CN116073765B - 一种应用在e类射频功放的主动负载感性钳位电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用在E类射频功放的主动负载感性钳位电路，包括：射频扼流圈、MOSFET S1、驱动模块、并联电容、谐振电感L0、谐振电容C0、钳位电路和负载。其中MOSFET S1的栅极连接驱动模块的输出端，接收驱动信号，MOSFET S1的漏极连接射频扼流圈的第一端、并联电容的第一端、谐振电感L0的第一端；射频扼流圈的第二端连接电源VDD；谐振电感L0的第二端连接钳位电路的第一端、谐振电容C0的第一端，谐振电容C0的第二端连接负载的第一端。

Description

一种应用在E类射频功放的主动负载感性钳位电路

技术领域

本发明涉及E类射频功放技术领域，特别是涉及一种应用在E类射频功放的主动负载感性钳位电路。

背景技术

高功率ISM波段的射频功放或者射频电源在医疗领域和半导体制造领域均是核心零部件，尤其是半导体制造领域。由于需要在全天24小时下工作，对射频功放或射频电源的可靠性和能源转换效率提出了很大的挑战。基于此，在不关注线性度的半导体制造领域，传统的线性功放方案由于较低的能量传输效率、较高的成本、较低的工作频率，逐渐被更高效率更便捷且便宜的开关功放所代替。

在实际应用中，无论是在医疗领域中的病人还是在半导体制造中的等离子体，对于射频电源来说，负载都是多变的，不同于线性类功放对实际工作负载要求也不尽相同。其中E类开关功放要求实际工作负载是感性负载，从而实现理论效率为100％的能量转换。而当实际工作负载是容性负载时，能量转换效率会极度降低，从而烧毁MOSFET管子。虽然传统E类开关功放拓扑有诸多优点，但缺点也很明显，即：传统E类功放对负载很敏感，当实际工作负载是容性负载时，能量转换效率极低且存在烧毁MOSFET管子的缺陷，仅当实际工作负载是感性负载时才能高效率、安全的工作。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明，以便提供一种应用在E类射频功放的主动负载感性钳位电路，当实际工作负载为容性负载时，自动将实际工作负载切换为感性负载，从而降低E类射频功放中MOSFET的开关损耗，既提高了工作效率又增加了安全性。

本发明提供的一种应用在E类射频功放的主动负载感性钳位电路，包括：射频扼流圈、MOSFET S1、驱动模块、并联电容、谐振电感L0、谐振电容C0、钳位电路和负载；

所述MOSFET S1的栅极连接所述驱动模块的输出端，接收驱动信号，所述MOSFETS1的源极接地，所述MOSFET S1的漏极连接所述射频扼流圈的第一端、所述并联电容的第一端、所述谐振电感L0的第一端；所述射频扼流圈的第二端连接电源VDD；所述谐振电感L0的第二端连接所述钳位电路的第一端、所述谐振电容C0的第一端，所述谐振电容C0的第二端连接所述负载的第一端，所述并联电容的第二端、所述钳位电路的第二端和所述负载的第二端共同接地。

优选的，所述钳位电路包括一二极管；所述二极管的阴极为所述钳位电路的第一端，连接所述谐振电感L0的第二端和所述谐振电容C0的第一端；所述二极管的阳极为所述钳位电路的第二端，用于接地。

优选的，所述钳位电路包括电压检测模块、反相加法模块和开关管；所述开关管的第一端和所述电压检测模块的第一端相连，作为所述钳位电路的第一端，连接所述谐振电感L0的第二端和所述谐振电容C0的第一端；所述开关管的第二端和所述电压检测模块的第二端相连，作为所述钳位电路的第二端，用于接地；所述开关管的控制端连接所述反相加法模块的输出端，所述反相加法模块的输入端连接所述电压检测模块的输出端。

优选的，所述钳位电路包括电压检测模块、反相加法模块、移相器和开关管；所述开关管的第一端和所述电压检测模块的第一端相连，作为所述钳位电路的第一端，连接所述谐振电感L0的第二端和所述谐振电容C0的第一端；所述开关管的第二端和所述电压检测模块的第二端相连，作为所述钳位电路的第二端，用于接地；所述开关管的控制端连接所述移相器的输出端，所述移相器的输入端连接所述反相加法模块的输出端，所述反相加法模块的输入端连接所述电压检测模块的输出端。

优选的，所述电压检测模块包括第一电阻R1和第二电阻R2；所述第一电阻R1的第一端作为所述电压检测模块的第一端，所述第二电阻R2的第二端作为所述电压检测模块的第二端，所述第一电阻R1的第二端连接所述第二电阻R2的第一端，并作为所述电压检测模块输出端。

优选的，所述反相加法模块包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和运算放大器；所述第四电阻R4的第一端作为反相加法模块的输入端，所述第四电阻R4的第二端连接所述第三电阻R3的第一端、所述第五电阻R5的第一端和所述运算放大器的反相输入端，所述第三电阻R3的第二端连接预定电压-Vth，所述第五电阻R5的第二端连接所述运算放大器的输出端，并作为所述反相加法模块的输出端，所述运算放大器的同相输入端接地。

优选的，所述预定电压-Vth为负的开关管门限阈值电压。

优选的，所述开关管采用MOSFET S2；所述MOSFET S2的栅极作为所述开关管的控制端，连接所述反相加法模块的输出端，所述MOSFET S2的漏极作为所述开关管的第一端，所述MOSFET S2的源极作为开关管的第二端。

本发明的有益效果是：本发明在传统E类射频功放的基础上，增设钳位电路。当负载向容性负载转变时，消除谐振电感L0和谐振电容C0之间的负电压，实现主动负载感性钳位，从而降低开关损耗，提高电路工作效率，提高安全性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统E类射频功放的电路原理图；

图2为传统E类射频功放的漏源电压波形图；

图3为本发明的应用在E类射频功放的主动负载感性钳位电路的电路原理图；

图4为传统E类射频功放感性负载下电压Vlc、漏源电压Vds的波形图；

图5为传统E类射频功放容性负载下电压Vlc、漏源电压Vds的波形图；

图6为本发明的主动负载感性钳位电路的第一种实施方式的电路原理图；

图7为本发明的主动负载感性钳位电路的第二种实施方式的电路原理图；

图8为本发明的主动负载感性钳位电路的第三种实施方式的电路原理图；

图9为本发明的主动负载感性钳位电路的电压Vlc、漏源电压Vds的波形图；

图10为本发明的主动负载感性钳位电路的第四种实施方式的电路原理图；

图11为本发明的主动负载感性钳位电路的工作效率的对比图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

图1示出了一种传统E类射频功放，包括MOSFET S1、驱动模块，射频扼流圈，并联电容，LC谐振电路和负载，其中并联电容包括MOSFET输出寄生电容和外加电容，LC谐振电路可以是LC串联谐振电路，也可以是其他LC元器件。

如图1所示，根据E类射频功放工作原理，当MOSFET S1导通时，并联电容和负载支路向MOSFET S1放电，当MOSFET S1断开时，射频扼流圈储存的电荷向并联电容和负载充电，MOSFET S1导通断开过程为一个信号周期，在一个周期内MOSFET S1两端不消耗功率，负载在充放电过程中，形成周期信号电压。因此，E类射频功放成功将信号频率复制到负载端，并且高效的转化了电源功率进入负载。

传统E类射频功放的漏源电压波形如图2所示。其中如图2中(a)所示，在合适的感性负载下，传统E类射频功放的漏源电压波形。通过选择合适的感性负载，MOSFET S1开关时候的漏源电压为0，实现了零电压切换(ZVS)；如图2中(b)所示，在容性负载下，传统E类射频功放的漏源电压波形。由于传统E类射频功放工作于容性负载，MOSFET S1开关时候的漏源电压处于一个较高数值，无法实现零电压切换(ZVS)。图2中(b)表征了电压硬切换开关，从而存在大量的开关损耗，因此E类射频功放工作效率很低，MOSFET S1发热严重，存在安全性缺陷。

本发明为了解决容性负载问题对传统E类射频功放进行了改进，设计了一种应用在E类射频功放的主动负载感性钳位电路，如图3所示，该主动负载感性钳位电路，包括：射频扼流圈、MOSFET S1、驱动模块、并联电容、谐振电感L0、谐振电容C0、钳位电路和负载。

MOSFET S1的栅极连接驱动模块的输出端，接收驱动信号，MOSFET S1的源极接地，MOSFET S1的漏极连接射频扼流圈的第一端、并联电容的第一端、谐振电感L0的第一端；射频扼流圈的第二端连接电源VDD；谐振电感L0的第二端连接钳位电路的第一端、谐振电容C0的第一端，谐振电容C0的第二端连接负载的第一端，并联电容的第二端、钳位电路的第二端和负载的第二端共同接地。

在传统E类射频功放中，当负载为感性负载时，选定适当的谐振电感L0、谐振电容C0和并联电容数值，可使得E类射频功放工作在高效率下，谐振电感L0和谐振电容C0之间的电压Vlc、MOSFET S1的漏源电压Vds如图4所示。此时，谐振电感L0和谐振电容C0之间的电压Vlc为正值，MOSFET S1几乎无开关损耗。

但是当负载变为容性负载后，L0和C0之间的电压逐渐会出现负电压，并且MOSFETS1漏源电压波形开始出现硬切换，无法达到ZVS标准。谐振电感L0和谐振电容C0之间的电压Vlc、MOSFET S1的漏源电压Vds如图5所示。

本发明在传统E类射频功放的基础上，添加了钳位电路。当负载逐渐向容性转变时，谐振电感L0和谐振电容C0之间的电压逐渐存在负电压。通过添加钳位电路，将负电压给消除掉，实现了主动负载感性钳位，从而提高电路工作效率，降低开关损耗，提高安全性能。

图6示出了本发明的主动负载感性钳位电路的第一种实施方式，其中钳位电路包括一二极管。

如图6所示，该二极管的阴极为钳位电路的第一端，连接谐振电感L0的第二端和谐振电容C0的第一端；二极管的阳极为钳位电路的第二端，用于接地。

当负载逐渐向容性转变时，谐振电感L0和谐振电容C0之间的电压逐渐出现负电压，此时二极管导通，将谐振电感L0和谐振电容C0之间的电压钳位至0V附近，消除了谐振电感L0和谐振电容C0之间的负电压，实现了主动负载感性钳位。

图7示出了本发明的主动负载感性钳位电路的第二种实施方式，其中钳位电路包括电压检测模块、反相加法模块和开关管。

如图7所示，该开关管的第一端和电压检测模块的第一端相连，作为钳位电路的第一端，连接谐振电感L0的第二端和谐振电容C0的第一端；开关管的第二端和电压检测模块的第二端相连，作为钳位电路的第二端，用于接地；开关管的控制端连接反相加法模块的输出端，反相加法模块的输入端连接电压检测模块的输出端。

电压检测模块检测谐振电感L0和谐振电容C0之间的电压，当负载逐渐向容性转变时，谐振电感L0和谐振电容C0之间的电压逐渐出现负电压，此时电压检测模块检测到负电压输出到反相加法模块，反相加法模块对负电压和预定电压进行反相加法变换，用于控制开关管导通，消除谐振电感L0和谐振电容C0之间的负电压。其中预定电压为负的开关管门限阈值电压，用于确保检测到负电压时控制开关管导通。

图8示出了本发明的主动负载感性钳位电路的第三种实施方式，其中电压检测模块包括第一电阻R1和第二电阻R2，反相加法模块包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和运算放大器，开关管采用MOSFET S2。

如图8所示，第一电阻R1的第一端作为电压检测模块的第一端，第二电阻R2的第二端作为电压检测模块的第二端，第一电阻R1的第二端连接第二电阻R2的第一端，并作为电压检测模块输出端。第四电阻R4的第一端作为反相加法模块的输入端，第四电阻R4的第二端连接第三电阻R3的第一端、第五电阻R5的第一端和运算放大器的反相输入端，第三电阻R3的第二端连接预定电压-Vth，第五电阻R5的第二端连接运算放大器的输出端，并作为反相加法模块的输出端，运算放大器的同相输入端接地；MOSFET S2的栅极作为开关管的控制端，连接反相加法模块的输出端，MOSFET S2的漏极作为开关管的第一端，MOSFET S2的源极作为开关管的第二端。

电压检测模块采用第一电阻R1和第二电阻R2，用于检测谐振电感L0和谐振电容C0之间的电压，经第一电阻R1和第二电阻R2分压后输出电压检测信号；反相加法模块接收电压检测信号，与预定电压-Vth进行反相相加变换，以得到控制信号；开关管接收控制信号，以进行导通或关断控制，实现主动负载感性钳位功能。

在该主动负载感性钳位电路中，谐振电感L0和谐振电容C0之间的电压Vlc、MOSFETS1的漏源电压Vds如图9所示。谐振电感L0和谐振电容C0之间的电压Vlc之间的负电压被消除。同时从图5中的漏源电压波形来看，MOSFET导通时候的电压近似于30V，而采用钳位电路后，其漏源电压被钳位为10V左右，降低了开关损耗，提高了工作效率。

图10示出了本发明的主动负载感性钳位电路的第四种实施方式，其中钳位电路包括电压检测模块、反相加法模块、移相器和开关管。

如图10所示，该开关管的第一端和电压检测模块的第一端相连，作为钳位电路的第一端，连接谐振电感L0的第二端和谐振电容C0的第一端；开关管的第二端和电压检测模块的第二端相连，作为钳位电路的第二端，用于接地；开关管的控制端连接移相器的输出端，移相器的输入端连接反相加法模块的输出端，反相加法模块的输入端连接电压检测模块的输出端。

在E类射频功放电路中，由于寄生参数的影响，电压检测模块输出的电压检测信号会发生相位偏移，如此会导致开关管的开关时序与期望的时序存在偏移，因此本发明增加移相器，进行相位修正，以使开关管的开关时序与期望的时序相同。

图11示出了本发明的主动负载感性钳位电路的工作效率的对比图。如图11中(a)所示，当MOSFET漏源电压波形相实现ZVS的时候，射频功放效率较高近似为93.75％。如图11中(b)所示，当负载向容性负载转变的时候，输出电流明显变高，MOSFET不在工作在ZVS状态，虽然输出变高了，但是整机效率下降很多。如图11中(c)所示，通过本发明的主动负载感性钳位电路钳位后，MOSFET的漏源电压波形虽然没有达到最好的工作状态，但是极大的缓解了MOSFET的非ZVS导致的升温现象，从而实现整机效率为89.09％。

综上所述，本发明在传统E类射频功放的基础上，增设钳位电路。当负载向容性负载转变时，消除谐振电感L0和谐振电容C0之间的负电压，实现主动负载感性钳位，从而降低开关损耗，提高电路工作效率，提高安全性能。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种应用在E类射频功放的主动负载感性钳位电路，其特征在于，所述主动负载感性钳位电路包括：射频扼流圈、MOSFET S1、驱动模块、并联电容、谐振电感L0、谐振电容C0、钳位电路和负载；所述MOSFET S1的栅极连接所述驱动模块的输出端，接收驱动信号，所述MOSFET S1的源极接地，所述MOSFET S1的漏极连接所述射频扼流圈的第一端、所述并联电容的第一端、所述谐振电感L0的第一端；所述射频扼流圈的第二端连接电源VDD；所述谐振电感L0的第二端连接所述钳位电路的第一端、所述谐振电容C0的第一端，所述谐振电容C0的第二端连接所述负载的第一端，所述并联电容的第二端、所述钳位电路的第二端和所述负载的第二端共同接地；所述钳位电路包括电压检测模块、反相加法模块和开关管；所述开关管的第一端和所述电压检测模块的第一端相连，作为所述钳位电路的第一端，连接所述谐振电感L0的第二端和所述谐振电容C0的第一端；所述开关管的第二端和所述电压检测模块的第二端相连，作为所述钳位电路的第二端，用于接地；所述开关管的控制端连接所述反相加法模块的输出端，所述反相加法模块的输入端连接所述电压检测模块的输出端。

2.根据权利要求1所述的主动负载感性钳位电路，其特征在于，所述电压检测模块包括第一电阻R1和第二电阻R2；所述第一电阻R1的第一端作为所述电压检测模块的第一端，所述第二电阻R2的第二端作为所述电压检测模块的第二端，所述第一电阻R1的第二端连接所述第二电阻R2的第一端，并作为所述电压检测模块输出端。

3.根据权利要求1所述的主动负载感性钳位电路，其特征在于，所述反相加法模块包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和运算放大器；所述第四电阻R4的第一端作为反相加法模块的输入端，所述第四电阻R4的第二端连接所述第三电阻R3的第一端、所述第五电阻R5的第一端和所述运算放大器的反相输入端，所述第三电阻R3的第二端连接预定电压-Vth，所述第五电阻R5的第二端连接所述运算放大器的输出端，并作为所述反相加法模块的输出端，所述运算放大器的同相输入端接地。

4.根据权利要求3所述的主动负载感性钳位电路，其特征在于，所述预定电压-Vth为负的开关管门限阈值电压。

5.根据权利要求1所述的主动负载感性钳位电路，其特征在于，所述开关管采用MOSFETS2；所述MOSFET S2的栅极作为所述开关管的控制端，连接所述反相加法模块的输出端，所述MOSFET S2的漏极作为所述开关管的第一端，所述MOSFET S2的源极作为开关管的第二端。

6.一种应用在E类射频功放的主动负载感性钳位电路，其特征在于，所述主动负载感性钳位电路包括：射频扼流圈、MOSFET S1、驱动模块、并联电容、谐振电感L0、谐振电容C0、钳位电路和负载；所述MOSFET S1的栅极连接所述驱动模块的输出端，接收驱动信号，所述MOSFET S1的源极接地，所述MOSFET S1的漏极连接所述射频扼流圈的第一端、所述并联电容的第一端、所述谐振电感L0的第一端；所述射频扼流圈的第二端连接电源VDD；所述谐振电感L0的第二端连接所述钳位电路的第一端、所述谐振电容C0的第一端，所述谐振电容C0的第二端连接所述负载的第一端，所述并联电容的第二端、所述钳位电路的第二端和所述负载的第二端共同接地；所述钳位电路包括电压检测模块、反相加法模块、移相器和开关管；所述开关管的第一端和所述电压检测模块的第一端相连，作为所述钳位电路的第一端，连接所述谐振电感L0的第二端和所述谐振电容C0的第一端；所述开关管的第二端和所述电压检测模块的第二端相连，作为所述钳位电路的第二端，用于接地；所述开关管的控制端连接所述移相器的输出端，所述移相器的输入端连接所述反相加法模块的输出端，所述反相加法模块的输入端连接所述电压检测模块的输出端。

7.根据权利要求6所述的主动负载感性钳位电路，其特征在于，所述电压检测模块包括第一电阻R1和第二电阻R2；所述第一电阻R1的第一端作为所述电压检测模块的第一端，所述第二电阻R2的第二端作为所述电压检测模块的第二端，所述第一电阻R1的第二端连接所述第二电阻R2的第一端，并作为所述电压检测模块输出端。

8.根据权利要求6所述的主动负载感性钳位电路，其特征在于，所述反相加法模块包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和运算放大器；所述第四电阻R4的第一端作为反相加法模块的输入端，所述第四电阻R4的第二端连接所述第三电阻R3的第一端、所述第五电阻R5的第一端和所述运算放大器的反相输入端，所述第三电阻R3的第二端连接预定电压-Vth，所述第五电阻R5的第二端连接所述运算放大器的输出端，并作为所述反相加法模块的输出端，所述运算放大器的同相输入端接地。

9.根据权利要求8所述的主动负载感性钳位电路，其特征在于，所述预定电压-Vth为负的开关管门限阈值电压。

10.根据权利要求6所述的主动负载感性钳位电路，其特征在于，所述开关管采用MOSFET S2；所述MOSFET S2的栅极作为所述开关管的控制端，连接所述反相加法模块的输出端，所述MOSFET S2的漏极作为所述开关管的第一端，所述MOSFET S2的源极作为开关管的第二端。