基于D类音频放大器的程控交流电源的设计

系统结构与控制原理
升压+全桥逆变器和输出LC滤波器是大功率程控交流电源极为常用的拓扑之一。如图1所示，这是一种两级非隔离拓扑，其第一级是升压级，用于把模块整流电压升压到实际峰值直流电压（＞325V）；第二级是逆变级，用于把峰值直流电压转变为交流电压，再经LC滤波器得到50Hz的交流输出电压。全桥逆变器一般采用单极性控制方式，其特点是高频臂的两只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压波形；另两只功率管以较低的输出电压基波频率工作，从而很大程度上减小了开关损耗。该全桥逆变器并不是一个桥臂始终为低频(输出基频)，另一个桥臂始终为高频（载波频率)，而是以半个输出电压周期切换工作，即同一个桥臂前半个周期工作在低频，后半周则工作在高频，这样就保证两个桥臂功率管工作在均衡状态，提高了系统的可靠性。虽然该电路效率较高，但需要解决输入/输出之间的隔离问题。由于电缆测试仪的程控交流电源功率较小，若采用上述方案，则体积较大，且控制复杂。

图1 升压+全桥逆变器

若采用诸如LM1875单片集成功率放大器件，用±30V供电时，最大输出功率可达30W。其接法同TDA2030相似，有单双电源接法和BTL接法。BTL接法采用两片LM1875，连接成桥式电路，两边的电路结构和参数完全相同，右边的集成电路由左边的集成电路通过一负反馈电阻控制，反之亦然。它可获得更高的输出功率。如图2所示，二极管1N4007用于防止输出感性负载产生过电压而损坏器件。电路的放大倍数可由输出端至反相输入端的反馈电阻来决定。A类、B类、AB类等功放均是线性功放，信号总是停留在放大区，输出晶体管担当线性调整器来调整输出电压，其结果是降低了效率，限制了输出功率。

图2 LM1875的BTL接法

本设计采用D类音频放大器构成程控交流电源，只需对音频放大器的输入幅度控制就可以得到高纯度正弦交流电压。图3给出了所研制的程控交流电源系统结构框图，并且给出了每级的波形。其主电路由D类音频放大器+半桥和LC滤波器组成。

图3 D类音频放大器基本构成图

值得注意的是，半桥D类音频放大器因为能量可以双向流动而导致“母线电压提升”，这样会造成母线电容被充电。在半桥拓扑中，电源面临从功放返回来的能量而导致严重的母线电压波动或损坏，尤其是当功放输出低频信号到负载时。D类放大器区别于同步降压转换器的是，其参考信号是一个不断变化的音频信号，占空比围绕50%不断变化，电感电流双向，两个MOSFET作用相同。

主回路设计
采用国际整流器公司(IR) D类音频放大器的IRS2092，将误差放大器、PWM比较器、栅极驱动级电路和过载保护功能结合到一起，与IRS20955相比较具有很大的设计灵活性。用±100V供电时，最大输出功率可达500W，工作频率高达800kHz。如图4所示，它包括一个脉宽调制器、两个输出MOSFET和一个用于恢复被放大的音频信号的低通滤波器。由于输出500V正弦波有效值，输出端有一个低频升压变压器。音频输入信号与内部振荡器产生的三角波进行比较后，得到PWM信号，方波的占空比与输入信号电平成正比。没有输入信号时，输出波形的占空比为50%。图5显示了不同输入信号电平下所产生的PWM输出波形。

图4 程控交流电源主电路