、第二电感L₂的一端相连作为开关功率放大器主电路的正输出端，与负载正输入端相连；第一电感L₁的另一端与第一桥臂单元的中点相连，第二电感L₂的另一端与第二桥臂单元的中点相连；第三电感L₃的一端、第四电感L₄的一端相连作为开关功率放大器主电路的负输出端，与负载负输入端相连；第三电感L₃的另一端与第三桥臂单元的中点相连，第四电感L₄的另一端与第四桥臂单元的中点相连。

进一步的，上述半桥开关功率放大器的主电路输出端电感电路中第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃和第四电感L₄的电感值相同；第一桥式电路、第二桥式电路和输出端并联电感电路的连接方式可以互换。

本实用新型结构简单，使用方便，与现有技术相比具有以下优点:

（1）相对于传统的开关功率放大器，无桥臂直通的危险，可靠性高。

（2）在开关的转换期间无须设置延迟时间，输出信号保真度高。

（3）与传统的滞环控制比较，单周控制频率固定，在工程设计上便于输出滤波器设计。

（4）使用电流传感器减少，会降低成本，易于小型化。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的双降压式半桥开关功率放大器结构原理图。

图2是本实用新型的双降压式全桥开关功率放大器结构原理图。

图3是本实用新型的双降压式全桥开关功率放大器工作模态图。

图4是本实用新型的双降压式半桥开关功率放大器工作模态图。

图5是本实用新型仿真输出波形（应用于控制信号为sin(1000πt)，放大器的增益为10）。

图6是本实用新型仿真输出波形谐波含量分析（应用于控制信号为sin(1000πt)，放大器的增益为10）。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。

实施例1

附图1是本实用新型的双降压式半桥开关功率放大器结构原理图。

由功率开关管和二极管组成的桥式主电路，用于放大输入信号的功率；输出检测运算电路把需要的输出信号检测出来，输入单周控制器；单周控制器将控制信号转换为脉宽调制信号。驱动电路将脉宽调制信号放大并通过逻辑运算驱动主电路开关管。

如图1所示，开关功率放大器主电路包括第一桥臂单元、第二桥臂单元和输出端并联双电感三部分；并联双电感一端与负载相连，另一端分别与第一桥臂单元、第二桥臂单元中点相连。

如图3所示，开关功率放大器的半周期工作状态可分为4个模态：

工作模态Ⅰ：此时S₁开通，S₂，D₁，D₂关断。L₂上的电流i_L2＝0，此时L₁上的电流i_L1线性增大；工作模态Ⅱ：此时S₁，S₂，D₂关断由于电感电流i_L1>0，D₁将导通续流，电感L₁上的电流i_L1线性减小；工作模态Ⅲ：开关管S₂导通，S₁，D₁，D₂关断，i_L1＝0，电感L₂的电流i_L2反向线性增加；工作模态Ⅳ：开关管S₁，S₂，D₁关断，i_L1＝0，电感电流i_L2从二极管D₂续流，反向线性下降。

前半输出周期工作的功率管和后半输出周期工作的功率管之间串联着一个较大的滤波电感，所以没有传统逆变桥功率放大器功率管直通问题，提高了功率放大器的可靠性。

实施例2

附图2是本实用新型的双降压式全桥开关功率放大器结构原理图。

如图2所示，开关功率放大器主电路正输出端与负输出端之间接负载，输出检测运算电路输入端与主电路输出端连接，单周控制器输入端与输出检测运算电路输出端连接，驱动电路输入端与单周控制器输出端连接，驱动电路输出端与主电路开关管连接。

开关功率放大器主电路包括第一桥式电路、第二桥式电路和输出端并联电感电路三部分；第一桥式电路包括第一桥臂单元和第二桥臂单元，二桥式电路包括第三桥臂单元和第四桥臂单元；并联电感一端与负载相连，另一端分别与第一桥臂单元、第二桥臂单元、第三桥臂单元和第四桥臂单元中点相连。

如图4所示，开关功率放大器的半周期工作状态可分为4个模态：

工作模态Ⅰ：此时S₁，S₄开通，S₂，S₃关断，D₁、D₂截止。电感L₂，L₃的电流i_L2＝0，此时L₄和L₁上的电流i_L1线性增大；工作模态Ⅱ：此时S₁，S₂，S₃，S₄关断，i_L2＝0，由于电感电流i_L1>0，D₁将导通续流，电感L₁，L₄上的电流i_L1线性减小；工作模态Ⅲ：开关管S₂，S₃导通，S₂，S₄关断，D₁、D₂截止，i_L1＝0，电感L₂，L₃的电流i_L2线性上升；工作模态Ⅳ：开关管S₁，S₂，S₃，S₄关断，i_L1＝0，电感电流i_L2从二极管D₂续流，线性下降。

前半输出周期工作的功率管和后半输出周期工作的功率管之间串联着两个较大的滤波电感，所以没有传统逆变桥功率放大器功率管直通问题，提高了功率放大器的可靠性。

上述两个实施例以单周控制器作为控制核心，用于将控制信号转换为脉宽调制信号，以实施例1为例，其控制模型通过以下步骤得出：

在u_o>0的半个工频周期内，假定开关频率为f_s，开关周期T_s=1/f_s。

在0<t<DT_S期间，开关S₁导通，S₂，D₁，D₂关断，电感L₁上电压：

u_L1=U_in-u_o(1)

在DT_S<t<T_S期间，此时S₁，S₂，D₂关断，电感L₁上电压：

u_L1=-U_in-u_o(2)

稳态时在一个开关周期内电感满足伏秒平衡原理，得到：

D(u_in-u_o)+(1-D)(-U_in-u_o)=0(3)

则有：

u_o=(2D-1)u_in(4)

输出信号u_o，i_o跟踪输入控制信号u_ref，可以得到如下方程：

$i_o=\frac{1}{R_o}\&CenterDot;u_o=(K_1-K_2)u_o---\left(5\right)$

其中R_o为等效电阻，K₁是限制最大输出电流的常数，K₂是用来控制输出功率大小的参数。

假设R_o为电流采样比，取：

U_m=2R_oK₂U_in(6)

u_ref=R_oK₁u_o(7)

由(4)，(5)，(6)式可以得出：

$R_o{i}_o=u_{\mathrm{ref}}-D{U}_m+\frac{1}{2}{U}_m---\left(8\right)$

在一个开关周期T_S中，可认为i_o、R_o、U_m和K_l的值近似不变，对式(8)两端进行积分，积分时间常数为开关周期T_S，可得其控制方程为

$R_o{i}_o=u_{\mathrm{ref}}-\frac{1}{T_s}{\&Integral;}_0^t{U}_m\mathrm{dt}+\frac{1}{2}{U}_m---\left(9\right)$

在u_o<0时，控制方程推导过程类似，在u_o>0与u_o<0两种状态，开关驱动的选择可以通过驱动电路简单的逻辑电路实现。

实施例2的单周控制模型可以类似推导出。

采用MATLAB/SIMULINK对本实用新型进行了仿真分析（应用于控制信号为sin(1000πt)，放大器的增益为10），开关功率放大器输出波形质量好，开关功率放大器的输出波形能够很好的跟踪控制信号的变化，如图5所示；放大器的输出电流总的谐波畸变率为0.18%，如图6所示，实现了高保真度。

Claims (4)

1.一种双降压式半桥开关功率放大器，所述开关功率放大器包括:由功率开关管和二极管组成的桥式主电路，用于放大输入信号的功率；输出检测运算电路，用于把需要的输出信号检测出来，并输入单周控制器；单周控制器，用于将控制信号转换为脉宽调制信号；驱动电路，用于将脉宽调制信号驱动主电路开关管；其特征在于：所述开关功率放大器主电路输出端外接负载，输出检测运算电路输入端与主电路输出端连接，单周控制器输入端与输出检测运算电路输出端连接，驱动电路输入端与单周控制器输出端连接，驱动电路输出端与主电路开关管连接。

2.根据权利要求1所述的双降压式半桥开关功率放大器，其特征在于：所述开关功率放大器主电路包括第一桥臂单元、第二桥臂单元和输出端并联双电感；其中，第一桥臂单元包括第一MOSFET管S₁，第一二极管D₁；所述第二桥臂单元包括第一MOSFET管S₂，第二二极管D₂；其中第一MOSFET管S₁源极与第一二极管D₁阴极相连，第二MOSFET管S₂漏极与第二二极管D₂阳极相连；第一MOSFET管S₁漏极、第二二极管D₂阴极分别与直流电源正极相连，第二MOSFET管S₂源极、第一二极管D₁阳极分别与直流电源负极相连；

所述输出端并联双电感包括第一电感L₁、第二电感L₂；其中第一电感L₁的一端、第二电感L₂的一端相连作为开关功率放大器主电路的正输出端，与负载相连；第一电感L₁的另一端与第一桥臂单元的中点相连，第二电感L₂的另一端与第二桥臂单元的中点相连。

3.一种双降压式全桥开关功率放大器，所述开关功率放大器包括:由功率开关管和二极管组成的双桥式主电路，用于放大输入信号的功率；输出检测运算电路，用于把需要的输出信号检测出来，并输入单周控制器；单周控制器，用于将控制信号转换为脉宽调制信号，驱动电路，用于将脉宽调制信号驱动双桥式主电路开关管；其特征在于：所述开关功率放大器主电路输出端外接负载，输出检测运算电路输入端与主电路输出端连接，单周控制器输入端与输出检测运算电路输出端连接，驱动电路输入端与单周控制器输出端连接，驱动电路输出端与主电路开关管连接。

4.根据权利要求3所述的双降压式全桥开关功率放大器，其特征在于：所述开关功率放大器双桥式主电路包括第一桥式电路、第二桥式电路和输出端并联电感电路；其中，第一桥式电路包括第一桥臂单元和第二桥臂单元；其中第一桥臂单元包括第一MOSFET管S₁，第一二极管D₁；所述第二桥臂单元包括第一MOSFET管S₂，第二二极管D₂；其中第一MOSFET管S₁源极与第一二极管D₁阴极相连，第二MOSFET管S₂漏极与第二二极管D2阳极相连；第一MOSFET管S₁漏极、第二二极管D₂阴极分别与直流电源正极相连，第二MOSFET管S₂源极、第一二极管D₁阳极分别与直流电源负极相连；所述第二桥式电路包括第三桥臂单元和第四桥臂单元；其中第三桥臂单元包括第三MOSFET管S₃，第三二极管D₃；所述第四桥 臂单元包括第四MOSFET管S₄，第四二极管D₄；其中第三MOSFET管S₃源极与第三二极管D₃阴极相连，第四MOSFET管S₄漏极与第四二极管D₄阳极相连；第三MOSFET管S₃漏极、第四二极管D₄阴极分别与直流电源正极相连，第四MOSFET管S₄源极、第三二极管D₃阳极分别与直流电源负极相连；

所述输出端并联电感电路包括第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄；其中，第一电感L₁的一端、第二电感L₂的一端相连作为开关功率放大器主电路的正输出端，与负载正输入端相连；第一电感L₁的另一端与第一桥臂单元的中点相连，第二电感L₂的另一端与第二桥臂单元的中点相连；第三电感L₃的一端、第四电感L₄的一端相连作为开关功率放大器主电路的负输出端，与负载负输入端相连；第三电感L₃的另一端与第三桥臂单元的中点相连，第四电感L₄的另一端与第四桥臂单元的中点相连。 

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