[发明专利]超高效率单级隔离式开关功率放大器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求基于美国法典第35篇第119条(e)(35U.S.C.119(e))，于2012年11月28日递交的临时专利申请NO61/7330，947的权利，其全部公开的内容在此被引用。

背景

1、技术领域

该发明和功率变换系统相关。特别是和超高效率单级隔离式开关放大器相关。

2、相关技术说明

功率转换装置用于将电源供应的功率转换为用于负载的电力功率。对于一个电力转换装置的理想功率转换过程，直流电源理论上可以转换所有应被提供传输给负载的有效能量。然而，这样的效率在现实的转化设备中并不总是可能的。为了获得高效率，设计目标是最大的或最优化的减少或者消除在功率流中的种种因素导致的功率损失。

在功率转换装置中产生的功率损失可以从两个角度来看，也即，元件角度和级角度。对于元件角度，如图1所示，常规的功率装置10通常的包含六个元件，可以分为功率损耗元件，如这里示出的开关元件P1，变压器元件P2，整流器元件P3，放大器元件P4，滤波器元件P5，和辅助电源元件P6。

开关元件P1通常包括一或多个用于产生合适的电源所需要的功率转换的高频开关。变压器元件P2通常包括一或多个高频开关隔离变压器。整流器元件P3通常包括一或多个整流电路。放大器元件P4通常包括开关驱动放大器，比如脉宽调制(PWM)放大器，其用于再生和放大输入信号到负载。滤波器元件P5通常包括一或多个电路以滤出脉宽调制放大器的高的载波频率。辅助电源元件P6通常包括辅助电源，其一方面消耗功率，另一方面，功率元件，比如调制器电路，用于转换装置的驱动电路，吸收环流和尖峰的吸收电路。

从级角度看，常规功率转换装置10，例如常规功率放大器10，通常经历至少两级----也即生成所需电源的第一级(以下简称“供应级”)和使用生成的电源用一或多组开关组合以放大输入信号的第二级(以下简称“放大级”)。在各级，这样的二级(或多级)功率放大器10产生功率损失，导致降低了系统效率。已经有努力将上述两级合并为单级以便提高系统效率。然而这样的努力在传统技术中的非常少的单级功率转换装置10上收效甚微。

无论级的数量多少，通常包括整流电路的整流器元件P3，在常规功率转换装置10里通常是必要的元件。在常规的技术里，如单级功率放大器，典型的包括在功率转换处理过程中的整流电路。在另一方面，整流器元件P3消耗功率，是常规的功率转换装置10中的上述六个元件中最大能量消耗元件的一个。

例如，：(i)在图2示出的半桥式结构中，1000-瓦开关功率放大器系统15，(ii)驱动两欧负载的放大器元件P4，和(iii)具有90％的效率的放大级。在这种结构中，整流器元件P3为放大级供给功率，放大级具有通过全波整流电路16的8安培有效电流36。在整流电路16中，各二极管的功率损失大约5.6瓦，使用下列方程式：

Ps＝1/2×I×Vf＝0.5×8A×1.4V＝5.6W

I是经过二极管的有效直流电流

Vf是整流二极管的正向电压降

相应的，四个整流二极管的总功率损失大约22.4瓦，或大约2.24％损失。

由于整流器元件P3的功率损耗的性质，工作重点放在了消除在开关功率放大器拓扑中的整流器元件P3上，特别是在单级开关功率放大器拓扑中，如上面所说的在传统技术中是非常少的。美国专利号为4，479，175(以下简称为“175专利”)，名为“相位调制的开关功率功率放大器和波形发生器”，由伊勒等(Gille)提出，描述了有意避免使用整流器元件P3的单级开关功率放大器。175专利的全部公开内容在这儿被参考引用。

图3A示出了在175专利中描述的开关功率放大器。参考图3A，放大器20在功率流动环中没有加入整流器元件P3。第一场效应晶体管S1(FET)和第二场效应晶体管S2被配置用作推挽开关电路以产生固定频率，以及确定50％占空比方波以驱动隔离变压器Tl。理想的，如图3B所示，干净的方波21与放大器20的结点A-B相交。功率MOS场效应晶体管(S3，S4)和(S5，S6)分别充作双向开关26A和26B。在操作中，当一个双向开关接通，另一个双向开关断开。两个开关在第一场效应晶体管S1和第二场效应晶体管S2处于同样频率时开关。双向开关26A和26典型地通过相移调制器(PSM)而控制。