一种新型固态大功率发射机的功放电路设计

一种新型固态大功率发射机的功放电路设计

摘要：介绍了一种基于电力电子功率器件的双H桥移相叠加合成梯形波的单相逆变电路的设计，这种设计特别适用于对信号输出的高次谐波有严格要求的大功率发射机的功放和单相逆变电源的电路中。相对于其它形式开关式逆变电路而言，该电路的设计方法简便、实用。通过理论计算和试验室模拟测试，验证了此设计的合理性，抑制了大功率固态发射机输出的高次谐波输出，提高了无线电通信领域

的兼容性和稳定性。

关键词：固态大功率发射机；高次谐波；移相叠加电路

0 引言

随着微电子技术和制造工艺以及加工水平的快速发展，大功率电力电子器件的开关速度、动静态损耗、门极驱动和单位体积的扩容等关键技术难题取得了重大突破，使得电力电子器件的应用更加广泛。固态大功率发射机功放环节就是采用电力电子器件极其优越的开关放大性能，用很小功率的载信息的调制激励信号激励电力电子器件的门极（或栅极），实现小信号的功率驱动和放大。采用这种功放模式的发射机从根本上解决了电子管发射机工程造价高、起动停机慢、

运行效率低和维护检修难等多方面的缺陷问题。

一般情况下，固态大功率发射机的功放环节是采用全桥式方波逆变拓扑，即用4只电力电子功率管构成一个H形逆变桥如图1所示。

通过变化驱动信号（门极激励信号）的脉宽来改变逆变桥输出电压和电流的脉宽，也即改变输出信号的频率，实现激励信号的开关放大，从而实现小信号功率放大。

图1 固态发射机功放电路简化图

通过理论计算和实际测试，这种形式的方波逆变器，输出电压含有较大的谐波（3，5，7，9次等）分量，其THD高达48％，即使是120°脉宽的矩形波，其THD仍有30％。所以，要使固态大功率发射机输出的谐波指标要求符合国际无线电委会和国内各种常用标准的规定，就必须在发射机功放输出端加上体积庞大的滤波设备，然而，这一举措带来的弊端是增大了发射机的体积和规模，同时增加了

发射机系统的插入损耗，大大降低了系统效率。

为了解决上述矛盾，很多同行业的科研单位和专家在固态大功率发射机的设计研制时，提出了多重化逆变技术。即应用矢量叠加原理，将多个H形逆变桥的输出通过变压器二次侧串联起来，形成梯形波叠加组合。本文从工程应用的角度出发，设计一种带30°死区的双桥路移相叠加阶梯波合成电路，并从理论和实践两个方面验证本电路的可行性。

1 多重化阶梯波合成原理

移相叠加N阶梯波合成逆变电路结构原理如图2所示。激励信号经过倍频、移相和分路处理，形成N组相位各异的激励信号，经驱动后分别供给N个H桥逆变模块。单个模块输出对称方波电压，

两个模块之间输出方波电压依次存在角度为（π/N）的相移。所有模块的输出变压器变比相同。全部模块的输出变压器次级依次串联，最终加在负载（R）上，这样在负载上的电压波形就构成了阶梯波。

在此，举例说明等脉宽、等幅值的6阶梯波的叠加合成原理，

如图3所示。

每一个模块的驱动信号是根据激励信号30倍频移相处理后产生6路一次相移为12°的准方波系列。图3中，V1～V6分别是6个模块单独输出的电压波形，V o是V1～V6矢量相加合成的阶梯波。通过正弦波形进行拟合，六阶梯波的曲线与正弦曲线非常近似。由此断定6阶梯波叠加电路构成的固态大功率发射机能够大大降低输出

的谐波含量。

图2 移相叠加阶梯波合成原理图图3 六阶梯波合成原理

理论计算得出N阶梯波与其构成电路输出的谐波含量和激励

信号触发时钟的倍频数列表见表1所示。

表1 阶梯波与谐波含量和倍频数关系表

阶梯数[]谐波THD[]时钟倍频数

1阶梯[]48％[]1

2阶梯[]28％[]6

3阶梯[]14％[]12

4阶梯[]5.1％[]18

5阶梯[]4.6％[]24

6阶梯[]4.2％[]30

7阶梯[]4.0％[]36

从表1看出，阶梯数越高，谐波THD值越小，同时对激励信号的倍频数越高。实际上，在固态大功率发射机的工程应用过程中，采用多阶梯叠加电路实现起来相当复杂。需要由多个H逆变桥模块进行串联组合，而每一个模块至少需要4个独立的隔离驱动电路；激励信号必须进行很高的倍频才能产生合理的移相触发脉冲。在工程应用中复杂电路的可靠性就受很大限制，所以，在可靠性要求比较高的情况下，很少采用多阶梯叠加电路。

2 双H桥移相叠加逆变电路

2.1 理论波形图和谐波分析

根据多重化叠加理论，构建一种新的逆变电路，需要在负载上电压的波形如图4所示。半个周期内形成3个台阶（包括0电位一个

台阶），并且台阶的宽度不同。

图4 构想的波形图图5 双H桥移相叠加合成波形图

根据上图，列出函数式如下：

[JZ(]f(wt)=[JB({][HL(2]0[](0＜wt≤π/12)

1[](π/12＜wt≤3π/12)

2[](3π/12＜wt≤9π/12)

1[](9π/12＜wt≤11π/12)

0[](11π/12＜wt≤π)[HL)][JB)][JZ)]（1）

对公式1进行傅立叶分析，得出高次谐波（列出17次以下）含量相对值，如表2所示。

表2 图4波形的谐波含量理论计算表

阶次[]5[]7[]11[]13[]17

基波比[]-0.054[]0.038[]-0.091[]-0.077[]0.016

dB值[]-25.4[]-28.3[]-20.8[]-22.3[]-36.0

从图4，我们不难反演出两个H桥叠加合成波形。如图5所示，桥1和桥2等脉宽等幅值输出，每一个H桥的导通角为120°，桥2的输出移相30°，两个进行叠加就可以合成图4所示的梯形波。

2.2 电路结构

根据叠加电路的原理和上面的理论分析，设计采用两个H桥逆变电路移相叠加。电路拓扑见图6。两个变比相同的输出变压器的

二次侧串联连接，总的输出接至负载RL。

两个H桥的直流侧电压取自同一直流电压，保证输出功率的平衡，也可以防止能量从后一级反向倒灌到直流侧。每一只开关管必须反并一只功率快恢复二极管，运行时，起到续流或形成变压器初级短路环的作用。

2.3 激励时序和功率器件的工作过程