单级式三电平功放电路制造技术

本发明专利技术涉及一种上述单级式三电平功放电路，为高效、单级功率变换、输出电压为三电平形式、以及所有开关管均能实现软开关。该功放电路包含有源缓冲电路，该有源缓冲电路可以消除电压尖峰，吸收漏感能量，并将回收的漏感能量传输至负载侧，增加了系统工作效率。Lr的能量首先经过高频隔离变压器传递到副边，被副边所连接的有源缓冲电路中的钳位电容Cf吸收。然后钳位电容Cf会将这些吸收的漏感能量重新通过有源缓冲电路和周波变换器传递到负载侧。该功放电路不仅可以用来消除高频变压器漏感引起的电压尖峰和震荡，且可以拓宽有源缓冲电路开关管的软开关范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及功放电路，特别是涉及一种高效、单级功率变换、输出电压为三电平形式的单级式三电平功放电路。
技术介绍
传统开关功率放大器如Class-D功放一般需要至少两级功率变换。第一级(常被称为隔离式开关电源)用来为后级功率放大器提供稳定的直流电源；第二级(常被称为功放级)用来放大音频信号。该类功放由于采用两级式或多级式功率变换，增加了系统的功率损耗，降低了电路工作效率。因此，通过减小功率变换的级数可以增加系统效率、减小功率损耗。美国专利No.9312823(简称为823专利)将前级开关电源级与后级功放级集成，提出了一种高效单级式功率放大器，其电路图如图1所示，但823专利是一种典型的两电平功率放大器，另一种减小功率损耗，提高电路工作效率的方式是应用软开关技术降低开关管的开关损耗。软开关的目的是在开关管开通或关断过程中避免其两端电压和电流重叠，即在开关管开通前电压先降为零，关断前电流先降为零，从而大大减小甚至消除开关损耗和开关噪声。在DC/DC变换器领域，国内外提出了不同的软开关电路或拓扑，主要包括全谐振型软开关电路、准谐振型软开关电路、零开关PWM和零转换PWM拓扑等。美国专利No.8644035(简称为035专利)提出了一种软开关类型的全桥变换器，如图2所示，采用双辅助电感和双辅助电容保证全桥开关管在任意负载条件下均能实现ZVS导通，其中，开关管的漏、源极电容可以等效作为辅助电容，电路串联电感等效作为辅助电感。无源辅助电路与全桥变换器的工作条件无关，在开关管导通过程中为全桥开关管的导通提供足够的感性电流，保证其从轻载到满载条件下均能实现ZVS导通。但该无源辅助电路存在制约限制：由于两辅助电感两端的电压幅值和频率均很高，因此两辅助电感的磁损耗很高；除此之外，感性电流过大会造成开关管寄生二极管在导通过程中出现高的电压尖峰和震荡。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种高效、单级功率变换、输出电压为三电平形式的单级式三电平功放电路。一种单级式三电平的功放电路，包括用于提供直流工作电压的直流电源、用于对输入信息进行调制的调制电路、驱动电路、用于传输直流工作电压并产生高频脉冲电压的全桥子电路、用于为所述全桥子电路提供感性电流的无源辅助网络子电路、隔离变压器子电路、有源缓冲电路、用于将所述隔离变压器子电路次级侧的高频脉冲电压斩波调制成三电平格式调制波信号的周波变换器子电路、用于吸收漏感的有源辅助网络子电路及输出滤波器子电路；所述直流电源连接所述全桥子电路；所述无源辅助网络子电路连接所述全桥子电路；所述调制电路连接所述驱动电路的输入端，所述驱动电路的输出端分别接所述全桥子电路、所述周波变换器子电路；所述隔离变压器子电路分别连接所述全桥子电路、所述有源缓冲电路及所述周波变换器子电路；所述有源缓冲电路还连接所述有源辅助网络子电路；所述周波变换器子电路分别连接所述隔离变压器子电路及所述输出滤波器子电路；所述输出滤波器子电路还用于连接负载。在其中一个实施例中，还包括预测驱动子电路，所述预测驱动子电路分别连接所述驱动电路及所述有源缓冲电路。在其中一个实施例中，所述预测驱动子电路包括检测电路和逻辑电路。在其中一个实施例中，所述无源辅助网络包含电感La1和电容Ca1、电容Ca2；所述电容Ca1、所述电容Ca2串联于输入电压的+Uin端和0V之间，所述电感La1一端接所述电容Ca1、所述电容Ca2的公共连接点，另一端接所述全桥子电路。在其中一个实施例中，所述全桥子电路包括两个桥臂，其中，第一个桥臂包含开关管M1和开关管M2，所述开关管M1和开关管M2串联于输入电压和接地之间；第二个桥臂包含开关管M3和开关管M4，所述开关管M3和所述开关管M4串联于输入电压和接地之间，所述开关管M1和开关管M2的公共连接点接所述隔离变压器子电路，所述开关管M3和所述开关管M4的公共连接点接所述隔离变压器子电路。在其中一个实施例中，所述隔离变压器子电路包括一个或多个隔离变压器，所述隔离变压器的原副边包括一个或多个绕组。在其中一个实施例中，所述周波变化器子电路包括双向开关管5A和双向开关管5B；所述双向开关管5A包括共源极的开关管M5和开关管M6，所述双向开关管5B包括共源极的开关管M7和开关管M8。在其中一个实施例中，所述有源辅助网络子电路包含开关管S1-S4，钳位电容Cf、两组电感-电容对电感La3、电容Ca3、电感La4和电容Ca4；所述开关管S1-S4组成全桥式结构。在其中一个实施例中，所述输出滤波器子电路包括LC滤波电路。上述单级式三电平功放电路为高效、单级功率变换、输出电压为三电平形式、以及所有开关管均能实现软开关。该功放电路包含有源缓冲电路，该有源缓冲电路可以消除电压尖峰，吸收漏感能量，并将回收的漏感能量传输至负载侧，增加了系统工作效率。Lr的能量首先经过高频隔离变压器传递到副边，被副边所连接的有源缓冲电路中的钳位电容Cf吸收。然后钳位电容Cf会将这些吸收的漏感能量重新通过有源缓冲电路和周波变换器传递到负载侧。该功放电路提出了不同的方法和辅助网络来保证开关管软开关的实现。原边无源辅助网络为全桥开关管提供足够的感性电流，拓宽其软开关范围，保证了其软开关实现。次级无损有源辅助网络包含有源缓冲电路和一系列无源元件，该有源辅助网络不仅可以用来消除高频变压器漏感引起的电压尖峰和震荡，且可以拓宽有源缓冲电路开关管的软开关范围。该功放电路克服了硬开关功率放大器的缺陷，实现了电路元件的高度集成。另一方面，提出了无源辅助网络、有源辅助网络和预测驱动电路等方式方法保证了开关管在任意负载条件下的零电压开通，降低了开关管的开关损耗。附图说明通过下列相关图例说明解释本专利技术相关内容：图1为一个单级功率放大器系统。图2为一个全桥DC/DC变换器拓扑电路。图3A为单级式三电平功放电路的模块图。图3B为单级式三电平功放电路的原理图。图3C为单级式三电平功放电路的原理图。图4为原边辅助电感电流波形、原边开关管的驱动信号波形和节点电压波形。图5为次级辅助电感电流波形、次级侧有源辅助网络开关管的驱动信号波形和钳位电容电压波形。图6为单级式三电平功放电路在不同输入信号下的工作波形。图7为单级式三电平功放电路所有开关管的驱动信号波形。图8为单级式三电平功放输出电压波形、PWM电压波形和变压器次级侧电压波形。图9A-9E为单级式三电平功放所有开关管ZVS换流过程波形。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下面将参照相关附图对本专利技术进行更全面的描述。附图中给出了本专利技术的较佳的实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容的理解更加透彻全面。如图3A所示，为单级式三电平的功放电路的模块图。一种单级式三电平的功放电路，包括用于提供直流工作电压的直流电源1、用于对输入信息进行调制的调制电路12、驱动电路11、用于传输直流工作电压并产生高频脉冲电压的全桥子电路3、用于为所述全桥子电路3提供感性电流的无源辅助网络子电路2、隔离变压器子电路4、有源缓冲电路、用于将所述隔离变压器子电路4次级侧的高频脉冲电压斩波调制成三电平格式调制波信号的周波变换器子电路5、用于吸收漏感的有源辅助网络子电路6及输出滤波器子电路7。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单级式三电平的功放电路，其特征在于，包括用于提供直流工作电压的直流电源、用于对输入信息进行调制的调制电路、驱动电路、用于传输直流工作电压并产生高频脉冲电压的全桥子电路、用于为所述全桥子电路提供感性电流的无源辅助网络子电路、隔离变压器子电路、有源缓冲电路、用于将所述隔离变压器子电路次级侧的高频脉冲电压斩波调制成三电平格式调制波信号的周波变换器子电路、用于吸收漏感的有源辅助网络子电路及输出滤波器子电路；所述直流电源连接所述全桥子电路；所述无源辅助网络子电路连接所述全桥子电路；所述调制电路连接所述驱动电路的输入端，所述驱动电路的输出端分别接所述全桥子电路、所述周波变换器子电路；所述隔离变压器子电路分别连接所述全桥子电路、所述有源缓冲电路及所述周波变换器子电路；所述有源缓冲电路还连接所述有源辅助网络子电路；所述周波变换器子电路分别连接所述隔离变压器子电路及所述输出滤波器子电路；所述输出滤波器子电路还用于连接负载。

【技术特征摘要】
2016.07.12 US 62/360,9751.一种单级式三电平的功放电路，其特征在于，包括用于提供直流工作电压的直流电源、用于对输入信息进行调制的调制电路、驱动电路、用于传输直流工作电压并产生高频脉冲电压的全桥子电路、用于为所述全桥子电路提供感性电流的无源辅助网络子电路、隔离变压器子电路、有源缓冲电路、用于将所述隔离变压器子电路次级侧的高频脉冲电压斩波调制成三电平格式调制波信号的周波变换器子电路、用于吸收漏感的有源辅助网络子电路及输出滤波器子电路；所述直流电源连接所述全桥子电路；所述无源辅助网络子电路连接所述全桥子电路；所述调制电路连接所述驱动电路的输入端，所述驱动电路的输出端分别接所述全桥子电路、所述周波变换器子电路；所述隔离变压器子电路分别连接所述全桥子电路、所述有源缓冲电路及所述周波变换器子电路；所述有源缓冲电路还连接所述有源辅助网络子电路；所述周波变换器子电路分别连接所述隔离变压器子电路及所述输出滤波器子电路；所述输出滤波器子电路还用于连接负载。2.根据权利要求1所述的单级式三电平功放电路，其特征在于，还包括预测驱动子电路，所述预测驱动子电路分别连接所述驱动电路及所述有源缓冲电路。3.根据权利要求2所述的单级式三电平功放电路，其特征在于，所述预测驱动子电路包括检测电路和逻辑电路。4.根据权利要求1所述的单级式三电平功放电路，其特征在于，所述无源辅助网络包含电感La1和电容Ca...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈学健，郭仕林，苏建徽，
申请(专利权)人：广东锐顶电力技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44