Wide bandwidth high efficiency power converter for rf amplifiers

Abstract

Tradicionalmente, en el mundo de la amplificación de potencia de alta frecuencia, se han distinguido dos grandes familias de amplificadores de potencia, atendiendo al efecto de su utilización sobre las señales amplificadas por los mismos: lineales y no lineales. Los amplificadores lineales se han relacionado con las clases de amplificación A, B y AB generalmente poco eficaces en el aprovechamiento de la energía, mientras que los amplificadores no lineales se han asociado a clases de funcionamiento de alto rendimiento energético basadas (o no) en la conmutación: C, D, E, F y mixtas. Se debe precisar que estas definiciones son en si mismas excesivamente elementales. Así, por ejemplo, las exigencias de linealidad de ciertas señales de comunicaciones hacen que ni siquiera los amplificadores basados en clases de funcionamiento consideradas como lineales sirvan para la amplificación de señales con envolventes complejas, tanto de naturaleza analógica como digital, como por ejemplo las señales de difusión de televisión tanto en su vertiente analógica como digital. La extensión y el perfeccionamiento en el uso de las llamadas clases de amplificación de alto rendimiento basadas en conmutación (clases D, E, F y mixtas), junto con la explosión de las aplicaciones digitales de banda ancha, generalmente asociadas con envolventes complejas (no constantes), ha alentado mucho esfuerzo de investigación en electrónica de potencia y comunicaciones hacia el desarrollo de técnicas de linealización que permitan el uso de amplificadores de alto rendimiento, inherentemente muy alinéales, con señales de envolvente no constante. En electrónica de comunicaciones se han desarrollado varias técnicas para linealizar amplificadores de potencia: Back-Off, predistorsión, prealimentación, Doherty, Outphasing, Khan (EER, Envelope Elimination & Restoration), etc. Casi todas se han mostrado limitadas para proporcionar linealidad a amplificadores de alto rendimiento fuertemente alinéales en todo el margen dinámico de la señal amplificada. Solo la técnica EER (o técnica de Khan) ha resultado eficaz para linealizar amplificadores de alto rendimiento en clases caracterizadas por trabajar en conmutación y presentar una naturaleza muy alineal, además de conseguir dicho efecto en todo el margen dinámico de la señal amplificada, si bien a costa de un ancho de banda y niveles de intermodulación limitados. Las técnicas EER se basan en la utilización de un amplificador de alto rendimiento, muy alineal, junto con un amplificador de envolvente, también de alto rendimiento que proporciona la modulación de envolvente que el amplificador de alto rendimiento y alta frecuencia no puede reproducir. En esencia aprovechan el hecho de que una señal de banda estrecha queda bien definida conociendo su envolvente y su fase. Los principales inconvenientes técnicos que han impedido, hasta el momento, el uso masivo de las etapas de linealización EER se resumen seguidamente: El retraso introducido por el amplificador de envolvente que causa una desincronización entre la fase y la envolvente de la señal amplificada y que resulta muy difícil de controlar sin la ayuda de técnicas de procesado digital de la señal. El limitado ancho de banda de los convertidores continua-continua amplificadores de envolvente, resultado de la limitada velocidad de conmutación de los dispositivos activos semiconductores que los componen. Los errores introducidos en el proceso de linealización especialmente por los detectores de envolvente, tanto mayores cuanto mas grande es el margen dinámico de la señal a amplificar. La incapacidad de los amplificadores de alto rendimiento para trabajar a altas frecuencias y en banda ancha, causado en buena medida por las limitaciones impuestas por los dispositivos activos semiconductores en cuanto a tensión máxima, capacidades intrínsecas, tiempos de caída, resistencias de perdidas y los efectos parásitos introducidos por sus encapsulados que limitan tanto el grado de libertad de síntesis de redes de carga como la eficacia de los circuitos de excitación. El objetivo principal de la tesis es la investigación de una solución para el amplificador de envolvente. El rendimiento de esta fuente influirá en el rendimiento total del sistema, por lo que una especificación clave para la fuente sería alto rendimiento. Otros requisitos serán la tensión de salida que debería cambiar entre 0V y 24V y la potencia máxima de la carga estará entre 50 W y 100 W. El rizado de la tensión de la salida deberá ser despreciable, en el rango de decenas de mV. Esta condición influye mucho y complica el diseño del filtro de la salida de la fuente conmutada. La fuente tiene que ser capaz seguir una señal de alta dinámica (la señal de la envolvente) y por eso es necesario que tenga gran ancho de banda. Para obtener gran ancho de banda del amplificador de envolvente es necesario utilizar alta frecuencia de conmutación y finalmente el rendimiento del amplificador de envolvente baja significativamente y es necesario buscar otras soluciones distintas de las convencionales. La idea principal de esta tesis es utilizar una solución de dos etapas donde se encadenan un convertidor conmutado con un regulador lineal. El regulador conmutado no funcionará en lazo abierto, para no disminuirle su ancho de banda, y el filtro de salida no tiene que ser muy complicado, porque el rizado del convertidor reductor no pasará a través del regulador lineal. El regulador lineal estará realimentado y su tarea será garantizar que la tensión en la salida es la misma que la tensión mandada por la señal de referencia. El rendimiento de la segunda etapa depende directamente de la diferencia de las tensiones en su entrada y salida. Cuanto menor sea la diferencia mayor será el rendimiento. Mantener esta diferencia pequeña será la tarea para el control dentro de las dos etapas. En esta tesis se proponen dos arquitecturas diferentes para implementar el convertidor multinivel. La primera arquitectura está basada en las celdas de tensión que se ponen en serie para que se puedan combinar las tensiones generadas por ellas. Dentro de esta arquitectura se pueden distinguir dos soluciones, dependiendo si las celdas de tensión pueden reproducir dos o tres niveles. Aplicando una celda de dos o tres niveles significa un cambio importante en la etapa que sirve para alimentar las celdas, porque el convertidor que alimenta una celda de tres niveles tiene que ser bidireccional. La segunda arquitectura consta de varias fuentes de tensión y un multiplexador analógico que tiene que seleccionar la fuente apropiada dependiendo del nivel de la envolvente que se reproduce. Un convertidor como el convertidor multinivel propuesto tendría un gran ancho de banda, porque la velocidad de su reacción depende sólo de la velocidad de los interruptores que apagan y encienden las celdas. Salvo la tarea de construcción del convertidor multinivel, otros temas de la tesis son tanto buscar topologías que tengan aislamiento, como buscar el número óptimo de niveles y como distribuir estos niveles para maximizar el rendimiento del convertidor en total. Finalmente, el último tema de la tesis es la integración del amplificador de envolvente con un amplificador de clase E para demostrar las ventajas de la técnica de EER. Las principales aportaciones de la tesis doctoral se resumen a continuación Se ha propuesto una nueva solución para el amplificador de envolvente. La solución consta de un convertidor multinivel con un regulador lineal en serie. De esta manera se mantiene alto ancho de banda y alta linealidad del regulador lineal, pero se mejor su rendimiento. En la tesis se proponen dos arquitecturas diferentes para la implementación del convertidor multinivel. La primera arquitectura esta basada en las celdas de tensión que se pueden combinar para obtener varios niveles de tensión. La segunda arquitectura consta de fuentes independientes que se combinan con multiplexador analógico. Un método de optimización para mejorar el rendimiento total del sistema está propuesto en la tesis. Utilizando este método es posible decidir cuanto niveles es necesario generar con el convertidor multinivel y como hay que distribuirlos. La integración de un prototipo del amplificador de envolvente con un amplificador de clase E es la última aportación de la tesis. Durante este proceso se ha hecho un amplificador de EER completo y se han medido sus prestaciones. Como conclusión global del trabajo de investigación realizado cabe destacar que la presente tesis ha dado lugar a la creación y consolidación de una línea de investigación en el grupo de electrónica de potencia del Centro de Electrónica Industrial. Abstract Traditionally, in the solutions for the high frequency power amplifiers there can be distinguished two different families of power amplifiers: linear and nonlinear. The linear power amplifiers are the amplifiers from classes A, B or AB and they are known as highly linear, but inefficient solutions. On the other hand, the nonlinear power amplifiers have high power efficiency and their output is a sinusoidal signal with constant envelope. They are based on the idea to use transistors as switches instead as a current source. In that way the power losses of the devices are lower and these amplifiers are presented with classes C, D, E and F. In order to increase the spectral efficiency the modern telecommunication systems use complex modulations that are based on multicarrier signals and result in complex envelopes that require high linearity. These envelopes have high peak to average power ratio and the linear power amplifiers, due to this signal property, have extremely low efficiency. Because of the low efficiency of the linear solutions there has been a lot of research with the idea to extend the area of application of highly efficient non linear classes. This topic became important especially with the fast development of the digital wide bandwidth applications where the non constant envelope signals are applied and the necessary linearity of the power amplifier is very high. Until now, there have been used various techniques in order to increase the linearity: Back-Off, predistortion, Doherty, Outphasing, Khan’s technique, etc. Almost all of these techniques have not been able to provide high linearity and high efficiency in the complete range of the transmitted signal. Only the Kahn’s technique has showed that it is capable to linearize highly non linear power amplifier (for example class E) and to provide relatively high efficiency. This technique is based in the use of one highly efficienct, but non linear power amplifier that is used for the phase modulation, together with an envelope amplifier that has to have high efficiency and provide envelope modulation by modulating the voltage supply of the non linear power amplifier. Basically, this technique exploits the fact that any narrow band signal can be correctly defined by knowing its envelope and phase. Although the Kahn’s technique is very well known from the 50’s of the last century there have been various issues that have stopped this technique to be massively exploited. The short summary of these problems follows: The time delay produced by the envelope amplifier that produces asynchronism with the phase modulation. The synchronization between the envelope and phase modulation is of crucial importance for the overall linearity of the transmitter implemented by using Kahn’s technique. Due to this the time delay in the envelope modulation has to be properly compensated in the phase modulation The limited bandwidth of the dc-dc converters that are normally employed as the solution for the envelope amplifier. The errors that are produced by the envelope detector that is used in order to extract the envelope reference. These errors become more important as the active range of the signal is bigger. The impossibility for the semiconductor devices to operate at high frequencies and wide bandwidths due to the technology limits that are reflected as the maximal voltages, parasitic capacities, rise and fall times of the devices and parasitic effects of the package where the transistors are placed. The main objective of the thesis is the research of one possible solution for the envelope amplifier. The efficiency of this power supply has influence on the overall efficiency of the transmitter and the most important specification is the high efficiency of the solution. Other specifications are regarding the output voltage and the output power of the envelope amplifier. The envelope has to vary between 0 V and 24 V, while the peak output power ranges between 50 W and 100 W. The voltage ripple should be as small as possible, not higher than tens of mV. The last specification regarding the voltage ripple complicates the design of the output filter in the case that the switching converter is used as the envelope amplifier. The envelope amplifier has to generate envelopes with high dynamics and, therefore, the solution for the envelope amplifier has to exhibit high bandwidth. In the case of the desired application it is necessary to use very high switching frequency in order to obtain a wide bandwidth envelope amplifier and that eventually leads to the low efficiency and another approach, different from the conventional solutions, has to be made. The basic idea that is researched in this thesis is to use a two-stage solution that consists of switching converter in series with a linear regulator as a possible solution for the envelope amplifier. The switching converter supplies the wide bandwidth linear regulator in the way that its output voltage roughly follows the desired envelope and the voltage drop on the pass element of the linear regulator is minimal. In that way the envelope amplifier will have high linearity thanks to the linear regulator, but significantly higher efficiency than in the case when the linear regulator is supplied by a constant voltage. The switching converter operates in open loop and its output filter does not have to be very complicate because the linear regulator will eliminate all the noise and voltage ripple that comes from the switching converter. The linear regulator has a voltage loop and its task is to generate the envelope proportional to the envelope reference. The proposed solution for the first stage (the switching converter) is a multilevel converter that can be implemented in several ways. In this thesis two different architectures for the multilevel converter have been proposed. The first architecture is based on independent voltage cells that can be put in series in order to combine theirs output voltage. Depending how the voltage cells are implemented, there can be distinguished two solutions: two-level and threelevel cells. Employing one or another type of cell means great impact on the stage that is used to supply the voltage cells. In the case of three-level voltage cells this stage has to be bidirectional. The second architecture that is proposed is based on independent voltage sources and an analog multiplexer. The analog multiplexer has to select the appropriate voltage source depending on the level of the reproduced envelope signal. Except the construction of the multilevel converter, the topic of the thesis is to find the most appropriate solution for the envelope amplifier and the find the optimal number of voltage levels and their optimal distribution in order to maximize the envelope amplifier’s efficiency. Finally, the last topic of the thesis is the integration of the implemented envelope amplifier with a class E amplifier in order to show the advantage of the Kahn’s technique over linear solutions. The most important contributions of the thesis are as follows: A novel solution for the envelope amplifier has been proposed. The solution is based on a two-stage solution that is composed of a multilevel converter in series with a linear regulator. In the thesis two different architectures for the multilevel converter have been proposed. The first architecture is based on independent voltage cells that can be stacked, while the second one is based on the independent voltage sources combined via an analog multiplexer. An optimization process in order to select the optimal number of voltage levels and its distribution has been proposed. The integration of one envelope amplifier’s prototype with a class E amplifier. During the work on this thesis, a Kahn’s transmitter has been made and different tests have been done in order to characterize it regarding its efficiency and linearity. As the conclusion of the conducted research work it has to be said that this thesis created a new research line in the research group of the Centro de Electronica Industrial. I