Hoạt động lý tưởng của Bộ khuếch đại loại D
Mạch chuyển mạch điện áp bổ sung (CVS)
Mạch CVS được mô tả trong Hình 3-l (a) 1-11, trong đó biến áp đầu vào T1 cung cấp tín hiệu biến tần cho các bóng bán dẫn Q1 và Q2 ở các cực ngược nhau Khi tín hiệu biến tần đủ mạnh, các bóng bán dẫn hoạt động như công tắc, với Q1 và Q2 luân phiên chuyển đổi giữa trạng thái TẮT (cắt) và BẬT (bão hòa) Cặp bóng bán dẫn này tạo thành một công tắc hai cực, cho phép kết nối mạch điều chỉnh nối tiếp với đất và Vdc một cách linh hoạt.
Hình 3- 1: Mạch CVS chế độ D
(b)Mạch lý tưởng hóa tương đương
Phân tích dưới đây dựa trên các giả thiết sau
1 Mạch cộng hưởng nối tiếp được điều chỉnh đến tần số chuyển mạch f là lý tưởng dẫn đến dòng tải hình sin Mạch CVS yêu cầu mạch điều chỉnh nối tiếp hoặc mạch tương đương (tạo ra dòng điện hình sin) chẳng hạn như mạng T. Không thể sử dụng mạch điều chỉnh song song (hoặc tương đương như mạng pi) trong mạch CVS vì nó áp đặt điện áp hình sin và công tắc hai cực áp dụng dạng sóng điện áp hình chữ nhật
2 Các thiết bị hoạt động hoạt động như công tắc lý tưởng điện áp bão hòa không điện áp bão hòa bằng không và điện trở TẮT vô hạn Hành động chuyển đổi là tức thời và không mất dữ liệu
3 Các thiết bị hoạt động có điện dung đầu ra rỗng.
4 Tất cả các thành phần là lý tưởng (Điện trở ký sinh có thể có của L và
C có thể được tính vào điện trở tải R, trong khi điện trở ký sinh của tải có thể được bao gồm trong L hoặc C Dựa trên giả thiết của mạch tương đương trong Hình 3-b), giả sử chu kỳ làm việc là 50%, tức là 180 độ bão hòa và 180 độ cắt cho mỗi bóng bán dẫn Điện áp v2 (θ) áp dụng cho mạch đầu ra là một sóng vuông tuần hoàn, như được thể hiện trong Hình 3-2.
Việc phân tích v2( θ ) thành một chuỗi Fourier sẽ mang lại
Bởi vì mạch điều chỉnh nối tiếp là lý tưởng nên dòng điện đầu ra là hình sin
Hình 3- 2: Các dạng sóng trong mạch CVS chế độ D
3.3 cho ra một điện áp đầu ra hình sin
Tại một thời điểm, dòng điện đầu ra hình sin sẽ đi qua một trong hai thiết bị Q1 hoặc Q2 tùy thuộc vào thiết bị nào đang được BẬT Do đó, dòng thu i1(θ) và i2(θ) sẽ có hình dạng một nửa hình sin với biên độ nhất định.
Công suất đầu ra (tiêu tán trong điện trở tải R) được cho bởi
Dòng đầu vào DC là giá trị trung bình của i1( θ ) (xem Hình 3-2).
Dòng điện từ nguồn điện một chiều thường có dạng xung nửa không, vì vậy cần thiết phải sử dụng một tụ điện rẽ nhánh cục bộ Để cải thiện hiệu suất, khuyến nghị lắp đặt một bộ lọc bổ sung trong đường cấp điện.
C1 và C2 thường có giá trị từ 1 μF đến 0,01 μF (+470 pF 1 μF) và được kết hợp song song để tạo khả năng lọc hiệu quả cho nhiều tần số C2 cần phải có khả năng tích trữ năng lượng đủ lớn để cung cấp các xung dòng điện cần thiết mà không làm giảm điện áp đáng kể trong bộ thu Q1.
Công suất đầu vào DC được cung cấp bởi:
3.8 và hiệu suất của bộ thu (đối với hoạt động lý tưởng) là 100 phần trăm.
Hình 3- 3: Lọc nguồn DC trong mạch CVS
Khả năng đầu ra công suất được xác định bằng cách chuẩn hóa công suất đầu ra (P0) theo số lượng thiết bị hoạt động, điện áp cực thu (Vdc) và dòng thu đỉnh (I).
Mạch CVS cung cấp công suất đầu ra P00W với tải R (Ω) Để đạt được công suất này, điện áp nguồn DC cần thiết là Vdc = 70.25V, theo Công thức (3.6) Dòng điện cực thu được là I = 4.47A, được xác định từ Công thức (3.5), trong khi dòng điện đầu vào DC được tính theo Công thức (3.7) là Idc = 1.42 A Định mức thiết bị yêu cầu bao gồm Vdc và I.
Mạch hình 3-1 được gọi là mạch bán bổ sung vì sử dụng hai bóng bán dẫn giống hệt nhau (NPN BJT hoặc MOSFET kênh N) Cấu hình bổ sung thực sự, như trong bộ khuếch đại tần số âm thanh, yêu cầu BJT NPN và PNP hoặc MOSFET kênh N và P Một số mạch loại D bổ sung thực sự, không cần máy biến áp, được thể hiện trong Hình 3-4 Mạch Hình 3-4(c) yêu cầu hai điện áp nguồn một chiều nhưng không thể lắp các bóng bán dẫn trên cùng một bộ tản nhiệt mà không cách điện Trong khi đó, các mạch Hình 3-4(d) và (e) chỉ sử dụng một điện áp nguồn DC và cho phép gắn cả hai bóng bán dẫn trên một bộ tản nhiệt duy nhất Các cấu hình bổ sung thực sự không thể được sử dụng trong thực tế do sự thiếu hụt BJT PNP hoặc MOSFET kênh P phù hợp, dẫn đến chi phí cao hơn và hiệu suất giảm Thử nghiệm với các cặp MOSFET chuyển đổi nguồn bổ sung cho thấy giới hạn sử dụng ở tần số cao hơn vài megahertz Việc phát triển thêm các cặp MOSFET hoặc BJT bổ sung thực sự sẽ mở ra khả năng mới cho mạch loại D, bao gồm tích hợp bộ khuếch đại và mạch truyền động trong một cấu trúc nguyên khối.
Mạch chuyển điện áp ghép nối máy biến áp (TCVS)
Mạch TCVS được trình bày trong Hình 3-5 [2, 5, 9, 11, 15, 16, 17]
Trong mạch CVS, biến áp đầu vào T1 cho phép Q1 và Q2 thực hiện quá trình chuyển đổi BẬT và TẮT Phân tích mạch dựa trên giả định simpMer trong phần Mạch chuyển mạch điện áp bổ sung (CVS) với chu kỳ làm việc 50% Biến áp đầu ra T2 lý tưởng có m vòng ở mỗi nửa cuộn sơ cấp và n vòng ở cuộn thứ cấp Khi 0 < θ < π, điện áp v2(θ) = 0 nếu Q2 bật và Q1 tắt, dẫn đến điện áp qua nửa dưới của cuộn sơ cấp là Vdc.
Vì máy biến áp lý tưởng nên điện áp trên nửa trên của cuộn sơ cấp cũng là Vdc.
Đối với góc θ trong khoảng từ 0 đến π, điện áp v1 là 2Vdc Khi θ nằm trong khoảng từ π đến 2π, transistor Q2 tắt và v1 bằng 0, trong khi v2 đạt giá trị 2Vdc Hiệu điện thế trên mỗi nửa cuộn sơ cấp là Vdc, nhưng hướng di chuyển của nó ngược lại với hướng được chỉ ra trong Hình 3-6.
Hình 3- 4: Các mạch bổ sung loại D
Mạch TCVS loại D cho thấy rằng điện áp trên mỗi nửa cuộn sơ cấp là sóng vuông với mức ± Vdc, trong khi điện áp trên cuộn thứ cấp cũng có dạng sóng vuông với mức ± (n/m) Vdc.
3.11 Điện áp đầu ra (Hình 3-7) là thành phần tần số cơ bản của v( θ ) với biên độ
Do đó, công suất đầu ra được cung cấp bởi
Hình 3- 6: Điện áp trên cuộn sơ cấp của T 2 ( 0 ≤ θ ≤ π)
Hình 3- 7: Các dạng sóng trong mạch TCVS loại D
Điện trở được quan sát trên một nửa cuộn sơ cấp của T2, trong khi nửa còn lại của cuộn sơ cấp mở, tương ứng với điện trở tương đương cho mỗi bóng bán dẫn Với cùng một điện áp nguồn một chiều Vdc và điện trở tải tương đương R, công suất thu được trong mạch TCVS cao gấp 4 lần so với công suất trong mạch CVS Dòng thu của Q1 và Q2 có dạng nửa hình sin với biên độ nhất định.
Gấp đôi so với trường hợp của mạch CVS.
Dòng điện đầu vào một chiều được xác định bằng giá trị trung bình của dòng điện tại vòi trung tâm của máy biến áp đầu ra T2.
Xem xét thực tế
Trong các mạch thực tế, các giả định đơn giản hóa được đưa ra trong phần mạch chuyển mạch điện áp bổ sung (CVS) thường không được chấp nhận
1 Các bóng bán dẫn thực có thời gian chuyển mạch khác không, điện cảm ký sinh và điện dung, điện trở BẬT khác không và có thể có điện áp bão hòa.
2 Tụ điện và cuộn cảm từ mạch điều chỉnh đầu ra có điện trở ký sinh (nghĩa là hệ số chất lượng không tải hữu hạn).
3 Mạch RLC điều chỉnh đầu ra có hệ số chất lượng tải hữu hạn.
4 Ví dụ, mạch tải có thể có điện kháng thuần khác 0 ở tần số hoạt động do nhầm lẫn.
5 Có thể cho các biến thể hoặc thay đổi tần số xuất hiện trong thời gian của bóng bán dẫn. Ảnh hưởng của tất cả các yếu tố này không thể được ước tính bằng phân tích bởi vì một mô hình mạch gần như hoàn chỉnh sẽ đưa ra các phương trình rất phức tạp Vì lý do này, phân tích dưới đây đánh giá ảnh hưởng của từng sự không hoàn hảo của mạch đối với hoạt động của bộ khuếch đại công suất loại D. Kết quả cung cấp ước tính chính xác hơn về công suất đầu ra, hiệu suất bộ thu và ứng suất của thiết bị hoạt động, cho phép thiết kế mạch và nhiệt chính xác hơn Tổng tác động của nhiều hơn một trong số các yếu tố này có thể được ước tính bằng sự kết hợp thuận tiện của các tác động riêng lẻ Ước tính này chỉ là một ước tính gần đúng; một phân tích chính xác yêu cầu mô phỏng số
Mạch CVS loại D với phản kháng tải là một điểm nhảy quan trọng trong thiết kế mạch Các điện dung đầu ra của bóng bán dẫn (Cp1 và Cp2) cùng với điện dung của mạch lạc ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch Điện kháng thuần chuỗi X ở tần số chuyển mạch f có thể dẫn đến việc mô hình nhầm mạch hoặc thay đổi tần số hoạt động, từ đó ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Hình 3-11: Mạch CVS Class D với tải phản
Hình 3- 12: Các dạng sóng trong mạch CVS loại D với tải phản kháng
Ngoài các thông số kỹ thuật đã nêu, các giả định đơn giản hóa trong phần Mạch chuyển đổi điện áp bổ sung (CVS) vẫn còn hiệu lực Hình 3-12 minh họa các dạng sóng của mạch, với giả định chu kỳ nhiệm vụ là 50%.
Do điện kháng nối tiếp, dòng điện đầu ra i0 và điện áp đầu ra v0 bị lệch pha so với v2, với i1 và i2 là số âm trong một phần của mỗi kỳ Nếu Q1 và Q2 là MOSFET, dòng điện âm có thể đi qua dễ dàng Ngược lại, nếu Q1 và Q2 là BJT, các dòng điện âm không thể đi qua các bóng bán dẫn, dẫn đến việc tích điện các điện dung Cp1 và Cp2, tạo ra các xung điện áp lớn có thể gây hỏng hóc cho các bóng bán dẫn.
Đường dẫn thích hợp cho dòng cực thu âm được cung cấp bởi các diode Dl và D2, như thể hiện trong Hình 3-13 Dòng điện đầu ra i0 được dẫn qua một trong bốn thiết bị (Q1, D1, Q2 hoặc D2) nhằm ngăn chặn các điện áp bộ thu đột biến, như mô tả trong Hình 3-14.
Dòng điện tạo xung từ Q1 và Q2 nạp/xả Cp1 và Cp2 trong quá trình chuyển mạch được thể hiện chính xác trong Hình 3-12 và 3-14 Tổn thất điện năng do điện dung ký sinh sẽ được phân tích trong phần tiếp theo.
Các bóng bán dẫn lưỡng cực trong mạch TCVS loại D có thể được bảo vệ bằng cách sử dụng các điốt chống song song nối từ bộ thu đến bộ phát Thiết bị trong bộ khuếch đại TCCS loại D cần chịu được điện áp bộ thu âm khi ở chế độ OFE Do cấu tạo của MOSFET công suất, diode ký sinh sẽ dẫn điện khi điện áp xả âm, vì vậy cần sử dụng một diode mắc nối tiếp với mỗi cống.
Hình 3-13: Diode bảo vệ chống song song trong bộ khuếch đại loại D sử dụng BJT
Trong mạch CVS loại D với diode bảo vệ cầu, các bóng bán dẫn lưỡng cực có khả năng hạn chế điện áp cực thu âm khi ở trạng thái tắt Để bảo vệ cực thu khỏi điện áp, có thể đặt diode nối tiếp với bộ thu Tuy nhiên, điện kháng nối tiếp sẽ làm giảm biên độ của dòng điện đầu ra và công suất đầu ra, với ký hiệu Z = R + jX, dòng điện đầu ra của mạch CVS được xác định bởi các yếu tố này.
0.1592 2 dc dc dc dc dc dc dc dc dc
Hiệu suất của mạch loại D vẫn ổn định, nhưng công suất đầu ra có thể giảm Trong tình huống này, dòng điện qua các thiết bị sẽ có sự nhảy vọt khi chuyển mạch, dẫn đến thời gian chuyển đổi kéo dài hơn do các thiết bị chuyển mạch có giới hạn di/dt Điều này cũng gây ra công suất tiêu tán cao hơn trong quá trình chuyển tiếp và tổn hao do các điện cảm dẫn liên quan đến hoạt động của thiết bị.
Mạch đầu ra trong Ví dụ 3.1 bị ngắt, dẫn đến điện kháng nối tiếp X = 10Ω ở tần số chuyển mạch Theo công thức 3.33 và 3.34, biên độ dòng điện đầu ra giảm xuống còn I = 3,16 A và công suất đầu ra giảm còn P0 = 50W Dòng điện đầu vào DC cũng giảm xuống Idc = 0,71A, trong khi hiệu suất bộ thu vẫn giữ ở mức 100%, và khả năng công suất đầu ra giảm còn CP = 0,1125.
Điện dung Shunt hoặc dòng điện cảm tại công tắc
Điện dung tuyến tính đầu ra và điện dung ký sinh có thể làm gián đoạn hoạt động của thiết bị (CP1 và CP2, Hình 3-11), bao gồm cả đầu ra điện dung của bóng bán dẫn Trong phân tích này, chúng tôi sẽ dựa trên các giả định đã nêu trong phần Mạch chuyển đổi điện áp bổ sung (CVS), ngoại trừ giả định về đầu ra điện dung rỗng của các thiết bị đang hoạt động Ngoài ra, điện dung ký sinh được coi là không phụ thuộc vào điện áp bộ thu.
BẬT và Q2 TẮT, thì CP1 được phóng điện và CP2 được sạc thành VDC Khi Ql
Khi TẮT và Q2 BẬT, CP2 sẽ phóng điện ngay lập tức qua điện trở BẬT bằng không của Q2 Đồng thời, CP1 được tính vào Vdc và có thể tiếp tục đến quý 2.
CP2 được phóng điện, năng lượng tích trữ trong nó sẽ bị tiêu tán (trong Q2)
2 C P2 V dc 2 3.35 Đồng thời, năng lượng bị tiêu tán (trong Q2) để sạc Cpl từ con số không tới VDC:
Khi Ql được bật và Q2 tắt, Cp2 sẽ được sạc thành Vdc trong khi Cpl thực hiện quá trình phóng điện Năng lượng tiêu tán trong Q1 trong thời gian này bao gồm Edis1 và Edis2, tương đương với năng lượng tiêu tán trong Q2 tại thời điểm giao hoán khác Tần số chuyển mạch được ký hiệu là f, và tổn thất công suất do điện dung ký sinh sẽ được tính toán dựa trên các thông số này.
Trong đó: Cpl = Cp2 = Cp (Vì các Transistors luôn giống nhau).
- Một số nhận xét và cân nhắc thực tế
1 Tổn thất điện năng do cơ chế này không làm giảm công suất đầu ra Điều này là do dòng điện nạp và xả điện dung Cpl và Cp2 chỉ chảy qua Ql ,Q2 và nguồn điện, và không lưu thông qua tải Kết quả là, các phương trình được đưa ra trong Phần 3.1 cho công suất đầu ra không bị ảnh hưởng bởi điện dung ký sinh Công suất đầu vào DC là tổng của công suất đầu ra và các tổn thất công suất được cho bởi Công thức 3.37.
Bộ khuếch đại Lớp BD
Sự khác biệt quan trọng giữa bộ khuếch đại Class B và Class D liên quan đến mạch và nguyên tắc hoạt động Bộ khuếch đại RF thường không thể hoạt động ở cả hai lớp do hạn chế từ mạch điều chỉnh và nguồn điện DC Khi các thiết bị trong bộ khuếch đại loại B đạt mức bão hòa, sẽ không có sự tăng công suất đầu ra hoặc hiệu suất bộ thu Hơn nữa, các thiết bị trong bộ khuếch đại Class D không thể được sử dụng như nguồn dòng điện được kiểm soát.
Bộ khuếch đại loại B đẩy kéo có đặc tính truyền tuyến tính và hiệu suất tương đối cao, đạt lý tưởng 78,5% ở mức công suất tối đa Tuy nhiên, hiệu suất trung bình cho các tín hiệu thường gặp, như AM đơn âm và các phương pháp điều chế khác, lại thấp hơn nhiều Trong khi đó, bộ khuếch đại Class D có hiệu suất lý tưởng lên đến 100%, nhưng yêu cầu một hệ thống phức tạp để đạt được đặc tính truyền tuyến tính Mạch khuếch đại loại BD tương tự như bộ khuếch đại Class D, nhưng bổ sung thêm điện trở và tụ điện để cho phép hoạt động như nguồn hiện tại hoặc công tắc.
Bộ khuếch đại lớp BD hoạt động với Q1 và Q2 bị ngắt ở mức đầu ra thấp, hoạt động như các nguồn dòng điện điều khiển Khi mức đầu ra tăng, Q1 và Q2 luân phiên cắt và hoạt động trong vùng bão hòa một phần Ở mức cao điểm, cả Q1 và Q2 đều có thể bị cắt, dẫn đến tình trạng bão hòa trong bộ khuếch đại Class B.
D, vùng này được gọi là vùng bão hòa hoàn toàn của bộ khuếch đại.
Việc thêm điện trở R không làm giảm hiệu suất của bộ thu trong chế độ tuyến tính (Loại B), nhưng có thể giảm hiệu quả trong khu vực bão hòa Tuy nhiên, điện trở này cho phép mạch chuyển dần từ hoạt động Loại B sang Loại D, mang lại mức tăng công suất đầu ra đỉnh lên đến 2 /4 lần so với hoạt động Loại B Hiệu quả trung bình đối với các tín hiệu có tỷ lệ đỉnh-trung bình cao, như giọng nói SSB, tăng đáng kể.
Bộ khuếch đại Lớp DE
Trong bộ khuếch đại Class D, có nhiều cơ chế gây mất công suất, nhưng tổn thất điện năng do điện dung ký sinh thường không đáng kể Thực tế, những tổn thất công suất này có thể hạn chế khả năng sử dụng của bộ khuếch đại Class D.
Để giảm tổn thất điện năng ở tần số cao trong mạch loại D, cách hiệu quả nhất là giảm điện áp trên các công tắc khi chúng được BẬT Điều này có thể thực hiện được trong khoảng thời gian chết giữa việc một thiết bị TẮT và thiết bị kia BẬT Trong thời gian này, cả hai điện trở truyền đều TẮT và cơ chế sạc/xả không gây mất dữ liệu.
Phân tích mạch CVS Class D đề cập đến các giả định về mạch chuyển đổi điện áp bổ sung (CVS), ngoại trừ một giả định liên quan đến điện dung đầu ra rỗng của thiết bị Ngoài ra, các điện dung ký sinh được xem là không phụ thuộc vào điện áp bộ thu Dựa trên những giả định này, các mạch tương đương đã được xây dựng và hình ảnh minh họa các dạng sóng của mạch được trình bày trong Hình 3-44.
Phân tích và thiết kế
Lưu ý rằng, trong bộ khuếch đại Class DE, mạch điều chỉnh theo chuỗi không cộng hưởng ở tần số chuyển đổi, f Ở tần số này, nó có điện trở thuần
Mạch yêu cầu điện kháng ròng hoạt động bình thường, với dòng điện đầu ra i0 có pha dịch chuyển cao hơn so với thành phần tần số tự do cơ bản của v2 (θ) Sự dịch chuyển giai đoạn này được xác định bởi
Hình 3-43: Các mạch tương đương của bộ khuếch đại Class DE; (a) Q 1 = BẬT, Q 2 = TẮT;
(b) Q 1 = TẮT, Q 2 = TẮT; (c) Q 1 = TẮT, Q 2 = BẬT arctan
Để giảm thiểu tổn thất điện năng do điện dung ký sinh, điện áp trên công tắc khi BẬT cần phải bằng không Các phương trình từ 3.129 đến 3.131 liên quan đến trạng thái khi công tắc Q2 được bật và có thể áp dụng với những điều chỉnh thích hợp khi công tắc Q1 BẬT Điều kiện này khi Q1 BẬT cũng có thể được xác minh một cách dễ dàng.
Hơn nữa, điều thuận tiện là độ dốc của điện áp bộ thu bằng 0 khi công tắc BẬT
Các điều kiện trong phương trình 3.129 và 3.130 là đặc trưng cho bộ khuếch đại loại E, được bàn luận chi tiết trong Chương 4 Do đó, mạch loại D được thiết kế để đáp ứng các điều kiện này (bao gồm cả điều kiện tại thời điểm = 2 -) được gọi là mạch Lớp DE, mạch Lớp D chuyển mạch mềm, hoặc mạch Lớp D với điều kiện chuyển mạch Lớp E.
Phương trình 3.130 cho kết quả liên tiếp
Khi một bóng bán dẫn BẬT, điện áp trên nó là 0 và dòng thu lúc này bằng 0, không có dòng điện nhảy tại thời điểm này Điều này dẫn đến việc chuyển đổi công tắc ở mức độ chậm vừa phải không gây tổn thất điện năng đáng kể trong quá trình chuyển đổi Hơn nữa, dòng khởi động bằng không giúp giảm thiểu thời gian chuyển đổi do các thiết bị thực tế có khả năng di/dt hạn chế, từ đó giảm thiểu tổn thất điện năng trong quá trình chuyển đổi Để đơn giản hóa phân tích, dạng sóng của v2(θ) được xấp xỉ bằng dạng sóng hình thang, với thời gian chết góc là 2φ.
Từ các phương trình 3.129 và 3.132, ta có:
Lưu ý Phương trình 3.130 đã được sử dụng, vì nó được giả định rằng
0 ( ) sin i I ở phương trình 3.132 Thành phần tần số cơ bản của v 2 ( ) được cho bởi
3.134 dẫn đến công suất đầu ra là:
Thay thế phương trình 3.133 trong phương trình 3.135 cho kết quả:
Công thức 3.133 và 3.136 xác định điện áp đầu vào DC Vdc và biên độ dòng tải I cho một tần số nhất định, cùng với công suất đầu ra, điện dung đầu ra của thiết bị và thời gian chết Từ đó, điện trở tải cần thiết được tính toán.
Đối với các ứng dụng thực tế, việc sử dụng đồ thị để biểu diễn sự thay đổi của các thông số vận hành theo thời gian chết là rất tiện lợi, giúp lựa chọn điểm vận hành phù hợp.
Sử dụng các giá trị từ Ví dụ 3.5 (P0 = 300W, f = 13,56 MHz, IRF540 MOSFETs với COSS = 560 pF tại VDS = 25V), có thể vẽ các đường cong từ Hình 3-45 Phân tích các đường cong này chỉ ra rằng điểm hoạt động thích hợp là tm 12 ns ( t f m 0.5112 rad), với Vdc = 75,3V, I = 15A, R = 2,667 và CP = 0,1328.
Giả sử hệ số chất lượng tải là Q 1/ ( CR ) 5 , C0,2pF và
Bộ truyền động hình sin
Việc điều khiển mạch chế độ DE hoạt động ở tần số cao, như 10 MHz trở lên, gặp nhiều khó khăn khi sử dụng bộ truyền sóng vuông do yêu cầu về độ chính xác cao trong việc tạo ra sóng vuông, đặc biệt là thời gian chết cần được kiểm soát trong khoảng 1ns và yêu cầu một biến áp đầu vào có băng thông lớn Tuy nhiên, mạch chế độ DE vẫn dễ điều khiển hơn so với mạch Class.
D vì cả hai transistor đều TẮT trong quá trình chuyển đổi điện áp, và hiệu ứng của Miller ở cả BẬT và TẮT được giảm xuống gần như bằng không.
Bộ truyền động sóng hình sin là lựa chọn ưu việt, giúp giảm yêu cầu về công suất và kiểm soát thời gian chết thông qua biên độ điện áp cổng Nó có thể được áp dụng trong các mạch chế độ DE với MOSFET, nhờ vào mức điện áp cổng ngưỡng thấp, cho phép các transistor chuyển đổi nhanh chóng từ trạng thái TẮT sang BẬT khi vượt ngưỡng Mạch đầu vào tiêu chuẩn sử dụng máy biến áp điều khiển bằng điện áp hình sin, trong khi điện áp cổng của transistor là sóng hình sin lệch pha 180 độ.
Hình 3-45: Các thông số vận hành so với thời gian chết tm (IRF540 MOSFET, P0 = 300W, f = 13.56 MHz)
Bằng cách biểu thị biên độ của điện áp cổng vào nguồn vGS1 và vGS2 là VG và điện áp ngưỡng là VT sin( )
Cho VT và tm, Công thức (3.138) tạo ra VG cần thiết Bằng cách sắp xếp lại phương trình (3.138) như sau:
Có thể xác định phạm vi thời gian chết có thể đạt được bằng phương pháp này.
- Hạn chế đầu tiên đối với tm là đỉnh điện áp cổng được giới hạn ở giá trị lớn nhất thường là VGSmax = ± 20 ± 30V.
Ví dụ: IRF540 có VGSmax = ± 20 V [20] với f = 13,56 MHz và VT = 3,5V, kết quả là tm, min = 4,1 ns (thời gian chết góc khoảng 20 o ).
Giới hạn thứ hai cho thời gian chết (tm) xảy ra khi điện áp cổng vào quá thấp để kích hoạt MOSFET hiệu quả Theo khuyến nghị, điện áp VG cần lớn hơn 6,5V Do đó, thời gian chết lớn nhất được xác định là tm, max = 13,3ns, với thời gian chết góc khoảng.
Trong ví dụ 3.19, thời gian trễ tm đạt 12ns với điện áp cổng VG là 7.2V Ở mức điện áp này, điện tích cổng cần thiết khoảng 30 nC, trong khi biên độ dòng cổng IG cũng được xác định.
Điện trở cổng RG của MOSFET IRF540 ước tính khoảng 1 Ω, dẫn đến tổn thất công suất trong mạch cổng là 3,28W cho mỗi transistor Để đạt được công suất này một cách hiệu quả, có thể sử dụng trình điều khiển chế độ D hoặc chế độ E.
Hình 3-46: Dạng sóng trong các mạch cổng của bộ truyền hình sin
Bộ nhân tần số chế độ D
Khi mạch cộng hưởng của bộ khuếch đại loại D được điều chỉnh đến một hài nhất định (Nf, N = 2,3, ), nó sẽ hoạt động như một bộ nhân tần số loại D Phân tích dưới đây sẽ tập trung vào mạch CVS chế độ.
D (xem Hình 3-1) đáp ứng các giả định đơn giản hóa trong phần CVS (Mạch chuyển đổi điện áp bổ sung), ngoại trừ các mạch liên quan đến tần số điều chỉnh của mạch cộng hưởng Giả sử chu kỳ làm việc là 50%, điện áp v2(θ) áp dụng cho mạch đầu ra là một sóng vuông tuần hoàn (theo công thức 3.1) và có thể được phân rã thành chuỗi Fourier theo công thức (3.2), chỉ chứa các sóng hài lẻ Nếu mạch cộng hưởng nối tiếp được điều chỉnh đến sóng hài bậc nhất của tần số chuyển mạch, thì dòng điện đầu ra sẽ có dạng hình sin (xem Hình 3-48).
3.141 và công suất đầu ra được cung cấp bởi:
Hiệu suất bộ thu lý tưởng là 100% Khả năng công suất đầu ra là:
3.143 Đối với N = 3 (bộ ba), các phương trình trên cho:
Lưu ý rằng P0 và CP giảm rất nhanh theo N (cấp nhân) Không thể sử dụng mạch này với N> 5.
Hình 3-48: Các dạng sóng trong bộ ba tần số CVS loại D (D = 0,5).
Các kết quả trong phần Tỷ lệ Làm việc của Công tắc cho thấy khả năng điều khiển mạch loại D để nhân tần số Nếu tỷ lệ làm việc D được giả định trong khoảng (0