陳柏超，高 偉，陳耀軍

（武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430072）

線性功率放大技術(shù)在傳統(tǒng)的功率變換領(lǐng)域占據(jù)著重要的地位，近年來因其效率低、體積大等缺點(diǎn)已逐漸被開關(guān)型功率放大器所取代。脈沖寬度調(diào)制PWM（pulse width modulation）開關(guān)變換器電路結(jié)構(gòu)簡單、效率高，但是其輸出實(shí)質(zhì)上是離散的脈沖矩形波，須加入額外的濾波環(huán)節(jié)濾除含量豐富的諧波，此外其控制策略及優(yōu)化算法較為復(fù)雜，且半導(dǎo)體開關(guān)器件的高頻開關(guān)過程還會(huì)帶來電磁輻射[1-2]。線性功率放大器具有高工作帶寬、電壓波形正弦度高、多類負(fù)載適應(yīng)性和魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的功率放大，故在對(duì)電磁干擾敏感、追求寬帶帶寬等場(chǎng)合下，線性功率放大器仍然無可替代[3-4]。

傳統(tǒng)的線性功率放大器LPA（linear power amplifier）一般由三極管或場(chǎng)效應(yīng)管電路構(gòu)成，受電路結(jié)構(gòu)和器件參數(shù)所限，無法達(dá)到高效率、較大電流輸出的目的。文獻(xiàn)[5-6]提出了大量三極管組成的互補(bǔ)對(duì)稱并聯(lián)輸出的橋式推挽型結(jié)構(gòu)，通過增加三極管的數(shù)量提升LPA 的電流輸出能力，但在理想情況下最高效率僅為78.5%；文獻(xiàn)[7-9]提出了一種二極管箝位型自動(dòng)切換供電電平的多級(jí)線性功率放大器，通過為其中的單級(jí)功率放大模塊提供多電平從而分段線性輸出，降低了每一級(jí)MOSFET 管壓降，有效提升了效率。該LPA 中單級(jí)功率放大模塊處于單獨(dú)直流電平供電、低壓大電流輸出的狀態(tài)，功率管工作在臨界飽和、偏線性側(cè)，若用IGBT 代替MOS 管，便能以較簡單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更大功率的輸出。IGBT 的類別中沒有P 溝道管，傳統(tǒng)的復(fù)合P 管中由于內(nèi)部IGBT 開啟電壓與輸出構(gòu)成回路的原因，使得單級(jí)功率放大模塊的直流電平利用率下降。

為進(jìn)一步提高多電平分級(jí)逐段線性放大器中單級(jí)功率放大模塊的直流供電電平利用率，本文提出一種基于IGBT 的寬范圍線性功率放大器。為此，提出一種低壓差大電流復(fù)合P 溝道IGBT 功率管結(jié)構(gòu)，通過構(gòu)造P 溝道IGBT 與N 溝道IGBT 組成互補(bǔ)對(duì)管實(shí)現(xiàn)推挽式功率輸出，并設(shè)計(jì)一種基于IGBT 的線性功率放大器IGBT-LPA 拓?fù)?，最后?duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 低壓差P-IGBT 結(jié)構(gòu)及原理分析

1.1 傳統(tǒng)P-IGBT 結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)P-IGBT 及功率放大電路如圖1 所示。高電壓、大電流的P 溝道功率管通常由PNP 型三極管（或P 溝道MOSFET）與標(biāo)準(zhǔn)N 型功率管復(fù)合而成，復(fù)合管的導(dǎo)電類型由前管確定，后管決定其輸出特性。按照此方案構(gòu)造的大功率P-IGBT 的電路如圖1（a）所示，在此種復(fù)合方式下，前級(jí)三極管T1確定電流的方向，從而控制加在后級(jí)IGBT 管T2柵極電壓，當(dāng)T2的柵極-發(fā)射極電壓UGE大于開啟電壓UGE（th）時(shí)，IGBT 處于線性工作區(qū)而線性導(dǎo)通。

使用該復(fù)合管構(gòu)成單電源功率放大器的電路如圖1（b）所示，由于前級(jí)三極管T1的存在，電路的輸出與直流電壓輸入部分構(gòu)成2 個(gè)電流回路，輸出電壓與直流電壓之間始終存在如下關(guān)系

式中：vo為輸出電壓；Vcc為直流供電壓；vce2為IGBT的集電極-發(fā)射極電壓；vec1為三極管的集電極-發(fā)射極電壓；vGE2為T2管的柵極-發(fā)射極電壓。由式（1）可知，vo不僅與vce2有關(guān)，而且還受限于vec1與vGE2。當(dāng)輸入電壓vi的幅值逼近直流供電電壓Vcc時(shí)，由于T2管的vGE2（線性導(dǎo)通時(shí)約為7～8 V）的限制使該管無法工作于臨界飽和、偏線性側(cè)，即P-IGBT 的線性區(qū)變窄。而輸出電壓vo無法準(zhǔn)確跟蹤輸入電壓信號(hào)，其幅值與直流電壓會(huì)存在較大壓差，從而使得輸出電壓的動(dòng)態(tài)范圍減小，直流電壓的利用率下降。

圖1 傳統(tǒng)P-IGBT 及功率放大電路Fig.1 Traditional P-IGBT and power amplification circuit

若將傳統(tǒng)P-IGBT 結(jié)構(gòu)用于二極管箝位型的多電平多級(jí)線性功率放大器[7]，得到的兩級(jí)線性放大器拓?fù)淙鐖D2（a）所示，圖中E1=E'1，E2=E'2，該放大器由串聯(lián)的直流電源、箝位二極管和串聯(lián)的4 對(duì)互補(bǔ)N溝道與P 溝道IGBT 功率管構(gòu)成。若vo是幅值為E1＋E2的正弦波形，IGBT 的工作狀態(tài)如圖2（b）所示，黑色區(qū)域表示相應(yīng)的IGBT 處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，陰影區(qū)域表示其處于線性放大導(dǎo)通狀態(tài)，白色區(qū)域表示其處于正向阻斷狀態(tài)。可知在輸出電壓較低時(shí)，采用較低的直流電平E2供電，隨著輸出電壓的升高，直流電源也自動(dòng)切換到較高的電平E1＋E2供電。通過減小輸出電壓與直流供電電平之間的差值，便降低了功率放大器能量傳輸過程中的損耗，從而有效提升了線性功率放大的效率。理論上分析該二級(jí)線性放大功率放大器的工作效率可達(dá)84.2%，但由于傳統(tǒng)P-IGBT 集電極-發(fā)射極電壓vce2的高壓差特性，使得為了輸出同樣波形的電壓，同時(shí)抬升兩級(jí)直流供電電平，而實(shí)際利用率僅為77.1%。

圖2 二極管箝位型線性功率放大器Fig.2 Diode-clamped linear power amplifier

1.2 低壓差P-IGBT 結(jié)構(gòu)

P 溝道復(fù)合管傳統(tǒng)的構(gòu)造原則，即PNP 型三極管的集電極、發(fā)射極分別接至IGBT 的柵極、集電極，為形成低壓差P-IGBT 結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)之上，阻斷三極管的集電極與IGBT 柵極的直接連接，通過增加兩級(jí)三極管放大環(huán)節(jié)，從而達(dá)到控制IGBT 柵極-發(fā)射極電壓的目的。

圖3 為低壓差P-IGBT 復(fù)合管電路，圖中，T1為普通高壓PNP 型三極管，T2、T3為普通NPN 型三極管，T4為大功率標(biāo)準(zhǔn)IGBT 晶體管。當(dāng)三極管T1滿足線性導(dǎo)通條件時(shí)，流過T1集電極的電流通過系列三極管的放大環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為電壓，最終加在T4的柵極，T3的輸出作為最終的柵極-發(fā)射極電壓，從而控制內(nèi)部IGBT 的導(dǎo)通狀態(tài)。T1的基極、發(fā)射極為P-IGBT 的柵極、發(fā)射極，T4的發(fā)射極為P-IGBT 的集電極。

圖3 低壓差P-IGBT 結(jié)構(gòu)Fig.3 Low voltage drop P-IGBT structure

由于切斷了PNP 型三極管與IGBT 的直接聯(lián)系回路，則輸出電壓為

式中：vce4為三極管T4的集電極-發(fā)射極電壓；vec1為三極管T1的發(fā)射極-集電極電壓；vR1為電阻R1兩端的電壓；vbe2為三極管T2的基極-發(fā)射極電壓。此時(shí)IGBT 的集電極-發(fā)射極電壓vce4的最小值可以降低至1.8 V 左右，從而有效恢復(fù)了P-IGBT 晶體管的線性區(qū)，提高了其線性功率放大的動(dòng)態(tài)范圍。

1.3 功率放大原理分析

僅使用P-IGBT 組成單電源功率放大器時(shí)，雖然輸入信號(hào)的上半周波形會(huì)被削掉，但有助于單獨(dú)研究新型結(jié)構(gòu)的功率放大性能。P-IGBT 復(fù)合管構(gòu)成的單電源功率放大器結(jié)構(gòu)如圖4 所示，輸入信號(hào)與輸出的參考電位相同，正弦信號(hào)由T1管的基極輸入，由發(fā)射極輸出，輸出對(duì)輸入的跟隨效果體現(xiàn)在T1管上。T1管具有電壓比較器的作用，接收輸入信號(hào)與反饋至此的輸出電壓信號(hào)，得到的誤差信號(hào)ve控制IGBT 的導(dǎo)通狀態(tài)。為分析該等效P-IGBT 的輸出特性，調(diào)整電路到合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，建立該電路的交流小信號(hào)模型，如圖5 所示。

根據(jù)圖5 可以得到誤差信號(hào)ve的表達(dá)式為

圖4 單電源功率放大器（低壓差P-IGBT）Fig.4 Single supply power amplifier（low voltage drop P-IGBT）

圖5 交流小信號(hào)模型Fig.5 AC small-signal model

式中：ib1為三極管T1的基極電流；Rg為三極管T1的基極串聯(lián)電阻；rbe1為三極管T1的輸出端交流短路時(shí)的輸入電阻。進(jìn)一步推導(dǎo)可得出誤差信號(hào)ve控制柵極-發(fā)射極電壓vGE的公式，即

式中：β1、β2、β3分別為三極管T1、T2、T3的共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)；rbe3為三極管T3的輸出端交流短路時(shí)的輸入電阻；R2、R3、R4分別為電阻。進(jìn)而得到誤差信號(hào)ve對(duì)集電極電流ic的控制特性。該P(yáng)IGBT 位于放大區(qū)的轉(zhuǎn)移特性方程為

式中：Kn為電導(dǎo)常數(shù)；VT為開啟電壓。由式（6）可知，ic與ve是二次函數(shù)的關(guān)系，具有較好的線情度。

2 IGBT-LPA 結(jié)構(gòu)分析

參照P-IGBT 的電路結(jié)構(gòu)，構(gòu)造出特性參數(shù)完全對(duì)稱的異型功率管N-IGBT，所提IGBT-LPA 的拓?fù)淙鐖D6 所示。供電電源分別為正、負(fù)電平（+Vcc、-Vcc），上管N-IGBT 和下管P-IGBT 的柵極和發(fā)射極相互連接在一起，信號(hào)從柵極輸入，從射極輸出，從而構(gòu)成雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。在靜態(tài)時(shí)兩管不導(dǎo)電，而在有信號(hào)輸入時(shí)，N-IGBT 和P-IGBT 二者輪流導(dǎo)電，實(shí)現(xiàn)推挽式線性功率放大。

圖6 IGBT-LPA 拓?fù)銯ig.6 IGBT-LPA topology

以T4、T8為主電路的核心功率器件，其他器件組成的電路可以理解成驅(qū)動(dòng)其具有P 型、N 型功率管特性的控制電路，那么就可以得到雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器的控制框圖，如圖7 所示。vo（s）為輸出電壓，其經(jīng)過反饋環(huán)節(jié)與輸入信號(hào)vi（s）進(jìn)行比較，其誤差信號(hào)送至信號(hào)傳遞環(huán)節(jié)。由于信號(hào)傳遞環(huán)節(jié)與功率放大器不共地，其傳遞的信號(hào)僅用于驅(qū)動(dòng)T4（T8）使之工作于線性狀態(tài)，故需要獨(dú)立的直流電源為此環(huán)節(jié)供電。信號(hào)傳遞部分由兩級(jí)放大環(huán)節(jié)構(gòu)成，由于誤差信號(hào)具有一定的動(dòng)態(tài)變化范圍，為了保證其與確定的柵極電壓間具有合適的增益，需要在放大環(huán)節(jié)K1（T2或T6晶體管）的基礎(chǔ)上加入放大環(huán)節(jié)K2（T3或T7晶體管）進(jìn)行增益匹配，K2環(huán)節(jié)的輸出作為柵極-發(fā)射極電壓vGE。G（s）是工作于線性區(qū)的IGBT 的電壓傳遞函數(shù)，其等于集電極輸出與柵極-發(fā)射極電壓的比值，經(jīng)過此環(huán)節(jié)便得到最終的功率輸出。

圖7 控制框圖Fig.7 Control block diagram

根據(jù)控制框圖便得到輸出電壓vo（s）為

式中，K1、K2為對(duì)應(yīng)放大環(huán)節(jié)的比例系數(shù)。由式（7）可知，輸出電壓vo（s）僅是參考信號(hào)vi（s）的函數(shù)，且傳遞函數(shù)的增益幅值約等于1，故輸出可以精準(zhǔn)地跟蹤輸入信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)功率放大。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和理論研究的正確性，搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，電路參數(shù)為：直流供電電壓Vcc=100 V，輸入正弦信號(hào)幅值為vi=98 V，頻率為fi=50 Hz，負(fù)載電阻RL=8.1 Ω，高壓PNP 型三極管的型號(hào)為2SA1968，普通PNP 型三極管的型號(hào)為2SA1013，高壓NPN 型三極管的型號(hào)為BUT11A，普通NPN 型三極管的型號(hào)為2SC2328，標(biāo)準(zhǔn)IGBT的型號(hào)為FF200R12KT4。圖8 是由FPGA 產(chǎn)生且經(jīng)過多級(jí)電壓放大的正弦波輸入信號(hào)，經(jīng)傅里葉分析得到的總諧波失真THD（total harmonic distortion）為0.23%，近乎理想正弦波。

圖8 輸入信號(hào)波形Fig.8 Waveform of input signal

圖9 為P-IGBT 功率管構(gòu)成的單電源LPA 柵極-發(fā)射極電壓vGE、輸出電壓vo的波形，其中圖9（a）中的功率管為傳統(tǒng)P-IGBT，圖9（b）中的功率管為低壓差P-IGBT，對(duì)比可知在輸入信號(hào)瞬時(shí)值逼近供電電壓Vcc時(shí)，傳統(tǒng)功率管結(jié)構(gòu)的輸出已經(jīng)無法瞬態(tài)跟蹤輸入信號(hào)而出現(xiàn)削頂?shù)默F(xiàn)象，峰值為-91.3 V，為保證輸出波形不出現(xiàn)失真，須提高直流供電電壓，此時(shí)直流電平利用率為72.6%。低壓差功率管的輸出可以較好地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的下半周波形，可見低壓差P-IGBT 對(duì)直流電壓的利用率更高，經(jīng)計(jì)算為76.3%。對(duì)比圖9（a）、圖9（b）柵極-發(fā)射極電壓vGE波形發(fā)現(xiàn)，2 種P-IGBT 結(jié)構(gòu)用于LPA時(shí)皆可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)IGBT 導(dǎo)通狀態(tài)的控制，無信號(hào)輸入時(shí)二者的靜態(tài)vGE值幾乎相等，有信號(hào)輸入時(shí)，后者的vGE值略大于前者，線性導(dǎo)通狀態(tài)更接近臨界飽和。

圖9 2 種P-IGBT 構(gòu)成的單電源LPA 的實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Experimental waveforms of single power LPA from two P-IGBTs

圖10 為IGBT-LPA 輸出電壓vo和輸出電流io的波形，圖10（a）中vo是頻率為50 Hz、幅值為97.2 V 的正弦波，THD=0.98%，io的幅值為11.8 A，二者相位一致，可見IGBT-LPA 拓?fù)淇刹皇д娴貙?shí)現(xiàn)線性功率放大。為考量IGBT-LPA 的頻率響應(yīng)特性，在輸入正弦信號(hào)情況下，逐漸改變輸入信號(hào)的頻率，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率為500 Hz 時(shí)，輸出電壓、電流波形如圖10（b）所示，此時(shí)電壓幅度略微變小，無明顯線性失真。

圖10 IGBT-LPA 輸出電壓、輸出電流波形Fig.10 Waveforms of output voltage and output current from IGBT-LPA

低壓差P-IGBT 結(jié)構(gòu)用于二極管箝位型的多電平多級(jí)線性功率放大器，得到兩級(jí)線性放大器的輸出電壓vo和輸出電流io波形，如圖11 所示，可見二者仍保持較高的正弦度。表1 給出了2 種P-IGBT結(jié)構(gòu)的直流電平利用率比較結(jié)果，可見計(jì)算得到該放大器的直流供電電平利用率為82.8%，高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的利用率；兩級(jí)功率放大器結(jié)構(gòu)對(duì)直流電壓的利用率提升效果更為明顯。

圖11 兩級(jí)IGBT-LPA 輸出電壓、電流Fig.11 Output voltage and current from two-level IGBT-LPA

表1 2 種P-IGBT 結(jié)構(gòu)的直流電平利用率比較Tab.1 Comparison of DC level utilization ratio between two P-IGBT structures

4 結(jié)語

本文分析了傳統(tǒng)復(fù)合P 溝道功率管的構(gòu)成方式，指出復(fù)合管中標(biāo)準(zhǔn)IGBT 的開啟電壓是導(dǎo)致輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍變小的原因，提出了一種低壓差大電流復(fù)合P 溝道IGBT 功率管結(jié)構(gòu)，通過對(duì)比研究可知，該結(jié)構(gòu)的線性工作區(qū)不發(fā)生變化。利用該新型IGBT 結(jié)構(gòu)提出了一種IGBT-LPA 拓?fù)?，理論分析知其直流電平利用率較高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該拓?fù)淇刹皇д娴貙?shí)現(xiàn)較大動(dòng)態(tài)范圍的功率放大。該技術(shù)應(yīng)用于LPA 多電平逐段線性化領(lǐng)域可進(jìn)一步提升效率。