E类功率放大器研究与应用

崔 顺，莫岳平，朱肖陈，史宏俊

（扬州大学，江苏 扬州 225100）

E类功率放大器研究与应用

崔 顺，莫岳平，朱肖陈，史宏俊

（扬州大学，江苏 扬州 225100）

分析了E类功率放大器的工作原理，并基于此设计出一种高效高频E类功放，作为无线电能传输系统中发射级的前端驱动电路。运用 LTspice仿真软件，对其基本原理电路进行实验分析。为进一步提升输出功率和传输效率，电路还加入了阻抗匹配。仿真结果表明，此电路可实现在6.78 MHz下以85%左右的高效率进行10～30 W的功率传输，整体电路结构简单，有实用价值。

无线电能传输；高频E类功率放大器；阻抗匹配；功率；驱动电路；LTspice

在十九世纪末期，美国科学家特斯拉尝试将电能以无线的方式进行传输[1]。但后来因为技术的缘故以及市场需求性不强，使得无线电能传输技术的发展迟滞不前。直至2007年，美国麻省理工大学的研究团队公布了一项新的无线电能研究成果：利用磁耦合谐振的方式进行无线电能的传输。这一技术不但使传输距离可增加到几米，而且在一定的距离内传输功率也较大。这使得国内外对其研究关注达到空前高度。

利用磁耦合谐振方式进行无线电能传输，通常其发射线圈前级驱动电路的谐振频率为kHz级[2-3]。要使发射线圈的大部分能量被接收线圈吸收，则两线圈的谐振频率须与前级驱动电路的频率相等，从而传输频率也只是达到kHz级。若想进一步提高传输的效率，则可以改变传输频率，即提高发射线圈前级驱动电路的谐振频率。基于无线充电联盟（A4WP）的6.78 MHz高频协议，且此频率是人体所能承受最高频率这一特性，本文设计出一种频率为6.78 MHz的E类功率放大器。该设计可以应用于无线电能传输系统，尤其为未来手机等电子设备在公共场合的无线充电技术开辟新的技术路径。

1 E类功率放大器原理

如图 1所示，无线电能传输系统的发射级主要由栅极驱动电路、E类功率放大器、阻抗匹配电路和负载四个部分组成。由于本设计主要对E类功率放大器进行研究，故可暂时先采用函数信号发生器来产生驱动信号（MOS管驱动电路后续将具体设计），来控制E类功放中MOS管的通断，从而使电路产生谐振。再利用阻抗匹配使电路达到最佳谐振状态，最终给负载提供一定的功率。

图1 发射电路结构框架Fig.1 Transmitter circuit structural frame

在射频领域，功率放大器的设计一向是个关键问题。它有A～F共6种拓扑结构，其中E类功放在射频功率放大方面具有出色的性能。首先，它的效率很高，由于E类功率放大电路是根据“电压、电流不同时出现”的原理设计的，即能实现零电压开关（ZVS）和零电压导数开关（ZDS），因而理论效率为100%；其次，输出的电压电流波形在很大程度上只取决于负载网络的参数选择，因此容易根据具体的要求对参数进行适当的调整，不需要额外增加太多的电子器件；其三，电路结构简单、有一定的传输距离，不受障碍物影响；最后，该电路自身带有一定的保护功能，即便某一刻负载出现短路，放大器本身也不会轻易损坏[4]。因此在射频功率放大方面，E类功率放大器被广泛使用。

E类功放的基本电路如图2所示。该电路由直流电压源V1、扼流电感Lf、MOS管S、并联电容器谐振电路以及负载R构成。扼流电感Lf被假定为足够大，使得直流电源的交流纹波可以忽略不计，并给 MOS管提供直流电流。并联电容C1可理解为 MOS管寄生电容与实际引进电容之和[5]。LC组成一个串联谐振网络，以使流过该网络的电流为理想的正弦信号，所有谐波成分都被滤除。电阻R是接收电路等效到发射电路的交流负载。

图2 E类功率放大器的原理图Fig.2 Class E power amplifier schematic

图2放大器中，MOS管作为一个开关管而非放大管工作，因此MOS管S可等效为一个开关与内阻的串联，具体等效电路如图3所示。理想状态下，内阻很小，可忽略不计。当S导通时，漏极两端压差为零，开关管流过大电流。当S关断时，开关管中没有电流流过，开关管相当于断开，此时管子两端仅存在较大电压。由以上分析可以看出，MOS管中的电压、电流不同时出现。而E类功率放大器正是利用改变MOS管上的电压波形，使得导通时，其两端电压及其变化率都近似为零，从而减小开关损耗，达到提高系统传输效率的目标。

图3 等效电路Fig.3 Equivalent circuit

2 电路参数设计与元器件选择

本设计统一采用DC24V电源供电。要求符合：输出电压幅度Vomax≥20 V，振荡频率f=6.78 MHz，期望输出功率Po=10～30 W可调，占空比D=0.5。

2.1 E类功率放大器设计[6]

设计E类功放的关键在于负载网络的选取，但由于篇幅有限，故本文中不再详述具体的分析过程，现仅将需要用到的元器件取值公式列出。

为保证扼流电感中的电流纹波不大于直流输入电流If的10%，扼流电感的取值必须大于等于：

扼流电感的峰值电压：

要使E类功放的谐振电路电流为正弦波，品质因数QL应足够高，不妨取QL=7，因此谐振电容的计算公式为：

谐振电感的计算公式为：

谐振电容C和电感L上的电流峰值：

谐振电容C和电感L上的电压峰值：

并联电容C1的值为：

若MOS管的输出电容为Co，则实际外部的并联电容：

MOS管S及并联电容C1上的电压为：

流过MOS管的最大电流为：

2.2 阻抗匹配电路设计

在多数情况下，负载电阻是一个给定值，并且通常不是给定频率下的最优谐振负载值。因此，需要采用阻抗匹配电路，对负载阻抗进行向下变换，如图4所示，使得等效后的阻抗RS等于最佳负载电阻R。

图4 阻抗匹配电路Fig.4 Impedance matching circuit

具体元器件计算公式如下：

RL-L2和等价二端网络的电抗系数为：

3 电路仿真调试与结果分析

3.1 E类功放的仿真

图6为其仿真波形。图中，V(n006)为栅极驱动信号，V(n005)为MOS管两端电压，I(Lf)为扼流电感Lf的电流，Id(M1)为流入MOS管电流。由仿真波形可以得知，MOS管大致能实现ZVS和ZDS。

图5 E类功放的仿真电路图Fig.5 Simulation circuit of class E power amplifier

图6 E类功放的仿真波形图Fig.6 Simulation waveform of class E power amplifier

如图 7，测得负载电阻 RL上的实际输出功率系统的实际输入功率可计算得出整个系统的效率

图7 实际输出/输入功率Fig.7 Actual output/input power

为提高传输效率，对电路元器件参数进行优化。首先对RL进行调整，经过多次取值，得出当时，效率η=69%最高。根据公式可以再次计算得出此时，效率

3.2 加阻抗匹配电路的仿真

通过参考各类文献，可知接收电路等效到发射电路的负载一般为50 Ω，所以，本文中选取RL=50Ω[7-8]。由公式(13)～(17)，得出 L1=2.7 μH，L2=950 nH，仿真电路如图8所示。

图8 加阻抗匹配的仿真电路图Fig.8 Simulation circuit with impedance matching

图9给出了负载RL两端的电压波形。由波形图可知，输出电压振幅根据图10负载RL两端电压频谱图可知，电路输出的电压增益最高为27 dB，此时频率为6.8 MHz，基本满足设计要求。

图9 负载电压波形Fig.9 The load voltage waveform

图10 负载电压频谱图Fig.10 The load voltage spectrum

由图11知，当期望输出功率Po=10 W时，实际输出功率Pout=12.77 W，实际输入功率Pin=14.96 W，计算整个系统的效率为η=85.4%。

图11 实际输出/输入功率Fig.11 Actual output/input power

下面在其他期望输出功率下，对系统元器件值重新计算并仿真。

当期望输出功率Po=20 W时，此时Lf=17 μH，C=240 pF，L1=2.1 μH，L2=820 nH，C1=160 pF，实际输出功率 Pout=18.4 W，实际输入功率 Pin=21.48 W，计算整个系统的效率为η=85.7%，此时频率也为6.8 MHz。

当期望输出功率Po=30 W时，此时Lf=12 μH，C=360 pF，L1=1.3 μH，L2=620 nH，C1=286 pF，实际输出功率Pout=26.57 W，实际输入功率Pin=29.76 W，计算整个系统的效率为η=89.3%，此时频率也为6.8 MHz。

4 结论

与此前的研究或文献相比，本文主要突出“高频”这一特性，设计了一种MHz级E类功率放大器，仿真结果表明，此放大器最终能在6.8 MHz下以85%左右的高效率进行10～30 W的功率传输。此外，电路结构简单，易于制作，可靠性好。总而言之，本文对以后无线电能传输系统的理论研究具有一定参考价值，同时也为其实际应用打下良好的基础。

[1] 丁卫东. 大功率电磁谐振式无线能量传输 [D]. 成都:电子科技大学, 2015.

[2] 董苗苗. 磁耦合谐振式无线电能传输的研究 [D]. 北京:华北电力大学, 2014.

[3] 董婧婧. 磁耦合谐振式无线能量传输系统的仿真与实验验证 [D]. 哈尔滨: 哈尔滨理工大学, 2012.

[4] 屈定波. 基于E类放大器的2 MHz射频电源研究 [D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2007: 1.

[5] 甘军宁, 张万荣, 谢红云, 等. 射频E类功率放大器并联电容技术研究进展 [C]//中国电子学会微波分会. 2007年全国微波毫米波会议论文集（下册）. 北京: 机械工业出版社, 2007: 1252.

[6] KAZIMIERCZUK M K. RF power amplifiers [M]. New Jersey, USA: John Wiley & Sons, 2015: 243-271.

[7] 李阳. 大功率谐振式无线电能传输方法与实验研究 [D].石家庄: 河北工业大学, 2012: 65.

[8] 储江龙. 磁耦合谐振式无线电能传输系统高效E类功放设计和实现 [D]. 杭州: 浙江大学, 2014.

（编辑：陈渝生）

Research and application of class E power amplifier

CUI Shun, MO Yueping, ZHU Xiaochen, SHI Hongjun
(Yangzhou University, Yangzhou 225100, Jiangsu Province, China)

The working principle of class E power amplifier was analyzed, and a class E power amplifier with high efficiency and high frequency was designed, which was used as the front end driving circuit in the wireless power transfer.Using LTspice simulation software, the basic schematic circuit was analyzed. In order to further improve the output power and transmission efficiency, the impedance matching circuit was added. The simulation results show that this circuit can realize the power transmission efficiency of about 85% in 10－30 W at 6.78 MHz. The whole circuit has simple structure and practical value.

wireless power transfer; high frequency class E power amplifier; impedance matching; power; driving circuit; LTspice

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.07.016

TN722.7-5

A

1001-2028（2017）07-0080-05

2017-04-14

莫岳平

莫岳平（1962－），男，江苏扬州人，教授，博士，主要研究新型特种电机及其控制，E-mail: moyp@sina.com ；崔顺（1991－），男，江苏东台人，研究生，主要研究高频无线电能传输，E-mail: 516995373@qq.com 。

时间：2017-06-29 10:25

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170629.1025.016.html