基于OrCAD的可控硅開關功放的仿真研究＊

熊宏錦 王 楠 熊鵬文 苑秉成

（海軍工程大學兵器工程系1） 武漢 430033） （海軍駐昆明地區軍事代表室2） 昆明 650118）（東南大學儀器科學與工程學院3） 南京 210096）

0 引 言

隨著電子信息科技的飛速發展，功率放大器已經被悄無聲息地廣泛應用于各行各業，但絕大多數時候人們遇到的功放都是超小功率的［1］．在某海底目標探測的大型工程實現中，應用了一種特殊的大功率可控硅開關功率放大器，可實現遠距離的深海底目標探測．該功率放大器可輸出高達上千kW的功率，發射系統在工作時處于高電壓、大電流狀態，其相關電流電壓值難以采集和測量，為了充分掌握它的工作機理和電氣特性，有必要對其電路進行仿真研究．

目前，在對小功率功率放大器研究中，已出現多種仿真思路和研究方法［2－7］，而對于大功率功放，國內外很少有文獻報道［8］．本文選擇OrCAD仿真軟件對功放系統的等效電路模型進行仿真．OrCAD用于電路仿真時，該軟件具有豐富的模擬和數字元件模型，對元件的編輯及參數的修改非常方便，且仿真結果十分接近實際電路的分析結果，是目前流行的EDA軟件之一［9－12］．本文將依據功放電路在自然換流狀態下的時序分析，建立滿足不同需求的等效電路模型，為了仿真需要，基于OrCAD平臺下設計了低阻高效的循環模擬開關，并利用它對自然換流狀態下的等效電路模型進行計算仿真．

1 可控硅開關功率放大器的基本原理

圖1所示電路是一個大功率可控硅開關功率放大器，該電路的工作原理在文獻［8］中曾給出，為便于下文仿真，現作簡單描述．

圖1 可控硅開關功率放大器的電路圖

圖1所示電路由6組并聯的串聯可控硅逆變器和1個匹配網絡構成．通過在可控硅的柵極周期性地加觸發電壓，使上下2個可控硅循環導通工作．設振蕩器電路的固有諧振頻率為f0，可控硅的觸發頻率為f．則：當f＜f0，逆變器工作在自然換流狀態；當f＝f0，逆變器在臨界換流狀態；當f＞f0，逆變器在強迫換流狀態．為了得到近似于正弦的波形，即保證逆變器工作在臨界狀態附近，振蕩器后面連接一個4階低通濾波器，它起到低通濾波和負載匹配的作用，從而使電路可以工作在一定帶寬的頻率下．

2 自然換流狀態下的功放等效電路模型

實際上，在放大器的工作過程中，可控硅就相當于一個控制支路通斷的開關，由于圖1中6組逆變器的參數值相同，只是在不同時間點上分別觸發而已，此外，自激振蕩過程是在沒有可控硅工作情況下進行的，所以，處于自然換流狀態下的開關功放可以等效為一個簡單的單管電路，見圖2．

圖2 自然換流狀態的等效電路一

需要注意的是，電壓源E應該滿足“高斷低”的模式，其波形示意圖如圖2b）所示．當E為高電壓時，表示當前可控硅導通，且E通過回路向Cf充電；當E為斷開時，表示當前可控硅截止且下一可控硅尚未導通，充電回路過渡到輸出回路和負載開始的自激振蕩過程；當E為低電壓時，表示下一可控硅導通，自激振蕩過程過渡到放電過程，即Cf向回路放電，此時電壓源E相當于短路．

為了便于仿真和求解，可以將上述過程按時間順序等效為充電回路、自激振蕩和放電回路3種電路模型，見圖3．

在OrCAD仿真軟件中，無法直接實現圖2b）所示的電壓源E，因此，將圖2a）所示電路進一步等效為圖4所示電路．

圖3 自然換流狀態下的子電路模型

圖4 自然換流狀態的等效電路三

圖4 中E為周期性脈沖源，通過干路上的開關K來實現圖2b）中“斷”的作用．即在當前可控硅快截止時K斷開，當下一可控硅快導通時K閉合．因此，若K能實現循環開關的功能，則圖2所示電路就便可對自然換流狀態下開關功率放大器進行等效．而在OrCAD仿真軟件中，僅有元器件庫ANL＿MISC中的Sw＿tclose和Sw＿topen可實現一次性的通和斷．沒有元器件能實現循環開關的功能，需要自行設計一個循環模擬開關．

3 OrCAD環境下循環模擬開關的實現

如圖5所示的單管MOS模擬開關，柵極位于中間，表明漏極和源極可以對換．襯底極接在最低電位上．加在柵極上的電壓VG用來控制開關的通斷，要求VG高電平時開關通，低電平時開關斷．輸入信號電壓Vi和輸出負載R 分別加在MOS管的漏極和源極上．

圖5 單MOS管模擬開關及其工作在非飽和區時Ron的曲線

當MOS管工作在非飽和區時，根據電工原理，MOS管的導通電阻Ron為

式中：VGH＝7V為VG的高電平值；Ron的值見圖5b）．

圖6 雙MOS管模擬開關及其導通電阻變化曲線

為了克服Ron隨Vi變化的缺點，現采用兩MOS管并聯的方式來構成模擬開關，見圖6．T1為N溝道EMOS管，T2為P溝道EMOS管．由于圖6中2個MOS管為并聯關系，則其導通電阻Ron為兩管導通電阻的并聯值，即Ron＝Ron1∥Ron2．其變化特性曲線見圖6b）．

由圖6b）可知，當Vi由小增大時，N溝道管T1的導通電阻Ron1相應地由小增大，并趨于無窮；而當Vi由大變小時，P溝道管T2的導通電阻Ron2相應地由小增大，并趨于無窮．利用這種相反變化的特性，可在Vi的變化范圍內獲得小而較為穩定的導通電阻，如圖6b）中虛線所示．因此，只要在VG和上加一個周期性脈沖源，以控制兩管循環地導通與截止，從而可實現循環開關．

由于圖4中的循環開關K要求其導通時電阻足夠小，因此，為了確保仿真的可靠性，本文采用八組雙MOS管并聯來實現較為理想的循環模擬開關，其電路示意圖見圖7．E為周期性脈沖源，只要其高電平峰值足夠大，使MOS管工作在非飽和區，同時其低電平足夠小，以使MOS管截止，即可實現循環模擬開關．

圖7 循環模擬開關電路圖

4 利用循環模擬開關進行仿真

在OrCAD中，將圖7所示的循環模擬開關進行封裝，并命名為“cycleswitch”，見圖8．

圖8 封裝后的循環模擬開關

將其應用到圖4所示等效電路中，并取定參數，見圖9．

圖9 應用循環模擬開關的等效電路四

取f＝14kHz（f＜f0）進行仿真．仿真后的波形見圖10．

由圖10可以看出，負載電流iR（實線）和功放電流icf（虛線）的波形都為近似的正弦波形，經過3個振蕩周期后電流值基本穩定，此時系統進入穩態，且負載電流的峰值為206．5A，功放的電流峰值為393．6A，可算得此時功率放大器的輸出功率為426．4kW．

5 仿真結果分析

按上述仿真方法對等效電路模型進行仿真，可得到不同頻率下的負載電流iR、功放電流icf和輸出功率P，計算結果見表1．

表1 不同頻率的仿真結果對比

對圖9中電路的匹配網絡參數進行折算可得其中心頻率f0＝16．47kHz．由表1中的數據可以看出，對于不同的頻率，功放的發射功率不同，其變化規律與匹配網絡的參數息息相關．當f越靠近f0時，輸出功率P越大，這與第1節的工作原理相符．

現取f＝14kHz，當周期性脈沖源E的峰值V2取不同值時，對等效電路模型進行仿真計算，結果見表2．

表2 不同電壓幅值的仿真結果對比

由表2可見，隨著V2幅值的增加，iR和icf值基本服從線性增加的規律，這與理論相符．

此外，從仿真出的波形可以看出，功放電流波形不是標準的正弦波形，但負載電流波形是較好的正弦波形．將自然換流狀態下負載電流和功放電流的仿真波形放大成圖11．可以看出：在自然換流狀態下的功放電流波形中，上下半周波形有明顯的停滯階段，這正是可控硅受觸發的時間間隔大，即當上一個可控硅關斷后，下一個可控硅需過一段時間才工作的結果．雖然自然換流狀態下功放電流波形不是標準的正弦波形，但經匹配網絡濾波后，在負載處卻可以得到較好的正弦波．

圖11 仿真自然換流狀態下的電流波形

6 結束語

大功率功放系統電路一般工作在高電壓、大電流狀態，其相關電流電壓值通常難以采集和測量，為了掌握大功率功放的工作機理和電氣特性，本文針對一種輸出功率可高達上千kW的大功率功放進行研究，首先分析了其電路在不同頻率下的三種工作狀態，層層深入，分別建立了系統工作在自然換流狀態下的3種等效電路模型．為了實現仿真需要，在OrCAD環境下設計了低阻高效的循環模擬開關，并在此基礎上仿真計算了等效電路模型．仿真結果表明，當系統的工作頻率f越靠近中心頻率f0時，輸出功率P越大．經過試驗，這種仿真方法能計算出功率放大器在任意點的電流電壓值，且結果與理論值相符．仿真數據能較真實地反映該開關功放在任何時刻的工作狀況，具有一定的參考價值．

［1］HWANG Hoyong，SEO Donghwan，PARK Changkun．Numerical analysis of the supply voltage of a switching mode RF CMOS power amplifier to enhance its efficiency［J］．Microwave and Optical Technology Letters，2013，55（10）：2479－2484．

［2］REN Y，FANG J．Current－sensing resistor design to include current derivative in PWM h－bridge unipolar switching power amplifiers for magnetic bearings［J］．Industrial Electronics，2012，59（12）：4590－4600．

［3］KIM H，PARK H．Power control management for appliance system［C］∥Proc．of 2011IEEE International Conference on Consumer Electronics，Digest of Technical Papers，2011：23－24．

［4］李祥生，鄧智泉，陳志達，等．電流型四橋臂開關功放控制方法［J］．電工技術學報，2011，26（2）：156－164．

［5］GARCIA T A，POVEDA A，ALARCON E．A study on multi－level PWM and asynchronous modulations for enhanced bandlimited signal tracking in switching power amplifiers［J］．Circuits and Systems I：Regular Papers，2013，60（6）：1621－1634．

［6］魏 莉，吳華春，胡業發，等．磁懸浮盤片開關功率放大器的研究［J］．武漢理工大學學報：信息與管理工程版，2008，30（4）：556－560．

［7］ MASSRY A，SICHTA P，DONGJ．Application of ITER CODAC core system for NSTX SPA－2project［C］∥Proc．of 2011IEEE／NPSS 24th Symposium on Fusion Engineering，Symposium on Fusion Engineering，2011：94－98．

［8］熊宏錦，栁 超，董穎輝．甚低頻可控硅開關功率放大器的仿真研究［J］．艦船電子工程，2011，31（8）：88－91．

［9］JOUNG Jingon，HO Chinkeong，SUN Sumei．Power amplifier switching（PAS）for energy efficient systems［J］．Wireless Communications Letters，2013（2）：14－17．

［10］NOOR A M，RAZALI，AZUWA A．Modeling double blumlein with variable duration and polarity using orcad PSpice［J］．Energy Procedia，2012，14（9）：1986－1991．

［11］CHIOP A．Simulation of the induction motor drives in OrCAD environment［J］．Journal of Electrical and Electronics Engineering，2009（2）：195－198．

［12］ADRIKOWSKI T，BULA D，PASKO M．Simulation of active power filter with prediction control in MATLAB and OrCAD environments with using SLPS interface［J］．Przeglad Elektrotechniczny，2011，87（5）：1－5．