0 引言

    D類功率放大器由于器件寄生電容的存在,，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通引起能量損耗,，該損耗與工作頻率成正比^[1-2]。E類功率放大器利用零電壓轉(zhuǎn)換(Zero Voltage Switching,，ZVS)和零電壓斜率轉(zhuǎn)換(Zero Voltage Slope Switching,，ZVSS)減小了晶體管輸出寄生電容的損耗，具有較高的輸出功率和效率^[3],。SUETSUGU T等研究了任意占空比下的最優(yōu)和次優(yōu)E類功率放大器^[4],。鄧思建等研究了輸出負(fù)載變化對E 類功率放大器的性能影響^[5],。然而，E類功率放大器的開關(guān)上的峰值電壓會達(dá)到電源電壓的3倍以上^[3-4],，這對于耐壓受限的晶體管來說應(yīng)用受到了限制,。結(jié)合D類與E類功率放大器產(chǎn)生了DE類功率放大器^[6]。劉昌等研究了輸出電容對DE類功率放大器的影響^[7],。SEKIYA H等進(jìn)一步將DE類功率放大器拓展到任意占空比^[8],。DE類功率放大器已經(jīng)被應(yīng)用在無線能量傳輸中^[9]。E^-1類功率放大器^[10]相比于E類功率放大器,，其開關(guān)器件上的峰值電壓下降為電源電壓的1/2.8,，且最優(yōu)負(fù)載相比E類功率放大器提高數(shù)倍，具有較高的研究價(jià)值^[11-12],。

    本文將D類功率放大器與E^-1類功率放大器結(jié)合,，提出一種新型串聯(lián)電感并聯(lián)調(diào)諧DE^-1類功率放大器。首先利用ZCS和ZCSS條件^[10]對該功率放大器的工作過程進(jìn)行分析,。然后給出元件參數(shù)的計(jì)算表達(dá)式,，接著對電路特性進(jìn)行分析，最后實(shí)現(xiàn)了一個(gè)串聯(lián)電感并聯(lián)調(diào)諧DE^-1類放大器,，對理論分析進(jìn)行驗(yàn)證,。

1 DE-1類功率放大器理論

    串聯(lián)電感并聯(lián)調(diào)諧DE^-1類功率放大器如圖1所示。S1和S2分別是NMOS管和PMOS管,，工作在開關(guān)狀態(tài),，受驅(qū)動電壓V_Dr1和V_Dr2控制。電感L₁和L₂分別與MOS管的漏極連接,，形成串聯(lián)關(guān)系,。串聯(lián)中心點(diǎn)通過隔直電容與Lp-Cp并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)、補(bǔ)償電容C和負(fù)載R_L連接,。

    為了簡化分析,，作如下假設(shè)：

    (1)晶體管是理想開關(guān)，導(dǎo)通時(shí)短路,，截止時(shí)開路,。

    (2)開關(guān)工作在占空比為25%的方波下。

    (3)并聯(lián)LC電路的Q值足夠大使得輸出電壓是正弦波,。

    (4)所有元件為理想元件,。隔直電容C_DC為理想電容，無交流壓降,。

    理想串聯(lián)電感并聯(lián)調(diào)諧DE^-1類功率放大器的等效電路如圖2所示,。

    根據(jù)假設(shè)(3)，負(fù)載上的電壓和電流是正弦的，表達(dá)式如式(1)和式(2)所示,。

    當(dāng)開關(guān)中的電流滿足式(15)和式(16)的ZCS和ZCSS條件時(shí),，串聯(lián)電感并聯(lián)調(diào)諧DE^-1類功率放大器達(dá)到最優(yōu)的操作^[10]。

2 DE^-1類功率放大器元件參數(shù)計(jì)算

3 DE^-1類功率放大器的特性

    對電流i_s2(θ)進(jìn)行積分得到從直流電壓源吸取的電流：

4 電路實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

    給定參數(shù)V_dd=3 V,，P_o=0.2 W,，Q=5.8，f=100 kHz,，根據(jù)相關(guān)表達(dá)式設(shè)計(jì)串聯(lián)電感并聯(lián)調(diào)諧DE^-1類功率放大器,。根據(jù)表達(dá)式計(jì)算電路元件參數(shù)，利用計(jì)算元件參數(shù)搭建該放大器電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn),。實(shí)驗(yàn)中MOS管選用IRF7309,，它包含1個(gè)NMOS管和1個(gè)PMOS管，參數(shù)如表1所列^[13],。

    實(shí)驗(yàn)DE^-1類功率放大器的元件參數(shù)的理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)用值列在表2中,。

    圖3給出了工作頻率分別是100 kHz、110 kHz和120 kHz下的MOS管驅(qū)動信號和MOS漏極電壓波形,。各頻率下波形從上往下4個(gè)信號依次是PMOS管柵極驅(qū)動電壓v_Dr2,、PMOS管漏極電壓v_D2、NMOS管漏極電壓v_D1和NMOS管柵極驅(qū)動電壓v_Dr1,。

    由于元件參數(shù)和理論計(jì)算存在誤差,，實(shí)驗(yàn)電路最優(yōu)工作頻率不是設(shè)計(jì)的100 kHz，而是110kHz,。工作在非最優(yōu)頻率下，開關(guān)斷開時(shí),，由于電感中電流不為零,，電流斜率也不為零，導(dǎo)致開關(guān)斷開瞬間,，電感電壓不為零,，從而造成開關(guān)兩端電壓不連續(xù)。頻率低于最優(yōu)頻率時(shí),，開關(guān)斷開相比最優(yōu)頻率下滯后,，電感電壓歸零后繼續(xù)充電，電流斜率為正,，此時(shí)開關(guān)斷開,，電感L₂電壓上沖，而電感L₁電壓下沖,，從而導(dǎo)致PMOS管漏極電壓低于電源電壓,，NMOS管漏極電壓高于0 V，如圖3(a)所示；工作頻率高于最優(yōu)頻率,，開關(guān)斷開相比最優(yōu)頻率下提前,，電感電流還未下降到零，電流斜率為負(fù),，此時(shí)斷開開關(guān),，電感L₂電壓出現(xiàn)下沖，而電感L₁電壓出現(xiàn)上沖,，從而導(dǎo)致PMOS管漏極電壓高于電源電壓,，NMOS管漏極電壓低于0 V，如圖3(c)所示,；最優(yōu)工作頻率下開關(guān),，開關(guān)斷開時(shí)，電感中電流為0,，其斜率為零,，PMOS管漏極電壓等于電源電壓，NMOS管漏極電壓等于0 V,，開關(guān)兩端電壓連續(xù),，如圖3(b)所示。

    不同工作頻率下測試直流電流,、輸出電壓計(jì)算功率放大器的效率,，結(jié)果在表3中列出。最優(yōu)工作頻率110 kHz下功率放大器的效率最高,，達(dá)到了97.8%,，頻率偏離10 kHz時(shí)，效率分別為83.3%和93.5%,。

    圖4顯示了最優(yōu)工作頻率110 kHz時(shí)的波形,，從上往下依次是PMOS管柵極驅(qū)動電壓v_Dr2、PMOS管漏極電壓v_D2,、輸出電壓v_o和NMOS管驅(qū)動電壓v_Dr1波形,。測量得出輸出相位為25°，與理論值接近,；負(fù)載上電壓幅度為1.72 V,，與理論計(jì)算接近，此時(shí)功率放大器的效率為97.8%,。

5 結(jié)論

    本文提出了一種新型串聯(lián)電感并聯(lián)調(diào)諧DE^-1類功率放大器,，利用ZCS和ZCSS條件對功率放大器波形進(jìn)行了理論分析，給出了電路元件的計(jì)算方法,。最后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路驗(yàn)證該功率放大器,。理論上DE^-1類功率放大器具有100%的效率,。實(shí)驗(yàn)中，3 V電源電壓110 kHz工作頻率下該放大器的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了97.8 %,，且波形與理論分析一致,。

參考文獻(xiàn)

[1] KAZIMIERCZUK M K.RF power amplifiers[M].John Wiley & Sons，2008.

[2] El-HAMAMSY S A.Design of high-efficiency RF class-D power amplifier[J].IEEE Transactions on Power Electronics,，2002,，9(3)：297-308.

[3] SOKAL N O，SOKAL A D.Class E-a new class of high-efficiency tuned single-ended switching power amplifiers[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,，1975,，10(3)：168-176.

[4] SUETSUGU T，KAZIMIERCZUK M K.Off-nominal operation of class-E amplifier at any duty ratio[J].IEEE Transactions on Crcuits and Systems-I：Regular Papers,，2007,，54(6)：1389-1397.

[5] 鄧思建，譚堅(jiān)文,，廖瑞金,，等.E類功率放大器負(fù)載變化對工作特性的影響分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015,，30(4)：98-105.

[6] KOIZUMI H,，SUETRUGU T，F(xiàn)UJII M,，et al.Class DE high-efficiency tuned power amplifier[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems-I：Fundamental Theory and Applications,，1996，43(1)：51-60.

[7] 劉昌,，李康,，孔凡敏.并聯(lián)電容對DE類功率放大器的影響[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2012,，37(4)：58-63.

[8] SEKIYA H,，WEI X，NAGASHIMA T,，et al.Steady-state analysis and design of class-DE inverter at any duty ratio[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2015,，30(7)：3685-3694.

[9] 劉野然,，曾怡達(dá).基于DE類功放的無線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015,，13(2)：98-101.

[10] THIAN M,，F(xiàn)USCO V.Idealized operation of zero-voltage-switching series/parallel-tuned class-E power amplifier[J].IET Circuits Devices systems，2008,，2(3)：337-346.

[11] Chen Peng,，He Songbai.Analysis of inverse class-e power amplifier at subnominal condition with 50% duty ratio[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems-II：Express Briefs,，2015，62(4)：342-346.

[12] Chen Peng,，He Songbai.Investigation of inverse class-E power amplifier at sub-nominal condition for any duty ratio[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems-I：Regular Papers,，2015，62(4)：1015-1024.

[13] International Rectifier.IRF7309 datasheet[Z].2004：1-11.

作者信息:

花再軍,，黃鳳辰,，陳  釗，李建霓

（河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,，江蘇 南京211100）