熊宏錦 王 楠 熊鵬文 苑秉成

（海軍工程大學(xué)兵器工程系1） 武漢 430033） （海軍駐昆明地區(qū)軍事代表室2） 昆明 650118）（東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院3） 南京 210096）

0 引 言

隨著電子信息科技的飛速發(fā)展，功率放大器已經(jīng)被悄無聲息地廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，但絕大多數(shù)時候人們遇到的功放都是超小功率的［1］．在某海底目標(biāo)探測的大型工程實現(xiàn)中，應(yīng)用了一種特殊的大功率可控硅開關(guān)功率放大器，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的深海底目標(biāo)探測．該功率放大器可輸出高達(dá)上千kW的功率，發(fā)射系統(tǒng)在工作時處于高電壓、大電流狀態(tài)，其相關(guān)電流電壓值難以采集和測量，為了充分掌握它的工作機(jī)理和電氣特性，有必要對其電路進(jìn)行仿真研究．

目前，在對小功率功率放大器研究中，已出現(xiàn)多種仿真思路和研究方法［2－7］，而對于大功率功放，國內(nèi)外很少有文獻(xiàn)報道［8］．本文選擇OrCAD仿真軟件對功放系統(tǒng)的等效電路模型進(jìn)行仿真．OrCAD用于電路仿真時，該軟件具有豐富的模擬和數(shù)字元件模型，對元件的編輯及參數(shù)的修改非常方便，且仿真結(jié)果十分接近實際電路的分析結(jié)果，是目前流行的EDA軟件之一［9－12］．本文將依據(jù)功放電路在自然換流狀態(tài)下的時序分析，建立滿足不同需求的等效電路模型，為了仿真需要，基于OrCAD平臺下設(shè)計了低阻高效的循環(huán)模擬開關(guān)，并利用它對自然換流狀態(tài)下的等效電路模型進(jìn)行計算仿真．

1 可控硅開關(guān)功率放大器的基本原理

圖1所示電路是一個大功率可控硅開關(guān)功率放大器，該電路的工作原理在文獻(xiàn)［8］中曾給出，為便于下文仿真，現(xiàn)作簡單描述．

圖1 可控硅開關(guān)功率放大器的電路圖

圖1所示電路由6組并聯(lián)的串聯(lián)可控硅逆變器和1個匹配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成．通過在可控硅的柵極周期性地加觸發(fā)電壓，使上下2個可控硅循環(huán)導(dǎo)通工作．設(shè)振蕩器電路的固有諧振頻率為f0，可控硅的觸發(fā)頻率為f．則：當(dāng)f＜f0，逆變器工作在自然換流狀態(tài)；當(dāng)f＝f0，逆變器在臨界換流狀態(tài)；當(dāng)f＞f0，逆變器在強(qiáng)迫換流狀態(tài)．為了得到近似于正弦的波形，即保證逆變器工作在臨界狀態(tài)附近，振蕩器后面連接一個4階低通濾波器，它起到低通濾波和負(fù)載匹配的作用，從而使電路可以工作在一定帶寬的頻率下．

2 自然換流狀態(tài)下的功放等效電路模型

實際上，在放大器的工作過程中，可控硅就相當(dāng)于一個控制支路通斷的開關(guān)，由于圖1中6組逆變器的參數(shù)值相同，只是在不同時間點上分別觸發(fā)而已，此外，自激振蕩過程是在沒有可控硅工作情況下進(jìn)行的，所以，處于自然換流狀態(tài)下的開關(guān)功放可以等效為一個簡單的單管電路，見圖2．

圖2 自然換流狀態(tài)的等效電路一

需要注意的是，電壓源E應(yīng)該滿足“高斷低”的模式，其波形示意圖如圖2b）所示．當(dāng)E為高電壓時，表示當(dāng)前可控硅導(dǎo)通，且E通過回路向Cf充電；當(dāng)E為斷開時，表示當(dāng)前可控硅截止且下一可控硅尚未導(dǎo)通，充電回路過渡到輸出回路和負(fù)載開始的自激振蕩過程；當(dāng)E為低電壓時，表示下一可控硅導(dǎo)通，自激振蕩過程過渡到放電過程，即Cf向回路放電，此時電壓源E相當(dāng)于短路．

為了便于仿真和求解，可以將上述過程按時間順序等效為充電回路、自激振蕩和放電回路3種電路模型，見圖3．

在OrCAD仿真軟件中，無法直接實現(xiàn)圖2b）所示的電壓源E，因此，將圖2a）所示電路進(jìn)一步等效為圖4所示電路．

圖3 自然換流狀態(tài)下的子電路模型

圖4 自然換流狀態(tài)的等效電路三

圖4 中E為周期性脈沖源，通過干路上的開關(guān)K來實現(xiàn)圖2b）中“斷”的作用．即在當(dāng)前可控硅快截止時K斷開，當(dāng)下一可控硅快導(dǎo)通時K閉合．因此，若K能實現(xiàn)循環(huán)開關(guān)的功能，則圖2所示電路就便可對自然換流狀態(tài)下開關(guān)功率放大器進(jìn)行等效．而在OrCAD仿真軟件中，僅有元器件庫ANL＿M(jìn)ISC中的Sw＿tclose和Sw＿topen可實現(xiàn)一次性的通和斷．沒有元器件能實現(xiàn)循環(huán)開關(guān)的功能，需要自行設(shè)計一個循環(huán)模擬開關(guān)．

3 OrCAD環(huán)境下循環(huán)模擬開關(guān)的實現(xiàn)

如圖5所示的單管MOS模擬開關(guān)，柵極位于中間，表明漏極和源極可以對換．襯底極接在最低電位上．加在柵極上的電壓VG用來控制開關(guān)的通斷，要求VG高電平時開關(guān)通，低電平時開關(guān)斷．輸入信號電壓Vi和輸出負(fù)載R 分別加在MOS管的漏極和源極上．

圖5 單MOS管模擬開關(guān)及其工作在非飽和區(qū)時Ron的曲線

當(dāng)MOS管工作在非飽和區(qū)時，根據(jù)電工原理，MOS管的導(dǎo)通電阻Ron為

式中：VGH＝7V為VG的高電平值；Ron的值見圖5b）．

圖6 雙MOS管模擬開關(guān)及其導(dǎo)通電阻變化曲線

為了克服Ron隨Vi變化的缺點，現(xiàn)采用兩MOS管并聯(lián)的方式來構(gòu)成模擬開關(guān)，見圖6．T1為N溝道EMOS管，T2為P溝道EMOS管．由于圖6中2個MOS管為并聯(lián)關(guān)系，則其導(dǎo)通電阻Ron為兩管導(dǎo)通電阻的并聯(lián)值，即Ron＝Ron1∥Ron2．其變化特性曲線見圖6b）．

由圖6b）可知，當(dāng)Vi由小增大時，N溝道管T1的導(dǎo)通電阻Ron1相應(yīng)地由小增大，并趨于無窮；而當(dāng)Vi由大變小時，P溝道管T2的導(dǎo)通電阻Ron2相應(yīng)地由小增大，并趨于無窮．利用這種相反變化的特性，可在Vi的變化范圍內(nèi)獲得小而較為穩(wěn)定的導(dǎo)通電阻，如圖6b）中虛線所示．因此，只要在VG和上加一個周期性脈沖源，以控制兩管循環(huán)地導(dǎo)通與截止，從而可實現(xiàn)循環(huán)開關(guān)．

由于圖4中的循環(huán)開關(guān)K要求其導(dǎo)通時電阻足夠小，因此，為了確保仿真的可靠性，本文采用八組雙MOS管并聯(lián)來實現(xiàn)較為理想的循環(huán)模擬開關(guān)，其電路示意圖見圖7．E為周期性脈沖源，只要其高電平峰值足夠大，使MOS管工作在非飽和區(qū)，同時其低電平足夠小，以使MOS管截止，即可實現(xiàn)循環(huán)模擬開關(guān)．

圖7 循環(huán)模擬開關(guān)電路圖

4 利用循環(huán)模擬開關(guān)進(jìn)行仿真

在OrCAD中，將圖7所示的循環(huán)模擬開關(guān)進(jìn)行封裝，并命名為“cycleswitch”，見圖8．

圖8 封裝后的循環(huán)模擬開關(guān)

將其應(yīng)用到圖4所示等效電路中，并取定參數(shù)，見圖9．

圖9 應(yīng)用循環(huán)模擬開關(guān)的等效電路四

取f＝14kHz（f＜f0）進(jìn)行仿真．仿真后的波形見圖10．

由圖10可以看出，負(fù)載電流iR（實線）和功放電流icf（虛線）的波形都為近似的正弦波形，經(jīng)過3個振蕩周期后電流值基本穩(wěn)定，此時系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，且負(fù)載電流的峰值為206．5A，功放的電流峰值為393．6A，可算得此時功率放大器的輸出功率為426．4kW．

5 仿真結(jié)果分析

按上述仿真方法對等效電路模型進(jìn)行仿真，可得到不同頻率下的負(fù)載電流iR、功放電流icf和輸出功率P，計算結(jié)果見表1．

表1 不同頻率的仿真結(jié)果對比

對圖9中電路的匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行折算可得其中心頻率f0＝16．47kHz．由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，對于不同的頻率，功放的發(fā)射功率不同，其變化規(guī)律與匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)息息相關(guān)．當(dāng)f越靠近f0時，輸出功率P越大，這與第1節(jié)的工作原理相符．

現(xiàn)取f＝14kHz，當(dāng)周期性脈沖源E的峰值V2取不同值時，對等效電路模型進(jìn)行仿真計算，結(jié)果見表2．

表2 不同電壓幅值的仿真結(jié)果對比

由表2可見，隨著V2幅值的增加，iR和icf值基本服從線性增加的規(guī)律，這與理論相符．

此外，從仿真出的波形可以看出，功放電流波形不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形，但負(fù)載電流波形是較好的正弦波形．將自然換流狀態(tài)下負(fù)載電流和功放電流的仿真波形放大成圖11．可以看出：在自然換流狀態(tài)下的功放電流波形中，上下半周波形有明顯的停滯階段，這正是可控硅受觸發(fā)的時間間隔大，即當(dāng)上一個可控硅關(guān)斷后，下一個可控硅需過一段時間才工作的結(jié)果．雖然自然換流狀態(tài)下功放電流波形不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形，但經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)濾波后，在負(fù)載處卻可以得到較好的正弦波．

圖11 仿真自然換流狀態(tài)下的電流波形

6 結(jié)束語

大功率功放系統(tǒng)電路一般工作在高電壓、大電流狀態(tài)，其相關(guān)電流電壓值通常難以采集和測量，為了掌握大功率功放的工作機(jī)理和電氣特性，本文針對一種輸出功率可高達(dá)上千kW的大功率功放進(jìn)行研究，首先分析了其電路在不同頻率下的三種工作狀態(tài)，層層深入，分別建立了系統(tǒng)工作在自然換流狀態(tài)下的3種等效電路模型．為了實現(xiàn)仿真需要，在OrCAD環(huán)境下設(shè)計了低阻高效的循環(huán)模擬開關(guān)，并在此基礎(chǔ)上仿真計算了等效電路模型．仿真結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)的工作頻率f越靠近中心頻率f0時，輸出功率P越大．經(jīng)過試驗，這種仿真方法能計算出功率放大器在任意點的電流電壓值，且結(jié)果與理論值相符．仿真數(shù)據(jù)能較真實地反映該開關(guān)功放在任何時刻的工作狀況，具有一定的參考價值．

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