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E类(class E)功放的原理及设计
ne555 2015-12-27 00:00:00
不少人第一次听说E类功放都是因为那个class E SSTC,从网上查询却发现资料少的可怜,其原理和设计方法就更无从谈及。下面我就根据书中所写以及自己的理解讲一下。讲之前还需说一下,因为电路分析必须涉及微积分,所以不懂的最好查一下,不需要会解,能明白符号含义和表达式意义就行。


E类功放产生的原因


D类功放是较早出现的一类开关功放,其出现促进了逆变技术的发展。由于晶体管处于开关状态理论上可以达到100%的效率。由于晶体管势垒电容、扩散电容以及电路中分布电容的影响,晶体管由饱和到截止或由截止到饱和,都需要一定的转换时间。因而导致转换时间内管子的集电极电流和集电极电压均会有较大的数值致使管耗增加。寄生电容不太大,工作频率较低时,可忽略其影响。然而工作频率较高时,管耗的增加就无法忽略,使效率降低,甚至使器件损坏。为了弥补这一缺陷,E类功放应运而生。


E类功放的原理

下图为E类功放的电路图
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与电源相连的的电感为射频扼流圈,允许直流通过为电路提供能量,阻止射频电流从此传出,理想状态下感抗无穷大。LX的作用是提供一定的感抗,具体的原因会在之后说明。LS和CS构成谐振于信号基波频率的串联谐振电路,理想状态下品质因数Q无穷大。RL为负载电阻。开关管等效为开关和输出寄生电容的并联电路,用开关代替开关管等效电路中的开关,电容CP代替开关管输出端的寄生电容。  

电路图中标出了部分电压或电流。Idc是输入电流;i(t)和u(t)分别是开关和电容CP并联部分的电流和电压,也就是开关管的电流和电压,都是时间函数;isw(t)和ic(t)分别是开关和电容CP两端的电流,也都是时间函数;Irfcosωt是射频电流的时间函数,射频电流峰值即为系数Irf

257230
。下图为这些电压或电流随时间变化的图像,也就是他们的波形。由上图可以看出,i(θ)是输入电流和射频电流之和。-α1到2π-α1为一个工作周期。-α1到α2开关管导通,这时u(θ)等于零,ic(θ)也等于零,isw(θ)和i(θ)相同;α2到2π-α1开关管截止,这时isw(θ)等于零,ic(θ)与i(θ)相同,u(θ)即为电容两端电流的积分。2π-α1时,u(θ)恰好降为零,然后进入下一周期,开关管导通。可以看出,寄生电容两端电压为零时开关管才导通,这就解决了之前提到的问题。开关管电压和电流乘积始终为零,因此其理论效率为100%。
257161


E类功放的设计

1到α2开关管导通,因此开关管导通角为
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根据之前的分析可以得到
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257233

那么
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根据之前的分析及图像,很容易得出开关管峰值电流
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1时开关管电流为零,代入式②可以得到
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一个工作周期内,开关管导通时流过的电流的平均值等于输入电流,因此可以得到
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代入式①和③进一步化简可以得到

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这样就得到m和导通角Φ之间的关系,进而可以把很多量和导通角Φ联系起来。
开关管截止时,两端电压u(θ)为电流在电容CP上的积分
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257242

当开关管电流为零时,电压达到最大值。根据余弦函数图像的对称性可以得知α1时为零,因此开关管电压最大值为
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再次观察u(θ)的图像,会发现它不是正弦波。用傅里叶公式对其进行正交分解,分解为余弦和正弦两个部分
正弦部分
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化简后再代入式③和④得到
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余弦部分
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化简后再代入式④得到

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在LX,LS,CS和RL构成的射频串联回路中,LS和CS的作用是只允许与其谐振频率相同的基波通过,其值与谐振频率及品质因数Q的关系在这里不在赘述。式⑤可以看出,开关管两端电压含有正弦成分,而射频电流为余弦函数。为了使功率因数为1,就需要一个电抗抵消掉,提供这个电抗的就是电感LX。抵消后,开关管两端电压剩下的余弦成分就会加在负载电阻上。
一个工作周期内,开关管截止时两端的电压的平均值等于电源电压,因此可以得到
257248
257249

可以发现这个式子与之前式⑥极为相似。为了进一步得到各个量之间的关系,进行下面的分析。
输入功率为
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因为电路的效率为100%,所以射频功率等于输入功率。
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通过比较式⑥和⑦,以及射频电流的峰值电流和有效电流的关系,可以得到

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射频功率只由负载电阻消耗,因此最右边可以看为负载电阻两端有效电压与有效电流的乘积,进而可以求出负载电阻
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根据之前的分析,负载电阻还可以用另一种更为简单的方式求得
257254

通过前面对射频串联回路的分析,可以得到感抗
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进而得出电感值
257256

至此,所有需要计算的元件值都已得出。


下面检验一下
因为公式复杂,因此用VB写了一个计算器(在附件中)
257189

输入已知量计算
257190

用multisim把电路搭出来仿真
257191

波形理想,峰值电流和峰值电压与计算相符。经计算,电阻功耗和设计相符。


当然,E类也有一些缺点比如
难调试
峰值电压(导通角为180°时为电源电压3.56倍)与峰值电流(导通角为180°时为输入电流2.68倍)大,对器件要求高。

[修改于 3 年前 - 2015-12-29 22:26:27]

+1  学术分    虎哥   2016-02-06   理论帖。
2015-12-27 09:36:07
1楼
0
技术好贴。楼主辛苦了
2016-1-6 00:33:29
2楼
0
友情暖贴~
3楼
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非常感谢分享,E类功放设计不是很困难,难点难在高频TC系统的负载特性是动态的,而E类放大器负载网络是固定的,
4楼
0
超级好贴,谢谢,
E类功放
ne555(作者)
5楼
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引用 金坷仙:
非常感谢分享,E类功放设计不是很困难,难点难在高频TC系统的负载特性是动态的,而E类放大器负载网络是固定的,
确实是这样
2016-2-4 11:23:56
6楼
0
感谢楼主分享
正好可以学习一下,谢谢楼主
7楼
0
绝对的好贴!
8楼
0
当开关管电流为零时,电压达到最大值。
这句话有错误吧?
不是应该在电容电流为零时,电压达到最大值么?
推导是不是错了?

[修改于 3 年前 - 2016-02-04 18:42:01]

ne555(作者)
9楼
0
引用 PCBBOY1991:
当开关管电流为零时,电压达到最大值。
这句话有错误吧?
不是应该在电容电流为零时,电压达到最大值么?
推导是不是错了?
看的很仔细啊。的确,电容电流为零时,电压达到最大值,原理部分也是这么说的。但开关管是等效为电容和普通开关的,在实际中它们是分不开的,因此设计部分我在用文字表述中,都在现实的角度,把电容和开关作为一个整体说的。不知这么说是否明白。
10楼
0
引用 ne555:
看的很仔细啊。的确,电容电流为零时,电压达到最大值,原理部分也是这么说的。但开关管是等效为电容和普通开关的,在实际中它们是分不开的,因此设计部分我在用文字表述中,都在现实的角度,把电容和开关作为一个整体说的。不知这么说是否明白。
那么在推导最大值的就是错误的,不在α1取得最大值吧?
11楼
0
引用 ne555:
看的很仔细啊。的确,电容电流为零时,电压达到最大值,原理部分也是这么说的。但开关管是等效为电容和普通开关的,在实际中它们是分不开的,因此设计部分我在用文字表述中,都在现实的角度,把电容和开关作为一个整体说的。不知这么说是否明白。
其实在实际电路里还是有一个电容与开关管并联的,所以最好还是把开关管作为单独的,开关管电容和另外并联的电容作为一个整体比较妥当。
ne555(作者)
12楼
0
引用 PCBBOY1991:
其实在实际电路里还是有一个电容与开关管并联的,所以最好还是把开关管作为单独的,开关管电容和另外并联的电容作为一个整体比较妥当。
也对,不过现在已经超过编辑期限了,原文已无法更改。
另外,是在α1取最大值
13楼
0
引用 ne555:
也对,不过现在已经超过编辑期限了,原文已无法更改。
另外,是在α1取最大值
确实,是我弄错了,嘿嘿。
14楼
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电路中开关管的工作频率应该是和电路的谐振频率一致的吧,如果这个电路要调节输出功率的话是可以通过调节占空比的方式么?
ne555(作者)
15楼
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引用 PCBBOY1991:
电路中开关管的工作频率应该是和电路的谐振频率一致的吧,如果这个电路要调节输出功率的话是可以通过调节占空比的方式么?
对,频率一致。
调节功率可以调占空比,但是部分元件参数也需要改变,因此只能提前设定好,无法在工作状态改动,这也是E类的缺点之一。简单调节功率的方法就是调解母线电压。
16楼
0
引用 ne555:
对,频率一致。
调节功率可以调占空比,但是部分元件参数也需要改变,因此只能提前设定好,无法在工作状态改动,这也是E类的缺点之一。简单调节功率的方法就是调解母线电压。
恩!
不调节频率只调节占空比还能保证电路工作在谐振状态么?
调节母线电压倒是一个办法。
17楼
0
软件上还是有点小瑕疵的,软件界面的总电感的单位错了。
2016-2-8 16:02:53
ne555(作者)
18楼
0
引用 PCBBOY1991:
软件上还是有点小瑕疵的,软件界面的总电感的单位错了。
确实,单位换算的时候没注意,这是修改后的
19楼
0
好帖,感谢楼主
2016-2-27 20:12:14
20楼
0
那开关电源中的LLC谐振结构是不是也能简化成ClassE电路分析
ne555(作者)
21楼
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引用 dx毁灭者:
那开关电源中的LLC谐振结构是不是也能简化成ClassE电路分析
不是的,首先电路结构就很不一样,而且LLC中电感都参与谐振,而E类其中一个是扼流
2016-3-9 11:46:38
22楼
0
引用 ne555:
不是的,首先电路结构就很不一样,而且LLC中电感都参与谐振,而E类其中一个是扼流
估计dx毁灭者的意思是RL那个负载电阻可能由L、C或者LC并联代替,这样就很想LLC或者LCC了吧?
那E类放大器是电流型的的变换器还是电压型的啊?
但是这个概念是在D类里边提出来的,感觉上边的疑问不太合适。
但是输出的电流波形是正弦的,是不是把RL以外的E类放大器部分看作是电流源?
ne555(作者)
23楼
0
引用 PCBBOY1991:
估计dx毁灭者的意思是RL那个负载电阻可能由L、C或者LC并联代替,这样就很想LLC或者LCC了吧?
那E类放大器是电流型的的变换器还是电压型的啊?
但是这个概念是在D类里边提出来的,感觉上边的疑问不太合适。
但是输出的电流波形是正弦...
绝对不能并联,并联基波阻抗理论上无穷大,就无法输出了,除非和负载并联,不过那就和逆E类差不多了。电流型还是电压型我倒真不敢确定。
24楼
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引用 ne555:
绝对不能并联,并联基波阻抗理论上无穷大,就无法输出了,除非和负载并联,不过那就和逆E类差不多了。电流型还是电压型我倒真不敢确定。
但是看网上流行的高频烙铁的电路图,在手柄,也就是负载那里手柄线圈是和一个电容并联的,当时我也是不解。
所以不知道到底负载那边是用串联谐振结构的电路合适还是并联的合适。
ne555(作者)
25楼
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引用 PCBBOY1991:
但是看网上流行的高频烙铁的电路图,在手柄,也就是负载那里手柄线圈是和一个电容并联的,当时我也是不解。
所以不知道到底负载那边是用串联谐振结构的电路合适还是并联的合适。
既然电感电容并联,那这肯定是并联。只不过因为通过电磁感应有输出,所以在电路模型中可以把发热体电阻反射回来,电路可以等效为电阻电容电感并联。
26楼
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引用 ne555:
既然电感电容并联,那这肯定是并联。只不过因为通过电磁感应有输出,所以在电路模型中可以把发热体电阻反射回来,电路可以等效为电阻电容电感并联。
有道理~
27楼
0
引用 ne555:
绝对不能并联,并联基波阻抗理论上无穷大,就无法输出了,除非和负载并联,不过那就和逆E类差不多了。电流型还是电压型我倒真不敢确定。
貌似不太对,E类应该是看作是电流型的吧?
因为直流输入有一个大电感,可以看作是一个电流型的变换器,所以这个变换器的阻抗为无穷大,反而需要负载并联谐振,根据阻抗匹配,这样才可以获得最大功率吧?
ne555(作者)
28楼
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引用 PCBBOY1991:
貌似不太对,E类应该是看作是电流型的吧?
因为直流输入有一个大电感,可以看作是一个电流型的变换器,所以这个变换器的阻抗为无穷大,反而需要负载并联谐振,根据阻抗匹配,这样才可以获得最大功率吧?
电压形电压波形为矩形波电流波形近似正弦波;电流型变频器则为电流波形为矩形波电压波形为近似正弦波。
29楼
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调好这个波形不得累死!!!

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