E類射頻（RF）放大器旨在產(chǎn)生具有特定特性集的開關(guān)波形。本文中，我們將探討這些波形的優(yōu)勢(shì)與局限性。

在某種程度上，功率放大器設(shè)計(jì)是理解與塑造波形以達(dá)到高效率的藝術(shù)，同時(shí)也要滿足其他規(guī)格的可接受水平，如輸出功率、線性和功率增益。例如，E類功率放大器通過(guò)采用專門設(shè)計(jì)的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)來(lái)塑造開關(guān)電壓和電流波形，從而尋求最大化效率。

圖1（我們?cè)谇耙黄恼碌哪┪彩状慰吹剑┱故玖祟怑放大器典型的開關(guān)波形。電壓和電流的轉(zhuǎn)換在時(shí)間上是相互錯(cuò)開的，導(dǎo)致波形不重疊。

類E射頻功率放大器中典型的開關(guān)電流和電壓波形。

圖1. 類E射頻功率放大器中典型的開關(guān)電流（上方）和電壓（下方）波形。

請(qǐng)注意，上述波形是典型波形，而非理想波形。在本文中，我們將探討E類放大器理想波形的特性，如圖2所示。在深入探究這些波形為何可取之后，我們將討論一個(gè)重要的局限性，這個(gè)局限性幾乎使它們無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

E類射頻功率放大器的目標(biāo)電流和電壓波形。

圖2. 類E射頻功率放大器的目標(biāo)電流（上方）和電壓（下方）

讓我們首先分析這些波形如何在關(guān)斷到開通和開通到關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過(guò)程中防止功率損失。

目標(biāo)波形的重要特性
在這些波形中，開關(guān)兩端的電壓在開關(guān)接通之前降至零（Vsw = 0）。在開關(guān)接通的瞬間，電壓的斜率為零（dVsw/dt = 0）。同樣，流過(guò)開關(guān)的電流在器件關(guān)斷之前降至零（Isw = 0）。在關(guān)斷瞬間，我們得到Isw = 0和dIsw/dt = 0。

消除接通轉(zhuǎn)換過(guò)程中的功率損失
在實(shí)際開關(guān)中，寄生電容不可避免地會(huì)并聯(lián)出現(xiàn)。由于電壓降至Vsw = 0，這些電容在開關(guān)接通時(shí)不持有電荷。這有效地消除了因放電這些電容而產(chǎn)生的功率損失。

零斜率的重要性可能不那么直觀。然而，條件Vsw = 0和dVsw/dt = 0意味著Vsw在開關(guān)接通瞬間之前的一段時(shí)間內(nèi)保持在0V，從而確保了一個(gè)開關(guān)可以在此期間接通而不會(huì)造成功率損失的間隔。因此，放大器的輕微失諧不會(huì)顯著降低效率。對(duì)于有興趣且能夠訪問(wèn)IEEE數(shù)據(jù)庫(kù)的人來(lái)說(shuō)，Nathan O. Sokal和Alan D. Sokal在《Class E——一類新型高效率調(diào)諧單端開關(guān)功率放大器》一文中更詳細(xì)地討論了零斜率條件的重要性。

還值得注意的是，在類E放大器中，一旦開關(guān)接通，開關(guān)電流就會(huì)從零平穩(wěn)上升。由于實(shí)際晶體管具有有限的dI/dt能力，開關(guān)電流從零開始上升會(huì)導(dǎo)致更短的過(guò)渡時(shí)間。

最后，晶體管在從關(guān)斷狀態(tài)切換到完全接通狀態(tài)時(shí)，其電導(dǎo)率從零逐漸增加。另一種思考方式是，開關(guān)電阻（R）在完全接通時(shí)減小。由于電阻逐漸減小，同時(shí)電流逐漸增加，因此I2R功率損失被最小化。

這對(duì)于開關(guān)接通轉(zhuǎn)換較慢時(shí)特別有幫助。我們可以預(yù)期，滿足條件Vsw = 0和dVsw/dt = 0的類E放大器即使在開關(guān)接通轉(zhuǎn)換時(shí)間占射頻周期高達(dá)30%的情況下，也具有較小的I2R功率損失。

消除關(guān)斷轉(zhuǎn)換過(guò)程中的功率損失
我們上面提到，流過(guò)開關(guān)的電流在器件關(guān)斷之前降至零（Isw = 0）。這防止了與開關(guān)串聯(lián)出現(xiàn)的不可避免寄生電感發(fā)生電流突變。電流波形的這種跳變會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷轉(zhuǎn)換過(guò)程中的功率損失，我們稍后會(huì)討論這一點(diǎn)。

在開關(guān)關(guān)斷瞬間，條件Isw = 0和dIsw/dt = 0意味著Isw在該瞬間之前的一段時(shí)間內(nèi)已達(dá)到0A。就像關(guān)斷到接通轉(zhuǎn)換期間的電壓條件一樣，這降低了放大器輕微失諧對(duì)效率降低的程度。

實(shí)現(xiàn)目標(biāo)波形的局限性
Bela Molnar的論文《單端開關(guān)模式調(diào)諧（E類）功率放大器中可實(shí)現(xiàn)波形的基本限制》證明，圖2中的目標(biāo)波形在實(shí)際類E放大器中無(wú)法實(shí)現(xiàn)。Molnar表明，如果電路要向負(fù)載提供非零輸出功率，則開關(guān)在關(guān)斷和接通轉(zhuǎn)換時(shí)不可能同時(shí)具有零電壓和零電流。

為了獲得非零輸出功率，我們需要在電壓和/或電流波形中存在跳躍不連續(xù)性。這就是為什么圖1中提供的典型類E波形（在開關(guān)瞬間Vsw = 0）在開關(guān)關(guān)斷時(shí)顯示電流跳躍不連續(xù)性的原因。讓我們來(lái)看看這是如何導(dǎo)致功率損失的。

非零電流在關(guān)斷過(guò)程中的影響

在繼續(xù)之前，請(qǐng)注意本節(jié)包含大量理論數(shù)學(xué)內(nèi)容。關(guān)鍵點(diǎn)在于，如果開關(guān)在關(guān)斷瞬間存在非零電流，并且開關(guān)串聯(lián)有電感，那么這可能會(huì)導(dǎo)致功率損失。如果您對(duì)背后的微積分感興趣，請(qǐng)繼續(xù)閱讀——否則，您可能想直接跳到本節(jié)的末尾。

基于此，讓我們繼續(xù)考慮圖3中的簡(jiǎn)化開關(guān)模式放大器。在該電路圖中，L2是操作頻率下出現(xiàn)的與開關(guān)串聯(lián)的有效電感。而L1在射頻下近似為開路。

圖3. 一個(gè)簡(jiǎn)化的開關(guān)模式功率放大器，其中電感L2與開關(guān)串聯(lián)。

假設(shè)圖3中的開關(guān)在t=t0時(shí)刻關(guān)斷。該時(shí)刻的開關(guān)電流和電壓波形如圖4所示。

圖4. 開關(guān)中的電流（上方）和開關(guān)兩端的電壓（下方）。

在上面的圖中，直到t0-時(shí)刻，流過(guò)電感的電流具有非零值I0。在t=t0時(shí)刻，電流仍為I0；而在t0+之后，電流變?yōu)榱?。電感中的電流不能瞬間改變，除非在電路中施加或存在脈沖電壓（即狄拉克δ函數(shù)）。這可以通過(guò)觀察單位脈沖函數(shù)δ(t)在時(shí)間上的積分是單位階躍函數(shù)（波形中的跳變）來(lái)理解。

換句話說(shuō)，對(duì)一個(gè)具有跳變不連續(xù)性的波形求導(dǎo)，會(huì)在導(dǎo)數(shù)波形中產(chǎn)生一個(gè)脈沖函數(shù)。由于電感兩端的電壓（v）與其電流的導(dǎo)數(shù)成正比：

因此，我們得出結(jié)論：電感電流的跳變會(huì)導(dǎo)致電感電壓波形中出現(xiàn)脈沖函數(shù)。請(qǐng)注意，我們僅關(guān)注開關(guān)瞬間（t=t0）時(shí)電路的行為。t=t0之后的電壓波形由負(fù)載網(wǎng)絡(luò)決定，這是另一個(gè)話題。

從方程1可以看出，從I0跳到0A對(duì)應(yīng)于電感上幅度為L(zhǎng)I0的電壓脈沖。假設(shè)這個(gè)整個(gè)電壓尖峰都出現(xiàn)在開關(guān)上，我們就得到了圖4下半部分所示的電壓波形。在這條曲線中，帶箭頭的垂直線表示幅度為L(zhǎng)I0的脈沖函數(shù)。

為了計(jì)算t=t0時(shí)的瞬時(shí)功率損失，我們需要知道開關(guān)的電壓和電流。這兩個(gè)量的乘積給出了功率損失：

從上面的討論中，我們知道Vsw等于LI0δ(t – t0)。然而，我們還需要找到Isw。

由于開關(guān)電流在t=t0時(shí)從I0變?yōu)榱?，我們可以將此時(shí)的Isw描述為不連續(xù)點(diǎn)處左極限和右極限的平均值。因此，我們有：

將方程3代入方程2，我們可以找到開關(guān)在t=t0時(shí)的瞬時(shí)功耗：

將這個(gè)值除以一個(gè)射頻周期的時(shí)間長(zhǎng)度（T），我們就可以得到開關(guān)的平均功耗：

其中f為開關(guān)頻率。

E類零電流開關(guān)放大器

我們一直在研究的電路被稱為E類零電壓開關(guān)（ZVS）放大器。還有E類零電流開關(guān)（ZCS）放大器，之所以這樣命名，是因?yàn)樗鼈冊(cè)陂_關(guān)瞬間電流為零。當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，它們的電流波形不會(huì)出現(xiàn)跳變，而是在開關(guān)開通時(shí)電壓波形出現(xiàn)跳變。這如圖5所示。

E類波形在開關(guān)開通瞬間電壓出現(xiàn)跳變不連續(xù)性。

圖5. E類波形在開關(guān)開通瞬間電壓出現(xiàn)跳變不連續(xù)性。

對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，尤其是高頻應(yīng)用，ZCS放大器通常不如ZVS放大器吸引人，因?yàn)樗鼈冃枰粋€(gè)電容可忽略不計(jì)的開關(guān)。如果開關(guān)的電容不可忽略，電壓的突變將導(dǎo)致開關(guān)開通時(shí)產(chǎn)生功率損失。