0 引言

    D類功率放大器由于器件寄生電容的存在,，當開關導通引起能量損耗，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換(Zero Voltage Switching,，ZVS)和零電壓斜率轉換(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上的峰值電壓會達到電源電壓的3倍以上^[3-4],，這對于耐壓受限的晶體管來說應用受到了限制,。結合D類與E類功率放大器產生了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類功率放大器已經被應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,，其開關器件上的峰值電壓下降為電源電壓的1/2.8,，且最優(yōu)負載相比E類功率放大器提高數(shù)倍,，具有較高的研究價值^[11-12]。

    本文將D類功率放大器與E^-1類功率放大器結合,，提出一種新型串聯(lián)電感并聯(lián)調諧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行分析。然后給出元件參數(shù)的計算表達式,，接著對電路特性進行分析,，最后實現(xiàn)了一個串聯(lián)電感并聯(lián)調諧DE^-1類放大器，對理論分析進行驗證,。

1 DE-1類功率放大器理論

    串聯(lián)電感并聯(lián)調諧DE^-1類功率放大器如圖1所示,。S1和S2分別是NMOS管和PMOS管，工作在開關狀態(tài),，受驅動電壓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)關系,。串聯(lián)中心點通過隔直電容與Lp-Cp并聯(lián)諧振網絡,、補償電容C和負載R_L連接。

    為了簡化分析,，作如下假設：

    (1)晶體管是理想開關,，導通時短路，截止時開路,。

    (2)開關工作在占空比為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)調諧DE^-1類功率放大器的等效電路如圖2所示,。

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

    當開關中的電流滿足式(15)和式(16)的ZCS和ZCSS條件時,，串聯(lián)電感并聯(lián)調諧DE^-1類功率放大器達到最優(yōu)的操作^[10]。

2 DE^-1類功率放大器元件參數(shù)計算

3 DE^-1類功率放大器的特性

    對電流i_s2(θ)進行積分得到從直流電壓源吸取的電流：

4 電路實驗與結果

    給定參數(shù)V_dd=3 V,，P_o=0.2 W,，Q=5.8，f=100 kHz,，根據(jù)相關表達式設計串聯(lián)電感并聯(lián)調諧DE^-1類功率放大器,。根據(jù)表達式計算電路元件參數(shù)，利用計算元件參數(shù)搭建該放大器電路進行實驗。實驗中MOS管選用IRF7309,，它包含1個NMOS管和1個PMOS管,，參數(shù)如表1所列^[13]。

    實驗DE^-1類功率放大器的元件參數(shù)的理論計算結果和實驗用值列在表2中,。

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

    由于元件參數(shù)和理論計算存在誤差,，實驗電路最優(yōu)工作頻率不是設計的100 kHz,，而是110kHz。工作在非最優(yōu)頻率下,，開關斷開時,，由于電感中電流不為零，電流斜率也不為零,，導致開關斷開瞬間,，電感電壓不為零，從而造成開關兩端電壓不連續(xù),。頻率低于最優(yōu)頻率時,，開關斷開相比最優(yōu)頻率下滯后，電感電壓歸零后繼續(xù)充電,，電流斜率為正,，此時開關斷開，電感L₂電壓上沖,，而電感L₁電壓下沖,，從而導致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，此時斷開開關,，電感L₂電壓出現(xiàn)下沖,，而電感L₁電壓出現(xiàn)上沖,，從而導致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,，開關斷開時,，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、輸出電壓計算功率放大器的效率,，結果在表3中列出,。最優(yōu)工作頻率110 kHz下功率放大器的效率最高，達到了97.8%,，頻率偏離10 kHz時,，效率分別為83.3%和93.5%。

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

5 結論

    本文提出了一種新型串聯(lián)電感并聯(lián)調諧DE^-1類功率放大器,，利用ZCS和ZCSS條件對功率放大器波形進行了理論分析,，給出了電路元件的計算方法。最后設計實驗電路驗證該功率放大器,。理論上DE^-1類功率放大器具有100%的效率,。實驗中，3 V電源電壓110 kHz工作頻率下該放大器的轉換效率達到了97.8 %,，且波形與理論分析一致,。

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作者信息:

花再軍，黃鳳辰,，陳  釗,，李建霓

（河海大學 計算機與信息學院，江蘇 南京211100）