[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

说明书

本发明涉及线性功率放大技术，具体涉及一种提高线性功率放大器效率电路拓扑及方法，该电路拓扑，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。线性功率放大器通过控制半导体器件的导通状态，使得开关器件的导通阻抗与负载阻抗进行线性动态分压，实现对控制信号的不失真跟随，将微弱功率的控制信号进行功率放大。解决了常规的线性功率放大器直流电源电压与输出电压波形之间较大的电压差值导致其损耗大，效率较低的问题。采用多电平分级逐段线性化的拓扑结构可以将放大器的热损耗均匀分布在各个半导体器件模块中，使得线性功率放大器的散热压力大幅降低，提高了线性功率放大器的效率。

技术领域

本发明属于线性功率放大技术领域，尤其涉及一种提高线性功率放大器效率的电路拓扑及方法。

背景技术

功率变换的本质是将一直特征参数的电能转化为另一种特征参数的电能，这其中最主流的一种方式就是功率放大。即直流电源提供电压值恒定的直流电能，通过变换器将其转变为具备某种波形特征参数的电能。功率放大分为开关型功率变换器和线性功率放大器。PWM开关变换器电路结构简单，效率高，但其输出波形实质上是离散的脉冲方块，须滤除含量丰富的谐波方可得到性能满足要求的单一频率正弦电能，且其中半导体开关器件的高频开关过程带来电磁辐射，在一些EMI敏感的应用场合要做相应处理方可投入使用。线性功率放大器直接对微弱功率的控制信号进行功率放大，输出波形质量优良，理论上无谐波；但传统线性功率放大器效率较低；大功率领域常用的推挽式甲乙类线性功率放大器，输出完整正弦波时理论效率不高于78.54％。

功率变换器的效率是其最核心的性能参数，PWM开关变换器较高的效率使其得到广泛的改进研究及应用，成为当前主流功率变换方案；但PWM开关变换器存在一些无法解决的固有缺陷，并不能适应一些对电能质量要求很高的应用场合，而传统的线性功率放大器尽管在输出波形质量方面优势明显，但其较低的效率限制了广泛应用。常规的线性功率放大器，直流电源电压与输出电压波形之间较大的电压差值是其损耗大，效率较低的根本原因。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过减小直流电源电压与线性功率放大器输出电压之间的差值，有效降低线性功率放大器的损耗的拓扑及方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种提高线性功率放大器效率的电路拓扑，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。

在上述的提高线性功率放大器效率的电路拓扑中，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。

在上述的提高线性功率放大器效率的电路拓扑中，线性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。

在上述的提高线性功率放大器效率的电路拓扑中，线性放大模块中使用的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。

在上述的提高线性功率放大器效率的电路拓扑中，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。

在上述的提高线性功率放大器效率的电路拓扑中，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。

一种提高线性功率放大器效率的方法，包括采用多级直流电源串联叠加的方式得到多电平直流电压；采用电力二极管来控制电流的流通方向进而控制能量的流通；采用多个大功率半导体器件及其必要辅助电路构成并联射极跟随器；通过硬件电路来控制多个大功率半导体器件的开通顺序实现分段逐级线性化；同时通过调节信号源频率、幅值等波形特征参数实现输出波形对应参数的调节；并采用补偿控制为线性功率放大器电路提供保护。