一种基于SPWM技术的全桥功率放大和∏型低通滤波电路拓扑结构

摘要

本发明公开了正弦信号功率放大电路领域的一种基于SPWM技术的全桥功率放大和∏型低通滤波电路拓扑结构，包括结构相同且级联的两个半桥功放电路，还包括∏型低通滤波电路，∏型低通滤波电路包括第一电感、第二电感与第五电容，第五电容的两端分别与第一电感、第二电感的第二端连接，两个半桥功放电路输入的脉宽调制信号极性相反，输出的电压信号幅值相同、极性相反。本发明由两个半桥功放电路共同组成全桥功放电路，实现电压/电流的功率放大，设计∏型低通滤波电路解调出大功率正弦信号，在相同的H桥直流供电电压条件下，比常规的半桥功放和LC滤波器设计方法，解调出输出电流不变、输出提高一倍幅值的正弦电压，使输出功率提高一倍。

说明书

技术领域

本发明涉及正弦信号功率放大电路领域，具体是一种基于SPWM技术的全桥功率放大和∏型低通滤波电路拓扑结构。

背景技术

正弦信号功率放大电路广泛应用于航天、航空、舰船、兵器等国防电子领域和通信、医疗、工业自动化等民用电子领域，常用的正弦信号功率放大电路拓扑结构包括线性功率放大器电路拓扑、脉宽调制功率放大器电路拓扑。线性功率放大器优点是精度高、失真度小，但效率低，适用于低功率设计；脉宽调制功率放大器优点是效率高，适用于中大功率设计，但技术难度较高，输出电压幅值取决于H桥直流供电电压，如何在供电电压不变的情况下，尽可能地增加输出电压与输出功率，成为需要研究的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于SPWM技术的全桥功率放大和∏型低通滤波电路拓扑结构，以解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于SPWM技术的全桥功率放大和∏型低通滤波电路拓扑结构，包括结构相同且级联的两个半桥功放电路，还包括∏型低通滤波电路，所述∏型低通滤波电路包括第一电感、第二电感与第五电容，第五电容的两端分别与第一电感、第二电感的第二端连接，其中一个半桥功放电路的输出端连接第一电感的第一端，另一个半桥功放电路的输出端连接第二电感的第一端，且两个半桥功放电路输入的脉宽调制信号极性相反，输出的电压信号幅值相同、极性相反。

作为本发明的改进方案，所述半桥功放电路包括第一NMOS管、第二NMOS管、第一电阻、第二电阻、第四电阻、第五电阻，所述第一NOMS管与第二NMOS管的栅极分别通过第一电阻、第四电阻输入脉宽调制高压信号与脉宽调制低压信号，第一NMOS管的栅极与漏极之间、第二NMOS管的栅极与漏极之间分别连接有第二电阻与第五电阻；所述第一NMOS管的源极与第二NMOS管的漏极连接，第一NMOS管的源极连接电源端，漏极作为输出端连接∏型低通滤波电路，第二NMOS管的漏极接地。

作为本发明的改进方案，所述第一NMOS管的栅极连接有第一反向过压保护电路。

作为本发明的改进方案，所述第一反向过压保护电路包括并联在第一电阻两端的第一二极管，且第一二极管的阳极连接第一NMOS管的栅极。

作为本发明的改进方案，所述第二NMOS管的栅极连接有第二反向过压保护电路。

作为本发明的改进方案，所述第二反向过压保护电路包括并联在第四电阻两端的第二二极管，且第二二极管的阳极连接第二NMOS管的栅极。

作为本发明的改进方案，所述第一NOMOS管的源极与漏极之间连接有第一尖峰电压吸收抑制电路。

作为本发明的改进方案，所述第一尖峰电压吸收抑制电路包括串联组成的第三电阻与第一电容。

作为本发明的改进方案，所述第二NOMOS管的源极与漏极之间连接有第二尖峰电压吸收抑制电路。

作为本发明的改进方案，所述第二尖峰电压吸收抑制电路包括串联组成的第六电阻与第二电容。

有益效果：本发明由两个半桥功放电路共同组成全桥功放电路，实现电压/电流的功率放大，设计∏型低通滤波电路解调出大功率正弦信号，在相同的H桥直流供电电压条件下，比常规的半桥功放和LC滤波器设计方法，解调出输出电流不变、输出提高一倍幅值的正弦电压，使输出功率提高一倍。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于SPWM技术的全桥功率放大和∏型低通滤波电路拓扑结构，包括结构相同且级联的两个半桥功放电路，分别为正向半桥功放电路1、反向半桥功放电路2；还包括∏型低通滤波电路，∏型低通滤波电路包括第一电感L1、第二电感L2与第五电容C5，第五电容C5的两端分别与第一电感L1、第二电感L2的第二端连接，正向半桥功放电路1的输出端连接第一电感L1的第一端，反向半桥功放电路2的输出端连接第二电感L2的第一端，正向半桥功放电路1与反向半桥功放电路2输入的脉宽调制信号极性相反，输出到∏型低通滤波电路3的电压信号幅值相同、极性相反，第五电容C5上即产生差分大功率信号输出，相较于常规的半桥功放和LC滤波器设计方法，输出功率增加一倍。

具体地，正向半桥功放电路1包括第一NMOS管V1、第二NMOS管V2,、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1与第二电容C2。

第一NMOS管V1的栅极通过第一电阻R1接收外部输入的脉宽调制高压端信号，作为自身的启动电压，第一NMOS管V1的栅极与漏极之间连接有第二电阻R2，源极与漏极之间连接有串联构成的第三电阻R3与第一电容C1。第二NMOS管V2的栅极通过第四电阻R4接收外部输入的脉宽调制低压端信号，第二NMOS管V2的栅极与漏极之间连接有第五电阻R5，源极与漏极之间连接有串联构成的第六电阻R6与第二电容C2。

为了解决MOS场效应管在高频开关过程中反向过压保护、尖峰电压吸收抑制的问题，第三电阻R3与第一电容C1、第六电阻R6与第二电容C2构成了RC网络，分别用于吸收第一NMOS管V1、第二NMOS管V2关断时漏极和源极间产生的尖峰电压。第二电阻R2、第五电阻R5分别构成了第一NMOS管V1、第二NMOS管V2栅极和源极间电荷泄放通道。第一二极管D1与第一电阻R1反向并联，第二二极管D2与第四电阻R4反向并联，均用于实现反向电压的快速泄放，相对于普遍采用的快速恢复二极管，本实施方式中的第一二极管、第二二极管具有单向截止的功能，提高了第一NMOS管V1、第二NMOS管V2工作的可靠性。

第一NMOS管V1的漏极连接外部输入的直流高压+E，源极连接第二NMOS管V2的漏极以及第一电感L1的第一端，第二NMOS管V2的源极接直流高压的地。正向半桥功放电路1输出正向脉宽调制信号至∏型低通滤波电路3的第一电感L1，第一电感L1接收正向脉宽调制信号，连接至第五电容C5的上端。

反向半桥功放电路2与正向半桥功放电路1的结构相同，具体包括第一NMOS管V3、第二NMOS管V4、第一电阻R7、第二电阻R8、第三电阻R9、第四电阻R10、第五电阻R11、第六电阻R12、第一二极管D3、第二二极管D4、第一电容C3与第二电容C4。

第一NMOS管V3的栅极通过第一电阻R7接收外部输入的脉宽调制高压端反向信号，作为自身的启动电压，第一NMOS管V3的栅极与漏极之间连接有第二电阻R8，源极与漏极之间连接有串联构成的第三电阻R9与第一电容C3。第二NMOS管V4的栅极通过第四电阻R10接收外部输入的脉宽调制低压端反向信号，第二NMOS管V4的栅极与漏极之间连接有第五电阻R11，源极与漏极之间连接有串联构成的第六电阻R12与第二电容C4。

第三电阻R9与第一电容C3、第六电阻R12与第二电容C4，分别用于吸收第一NMOS管V3、第二NMOS管V4关断时漏极和源极间产生的尖峰电压。第二电阻R8、第五电阻R11分别构成了第一NMOS管V3、第二NMOS管V4栅极和源极间电荷泄放通道。第一二极管D3与第一电阻R7反向并联、第二二极管D4与第四电阻R10反向并联，均用于实现反向电压的快速泄放，提高了第一NMOS管V3、第二NMOS管V4工作的可靠性。

第一NMOS管V3的漏极与第一NOMS管V1的漏极均连接外部输入的直流高压+E，也即由于SPWM采用双极性脉宽调制，本实施方式中仅采用一个外界输入电源+E即可。第一NMOS管V3的源极连接第二NMOS管V4的漏极以及第二电感L2的第一端，第二NMOS管V4的源极连接直流高压的地。反向半桥功放电路2输出反向脉宽调制信号至∏型低通滤波电路3的第二电感L2，第二电感L2接收反向脉宽调制信号，连接至第五电容C5的下端。

本实施方式在实施时，正向半桥功放电路1中，外部输入的脉宽调制高压端信号驱动第一NMOS管V1的漏极和源极导通和关断，外部输入的脉宽调制低压端信号驱动第二NMOS管V2的漏极和源极导通和关断，经第一电感L1和第五电容C5滤波后，在第五电容C5上端输出功率放大的正弦信号kV；反向半桥功放电路2中，外部输入的脉宽调制高压端反向信号驱动第一NMOS管V3的漏极和源极导通和关断，外部输入的脉宽调制低压端反向信号驱动第二NMOS管V3的漏极和源极导通和关断，经第二电感L2和第五电容C5滤波后，在第五电容C5下端输出功率放大的正弦信号-kV；

第五电容C5上、下端的两路正弦信号幅值相等，极性相反(相差180°)，最终，在第五电容C5的两端即产生差分大功率正弦信号输出：kV-(-kV)＝2×kV。

本发明由正向半桥功放电路和反向半桥功放电路共同组成全桥功放电路，实现电压/电流的功率放大，设计∏型低通滤波电路解调出大功率正弦信号，在相同的H桥直流供电电压条件下，比常规的半桥功放和LC滤波器设计方法，解调出输出电流不变、输出提高一倍幅值的正弦电压，使输出功率提高一倍。

虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

在本发明的描述中，需要说明的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。