一種基于分段線性化的高效率線性功率放大器

魏偉，李帆，蔡文嘉，榮先金，郭正，周宇雄

(1. 國網湖北省電力有限公司計量中心，武漢430223；2. 武漢大學電氣與自動化學院，武漢430072)

0 引言

為確?；ジ衅饔嬃繙蚀_性，減少供用電糾紛，保障國家法制計量器具的公正性和可靠性，提高電網計量工作的社會公信力，對計量用互感器的精確檢定、校準具有重大意義[1 - 5]?；ジ衅餍ｒ炗秒娫粗饕?種：基于開關型逆變器電源、電工式感應電源和基于線性功率放大器的線性電源?；陂_關型逆變器的校驗電源效率高、體積重量小，但是輸出波形諧波含量高，電源抗干擾性較差[6 - 9]，互感器校驗精度難以保障。電工式感應電源的電壓難以平滑調節，電源本身較為笨重，操作復雜?；诰€性功率放大器的電源結構簡單，輸出波形質量高，電壓調節簡便，抗干擾能力強，是理想的互感器校驗用電源。但傳統的線性功率放大器效率低，基于傳統線性功率放大器的電源難以實現較大的容量，且熱損耗嚴重，長時間穩定運行能力差[10 - 12]。受限于互感器校驗用電源的性能，當前互感器校驗工作需要大量手動調節、操作，工作量大，效率較低。

本文提出一種基于分段線性化的線性功率放大器電路拓撲，基于這種結構的電源具有較高的效率，其輸出波形質量好，長時間運行穩定性高，抗干擾能力強。

1 基于分段線性化的高效率線性功率放大器

1.1 電路結構

本文提出了一種新型高效率線性功率放大器，其電路如圖1所示。電路由正負2個橋臂構成，每個橋臂包含直流電源、功率開關管、鉗位二極管、信號源。圖1中U1=E1、U2=E2+E1、U3=E3+E2+E1、U4=E4+E3+E2+E1，直流側由多個直流電源串聯構成多電平疊加直流源，二極管控制電流的單向流通，多個串聯的功率開關管組成多個逐級介入的線性功率放大器，信號源Vs是被放大的原始信號，輸出波形Vout為經過功率放大的具備信號源Vs的頻率、幅值等波形特征參數的輸出波形。

圖1 新型高效率線性功率放大器電路Fig.1 The Novel high efficiency LPA circuit

新型高效率線性功率放大器的系統原理圖如圖2所示?；谛滦透咝示€性功率放大器的程控源的基本原理是通過多級高效率射極跟隨器將微弱功率的信號源不失真地放大為可以帶大功率負載的相同輸出波形，輸出波形能量由直流電源提供，波形、幅值、頻率等特征參數由信號源決定。信號源為連續模擬信號，輸出波形理論上無諧波含量。

圖2 新型高效率線性功率放大器系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of the noval high efficiency linear poweramplifier (LPA) system

1.2 工作原理分析

如圖1所示，新型高效率線性功率放大器上下橋臂對稱，上橋臂輸出正半波波形，下橋臂輸出負半波波形，在此以正橋臂為例分析其基本原理，負橋臂原理類比可得。以電力領域常見的正弦波功率放大器為例做詳細分析；實際上新型高效率線性功率放大器不局限于正弦波功率放大，可以對任意模擬信號做功率放大。

上橋臂功率開關導通狀態圖如圖3所示。

圖3 新型高效率線性功率放大器開關狀態Fig.3 Switching state level of the novel high efficiency LPA

以輸出波形為正弦波為例，正半波周期內電路運行原理如下。

1)當0

2)當U1

3)當U2

4)當U3

當信號源電壓較低時，由低電壓直流電源供電，輸出電壓也較低；當信號源電壓升高時自動切換到較高的直流電源供電，這時輸出電壓亦較高；電路始終只有1只功率管處于線性導通區間，其余功率開關管處于截止區間或者完全導通區間，整個程控源的熱損耗得以均勻分布在各個不同的功率開關管中，使得系統的散熱性能大幅提高，有利于提高程控源的容量。

2 新型高效率線性功率放大器的效率

2.1 提高效率的原理

圖4(a)所示為傳統的推挽式甲乙類線性功率放大器的電路結構圖，圖4(b)所示為傳統的推挽式甲乙類線性功率放大器電壓關系及損耗示意圖。

圖4(a)為傳統推挽式甲乙類線性功率放大器電路圖，其中下半橋臂為P溝道MOS管，受限于當前P溝道MOS管的耐壓值、容量，這種線性功率放大器很難實現較大的容量。圖4(b)所示為傳統推挽式甲乙類線性功率放大器的直流電平、輸出電壓波形之間的關系圖。傳統線性功率放大器的直流電源電壓必須始終高于輸出波形電壓的最高值，而輸出波形電壓是一個動態變化的函數，直流電源和輸出波形之間的電壓差值即為功率開關管上承受的壓降，這個較大的電壓差值與輸出電流積分產生較大的功率損耗，這也是傳統的線性功放效率低的根本原因[13 - 18]。

圖4 傳統線性功率放大器電路Fig.4 Circuit of traditional LPA

圖5(a)所示為新型高效率線性功率放大器的電路結構圖，圖5(b)所示為新型高效率線性功率放大器損耗示意圖。

圖5 新型高效率線性功率放大器效率分析圖Fig.5 Efficiency analysis chart ofnovel LPA

圖5(a)所示新型線性功率放大器的上橋臂部分電路與推挽式甲乙類線性功率放大器相比，其直流側為多個電源疊加構成的多電平直流電源，通過二極管單相輸出電流提供能量，其功率開關管部分為對應的多級串聯疊加結構。由于二極管單向導通特性以及功率開關管的開通特性，當信號源電壓較低時較低電壓的直流電源提供能量，隨著信號源電壓的升高自動切換到較高電壓的直流電源提供電流，直流電源與輸出電壓之間始終保持一個比較小的電壓差值，如圖5(b)，相比于圖4(b)，黑色方塊部分為減小的電壓差值，亦可理解為減小的損耗。在器件可以正常工作的電壓范圍內，電平數越多新型高效率線性功率放大器的效率越高。

2.2 新型高效率線性功率放大器效率計算

如圖4(a)所示傳統推挽式甲乙類線性功率放大器，以信號源和輸出電壓波形均為正弦波為例，功率因素角為φ， 有：

vout=Vsinθ

(1)

iout=Isin(θ-φ)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：vout、iout、Pout分別為功放輸出電壓、電流和功率；V、I為輸出電壓和電流幅值；VCC為電源電壓；Pdc為電源功率；η為效率。

當輸入信號的電壓幅值與直流電源電壓幅值相等即V=VCC，且電壓與電流相位角為0時，cosφ=1，推挽式乙類功率放大器的輸出最大效率約為78.5%。

對圖1所示的線性功率放大器，以信號源和輸出電壓波形均為正弦波為例，功率因素角為φ， 新型高效率功率放大器的電平級數理論上可為任意大于1的正整數，圖1只是選取n=4的一種情況做為示例。計算新型高效率功率放大器的效率，我們假定有n級電平，每一級直流電源的電壓值依次為E1,E2,…,En-1,En。

(6)

(7)

當θk-1<ωt<θk時，E1…Ek所疊加得到的直流電源Uk發出的平均功率為：

(8)

一個完整正弦周期內直流電源平均輸出功率為：

(9)

輸出正弦波功率為：

(10)

(11)

由式(6)可知，E1,E2, …,En-1,En電壓值的不同，最終得到的θ1,θ2, …,θn-1也不相同，每一級功率開關管熱損耗以及系統最終的效率也會有差別。有很多種方法確定各級直流源的電壓值的大小和占比，在此不做詳細探討，只取最簡單的一種特殊情況來做分析：E1=E2=…=En-1=En。很明顯，n值不同我們所得到的線性功率放大器的效率η也不同。結合式(6)、(9)—(11)以及E1=E2=…=En-1=En的設定，可以得到表1。

表1 新型高效率線性功率放大器效率Tab.1 Efficiency of the mentioned amplifier with different levels

從表1可以看出，相比式(5)所顯示的傳統推挽式甲乙類線性功率放大器不超過78.54%的理論效率，本文提出的新型高效線性功率放大器的效率優勢明顯。直流電源和開關功率管的級數越多線性功率放大器的效率也越高。但同時，級數越多直流源和開關器件的數量也越多，成本也會越高，因此需要在線性功率放大器的性能和成本間找到一個合適的平衡點。

3 實驗驗證

為驗證本文所提出的方案的正確性，搭建了一個8電平的實驗平臺，實驗框圖如圖6所示。

圖6 實驗平臺框圖Fig.6 Block diagram of experimental platform

8電平功率放大器正負橋臂一共需要16個電源，通過調壓器和變壓器提供，每個電源隔離，變壓器輸出經過整流和電容濾波獲得相應的直流電源，濾波電容為2 200 μF。信號產生電路產生兩路相位相反的正弦信號，經過隔離高壓放大電路放大，再經過交越失真抑制電路后作為正負橋臂功率管的驅動信號。圖7所示為實驗平臺實物照片。功率管型號為IRFP4468PBF，由于互感器測試時的負載特性為阻感性，實驗中用180 mH電感和90 Ω電阻串聯來模擬互感器，直流電源電壓為18 V。

圖7 實驗平臺實物圖片Fig.7 Image of the test platform

圖8為基于分段線性化高效率線性功率放大器的輸出波形，其中CH1為輸出電壓波形，CH2為輸出電流波形，通過2 Ω電阻取樣得到。可以看出，輸出電壓和電流均具有良好的正弦特性。輸出電壓峰值約為135 V，接近總輸入直流電壓144 V。

圖8 新型功率放大器實測波形Fig.8 Measured waveforms of the mentioned amplifier

基于實測的新型功放各項數據，將圖8所得的波形數據導入MATLAB中做波形成分分析，結果如表2所示。

表2 新型高效率線性功率放大器效率Tab.2 THD and efficiency of the mentioned amplifier

為進一步研究新型功率發放大器的變頻特性，調整控制信號源輸出頻率，圖9所示為頻率分別為150 Hz和400 Hz時的輸出波形，輸出仍能保持良好的正弦特性，但頻率升高時，受門極驅動電路的帶寬限制，輸出電壓幅值有所下降，后續研究應考慮增大驅動電路帶寬。

圖9 新型線性功率放大器變頻輸出Fig.9 Output voltages with variable frequency of the mentioned amplifier

為驗證新型功率放大器在實際互感器校驗中的應用效果，把新型功率放大器輸出接入自升壓標準互感器二次輸入，將標準互感器一次高壓端子和被測互感器高壓端子連在一起，被測互感器二次端子接入10 W負荷?；ジ衅鞫屋敵鲭妷悍謩e為額定20%和100%的新型放大器輸出電壓和電流波形如圖10所示。新型功率放大器完全符合電壓互感器校驗要求。

圖10 互感器校驗測試中新型放大器輸出電壓和電流(CH1為電壓，CH2為電流)Fig.10 Output voltages and currents of the mentioned amplifier during the experiment of transformer test

4 結論

電力計量用互感器的校驗準確性及精確度受校驗用電源的影響極大。為解決當前互感器校驗用電源存在的各種問題，本文提出了一種基于分段線性化的高效率線性功率放大器作為其電源。本電源可以通過調節信號源的幅值及頻率來調節輸出波形的幅值和頻率；解決了基于開關型逆變電源輸出波形諧波含量高的問題；通過高精度控制驅動電壓可以實現輸出電壓的精確控制，具備解決電工式電源難以精確調節電壓問題的能力。該電源具有以下幾個特點。

1) 所提新型高效率線性功率發電器電路可以顯著提高傳統線性功率放大器的效率，有效降低線性功率放大器的損耗；

2) 輸出波形理論上為單一頻率正弦波，無諧波成分，其輸出波形質量優良，可以應用于對波形質量要求高的場合；

3)新型高效率線性功率放大器采用多級結構，多個功率開關管逐級參與功率變換，其熱損耗得以均勻分布在各個開關管中，有效提高系統的散熱效率，同時可提高系統整體工作效率。