一种新型低失真的开关功率放大器的研制

论文摘要

功率放大器是将输入参考信号放大为所需要信号的设备。功率放大器两个基本要求:一是输出信号变化能够与输入信号的变化相一致,即:系统失真小;二是整个功率放大器的损耗低,即:系统效率高。功率放大器在工业、航空电子、通信及家庭娱乐等领域中有着广泛的应用。开关功率放大器的优势是效率高。但是由于其本身固有的非线性,开关功率放大器的失真通常大于传统的线性放大器。提高开关频率是减少开关功率放大器失真的有效办法。但随着开关频率的提高,开关损耗大大增加,其效率严重下降在很大程度上又限制了开关功率放大器工作频率的进一步提高以及应用领域的扩大。因此,如何能够同时满足高效率、低失真成为开关功率放大器研究的重点。为了解决现有功率放大器效率低和失真大的问题,本文设计了一种新型的开关功率放大器,主电路采用MOSFET全桥逆变电路,控制电路主要采用了低失真度的信号发生器MAX038和单极性SPWM调制电路。该设计中没有死区时间的设置,同时由于全桥本身差分输出的优点,从而大大的减小了系统的失真。实验表明这种方案设计合理、控制简单、易于实现。本论文的主要工作如下:(1)分析了开关功率放大器的基本原理和构成以及和传统功率放大器的区别。(2)分析造成失真的原因,提出了改进措施并进行了仿真验证。(3)分析了开关功率放大器各部分电路的设计和参数的选择。(4)设计出一台功率为50W的样机并进行实验。实验结果达到了指标要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 功率放大器
• 1.2 功率放大器的分类
• 1.3 开关功率放大器的现状
• 1.3.1 国外研究现状及发展趋势
• 1.3.2 国内研究动态及发展现状
• 1.4 本课题研究的意义和主要内容
• 2 开关功率放大器的原理
• 2.1 开关功率放大器的基本结构
• 2.1.1 SPWM调制
• 2.1.2 驱动级
• 2.1.3 逆变主电路
• 2.1.4 低通滤波器
• 2.2 小结
• 3 开关功率放大器的失真分析
• 3.1 失真分析
• 3.1.1 SPWM调制
• 3.1.2 死区时间设置
• 3.1.3 开关管的非理想化导通和关断
• 3.1.4 输出低通滤波器
• 3.2 小结
• 4 开关功率放大器主电路的设计
• 4.1 全桥逆变电路中功率器件的选择
• 4.2 功率MOSFET的工作原理和特性
• 4.2.1 功率MOSFET的结构和原理
• 4.2.2 功率MOSFET的开关特性
• 4.2.3 功率MOSFET的静态特性
• 4.3 用于全桥的快速二极管
• 4.3.1 功率二极管的正向恢复过程
• 4.3.2 功率二极管的反向恢复过程
• 4.4 开关功放主电路设计
• 4.4.1 全桥逆变电路的工作原理
• 4.4.2 输出LC低通滤波器的设计
• 4.5 小结
• 5 开关功率放大器控制电路的设计
• 5.1 前置放大电路
• 5.1.1 电路的设计与参数的计算
• 5.1.2 前置放大器的输出波形
• 5.2 SPWM实现电路和SPWM输出电路
• 5.2.1 MAX038 的工作原理及引脚功能
• 5.2.2 SPWM实现电路
• 5.2.3 SPWM输出电路
• 5.3 功率MOSFET的驱动电路设计
• 5.3.1 脉冲变压器的设计
• 5.3.2 驱动电路原理图
• 5.4 系统中保护电路和辅助电源电路的设计
• 5.4.1 系统保护电路
• 5.4.2 辅助电源的设计
• 5.5 小结
• 6 开关功率放大器样机试验结果
• 6.1 样机调试
• 6.2 小结
• 7 结论
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录