摘要：

提出了一種新型串聯電感並聯調諧DE-1類功率放大器，利用零電流轉換(ZCS)和零電流斜率轉換(ZCSS)條件對電路進行理論分析。推導出了理想條件下該功率放大器的各元件參數的計算表達式。計算分析了該放大器的性能。DE-1類功率放大器理論上具有100%的效率，既具有D類功率放大器的優點，又具有E-1類放大器的優點。設計了實驗電路對理論分析進行驗證。採用3 V電源，在110 kHz頻率下，該功率放大器的效率達到了97.8%，且實驗波形與理論分析一致。

0 引言

    D類功率放大器由於器件寄生電容的存在，當開關導通引起能量損耗，該損耗與工作頻率成正比[1-2]。E類功率放大器利用零電壓轉換(Zero Voltage Switching，ZVS)和零電壓斜率轉換(Zero Voltage Slope Switching，ZVSS)減小了晶體管輸出寄生電容的損耗，具有較高的輸出功率和效率[3]。SUETSUGU T等研究了任意佔空比下的最優和次優E類功率放大器[4]。鄧思建等研究了輸出負載變化對E 類功率放大器的性能影響[5]。然而，E類功率放大器的開關上的峯值電壓會達到電源電壓的3倍以上[3-4]，這對於耐壓受限的晶體管來說應用受到了限制。結合D類與E類功率放大器產生了DE類功率放大器[6]。劉昌等研究了輸出電容對DE類功率放大器的影響[7]。SEKIYA H等進一步將DE類功率放大器拓展到任意佔空比[8]。DE類功率放大器已經被應用在無線能量傳輸中[9]。E-1類功率放大器[10]相比於E類功率放大器，其開關器件上的峯值電壓下降爲電源電壓的1/2.8，且最優負載相比E類功率放大器提高數倍，具有較高的研究價值[11-12]。

    本文將D類功率放大器與E-1類功率放大器結合，提出一種新型串聯電感並聯調諧DE-1類功率放大器。首先利用ZCS和ZCSS條件[10]對該功率放大器的工作過程進行分析。然後給出元件參數的計算表達式，接着對電路特性進行分析，最後實現了一個串聯電感並聯調諧DE-1類放大器，對理論分析進行驗證。

1 DE-1類功率放大器理論

    串聯電感並聯調諧DE-1類功率放大器如圖1所示。S1和S2分別是NMOS管和PMOS管，工作在開關狀態，受驅動電壓VDr1和VDr2控制。電感L1和L2分別與MOS管的漏極連接，形成串聯關係。串聯中心點通過隔直電容與Lp-Cp並聯諧振網絡、補償電容C和負載RL連接。

    爲了簡化分析，作如下假設：

    (1)晶體管是理想開關，導通時短路，截止時開路。

    (2)開關工作在佔空比爲25%的方波下。

    (3)並聯LC電路的Q值足夠大使得輸出電壓是正弦波。

    (4)所有元件爲理想元件。隔直電容CDC爲理想電容，無交流壓降。

    理想串聯電感並聯調諧DE-1類功率放大器的等效電路如圖2所示。

    根據假設(3)，負載上的電壓和電流是正弦的，表達式如式(1)和式(2)所示。

    當開關中的電流滿足式(15)和式(16)的ZCS和ZCSS條件時，串聯電感並聯調諧DE-1類功率放大器達到最優的操作[10]。

2 DE-1類功率放大器元件參數計算

3 DE-1類功率放大器的特性

    對電流is2(θ)進行積分得到從直流電壓源吸取的電流：

4 電路實驗與結果

    給定參數Vdd=3 V，Po=0.2 W，Q=5.8，f=100 kHz，根據相關表達式設計串聯電感並聯調諧DE-1類功率放大器。根據表達式計算電路元件參數，利用計算元件參數搭建該放大器電路進行實驗。實驗中MOS管選用IRF7309，它包含1個NMOS管和1個PMOS管，參數如表1所列[13]。

    實驗DE-1類功率放大器的元件參數的理論計算結果和實驗用值列在表2中。

    圖3給出了工作頻率分別是100 kHz、110 kHz和120 kHz下的MOS管驅動信號和MOS漏極電壓波形。各頻率下波形從上往下4個信號依次是PMOS管柵極驅動電壓vDr2、PMOS管漏極電壓vD2、NMOS管漏極電壓vD1和NMOS管柵極驅動電壓vDr1。

    由於元件參數和理論計算存在誤差，實驗電路最優工作頻率不是設計的100 kHz，而是110kHz。工作在非最優頻率下，開關斷開時，由於電感中電流不爲零，電流斜率也不爲零，導致開關斷開瞬間，電感電壓不爲零，從而造成開關兩端電壓不連續。頻率低於最優頻率時，開關斷開相比最優頻率下滯後，電感電壓歸零後繼續充電，電流斜率爲正，此時開關斷開，電感L2電壓上衝，而電感L1電壓下衝，從而導致PMOS管漏極電壓低於電源電壓，NMOS管漏極電壓高於0 V，如圖3(a)所示；工作頻率高於最優頻率，開關斷開相比最優頻率下提前，電感電流還未下降到零，電流斜率爲負，此時斷開開關，電感L2電壓出現下衝，而電感L1電壓出現上衝，從而導致PMOS管漏極電壓高於電源電壓，NMOS管漏極電壓低於0 V，如圖3(c)所示；最優工作頻率下開關，開關斷開時，電感中電流爲0，其斜率爲零，PMOS管漏極電壓等於電源電壓，NMOS管漏極電壓等於0 V，開關兩端電壓連續，如圖3(b)所示。

    不同工作頻率下測試直流電流、輸出電壓計算功率放大器的效率，結果在表3中列出。最優工作頻率110 kHz下功率放大器的效率最高，達到了97.8%，頻率偏離10 kHz時，效率分別爲83.3%和93.5%。

    圖4顯示了最優工作頻率110 kHz時的波形，從上往下依次是PMOS管柵極驅動電壓vDr2、PMOS管漏極電壓vD2、輸出電壓vo和NMOS管驅動電壓vDr1波形。測量得出輸出相位爲25°，與理論值接近；負載上電壓幅度爲1.72 V，與理論計算接近，此時功率放大器的效率爲97.8%。

5 結論

    本文提出了一種新型串聯電感並聯調諧DE-1類功率放大器，利用ZCS和ZCSS條件對功率放大器波形進行了理論分析，給出了電路元件的計算方法。最後設計實驗電路驗證該功率放大器。理論上DE-1類功率放大器具有100%的效率。實驗中，3 V電源電壓110 kHz工作頻率下該放大器的轉換效率達到了97.8 %，且波形與理論分析一致。

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作者信息:

花再軍，黃鳳辰，陳  釗，李建霓

（河海大學 計算機與信息學院，江蘇 南京211100）