【学术论文】一种新型串联电感并联调谐DE-1类功率放大器

摘要：

提出了一种新型串联电感并联调谐DE-1类功率放大器，利用零电流转换(ZCS)和零电流斜率转换(ZCSS)条件对电路进行理论分析。推导出了理想条件下该功率放大器的各元件参数的计算表达式。计算分析了该放大器的性能。DE-1类功率放大器理论上具有100%的效率，既具有D类功率放大器的优点，又具有E-1类放大器的优点。设计了实验电路对理论分析进行验证。采用3 V电源，在110 kHz频率下，该功率放大器的效率达到了97.8%，且实验波形与理论分析一致。

0 引言

D类功率放大器由于器件寄生电容的存在，当开关导通引起能量损耗，该损耗与工作频率成正比[1-2]。E类功率放大器利用零电压转换(Zero Voltage Switching，ZVS)和零电压斜率转换(Zero Voltage Slope Switching，ZVSS)减小了晶体管输出寄生电容的损耗，具有较高的输出功率和效率[3]。SUETSUGU T等研究了任意占空比下的最优和次优E类功率放大器[4]。邓思建等研究了输出负载变化对E 类功率放大器的性能影响[5]。然而，E类功率放大器的开关上的峰值电压会达到电源电压的3倍以上[3-4]，这对于耐压受限的晶体管来说应用受到了限制。结合D类与E类功率放大器产生了DE类功率放大器[6]。刘昌等研究了输出电容对DE类功率放大器的影响[7]。SEKIYA H等进一步将DE类功率放大器拓展到任意占空比[8]。DE类功率放大器已经被应用在无线能量传输中[9]。E-1类功率放大器[10]相比于E类功率放大器，其开关器件上的峰值电压下降为电源电压的1/2.8，且最优负载相比E类功率放大器提高数倍，具有较高的研究价值[11-12]。

本文将D类功率放大器与E-1类功率放大器结合，提出一种新型串联电感并联调谐DE-1类功率放大器。首先利用ZCS和ZCSS条件[10]对该功率放大器的工作过程进行分析。然后给出元件参数的计算表达式，接着对电路特性进行分析，最后实现了一个串联电感并联调谐DE-1类放大器，对理论分析进行验证。

1 DE-1类功率放大器理论

串联电感并联调谐DE-1类功率放大器如图1所示。S1和S2分别是NMOS管和PMOS管，工作在开关状态，受驱动电压VDr1和VDr2控制。电感L1和L2分别与MOS管的漏极连接，形成串联关系。串联中心点通过隔直电容与Lp-Cp并联谐振网络、补偿电容C和负载RL连接。

为了简化分析，作如下假设：

(1)晶体管是理想开关，导通时短路，截止时开路。

(2)开关工作在占空比为25%的方波下。

(3)并联LC电路的Q值足够大使得输出电压是正弦波。

(4)所有元件为理想元件。隔直电容CDC为理想电容，无交流压降。

理想串联电感并联调谐DE-1类功率放大器的等效电路如图2所示。

根据假设(3)，负载上的电压和电流是正弦的，表达式如式(1)和式(2)所示。

当开关中的电流满足式(15)和式(16)的ZCS和ZCSS条件时，串联电感并联调谐DE-1类功率放大器达到最优的操作[10]。

2 DE-1类功率放大器元件参数计算

3 DE-1类功率放大器的特性

对电流is2(θ)进行积分得到从直流电压源吸取的电流：

4 电路实验与结果

给定参数Vdd=3 V，Po=0.2 W，Q=5.8，f=100 kHz，根据相关表达式设计串联电感并联调谐DE-1类功率放大器。根据表达式计算电路元件参数，利用计算元件参数搭建该放大器电路进行实验。实验中MOS管选用IRF7309，它包含1个NMOS管和1个PMOS管，参数如表1所列[13]。

实验DE-1类功率放大器的元件参数的理论计算结果和实验用值列在表2中。

图3给出了工作频率分别是100 kHz、110 kHz和120 kHz下的MOS管驱动信号和MOS漏极电压波形。各频率下波形从上往下4个信号依次是PMOS管栅极驱动电压vDr2、PMOS管漏极电压vD2、NMOS管漏极电压vD1和NMOS管栅极驱动电压vDr1。

由于元件参数和理论计算存在误差，实验电路最优工作频率不是设计的100 kHz，而是110kHz。工作在非最优频率下，开关断开时，由于电感中电流不为零，电流斜率也不为零，导致开关断开瞬间，电感电压不为零，从而造成开关两端电压不连续。频率低于最优频率时，开关断开相比最优频率下滞后，电感电压归零后继续充电，电流斜率为正，此时开关断开，电感L2电压上冲，而电感L1电压下冲，从而导致PMOS管漏极电压低于电源电压，NMOS管漏极电压高于0 V，如图3(a)所示；工作频率高于最优频率，开关断开相比最优频率下提前，电感电流还未下降到零，电流斜率为负，此时断开开关，电感L2电压出现下冲，而电感L1电压出现上冲，从而导致PMOS管漏极电压高于电源电压，NMOS管漏极电压低于0 V，如图3(c)所示；最优工作频率下开关，开关断开时，电感中电流为0，其斜率为零，PMOS管漏极电压等于电源电压，NMOS管漏极电压等于0 V，开关两端电压连续，如图3(b)所示。

不同工作频率下测试直流电流、输出电压计算功率放大器的效率，结果在表3中列出。最优工作频率110 kHz下功率放大器的效率最高，达到了97.8%，频率偏离10 kHz时，效率分别为83.3%和93.5%。

图4显示了最优工作频率110 kHz时的波形，从上往下依次是PMOS管栅极驱动电压vDr2、PMOS管漏极电压vD2、输出电压vo和NMOS管驱动电压vDr1波形。测量得出输出相位为25°，与理论值接近；负载上电压幅度为1.72 V，与理论计算接近，此时功率放大器的效率为97.8%。

5 结论

本文提出了一种新型串联电感并联调谐DE-1类功率放大器，利用ZCS和ZCSS条件对功率放大器波形进行了理论分析，给出了电路元件的计算方法。最后设计实验电路验证该功率放大器。理论上DE-1类功率放大器具有100%的效率。实验中，3 V电源电压110 kHz工作频率下该放大器的转换效率达到了97.8 %，且波形与理论分析一致。

参考文献

[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] 邓思建，谭坚文，廖瑞金，等.E类功率放大器负载变化对工作特性的影响分析[J].电工技术学报，2015，30(4)：98-105.

[6] KOIZUMI H，SUETRUGU T，FUJII 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] 刘昌，李康，孔凡敏.并联电容对DE类功率放大器的影响[J].半导体技术，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] 刘野然，曾怡达.基于DE类功放的无线电能传输系统设计与分析[J].电子设计工程，2015，13(2)：98-101.

[10] THIAN M，FUSCO 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:

花再军，黄凤辰，陈  钊，李建霓

（河海大学 计算机与信息学院，江苏 南京211100）