H 桥结构的D 类开关功率放大器损耗分析

韩 峰，赵志远

(1.解放军理工大学通信工程学院研究生3 队，江苏 南京 210007;2.解放军理工大学通信工程学院研究生4 队，江苏 南京 210007)

与传统的A，B 及C 类线性放大器相比，D 类放大器工作在开关模式下［1］。假定器件为理想开关(即开关的导通内阻为零，断开内阻为无穷大，无寄生参数，开关切换时间为零)，那么放大器的损耗为零，直流电源提供的能量都传递到负载上，其理论工作效率可达100%。然而，实际工作中的开关并不是理想的开关，晶体管从闭合状态到断开状态或断开状态到闭合状态都存在一定的延迟，并且各端口之间寄生电容的存在也会造成一定的损耗。当工作频率较低时，开关晶体管的传导损耗是主要的损耗。当频率升高时，开关晶体管的开关损耗、直通损耗、电容Cds损耗则成为主要的损耗，频率越高则损耗就越大，功放电路的效率就越低。H 桥结构的D 类放大器由于凭借其输出功率大、效率高、可用于放大多电平信号而成为近年来的国内外研究热点［2，3］。本文将详细分析H 桥结构的D 类开关功率放大电路在高频开关工作过程中产生的主要损耗及其原理。

1 传导损耗

理想D 类开关放大器中的功率晶体管在导通状态下其导通电阻rDS(ON)应为零，在截止状态下的截止电阻rDS(OFF)应为无穷大。然而实际当中由于受器件材料及制作工艺等影响，目前市场上所有晶体管导通状态下的电阻rDS(ON)都不为零，而截止状态下的电阻rDS(OFF)都是有限的，使得rDS(ON)、rDS(OFF)与输出负载电阻形成分压。通常管子的截止电阻rDS(OFF)值足够大，故在计算效率时其造成的损耗可以忽略。半桥结构的D 类放大器的等效电路如图1所示。图中晶体管分别等效为导通内阻为rDS的开关，Cds为寄生漏源电容。rL为谐振电路中电感的等效串联电阻，rC为谐振电路中电容的等效串联电阻。

传导损耗包括功率晶体管的导通内阻以及串联谐振电路中电感和电容寄生等效电阻引起的热损耗。开关器件的传导损耗与开关频率无关，仅与其内部结构以及制作材料和工艺有关。

图1 半桥结构的D 类放大器的等效电路

单个功率晶体管的损耗可由下式进行计算。

其中，Im，RMS为开关电流的有效值，rDS为功率晶体管的导通电阻，在器件参数手册中其典型值通常定义为VGS=10 V，温度为25 ℃时的电阻值。从式子(1)中可以看出，导通电阻rDS值越少，产生的传导损耗就越小，功放电路的效率就越高。

谐振电路电感的损耗为:

谐振电路电容的损耗为:

因为H 桥结构的D 类放大器中含有4个晶体管，故其总的传导损耗为:

2 开关损耗

开关器件从断开到闭合的转换瞬间，器件输出端两端有高电压存在而无电流流过器件。电压从初值开始下降且电流从零开始逐渐上升。如果电压的下降过程不是瞬间完成，那么就会出现一个电流和电压均不为零的交叠期。这一个时间段会造成电路中部分能量的损耗，这一损耗称之为开关损耗［4，5］。开关损耗与交叠时间的长度成正比例关系。由于这一损耗发生在每一次状态的切换，因此它与开关频率也成正比例关系。

图2 表示开关状态切换时电流和电压交叠的波形图。为简化分析，假设上升时间与下降时间相等，用符号τ 表示，Vdd为供电电压，Im为峰值电流。

图2 电流和电压的交叠图

在一个完整的信号周期时间内开关状态转换引起的平均损耗为:

其中，fs为开关频率。由式子(5)可以看出，在电源电压一定且输出电流一定的情况下，开关频率越低，损耗越小;功率晶体管的上升、下降时间越小损耗越小。H 桥结构的D类放大器中有4个功率管，每个管子在一个周期内均有两次开关状态的切换，因此H 桥结构的D 类放大器的开关损耗应为8PS。

3 输出电容损耗

开关在状态的转换期间还有另一个损耗，这就是储存在功率晶体管输出电容Coss中能量的放电过程造成的损耗。由于PN结存在的原因，这个电容是晶体管的内部寄生电容。例如在金属半导体晶体管(MOSFET)中，输出电容Coss主要是漏极和源级电容Cds。即使在理想系统中(晶体管导通内阻为零，开关切换时间为零)，这一放电损耗也不可以被忽略。

实际电路中开关器件的漏源电容Cds是非线性的且随漏源电压而变化，如图3所示［6］。为简化分析，本文忽略开关器件输出电容的非线性特性。假定电容Cds的值保持固定，通常取漏源电压vDS为25V 时的值。在半桥结构的D 类功放电路中，两个晶体管轮流导通。假定此时上管是断开状态，下管是闭合状态，那么上管漏源两端的电压近似为供电电压Vdd，储存在输出电容中的能量为:

开关工作状态切换时，这些能量在上管切换到闭合状态的过程中损耗掉，根据器件开关频率，每个周期损耗一次，因此，电容放电造成的功率损耗为:

图3 漏源电容Cds 与漏源电压的关系

同时，下管由闭合切换到断开状态，它的电容会充电以使漏源电压达到供电电压。假设晶体管输出电容不变，充电过程损耗的能量应该等于放电过程释放的能量，因此一个周期损耗单个晶体管的输出电容损耗为:

半桥结构的D 类放大器中有两个晶体管，因此损耗的功率为2Psw，H 桥结构的D 类放大器则为4Psw。由式子(8)可以看出，供电电压越大，损耗就越大;开关频率越高，损耗也越大。

在器件数据手册中，Cds通常没有直接给出，可以通过式子(9)计算得出。

其中，Coss为输出电容，Crss为反向恢复电容，在器件手册中均可查找。

4 直通损耗

由于功率晶体管中寄生电容的存在，如栅源电容、漏源电容和栅漏电容等，当高电平信号驱动功率晶体管进到闭合状态的瞬间，输入信号首先需要对栅极电容充电，此时栅极电压会缓慢上升，当栅极电压大于功率晶体管的阈值电压后，开关才进入导通状态，故栅极电容的存在引入了开关导通延迟时间td，ON。由于栅极电容会储存电荷，当低电平信号关断开关的时候，电容需要放电，这使得栅极电压不能快速下降，当栅极电压小于阈值电压后，晶体管才进入截止状态，故栅极电容的存在还引入了截止延迟时间td，OFF。

图4 导通延迟，截止延迟，直通损耗示意图

H 桥结构的D 类开关放大电路中有两个开关臂，每一个开关臂上的两只晶体管均串联于直流电源和地之间，当导通的延迟时间td，ON小于截止的延迟时间td，OFF时，这两只晶体管就会同时处于导通状态，造成电源对地短路，电流从电源经两只晶体管直接到地，引起功率损耗，严重者烧坏电路，如图4所示。我们把这种损耗称为直通损耗，也叫串通损耗。对于直通损耗可通过增大驱动电压为栅极提供一个瞬间的大电流，缩短导通延长时间以减小损耗，也可添加死区来避免直通。

5 结论

本文通过对H 桥结构的D 类开关放大器中功率晶体管非理想因素的分析，阐述了在高频段时放大器电路中降低电路功率效率的四种损耗，为工程实践提供了参考。

［1］N.O.Sokal.Switch－mode RF Power Amplifiers［M］.Elsevier Science ＆ Technology Rights Department in Oxford，2007.

［2］T.－ P.Hung，J.Rode，L.E.Larson，et al.H－Bridge Class－D Power Amplifiers for Digital Pulse Modulation Transmitters［J］.IEEE Int.MTT－ S Microw.Symp.Dig.，Jun，2007:1091－1094.

［3］T.－P.Hung，J.Rode，L.E.Larson，et al.Design of H－Bridge Class－ D Power Amplifiers for Digital Pulse Modulation Transmitters［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，Vol.55，No.12，December 2007.

［4］S.Clemente，B.R.Pelly，A.Isidori.Understanding HEXFET Switching Performance［G］.Application Note 947，Internet.Rectifier HEXFET Data Book，1985.

［5］M.F.Schlecht，L.F.Casey.A Comparison of the Square－ wave and Quasi－ resonant Topologies［J］.Proc.IEEE Appl.Power Electronics Conf.，Mar，1987:124－134.

［6］M.K.Kazimierczuk.RF Power Amplifiers ［M］.John Wiley and Sons，2008.