基于OrCAD的可控硅开关功放的仿真研究＊

熊宏锦 王 楠 熊鹏文 苑秉成

（海军工程大学兵器工程系1） 武汉 430033） （海军驻昆明地区军事代表室2） 昆明 650118）（东南大学仪器科学与工程学院3） 南京 210096）

0 引 言

随着电子信息科技的飞速发展，功率放大器已经被悄无声息地广泛应用于各行各业，但绝大多数时候人们遇到的功放都是超小功率的［1］．在某海底目标探测的大型工程实现中，应用了一种特殊的大功率可控硅开关功率放大器，可实现远距离的深海底目标探测．该功率放大器可输出高达上千kW的功率，发射系统在工作时处于高电压、大电流状态，其相关电流电压值难以采集和测量，为了充分掌握它的工作机理和电气特性，有必要对其电路进行仿真研究．

目前，在对小功率功率放大器研究中，已出现多种仿真思路和研究方法［2－7］，而对于大功率功放，国内外很少有文献报道［8］．本文选择OrCAD仿真软件对功放系统的等效电路模型进行仿真．OrCAD用于电路仿真时，该软件具有丰富的模拟和数字元件模型，对元件的编辑及参数的修改非常方便，且仿真结果十分接近实际电路的分析结果，是目前流行的EDA软件之一［9－12］．本文将依据功放电路在自然换流状态下的时序分析，建立满足不同需求的等效电路模型，为了仿真需要，基于OrCAD平台下设计了低阻高效的循环模拟开关，并利用它对自然换流状态下的等效电路模型进行计算仿真．

1 可控硅开关功率放大器的基本原理

图1所示电路是一个大功率可控硅开关功率放大器，该电路的工作原理在文献［8］中曾给出，为便于下文仿真，现作简单描述．

图1 可控硅开关功率放大器的电路图

图1所示电路由6组并联的串联可控硅逆变器和1个匹配网络构成．通过在可控硅的栅极周期性地加触发电压，使上下2个可控硅循环导通工作．设振荡器电路的固有谐振频率为f0，可控硅的触发频率为f．则：当f＜f0，逆变器工作在自然换流状态；当f＝f0，逆变器在临界换流状态；当f＞f0，逆变器在强迫换流状态．为了得到近似于正弦的波形，即保证逆变器工作在临界状态附近，振荡器后面连接一个4阶低通滤波器，它起到低通滤波和负载匹配的作用，从而使电路可以工作在一定带宽的频率下．

2 自然换流状态下的功放等效电路模型

实际上，在放大器的工作过程中，可控硅就相当于一个控制支路通断的开关，由于图1中6组逆变器的参数值相同，只是在不同时间点上分别触发而已，此外，自激振荡过程是在没有可控硅工作情况下进行的，所以，处于自然换流状态下的开关功放可以等效为一个简单的单管电路，见图2．

图2 自然换流状态的等效电路一

需要注意的是，电压源E应该满足“高断低”的模式，其波形示意图如图2b）所示．当E为高电压时，表示当前可控硅导通，且E通过回路向Cf充电；当E为断开时，表示当前可控硅截止且下一可控硅尚未导通，充电回路过渡到输出回路和负载开始的自激振荡过程；当E为低电压时，表示下一可控硅导通，自激振荡过程过渡到放电过程，即Cf向回路放电，此时电压源E相当于短路．

为了便于仿真和求解，可以将上述过程按时间顺序等效为充电回路、自激振荡和放电回路3种电路模型，见图3．

在OrCAD仿真软件中，无法直接实现图2b）所示的电压源E，因此，将图2a）所示电路进一步等效为图4所示电路．

图3 自然换流状态下的子电路模型

图4 自然换流状态的等效电路三

图4 中E为周期性脉冲源，通过干路上的开关K来实现图2b）中“断”的作用．即在当前可控硅快截止时K断开，当下一可控硅快导通时K闭合．因此，若K能实现循环开关的功能，则图2所示电路就便可对自然换流状态下开关功率放大器进行等效．而在OrCAD仿真软件中，仅有元器件库ANL＿MISC中的Sw＿tclose和Sw＿topen可实现一次性的通和断．没有元器件能实现循环开关的功能，需要自行设计一个循环模拟开关．

3 OrCAD环境下循环模拟开关的实现

如图5所示的单管MOS模拟开关，栅极位于中间，表明漏极和源极可以对换．衬底极接在最低电位上．加在栅极上的电压VG用来控制开关的通断，要求VG高电平时开关通，低电平时开关断．输入信号电压Vi和输出负载R 分别加在MOS管的漏极和源极上．

图5 单MOS管模拟开关及其工作在非饱和区时Ron的曲线

当MOS管工作在非饱和区时，根据电工原理，MOS管的导通电阻Ron为

式中：VGH＝7V为VG的高电平值；Ron的值见图5b）．

图6 双MOS管模拟开关及其导通电阻变化曲线

为了克服Ron随Vi变化的缺点，现采用两MOS管并联的方式来构成模拟开关，见图6．T1为N沟道EMOS管，T2为P沟道EMOS管．由于图6中2个MOS管为并联关系，则其导通电阻Ron为两管导通电阻的并联值，即Ron＝Ron1∥Ron2．其变化特性曲线见图6b）．

由图6b）可知，当Vi由小增大时，N沟道管T1的导通电阻Ron1相应地由小增大，并趋于无穷；而当Vi由大变小时，P沟道管T2的导通电阻Ron2相应地由小增大，并趋于无穷．利用这种相反变化的特性，可在Vi的变化范围内获得小而较为稳定的导通电阻，如图6b）中虚线所示．因此，只要在VG和上加一个周期性脉冲源，以控制两管循环地导通与截止，从而可实现循环开关．

由于图4中的循环开关K要求其导通时电阻足够小，因此，为了确保仿真的可靠性，本文采用八组双MOS管并联来实现较为理想的循环模拟开关，其电路示意图见图7．E为周期性脉冲源，只要其高电平峰值足够大，使MOS管工作在非饱和区，同时其低电平足够小，以使MOS管截止，即可实现循环模拟开关．

图7 循环模拟开关电路图

4 利用循环模拟开关进行仿真

在OrCAD中，将图7所示的循环模拟开关进行封装，并命名为“cycleswitch”，见图8．

图8 封装后的循环模拟开关

将其应用到图4所示等效电路中，并取定参数，见图9．

图9 应用循环模拟开关的等效电路四

取f＝14kHz（f＜f0）进行仿真．仿真后的波形见图10．

由图10可以看出，负载电流iR（实线）和功放电流icf（虚线）的波形都为近似的正弦波形，经过3个振荡周期后电流值基本稳定，此时系统进入稳态，且负载电流的峰值为206．5A，功放的电流峰值为393．6A，可算得此时功率放大器的输出功率为426．4kW．

5 仿真结果分析

按上述仿真方法对等效电路模型进行仿真，可得到不同频率下的负载电流iR、功放电流icf和输出功率P，计算结果见表1．

表1 不同频率的仿真结果对比

对图9中电路的匹配网络参数进行折算可得其中心频率f0＝16．47kHz．由表1中的数据可以看出，对于不同的频率，功放的发射功率不同，其变化规律与匹配网络的参数息息相关．当f越靠近f0时，输出功率P越大，这与第1节的工作原理相符．

现取f＝14kHz，当周期性脉冲源E的峰值V2取不同值时，对等效电路模型进行仿真计算，结果见表2．

表2 不同电压幅值的仿真结果对比

由表2可见，随着V2幅值的增加，iR和icf值基本服从线性增加的规律，这与理论相符．

此外，从仿真出的波形可以看出，功放电流波形不是标准的正弦波形，但负载电流波形是较好的正弦波形．将自然换流状态下负载电流和功放电流的仿真波形放大成图11．可以看出：在自然换流状态下的功放电流波形中，上下半周波形有明显的停滞阶段，这正是可控硅受触发的时间间隔大，即当上一个可控硅关断后，下一个可控硅需过一段时间才工作的结果．虽然自然换流状态下功放电流波形不是标准的正弦波形，但经匹配网络滤波后，在负载处却可以得到较好的正弦波．

图11 仿真自然换流状态下的电流波形

6 结束语

大功率功放系统电路一般工作在高电压、大电流状态，其相关电流电压值通常难以采集和测量，为了掌握大功率功放的工作机理和电气特性，本文针对一种输出功率可高达上千kW的大功率功放进行研究，首先分析了其电路在不同频率下的三种工作状态，层层深入，分别建立了系统工作在自然换流状态下的3种等效电路模型．为了实现仿真需要，在OrCAD环境下设计了低阻高效的循环模拟开关，并在此基础上仿真计算了等效电路模型．仿真结果表明，当系统的工作频率f越靠近中心频率f0时，输出功率P越大．经过试验，这种仿真方法能计算出功率放大器在任意点的电流电压值，且结果与理论值相符．仿真数据能较真实地反映该开关功放在任何时刻的工作状况，具有一定的参考价值．

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