一种多电压输出的线性功率放大器的制作方法

本发明属于电气测试设备领域，具体涉及一种多电压输出的线性功率放大器。

背景技术：

目前，线性功率放大器采用单电压输出范围，在多电压范围下，常采用多个线性功率放大器分别输出不同的电压。现有技术方案中，采用多个线性功率放大器分别输出不同的电压，设备利用率不高。同时，由于线性功率放大器属于非常贵重的设备，而且设备的效率(输出功率/输入功率)不高，也会造成成本投入过高，设备使用率较低，供电需求过大和发热严重的问题。线性功率放大器单机只能输出单个电压范围，对于多电压范围下的应用限制较多。

技术实现要素：

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种实现不同电压等级的交流和/或直流输出的线性功率放大器。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种多电压输出的线性功率放大器，包括：n个单电压范围线性功率放大器，其中，n≥2；单电压范围线性功率放大器具有第一输出端和第二输出端；切换单元，与每个所述单电压范围线性功率放大器连接，用于输出多个交流电压和/或多个直流电压。

进一步，所述切换单元包括多个与所述单电压范围线性功率放大器数量相同的切换基本单元；每个切换基本单元包括多抽头变压器和开关矩阵。

进一步，每个所述切换基本单元通过所述开关矩阵与各个所述单电压范围线性功率放大器连接；每个所述切换基本单元通过所述开关矩阵连接至多电压输出的线性功率放大器的对外接口。

进一步，所述开关矩阵包括直流开关矩阵；所述切换基本单元包括：多抽头变压器和设置在所述多抽头变压器输入侧的直流开关矩阵，在线性功率放大器的输出为直流时，用于将各个线性功率放大器进行串联，以扩大直流电压输出范围。

进一步，所述开关矩阵包括交流开关矩阵；所述切换基本单元包括：多抽头变压器和设置在所述多抽头变压器输入侧和/或输出侧的交流开关矩阵，用于在交流输出时将各个线性功率放大器进行串联和/或降压扩流后串联，以扩大交流电压输出范围和功率输出范围。

进一步，所述直流开关矩阵包括直流输出使能接触器和直流连接接触器；多个所述单电压范围线性功率放大器包括：单电压范围线性功率放大器1和单电压范围线性功率放大器2；所述单电压范围线性功率放大器1的第一输出端通过直流输出使能接触器km1e连接至单电压范围线性功放1的直流输出端tdc1-1，所述单电压范围线性功率放大器1的第二输出端连接至单电压范围线性功放1的直流输出参考点端tdc1-2；所述单电压范围线性功率放大器2的第一输出端通过直流连接接触器km1-2连接至所述单电压范围线性功率放大器1的第二输出端tdc1-2，其中，直流输出参考点端tdc1-2也作为所述单电压范围线性功率放大器2的直流输出端。

进一步，所述直流开关矩阵包括直流输出使能接触器和直流连接接触器；所述单电压范围线性功率放大器的数量大于2，每个所述单电压范围线性功率放大器记为单电压范围线性功率放大器n，1<n<n；第1个所述单电压范围线性功率放大器通过切换单元引出直流输出端tdc1-1和直流输出参考点端tdc1-2；作为单电压范围线性功率放大器1单独使用时的直流输出接口；其余的每个所述单电压范围线性功率放大器n通过切换单元引出直流输出端tdc(n-1)-2和tdcn-2，作为单电压范围线性功率放大器n单独使用时的接口；其中，第2至第n-1个所述单电压范围线性功率放大器具有独立的直流输出参考点；第1个所述单电压范围线性功率放大器的第一输出端通过直流使能接触器km1e连接至第1个所述单电压范围线性功率放大器的直流输出端tdc1-1，第1个所述单电压范围线性功率放大器的第二输出端连接至第1个所述单电压范围线性功率放大器的直流输出参考点端tdc1-2；第2至第n-1个所述单电压范围线性功率放大器的第一输出端分别通过直流连接接触器km(n-1)-n连接至第1至第n-2个所述的单电压范围线性功率放大器的第二输出端；第2至第n-1个单电压范围线性功率放大器的第二输出端分别连接至各自的直流输出参考点端tdcn-2；第n个所述单电压范围线性功率放大器的第一输出端通过直流连接接触器km(n-1)-n连接至第n-1个所述单电压范围线性功率放大器的直流输出端tdc(n-1)-2；第n个所述单电压范围线性功率放大器的第二输出端通过直流使能接触器kmne连接至自身的直流输出参考点端tdcn-2；单电压范围线性功率放大器1的直流输出端也作为多个单电压范围线性功率放大器串联将电压范围扩大后的直流输出端；单电压范围线性功率放大器n的直流输出端也作为多个单电压范围线性功率放大器串联将电压范围扩大后的直流输出参考点端。

进一步，所述交流开关矩阵包括：交流输入接触器kmn、交流输出接触器kmnac、交流选档接触器kmnaci和交流连接接触器kmn-(n-1)；每个所述切换基本单元的输入侧分别通过交流输入接触器kmn连接至对应的单电压范围线性功率放大器的第一输入端；每个所述切换基本单元的输出侧包括：交流输出端，所述多抽头变压器的各副边抽头分别通过交流选档接触器kmnaci连接至交流输出接触器kmnac，再通过交流输出接触器kmnac连接至交流输出端；交流输出参考端，多抽头变压器的副边参考端连接至切换单元的交流输出参考端；所述多个切换基本单元两两之间分别通过交流连接接触器kmn-(n-1)连接。

进一步，所述交流输出端包括：第一电压输出端、第二电压输出端和第三电压输出端；所述第一电压输出端输出的交流电压为360v；所述第二电压输出端输出的交流电压为230v；所述第三电压输出端输出的交流电压为180v。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：切换单元分别连接至至少一个单电压范围线性功率放大器，进而在交流和/或直流输出时将各个线性功率放大器进行串联或并联，从而扩大电压输出范围或功率范围，实现不同电压等级的交流和/或直流输出。

附图说明

图1是本发明实施例的多电压输出的线性功率放大器的结构示意图；

图2是本发明实施例的具有2个单电压范围的线性功率放大器的多电压输出的线性功率放大器的结构示意图；

图3是本发明实施例的具有3个单电压范围的线性功率放大器的多电压输出的线性功率放大器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1是本发明实施例的线性功率放大器的结构示意图。

请参阅图1，一种多电压输出的线性功率放大器，包括：n个单电压范围线性功率放大器，n≥2；单电压范围线性功率放大器具有第一输出端和第二输出端；其中，切换单元与每个单电压范围线性功率放大器连接，用于输出多个交流电压和/或多个直流电压，通过降压后串联的方式增大交流输出的功率，从而扩大直流和/或交流电压的输出范围或功率范围。

单电压范围线性功率放大器是指只能输出单个电压范围的线性功率放大器，例如：单独输出115vac-120vac范围内电压的线性功率放大器。

其中，切换单元包括多个与所述单电压范围线性功率放大器数量相同的切换基本单元，每个切换基本单元包括多抽头变压器和开关矩阵，每个切换基本单元通过开关矩阵与各个单电压范围线性功率放大器的输出端连接。每个所述切换基本单元通过所述开关矩阵连接至多电压输出的线性功率放大器的对外接口，其中，对外接口是指图1中右边所有的端口，包括所有的tac端口和所有的tdc端口。

优选地，开关矩阵是由多个开关排列为矩阵的形式，可以采用接触器来实现。

在一个实施方式中，切换基本单元包括：多抽头变压器和设置在多抽头变压器输入侧的直流开关矩阵，在线性功率放大器的输出为直流时，用于将各组线性功率放大器进行串联，以扩大直流电压输出范围和功率输出范围。其中，切换单元中的变压器副边绕组包括升压绕组和降压绕组两种类型，由于变压器的功率原副边功率恒等的特性，副边降压可以提高电流输出能力，通过串联副边降压绕组以实现降压扩流后再升压，从而扩大交流电压输出范围和功率输出范围。请继续参阅图1，以单电压范围线性功率放大器1为例，km1ac1，km1ac2，km1ac3所连接的副边绕组可以是升压绕组，也可以是降压绕组，多个单电压范围线性功率放大器通过降压绕组降压后，根据变压两侧功率守恒可知，可以扩大输出电流能力，而根据串联分压可知，在切换单元中将变压器副边串联可以扩大电压输出范围，降压后，扩大了电流输出能力，串联后，扩大了电压输出范围，所以，这种方式可以扩大功率输出范围。

在一个实施方式中，直流开关矩阵包括直流输出使能接触器和直流连接接触器；其中，当n＝2时，即单电压范围线性功率放大器的数量为2个，分别记为单电压范围线性功率放大器1和单电压范围线性功率放大器2；其中，单电压范围线性功率放大器1的第一输出端通过直流输出使能接触器km1e连接至单电压范围线性功放1的直流输出端tdc1-1，所述单电压范围线性功率放大器1的第二输出端连接至单电压范围线性功放1的直流输出参考点端tdc1-2；单电压范围线性功率放大器2的第一输出端通过直流连接接触器km1-2连接至所述单电压范围线性功率放大器1的第二输出端tdc1-2，其中，直流输出参考点端tdc1-2也作为所述单电压范围线性功率放大器2的直流输出端。

下面通过一个示例对本发明实施例的单电压范围线性功率放大器n＝2的情况进行解释说明：

请参阅图2，分别记为单电压范围线性功率放大器a’和单电压范围线性功率放大器c’；单电压范围线性功率放大器a’具有第一输出端a1和第二输出端b1，单电压范围线性功率放大器c’具有第一输出端a2和第二输出端b2；

单电压范围线性功率放大器a’的第一输出端a1通过直流输出使能接触器km1e连接至单电压范围线性功率放大器a’的直流输出端tdc1-1，第二输出端b1连接至a’的直流输出参考点端tdc1-2；单电压范围线性功率放大器c’的第二输出端b2通过直流输出使能接触器km2e连接至单电压范围线性功率放大器c’的直流输出参考点端tdc2-2，第一输出端a2通过直流连接接触器km1-2连接至单电压范围线性功率放大器a’的第二输出端b1，其中，直流输出参考点tdc1-2也作为单电压范围线性功率放大器c’的直流输出端。在本申请的该实施例中，km1-2相当于将单电压范围线性功率放大器a’和单电压范围线性功率放大器c’串联起来，从而在km1-2闭合，以及km1e和km2e也闭合时，能够分别在tdc1-1和tdc1-2端、tdc1-2和tdc2-2端得到240v直流电压，或者在tdc1-1和tdc2-2端得到480v直流电压。

在另一个实施方式中，直流开关矩阵包括直流输出使能接触器和直流连接接触器；单电压范围线性功率放大器的数量大于2，每个单电压范围线性功率放大器记为单电压范围线性功率放大器n，1<n<n；第1个单电压范围线性功率放大器通过切换单元引出直流输出端tdc1-1和直流输出参考点端tdc1-2；作为单电压范围线性功率放大器1单独使用时的直流输出接口；其余的每个所述单电压范围线性功率放大器n通过切换单元引出直流输出端tdc(n-1)-2和tdcn-2，作为单电压范围线性功率放大器n单独使用时的接口；其中，第2至第n-1个所述单电压范围线性功率放大器具有独立的直流输出参考点；第1个所述单电压范围线性功率放大器的第一输出端通过直流使能接触器km1e连接至第1个所述单电压范围线性功率放大器的直流输出端tdc1-1，第1个所述单电压范围线性功率放大器的第二输出端连接至第1个所述单电压范围线性功率放大器的直流输出参考点端tdc1-2；第2至第n-1个所述单电压范围线性功率放大器的第一输出端分别通过直流连接接触器km(n-1)-n连接至第1至第n-2个所述的单电压范围线性功率放大器的第二输出端；第2至第n-1个单电压范围线性功率放大器的第二输出端分别连接至各自的直流输出参考点端tdcn-2；第n个所述单电压范围线性功率放大器的第一输出端通过直流连接接触器km(n-1)-n连接至第n-1个所述单电压范围线性功率放大器的直流输出端tdc(n-1)-2；第n个所述单电压范围线性功率放大器的第二输出端通过直流使能接触器kmne连接至自身的直流输出参考点端tdcn-2；单电压范围线性功率放大器1的直流输出端也作为多个单电压范围线性功率放大器串联将电压范围扩大后的直流输出端；单电压范围线性功率放大器n的直流输出端也作为多个单电压范围线性功率放大器串联将电压范围扩大后的直流输出参考点端。

可选的，切换基本单元包括：多抽头变压器和设置在多抽头变压器输入侧和/或输出侧的交流开关矩阵，用于在交流输出时将各组线性功率放大器进行串联和/或并联，以扩大电压输出范围和功率输出能力。其中，所述交流开关矩阵包括：交流输入接触器kmn、交流输出接触器kmnac、交流选档接触器kmnaci(i代表交流选档接触器的编号，例如，在图2中，i取值为3)和交流连接接触器kmn-(n-1)；每个所述切换基本单元的输入侧分别通过交流输入接触器kmn连接至对应的单电压范围线性功率放大器的第一输入端；每个所述切换基本单元的输出侧包括：交流输出端，所述多抽头变压器的各副边抽头分别通过交流选档接触器kmnaci连接至交流输出接触器kmnac，再通过交流输出接触器kmnac连接至交流输出端；交流输出参考端，多抽头变压器的副边参考端连接至切换单元的交流输出参考端；所述多个切换基本单元两两之间分别通过交流连接接触器kmn-(n-1)连接。具体地，多个切换基本单元依次且两两之间分别通过交流连接接触器连接至位于首端的所述切换基本单元的交流输出参考点和位于末端的所述切换基本单元的交流输出接触器上。交流选档接触器位于切换单元输出侧，且数量≥2，每个交流选档接触器分别连接至多绕组变压器副边的各个绕组上。每个切换基本单元的输出侧至少包括：第一电压输出端、第二电压输出端和第三电压输出端。第一电压输出端输出的交流电压为360v；第二电压输出端输出的交流电压为230v；第三电压输出端输出的交流电压为180v；当然，本发明实施例的输出侧包括的电压输出端还可以是2个或者4个及4个以上，本发明对此不做限定。

此外，每个切换基本单元的输出侧还包括一个输出端，作为对应的线性功率放大器的交流输出参考点。切换基本单元可以采用三抽头变压器来实现输出三种电压，配合接触器可以实现该路电压的输出与否。

对于n＝2来说，切换基本单元的数量也为2个，则线性功率放大器a’的第一输出端a1与多抽头变压器的输入侧之间还设置有交流输入接触器km1，线性功率放大器c’的第一输出端a2与多抽头变压器的输入侧之间还设置有交流输入接触器km2，多抽头变压器的输出包括a相交流输出接口tac1-1、a相交流输出参考点tac1-2、b相交流输出接口tac2-1和b相交流输出参考点tac2-2。

在本公开实施例中，切换基本单元的数量与单电压范围线性功率放大器的数量相同，且每个单电压范围线性功率放大器的输出端与每个切换基本单元的输入侧连接。

在本公开实施例中，vdc是指直流电压，vac是指交流电压。

下面通过一个示例对本申请实施例的工作原理进行说明：

假设电压模拟系统需要在不同的工况下模拟输出180vac，360vac，540vdc三种电压范围，功率需求分别为100kva，200kva，150kw。已有的线性功率放大器为三组单输出功率为100kva功率放大器，额定输出电压为240v(默认为直流，如作交流输出，峰值为240v，即有效值约为170v)。

请继续参阅图3，以3个切换基本单元和3个线性功率放大器为例，以下简称为线性功率放大器a’、线性功率放大器b’和线性功率放大器c’；

三个线性功率放大器额定功率均为100kva，额定电压均为240v。三个线性功率放大器单独使用，240vp-p等效于170vacrms，无法满足模拟输出180vac，100kva的要求，也无法满足模拟输出360vac，200kva的要求，更无法满足模拟输出540vdc，150kva的要求。

图3中，km1、km2、km3为交流输入接触器；km1e、km3e为直流使能接触器；km1-2、km2-3为直流连接接触器，km1-2和km2-3的作用是扩大直流电压的输出范围和功率范围；km1ac1、km1ac2、km1ac3、km2ac1、km2ac2、km2ac3、km3ac1、km3ac2、km3ac3为交流选档接触器；km1ac、km2ac、km3ac为交流输出接触器；km2-1、km3-2为交流连接接触器，作用是扩大交流电压的输出范围和功率范围。接口tac1-1、tac2-1、tac3-2分别为三相交流输出接口(a相交流输出、b相交流输出和c相交流输出)，接口tac1-2、tac2-2、tac3-2分别为a、b、c三相交流输出的参考；接口tdc1-1、tdc1-2为单模块直流输出端(线性功率放大器a’的直流输出)和单模块直流输出(线性功率放大器a’的直流输出)的参考端，同时接口tdc1-1可作为多模块(包括线性功率放大器a’、线性功率放大器b’和线性功率放大器c’)串联的直流输出；在km1-2闭合时，接口tdc1-2、tdc2-2可作为单模块直流输出端(线性功率放大器b’)和单模块直流输出(线性功率放大器b’)的参考端；在km2-3闭合时，接口tdc2-2、tdc3-2为单模块直流输出端(线性功率放大器c＇的直流输出)和单模块直流输出(线性功率放大器c’)的参考端，其中，tdc3-2也可作为多模块(包括线性功率放大器a’、线性功率放大器b’和线性功率放大器c’)串联后直流输出的参考端。

在直流输出模式下，将km1、km2和km3均断开，功放系统的输出通过对km1e，km1-2，km2-3，km3e的通断进行控制，可以得到不同的输出电压，具体包括以下四种情况：

(1)闭合km1e，可以在接口tdc1-1、tdc1-2端得到240vdc的直流输出范围；

(2)闭合km1-2，可以在接口tdc1-2、tdc2-2端得到240vdc的直流输出范围；

(3)闭合km1e和km1-2，可以在接口tdc1-1、tdc2-2端得到480vdc的直流输出范围，或在接口tdc1-1、tdc1-2端和接口tdc1-2、tdc2-2端分别得到240vdc的直流输出范围；

(4)闭合km1e、km1-2、km2-3和km3e，在接口tdc1-1、tdc3-2端得到720vdc的直流输出范围，输出功率300kva，此时满足要求的540vdc的输出范围和在540vdc输出下150kw的功率要求；在tdc1-1、tdc1-2端得到240vdc的直流输出范围，同时在tdc1-2、tdc3-2端得到480vdc的直流输出范围；在tdc1-1、tdc2-2端得到480vdc的直流输出范围，同时在tdc2-2、tdc3-2端得到240vdc的直流输出范围。

交流输出模式下，断开接触器km1e、km1-2、km2-3和km3e，通过对其余接触器的通断进行控制，可以得到不同的输出电压，具体包括以下四种情况：

(1)闭合km1，km2，km3。变压器绕组输出三个抽头分别将240vp-p交流转换成360vac(变比17：36,对应的选档接触器为km1ac1，km2ac1，km3ac1)、230vac(变比17：23,对应的选档接触器为km1ac2，km2ac2，km3ac2)、180vac(变比17：18,对应的选档接触器为km1ac3，km2ac3，km3ac3)。

(2)闭合km1ac，km2ac，km3ac，使能三相交流独立输出。闭合km1ac1，km2ac1，km3ac1，可以得到三组360vac的交流电压输出范围，每相功率100kva。

(3)闭合km1ac，km2ac，闭合km1ac1，km2ac3，km3ac3，闭合km3-2，断开km2-1，可以在tac2-1、tac3-2端得到360vac电压输出范围，功率200kva，满足模拟输出360vac三相交流电压范围及功率的需求，在tac1-1、tac1-2端得到360vac电压输出范围，功率为100kva。连接接触器km3-2的闭合扩大了一相交流电压的输出功率。

(4)闭合km1，km2，km1ac1，km2ac1，闭合km2-1，km1ac，可以在tac1-1、tac2-2端获得460vac的交流输出，功率200kva，此时扩大了交流输出电压的范围。

需要说明的是，在以上的直流和交流输出模式的每种电压输出情况下，闭合某一些接触器，则代表其余接触器均关断。例如：在交流输出模式的第(4)种情况下，闭合km1ac1，km2ac1，km2-1，km1ac，则代表km1e，km1-2，km2-3，km3e,km3，km1ac2，km1ac3，km2ac2，km2ac3，km3ac1，km3ac2，km3ac3，km3ac,km3-2，km2ac均关断。

通过将线性功率放大器切换基本单元与若干交(直)流连接接触器配合，即可实现扩大原三组单电压范围线性功率放大器的输出电压、输出功率，适应多电压、交直流混合输出应用环境。

本公开实施例利用多抽头变压器和接触器，构成线性功率放大器的基本切换单元，并利用基本切换单元和一些接触器，构成交流和直流混合的线性功率放大器切换架构。相比于现有方案，本公开实施例提高了线性功率放大器单机的设备利用率，相比传统采用单机分别输出要模拟的电压而言，降低了系统整体的供电需求，提高了线性功率放大器在多电压范围下的应用空间。以230vac输出的线性功放为例，若需要输出115vac的电压，采用此切换架构与采用单独输出115vac的线性功率放大器相比，根据线性功放的成本与功放功率成正比的特点，考虑此切换架构的成本，可以节省设备成本开支70％；考虑115vac输出功放得用电需求，节省供电需求80％，减少系统发热80％；考虑115vac输出功放的体积，减少空间需求85％。

需要说明的是，本发明实施例中各个接触器的位置并不以此为限定，对于每个单电压范围线性功率放大器而言，也可以将交流输入接触器kmn设置在直流使能接触器或直流连接接触器km(n-1)-n与单电压范围线性功率放大器的输出端之间，例如：先将km1与单电压范围线性功率放大器1的输出端连接，再通过km1e连接至tdc1-1，均应属本发明的保护范围之内。对于多抽头变压器输出侧设置的交流输出接触器kmnac与交流连接接触器kmn-(n-1)而言，也可以将交流输出接触器kmnac与多抽头变压器输出侧连接，再经过kmn-(n-1)，之后连接至电路右端的输出接口侧，即交流输出接触器kmnac也可以设置在靠近多抽头变压器输出侧的位置处，而交流连接接触器kmn-(n-1)设置在相对远离多抽头变压器输出侧的位置处。

另，由图1至图3可知，电路右侧的接口端tdcn-2与单电压范围线性功率放大器的第二输出端相连的线路上，以及接口端tacn-2与多抽头变压器副边相连的线路上均未设置接触器，但本发明不以此为限，电路右侧的接口端tdcn-2与单电压范围线性功率放大器的第二输出端相连的线路上也可以设置一接触器，以及接口端tacn-2与多抽头变压器副边相连的线路上也可以设置接触器。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。