一種磁耦合諧振式無線電能傳輸e類功率放大器的制造方法
【專利摘要】本實用新型主要公開了一種磁耦合諧振式無線電能傳輸E類功率放大器，它的組成包括：輸入信號1，輸入匹配電路2，門極偏置電源3，第一電源濾波電路4，功率管5，反饋電路6，漏極供電電源7，第二電源濾波電路8，LC振蕩電路9，輸出匹配電路10，輸出信號11，其特征在于：輸入信號1經(jīng)過輸入匹配電路2，門極偏置電源3經(jīng)過電源濾波電路4為功率管5提供一個靜態(tài)工作點，給輸入信號提供電路通路，反饋電路6將漏極輸出信號反饋給門極以調(diào)整輸出信號強度，漏極電源7經(jīng)過電源濾波電路8為輸出回路提供功率，功率管5輸出經(jīng)過LC振蕩電路9輸出匹配電路10，輸出信號11。本實用新型拓撲簡單、效率高、系統(tǒng)頻率方便調(diào)節(jié)。
【專利說明】
一種磁耦合諧振式無線電能傳輸E類功率放大器
技術領域
[0001]由于本發(fā)明E類功率放大器主要應用于磁耦合諧振式無線電能傳輸，故主要涉及電子與射頻領域。
【背景技術】
[0002]磁耦合諧振式無線電能傳輸技術是無線電能傳輸三大技術之一，也是當前國內(nèi)外學者的研究的熱點之一。但是目前無線電能傳輸?shù)墓β蔬€不大，停留在百瓦級，還遠遠不能滿足現(xiàn)實生活中的需要，而提高傳輸功率主要涉及以下三個問題:(I)大功率高頻電源的設計(2)傳輸系統(tǒng)參數(shù)的阻抗匹配(3)電能傳輸穩(wěn)定性問題，即諧振頻率魯棒性問題。
[0003]目前無線電能傳輸高頻電源主要有兩種實現(xiàn)方法，一種是利用電力電子器件通過全橋逆變或半橋逆變實現(xiàn);一種是利用功放將信號功率進行放大實現(xiàn)。前者可實現(xiàn)較大功率，但是由于受電力電子器件開關頻率的限制，電源頻率一般不會很高，一般在幾百KHz以內(nèi)，而且頻率調(diào)節(jié)不是很方便。后者可以實現(xiàn)較大功率和頻率，利用其前面信號發(fā)生電路實現(xiàn)調(diào)頻也很方便，但是設備成本較高。
[0004]功率放大式高頻電源由信號發(fā)生電路和功率放大電路組成，信號發(fā)生電路生成所需頻率的信號，該信號經(jīng)過功率放大器將信號發(fā)生電路輸出的信號放大至所需功率。
[0005]功率放大器按照不同的方式進行分類有三種方式:按照工作頻帶劃分，分為寬帶功率放大器和窄帶功率放大器;按工作狀態(tài)劃分，可以分為線性功率放大器和非線性功率放大器;如果按放大器偏置和導通情況分，可以分為A類、B類、AB類、C類、D類、E類、F類、S類等。其中A類、B類、AB類、C類通常劃分為經(jīng)典的功率放大器;D類、E類、F類、S類通常劃分為開關模式功率放大器。
[0006]A類功放在100 %的時間里導通，B類功放在50 %的時間里導通，AB類也就恰如它的名字所示，在50%-100%的某段時間里是導通的。AB類功放的電路結構采用和B類相似的推挽結構，晶體管偏置在閾值電壓之上，偏置電壓同時也決定了功放的效率更接近于A類還是B類。實際應用中，AB類功放的效率大概在30 %到70 %之間。開關類功放主要包括D類、E類、F類和S類，開關類功放的一個主要思路是開關在理想情況下不消耗任何功率，或者開關的電流為零，或者開關兩端的電壓為零，因而開關的V、I乘積總是為零，這意味著晶體管沒有任何功耗損失，其效率理論上可以達到100 %。實際過程中，E類功率放大器的效率要低于100%，主要有兩方面的原因。一個方面是由于開關晶體管的導通壓降為有限值，這樣就存在了導通的功率損耗。另一個方面，由于存在了寄生電阻，會產(chǎn)生損耗。實際的效率會降低，但是通過修改負載電路參數(shù)進行優(yōu)化，電路的實際效率還是很高的。在射頻微波頻段，為了減小電路的插入損耗，輸出匹配電路中還將采用微線帶來替代集中參數(shù)設計，可達到很好的效率。
[0007]由于高頻電源屬于磁耦合諧振式傳輸系統(tǒng)的發(fā)射前端，要提高整體系統(tǒng)傳輸效率務必減小每一部分的損耗，而E類功放減小開關轉換損耗滿足我們對提高效率的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明設計的高效E類功放按照是否為線性功放分屬于非線性功放，采用單管放大，滿足ZVS和ZDS條件，極大的減小開關狀態(tài)間轉換的損耗。技術方案如下:
[0009]1.—種改進的磁耦合諧振式無線電能傳輸E類功率放大器，它的組成包括:輸入信號I，輸入匹配電路2，門極偏置電源3，第一電源濾波電路4，功率管5，反饋電路6，漏極供電電源7，第二電源濾波電路8，LC振蕩電路9，輸出匹配電路10，輸出信號11，工作方式:輸入信號I經(jīng)過輸入匹配電路2，門極偏置電源3經(jīng)過電源濾波電路4為功率管5提供一個靜態(tài)工作點，給輸入信號提供電路通路，反饋電路6將漏極輸出信號反饋給門極以調(diào)整輸出信號強度，漏極電源7經(jīng)過電源濾波電路8為輸出回路提供功率，功率管5輸出經(jīng)過LC振蕩電路9輸出匹配電路10，輸出信號11。
[0010]2.輸入匹配電路2由電容C2和電感LI組成，電感LI串聯(lián)于電路中，電容C2并聯(lián)接地。
[0011]3.第一電源濾波電路4由電容C3、電容C4、電容C5、電容C6、電容C7并聯(lián)接地構成。
[0012]4.反饋電路6由電阻R3和電容CS串聯(lián)在功率管Q漏極和門極間構成。
[0013]5.電源濾波電路8由電容C9、電容C10、電容C11、電容C12、電容C13并聯(lián)接地構成。
[0014]6.LC振蕩電路9由電感L3和電容C14串聯(lián)組成。
[0015]7.輸出匹配電路10由電容C15和電感L4組成，電感L4串聯(lián)于電路中，電容C15并聯(lián)接地。本發(fā)明的技術優(yōu)勢如下:
[0016]I)對于無線電能傳輸系統(tǒng)頻段針對性強。市場上大多數(shù)現(xiàn)有功放均為GHz通信頻段，很少有滿足無線電能傳輸系統(tǒng)對帶寬的要求。
[0017]2)E類功放拓撲簡單。其采用單管放大，相比全橋/半橋電路驅(qū)動部分更加簡單易于控制。
[0018]3 )E類功放效率高。因開關狀態(tài)轉換滿足ZVS和ZDS條件，極大的減小開關管開通和關斷時的損耗。
[0019]4)系統(tǒng)頻率方便調(diào)節(jié)。相比全橋/半橋逆變電路，只需要調(diào)節(jié)信號發(fā)生電路的輸出信號頻率即可。
[0020]正由于E類功放具有如上優(yōu)點，將其應用于磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)中不僅能夠提高前端能量的利用率還能夠在一定范圍內(nèi)快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率節(jié)省實驗的時間和人力。
【附圖說明】
[0021 ]圖1功率放大器組成框圖
[0022]圖2功率放大器原理圖
[0023]圖3.1功率放大器理想電流波形、圖3.2功率放大器理想電壓波形[0024I圖4功率放大器反饋示意圖
[0025]圖中:I為輸入信號，2為輸入匹配電路，3為門極偏置電源，4為第一電源濾波電路，5為功率管，6為反饋電路，7為漏極供電電源，8為第二電源濾波電路，9為LC振蕩電路，10為輸出匹配電路。11為輸出信號。
【具體實施方式】
[0026]1.E類功率放大器
[0027]E類功率放大器有多種不同拓撲結構，主要差別在于是并聯(lián)還是串聯(lián)電容或者電感，本發(fā)明采用的是并聯(lián)電容的E類功率放大器，其電路原理圖如圖2所示。
[0028]輸入信號I，輸入匹配電路2(由電容C2和電感LI組成，電感LI串聯(lián)，電容C2并聯(lián)接地)，門極偏置電源3為Vb，電源濾波電路4(由電容C3、電容C4、電容C5、電容C6、電容C7并聯(lián)接地構成)，功率管5為Q，反饋電路6 (由電阻R3和電容C8串聯(lián)在功率管Q漏極和門極間構成)，漏極供電電源7為Vcc，電源濾波電路8(由電容C9、電容C10、電容C11、電容C12、電容C13并聯(lián)接地構成)，LC振蕩電路9(電感L3和電容C14串聯(lián)組成)，輸出匹配電路10(由電容C15和電感L4組成，電感L4串聯(lián)，電容Cl 5并聯(lián)接地)，輸出信號11。
[0029]主要元器件:飛思卡爾射頻管MRF6V2300、高頻扼流圈RFC、LC振蕩器、電源濾波電容、匹配電路電容電感、輸出電容、門極偏置電源、漏極供電電源、反饋電路RC串聯(lián)、門極偏置和門極穩(wěn)定電阻。
[0030]E類功放為了實現(xiàn)最大效率的輸出，其必須滿足下述的ZVS條件和ZDS條件:
[0031 ] ZVS(zero-voltage switching):當開關從關斷(off)狀態(tài)變?yōu)閷?on)狀態(tài)時，集電極或者漏極的電壓等于0;ZDS(zero-derivative switching):當開關從關斷(off)狀態(tài)變?yōu)閷?on)狀態(tài)時，集電極或者漏極的電壓導數(shù)等于O。其理想電壓電流波形如圖3所不O
[0032]2.匹配電路設計
[0033]在進行基礎電路設計之前要對MRF6V2300NBR1開關晶體管的特性曲線進行仿真，根據(jù)其特性曲線選取功率損耗較小并且能夠使得功率管完全導通的靜態(tài)工作點。
[0034]設計出的基礎功放電路為了能夠輸出最大的功率和最高的效率，必須獲得基本功放電路的最佳負載阻抗和源阻抗。為了獲得這兩個阻抗值，本發(fā)明采用負載牽引(LoadPull)和源牽引(Source Pull)方法。負載牽引方法是通過在Smith圓圖上畫出給定輸入功率情況下不同負載阻抗值的等輸出功率曲線，從而確定最佳負載阻抗值。源牽引方法與負載牽引方法類似。
[0035]實際中，負載的值和源阻抗的值一般與最佳負載阻抗值和源阻抗值并不是相同的。這就需要設計匹配電路將負載阻抗和源阻抗與最佳阻抗進行匹配。下面先介紹負載牽引和源牽引設計，再介紹匹配電路的設計。
[0036]匹配電路設計過程如下:
[0037](I)首先隨意給定源阻抗，進行負載牽引，選取最佳負載阻抗。
[0038](2)設置最佳負載阻抗，進行源牽引，確定最佳源阻抗。
[0039](3)設置(2)中最佳源阻抗，重復(I)確定最佳負載阻抗。
[0040](4)不斷進行循環(huán)達到穩(wěn)定的最佳源阻抗和負載阻抗。
[0041](5)利用ADS軟件smith原圖分別對輸入輸出匹配電路進行設計。(需要說明的是輸出匹配電路可以直接插入到輸出回路中，而輸入匹配電路由于軟件限制必須調(diào)換輸入輸出端才能插入到輸入回路中)。
[0042]3.反饋設計
[0043]對于工作在射頻頻段的晶體管來說，穩(wěn)定是至關重要的。穩(wěn)定性也是放大器電路必須滿足的一個首要條件。只有穩(wěn)定，才能保證電路不乏發(fā)生振蕩的趨勢。為了使得電路穩(wěn)定系數(shù)K>1，通常采用如下措施:
[0044](I)在門極通過電容和小電阻直接接地。
[0045](2)在門極串接電阻和電容并聯(lián)電路。
[0046](3)在門極和門極偏置加電阻
[0047](4)加入反饋電路
[0048]本發(fā)明是采取(3)和(4)兩種措施，S卩加入反饋電路、在門極和門極偏置加電阻其，其中反饋電路的原理圖4所示。
[0049]當某種因素導致晶體管漏極輸出信號增大時，負反饋網(wǎng)絡反饋的量隨之增大，該反饋量與原輸入信號做差后，原輸入信號減小，從而導致漏極輸出量減小。因此，負反饋網(wǎng)絡是一個增益自動調(diào)節(jié)的環(huán)路，調(diào)節(jié)的最終結果是漏極輸出量的變化被抑制。但其缺點在于，這種增益平坦化技術是以降低增益和效率為代價的。不僅加入負反饋電路是以降低增益和效率為代價換取穩(wěn)定性和增益平坦化，在門極與門極偏置上加入電阻也是如此。
[0050]為了使電路能夠穩(wěn)定的工作，有更加好的性能，提供優(yōu)質(zhì)的直流電源是必需的。設計中考慮到供電電源可能存在紋波，同時防止電路的自激，提高電路的效率，設計了電源濾波電路，主要是采用電容來完成，電容取值的選取與電路功率頻率有關，一般選擇都是采用C=l/fo這個值，同時再在這個值上下各取幾個值。
[0051]當某種因素導致功率管漏極輸出信號Xo增大，使得進入反饋電路的信號Xf隨之成比例增大，由于進入門極信號Xi=Xs-Xf,故在門極偏置電壓不變情況下Xi將減小，又由于漏極輸出信號Xo=AXi,所以Xo也將減小。因此，負反饋網(wǎng)絡是一個增益自動調(diào)節(jié)的環(huán)路，調(diào)節(jié)的最終結果是漏極輸出量的變化被抑制。但其缺點在于，這種增益平坦化技術是以降低增益和效率為代價的。不僅加入負反饋電路是以降低增益和效率為代價換取穩(wěn)定性和增益平坦化，在門極與門極偏置上加入電阻也是如此。
[0052]4.實現(xiàn)步驟:
[0053]I)選取E類功率放大器功率管，查詢Datasheet發(fā)現(xiàn)MRF6V2300NBR1符合我們的實驗要求。
[0054]2)對選取的功率管進行直流分析，確定其靜態(tài)工作點。
[0055]3)對選取功率管進行穩(wěn)定性分析，穩(wěn)定系數(shù)大于I，即認為穩(wěn)定。
[°°56] 4)對E類功放進行基本參數(shù)的設計。
[0057]5)對輸入輸出匹配電路進行設計。
[0058]6)門極偏置電壓和功率管漏極供電電壓的電源濾波電路的設計。
[0059 ] 7)對整個電路進行穩(wěn)定性、輸出性能(增益，功率，效率等)的仿真。
[0060]8)對功放進行制作。
[0061 ] 5.最接近的現(xiàn)有技術
[0062]E類功率放大器有多種不同拓撲結構，主要差別在于是并聯(lián)還是串聯(lián)電容或者電感，本發(fā)明最接近的E類功率放大器一般由如下構成:高頻扼流線圈為漏極提供一個恒定的直流，串聯(lián)諧振回路認為品質(zhì)因數(shù)足夠大，能夠為負載輸出開關頻率的正弦波電流，相移電感為負載電路輸出提供一個相位偏移，并聯(lián)等效電容，由開關管漏源兩極輸出等效電容與外接接地電容組成。在激勵信號的作用下，晶體管呈開關工作狀態(tài)。當晶體管飽和導通時，集電極電壓波形由晶體管決定；當晶體管截止時，集電極電壓波形由負載網(wǎng)絡的瞬變響應所決定。
【主權項】
1.一種磁耦合諧振式無線電能傳輸E類功率放大器，它的組成包括:輸入信號(I)，輸入匹配電路(2)，門極偏置電源(3)，第一電源濾波電路(4)，功率管(5)，反饋電路(6)，漏極供電電源(7)，第二電源濾波電路(8)，LC振蕩電路(9)，輸出匹配電路(10)，輸出信號(11)，其特征在于:輸入信號(I)經(jīng)過輸入匹配電路(2)，門極偏置電源(3)經(jīng)過電源濾波電路(4)為功率管(5)提供一個靜態(tài)工作點，給輸入信號提供電路通路，反饋電路(6)將漏極輸出信號反饋給門極以調(diào)整輸出信號強度，漏極電源(7)經(jīng)過電源濾波電路(8)為輸出回路提供功率，功率管(5)輸出經(jīng)過LC振蕩電路(9)輸出匹配電路(10)，輸出信號(11)。2.根據(jù)權利要求1所述的磁耦合諧振式無線電能傳輸E類功率放大器，其特征在于:所述的輸入匹配電路(2)由電容C2和電感LI組成，電感LI串聯(lián)于電路中，電容C2并聯(lián)接地。3.根據(jù)權利要求1所述的磁耦合諧振式無線電能傳輸E類功率放大器，其特征在于:所述的電源濾波電路(4)由電容C3、電容C4、電容C5、電容C6、電容C7并聯(lián)接地構成。4.根據(jù)權利要求1所述的磁耦合諧振式無線電能傳輸E類功率放大器，其特征在于:所述的反饋電路(6)由電阻R3和電容CS串聯(lián)在功率管Q漏極和門極間構成。5.根據(jù)權利要求1所述的磁耦合諧振式無線電能傳輸E類功率放大器，其特征在于:所述的電源濾波電路(8)由電容C9、電容Cl O、電容Cl 1、電容Cl 2、電容Cl 3并聯(lián)接地構成。6.根據(jù)權利要求1所述的磁耦合諧振式無線電能傳輸E類功率放大器，其特征在于:所述的LC振蕩電路(9)由電感L3和電容C14串聯(lián)組成。7.根據(jù)權利要求1所述的磁耦合諧振式無線電能傳輸E類功率放大器，其特征在于:所述的輸出匹配電路(10)由電容C15和電感L4組成，電感L4串聯(lián)于電路中，電容C15并聯(lián)接地。
【文檔編號】H03F3/217GK205430180SQ201520948342
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2015年11月20日
【發(fā)明人】譚暢, 李強, 宋俊超, 趙懷友, 邵立偉
【申請人】南京理工大學