复合结构包络线跟踪电源的优化组合方式及其控制方法研究

Power amplifier suffers low efficiency in mobile communication base stations, which can be improved by envelope tracking (ET) power supplies. However, because of the as high as several tens of MHz of envelope signal bandwidth, there is few solution to achieve this high tracking bandwidth while maintaining high efficiency and high linearity. Based on the topology analysis theory, this project will firstly examine the control mechanism and internal connections of different hybrid structures. Then a unified architecture of hybrid ET power supplies is constructed, based on which, the generating rules for optimal composing manners are proposed. And a family of new hybrid ET power supplies are deduced, which can make the switching frequency be equal or less than the tracking bandwidth. Considering the large scale voltage variations of ET power supplies, the large-scale control models are established and the methods for stable operation are proposed. Meanwhile, for the newly presented ET power supplies, the small-signal multi-frequency models are configured, aiming at removing the switching frequency sideband effect so as to push the control loop bandwidth further higher. Based on the efforts both on architecture and control scheme, the full promotion of the bandwidth, efficiency and linearity for ET power supplies can be achieved. The research work in this project can lay the theoretical foundation for modern or future mobile base station power supply technology, and develop the modeling and control theories for switching converters.

移动通信基站中功率放大器存在工作效率低下的问题，包络线跟踪(ET)电源是提升其效率的有效方法。但由于所需跟踪的包络线信号具有几十MHz量级的带宽，目前仍缺乏有效方法在保证高效率和高线性度的同时，实现如此高的跟踪带宽。本项目拟基于拓扑分析理论，首先探明各种复合结构的控制机理和内在联系，建立复合结构ET电源的统一结构模型；在此基础上，提出优化组合方式的生成规则，推导出一族新的复合结构ET电源，使其开关频率可等于或小于跟踪信号频率；鉴于ET电源的大幅值电压变化特性，建立大信号控制模型，提出保证系统稳定工作的方法；同时，对生成的新结构建立小信号多频域模型，探索消除开关频率边带效应影响，进一步提升控制带宽的方法。基于结构和控制上的双重努力，实现ET电源带宽、效率和线性度性能的全面提升。该研究将为现代及未来移动通信供电技术的发展奠定理论基础，也是拓扑分析理论、开关变换器建模和控制理论的丰富和发展。

采用包络线跟踪(Envelope tracking, ET)电源是提升移动通信基站功放效率的有效方法，但由于所需跟踪的包络线信号具有几十MHz量级的带宽，目前仍缺乏有效方法在保证高效率和高线性度的同时，实现如此高的跟踪带宽。本项目研究复合结构ET电源的优化组合方式及其控制方法，提出采用完全相同的多个开关单元相串联来构成多电平变换器，而后与A类线性放大器串联构成ET电源。基于此电路架构，提出采用脉冲边沿独立分配(Pulse edge independent distribution, PEID)方法，将多电平变换器部分原始控制脉冲的约束关系打破，形成独立的上升沿和下降沿，然后根据进一步提出的First-on-First-off原则重新组合，生成新的控制脉冲。采用PEID方法后，开关管的开关频率可以降低为传统方法的1/n (n  N)，即在相同开关频率条件下，其可以获得更高的跟踪带宽；同时，PEID方法还可以有效扩展高带宽跟踪时过短的开通时间和关断时间，以避免开通或关断时间过短造成的脉冲丢失，大大提升了系统可靠性和开关管的工作性能。然而，PEID方法中需要使用多个电平提供单元，而且各单元间必须电气隔离，这使得系统较为复杂，功率变换级数较多。为此，我们提出采用开关电容来代替电平提供单元，通过设计优化的开关电容充放电电路结构和控制时序，保证各电容上的电压维持相对稳定。我们主要开展了两方面的研究工作：首先，基于传统开关电容式ET电源，将PEID方法直接应用其上时会出现阶梯波中间电平缺失而失真的情况。为此，我们引入辅助开关，并进一步推导各开关管的控制逻辑，最终进行逻辑简化，仅需在原拓扑结构上增加两只二极管即可弥补缺失电平；然而，二极管作为主功率管，流过负载电流时损耗较大。因此，我们重新审视PEID方法的基本拓扑，严格推导以开关电容代替电平提供电压源的一族新的拓扑结构及控制方法，它们不仅系统结构简洁，功率变换级数少，而且保持了PEID方法的所有优点。本项目的研究为现代及未来移动通信供电技术的发展提供了理论储备和实践积累，具有较强的科学意义和实际价值。