软开关功率放大电路及其在高频电刀中的应用

软开关功率放大电路及其在高频电刀中的应用?电力电子电气应用年第卷第期!""#!$%%!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!软开关功率放大电路及其在高频电刀中的应用朱彬蔡萍(上海交通大学仪器科学与工程系)!"""#"摘要介绍一种采用软开关技术的功率放大电路。该电路能有效地降低功率放大电路中的开关功率损耗,并在相同电源电压的情况下达到更大的输出功率。推导了该电路输出功率的近似解,给出了电路参数的设计公式,并介绍了它在高频电刀中的应用。仿真实验表明,该电路能输出较大的功率和达到较高的效率,非常适合高频电刀的应用。关键词软开关功率放大高频电刀流的重叠,消除开关过程中的功率损耗。这样的开引言!关电路称为软开关电路,其典型的开关过程如图!高频电刀是现代外科手术中常用的电子医疗设所示。备。它通过高频电流经过肌体时产生的热效应实现对肌体组织的分离和凝固,从而达到切割和止血的效果。功率放大电路是电刀的核心部件。对电刀用功率放大电路一般的要求是:输出的高频电流频率在之间,输出功率在范#""$%&!’%&"!#""围内可调。常用的电刀功率放大电路采用类谐*[]+振放大电路的形式,其输出功率有限。另一方面,类谐振放大电路使用的大功率工*,-./0作在较高频率(以上)时,由于+""$%&,-./0图硬开关电路的开关过程+的极间寄生电容引起开关功率损耗,大大降低了功[]!放电路的效率。本文介绍一种采用软开关技术的功率放大电路,不仅能有效地减少的,-./0开关功率损耗,而且在功放电路电源电压一定的条件下,能输出更大的功率。软开关功放电路"理想的开关在瞬间完成状态切换。实际电路中,开关器件如的典型开关过程如图,-./0+图软开关电路的开关过程!所示。在此过程中,电流、电压均不为零,电压和根据软开关的原理设计的功率放大电路如图#电流出现重叠,因此开关器件在此过程会消耗功所示,其等效电路如图所示。受信号’,-./0率:()()()。这样的开关电路称为硬开"$"%"!#控制,工作在截止和饱和导通两种状态,等效&12$关电路。开关器件在开关过程中平均损耗功率与开为开关,并忽略它的导通电阻;功率通过变压器-关时间的长短有关,并随开关频率的增加而增大,耦合输出,记变压器匝数比/,将负载0’#是影响高频功放电路效率的重要因素。+!电阻等效到变压器一次侧,等效电阻3#在开关电路中增加电感和电容,在开关过程中!。电路的工作原理如图所示,当开关闭’4-引入谐振过程,可以使开关在开通前电压先下降为3合时,点接地。在断开的瞬间,即时刻,由零,或在关断前电流先下降为零,从而消除电压电5-"!??+*电气应用年第卷第期软开关功率放大电路及其在高频电刀中的应用!""#!$%%***************************************************************于与并联的电容的作用,可以延缓点电压!!"%’#""##上升的速率,减小在关断过程中电流电压重叠,!#%&!若(条件),则由微分方程()和&’’#降低关断功率损耗。在开关断开后的时!"!"#$#刻内,和组成谐振电路,合理选择和的其初值条件解得#!#!值,可以使点的电压在下一次闭合前,即"+""!"#$+#&![()]$’*+,,-.!"+"+"!"""!/#"#$时刻时,恰好下降至零,则又能降低的开通功率!""+()#$损耗。!#&![()]%’+,01,!"+"+"!"""#/##$"#’式中!/#!###,’*#!()"/02"."#’#!"+"$#+若足够大,使&!(条件),根据&!+’’#()(),可解得%"%"#$#’()()图软开关功放电路图软开关功放电路的等效电路’"+"%##’$%##设电感和电容为了实现软开关,要求(),利用条$"!$两端电压分别为件可解得#、,方向如图$$()()#!!"""#&/$+#*"所示;流过电感、%将、和式()代入式()得到电感!%&#/"电容和电阻的电流和电容必须满足的条件!分别为、和%%#!"+"$###!()()"#"/02".3*,方向如图中箭%%&"+"#’#!图等效电路关键点波形头所示;时刻流&"’综合上述分析,计算功放电路的输出功率。过电感的电流为。时刻电路方程为’"!"当闭合时,流过电阻的电流#’#!&$$#()%"!"""4&’#&()%’""*+###断开时,流过电阻的电流#()当#"""’!&’!"#/%&&+$!,[()]%’+,-.!"+"+"!"""&/##$"&&%$!()5时刻电路方程为"!"#$一个开关周期内输出到负载电阻上的平均&$*$!#$功率*%#"$$#’##*"-%&*"&&"!"""#$()()"+"#$’"#’/%$&&##"""+""+"+#’$##’#()()’*6*[]*$!{}#&"+""+"$’$’