[发明专利]一种提高线性功率放大器效率的电路拓扑及方法

权利要求书

1.一种提高线性功率放大器效率的电路的控制方法，电路包括依次连接的直流电源模块、逐级导通控制模块、线性功率放大模块、信号源模块和补偿控制模块；直流电源模块包括多个直流电压源串联，用于产生多级电平的直流电源；线性功率放大模块为多个并联的大功率半导体器件及其辅助电路组成的多个并联的大容量射极跟随器；大功率半导体器件包括绝缘栅双极型晶体管IGBT，大功率双极型三极管BJT，大功率金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET；逐级导通控制模块包括通过电力二极管限制直流电源模块能量的单向流通，通过小功率双极型三极管BJT极间电位，钳位电力二极管阳极与阴极之间电位以及外加控制信号控制对应大功率半导体器件的导通状态；信号源模块为信号发生器；补偿控制模块包括控制系统及保护电路；其特征是，该电路为四级电平电路，直流电源模块包括第一直流电源E₁、第二直流电源E₂、第三直流电源E₃和第四直流电源E₄串联而成，第一直流电源E₁、第二直流电源E₂、第三直流电源E₃和第四直流电源E₄的输出端口电压分别是第一直流电压源电压U₁=E₁、第二直流电压源电压U₂=E₂+E₁、第三直流电压源电压U₃= E₃+E₂+E₁和第四直流电压源电压U₄=E₄+E₃+E₂+E₁，在第一直流电压源电压U₁、第二直流电压源电压U₂、第三直流电压源电压U₃、第四直流电压源电压U₄的输出端口分别引出电源线与第一电力二极管（D_N1）、第二电力二极管（D_N2）、第三电力二极管（D_N3）、第四电力二极管（D_N4）串联单向传送输出电能；信号源V_s施加在各分级控制模块和系统零电位参考点之间；

该方法包括以下步骤：

步骤1、通过逐级导通控制模块控制不同信号源电压值情况下哪级直流电压供电以及哪级射极跟随器投入运行；具体包括：

步骤1.1、当0＜V_s≤U₁ ，逐级导通控制模块控制第一级射极跟随器（LPA1）投入运行，第一直流电压源电压U₁的输出端口通过与之串联的第一电力二极管（D_N1）提供电压、电流，此时只有第一直流电源供电，只有第一级射极跟随器进行能量传输变换，输出电压0≤V_oU₁；

步骤1.2、当U₁＜V_s≤U₂ ，逐级导通控制模块控制第二级射极跟随器（LPA2）投入运行，第一直流电源与第二直流电源串联组成的第二直流电压源电压U₂的输出端口通过与之串联的第二电力二极管（D_N2）提供电流、电压，此时第一、第二直流电源串联供电，只有第二级射极跟随器进行能量传输变换，输出电压U₁≤V_oU₂；

步骤1.3、当U₂＜V_s≤U₃，逐级导通控制模块控制第三级射极跟随器（LPA3）投入运行，第一直流电压源、第二直流电压源和第三直流电压源从第三直流电压源电压U₃的输出端口通过与之串联的第三电力二极管（D_N3）提供电流、电压，此时第一、第二和第三直流电源串联供电，只有第三级射极跟随器进行能量传输变换，输出电压U₂≤V_oU₃；

步骤1.4、当U₃＜V_s≤U₄ ，逐级导通控制模块控制第四级射极跟随器（LPA4）投入运行，第一直流电压源、第二直流电压源、第三直流电压源和第四级直流电压源从第四直流电压源电压U₄的输出端口直接提供电流、电压，此时第一、第二、第三和第四直流电源串联供电，只有第四级射极跟随器进行能量传输变换，输出电压U₃≤V_oU₄；

步骤2、逐级导通控制模块控制的步骤：

步骤2.1、当0＜V_s≤U₁时，在逐级导通控制模块的控制下，只有第一级射极跟随器（LPA1）处于线性放大状态，即只有第一MOS管（Q₁）处于线性区，第二MOS管（Q₂）、第三MOS管（Q₃）、第四MOS管（Q₄）均处于截止区；第一级射极跟随器处于线性导通状态且进行能量的传输变换；

步骤2.2、当U₁＜V_s≤U₂时，在逐级导通控制模块的控制下，第一级射极跟随器（LPA1）、第二级射极跟随器（LPA2）处于线性放大状态，即第一MOS管（Q₁）、第二MOS管（Q₂）处于线性区，第三MOS管（Q₃）、第四MOS管（Q₄）均处于截止区，但由于U₁＜V_o，第二电力二极管（D_N2）处于反向截止状态，只有第二级射极跟随器处于线性导通状态且进行能量的传输变换；

步骤2.3、当U₂＜V_s≤U₃时，在逐级导通控制模块的控制下，第一级射极跟随器（LPA1）、第二级射极跟随器（LPA2）和第三级射极跟随器（LPA3）处于线性放大状态，即第一MOS管（Q₁）、第二MOS管（Q₂）、第三MOS管（Q₃）处于线性区，第四MOS管（Q₄）处于截止区，但由于U₁＜U₂＜V_o，第一电力二极管（D_N1）、第二电力二极管（D_N2）处于反向截止状态，只有第三级射极跟随器处于线性导通状态且进行能量的传输变换；

步骤2.4、当U₃＜V_s≤U₄时，在逐级导通控制模块的控制下，第一级射极跟随器（LPA1）、第二级射极跟随器（LPA2）和第四级射极跟随器（LPA4）处于线性放大状态，即第一MOS管（Q₁）、第二MOS管（Q₂）、第三MOS管（Q₃）、第四MOS管（Q₄）均处于线性区，但由于U₁＜U₂＜U₃＜V_o，第一电力二极管（D_N1）、第二电力二极管（D_N2）、第三电力二极管（D_N3）处于反向截止状态，只有第四级射极跟随器处于线性导通状态且进行能量的传输变换。