脉宽调制型(PWM_)功率放大器

1、 第十五章第十五章 脉宽调制型（脉宽调制型（PWM ）功率放大器）功率放大器 15.1 概述概述 从应用角度看，从应用角度看， 线性功率放大器最大的弱点是线性功率放大器最大的弱点是 不能输出大功率。不能输出大功率。 为什么为什么 ？ 线性功率放大器效率低，线性功率放大器效率低， 输出的功率大时，引起本身过热烧毁。输出的功率大时，引起本身过热烧毁。 输出低电压、大电流时特别突出。输出低电压、大电流时特别突出。 15.1 概述概述 线性功率放大器效率低，会引起过热。线性功率放大器效率低，会引起过热。输出低电压、大电流时特别突出。输出低电压、大电流时特别突出。 例如，电源电压为例如，电源电压为50V

2、 ，电机电压，电机电压10V， 电流电流20A ，线性功放，线性功放， 给电机的功率是给电机的功率是200W， 放大器中消耗的功率是放大器中消耗的功率是 800W, 全部变成热能，全部变成热能， 使温度上升。使温度上升。 线性功率放大器最大的缺点是效率低，线性功率放大器最大的缺点是效率低，引起过热。低电压、大电流时特别突出。引起过热。低电压、大电流时特别突出。 要想用晶体管放大器驱动大功率负载，要想用晶体管放大器驱动大功率负载， 必须设法降低晶体管本身的损耗。必须设法降低晶体管本身的损耗。 如何降低晶体管本身的损耗？如何降低晶体管本身的损耗？ 晶体管有三种状态：晶体管有三种状态： 放大、饱和与

3、截止，放大、饱和与截止， 放大区功耗最大，放大区功耗最大， 截止与饱和区域功耗很小。截止与饱和区域功耗很小。 能否让功放晶体管主要工作在能否让功放晶体管主要工作在 截止与饱和状态？截止与饱和状态？ 开关式功率放大器的晶体管主要工作在开关式功率放大器的晶体管主要工作在 饱和与截止状态，晶体管起开关作用。饱和与截止状态，晶体管起开关作用。 开关式功放的晶体管主要工作在开关式功放的晶体管主要工作在 饱和与截止状态，晶体管起开关作用。饱和与截止状态，晶体管起开关作用。 开关式功放以断续供电代替连续供电。开关式功放以断续供电代替连续供电。一般说，电机连续运转，需要连续供电。一般说，电机连续运转，需要连续

4、供电。 用断续供应的方式，能满足对电能的用断续供应的方式，能满足对电能的 连续性的需要连续性的需要? ? 实际当中，用断续供应的方式，实际当中，用断续供应的方式， 来满足对物质和能量的连续性的需要，来满足对物质和能量的连续性的需要， 司空见惯。司空见惯。 用断续供应的方式，代替连续供应，用断续供应的方式，代替连续供应， 要有储存的仓库。要有储存的仓库。 断续供电方式满足对电能的连续要求，断续供电方式满足对电能的连续要求， 关健是要有贮存能量的仓库。电机？关健是要有贮存能量的仓库。电机？ 电机电感贮存磁场能，电机电感贮存磁场能，Li2/2 。 供电时利用电机电感贮存磁场能，供电时利用电机电感贮存

5、磁场能， 断电时利用电机电感的磁场提供电流。断电时利用电机电感的磁场提供电流。 对电机，可以采用断续供电方式。对电机，可以采用断续供电方式。关键：关键： 断续供电的主要优点是：断续供电的主要优点是： 明显减小晶体管的损耗。明显减小晶体管的损耗。 从供求关系看，从供求关系看， 线性功放管耗大的原因是供大于求。线性功放管耗大的原因是供大于求。 如要如要 10V，供，供50V。 断续供电使供求关系趋于平衡，断续供电使供求关系趋于平衡， 实现损耗小，效率高。实现损耗小，效率高。 开关式功率放大器的优点：开关式功率放大器的优点：晶体管损耗小，效率高，可输出大功率。晶体管损耗小，效率高，可输出大功率。 缺

6、点：缺点： 产生噪音和电磁干扰。产生噪音和电磁干扰。 开关式功率放大器有几种形式。开关式功率放大器有几种形式。 脉宽调制型（脉宽调制型（PWM ）功放：）功放： 按按固定频率固定频率接通和断开放大器，接通和断开放大器， 并根据需要改变接通与断开的时间比，并根据需要改变接通与断开的时间比， 调整平均电压。调整平均电压。 15.2 晶体管的运行区域晶体管的运行区域 1. 截止区截止区 条件条件 特点特点 功耗小功耗小 ， ic 小。小。bebc+0.5 +0.7UUbc+0.7UUce 0UcsbII Dcsc=UIRb1cs=IkIces= 0.3U22sbbcseqcseqcsces=+=PU

7、 II RI RI U 其其中中 4. 击穿区击穿区 ic急剧增加，急剧增加， 电压电压 uce 基本不变，晶体管可不损坏。基本不变，晶体管可不损坏。 电压迅速下降，电压迅速下降，电流急剧增加，晶体管将损坏电流急剧增加，晶体管将损坏 。 电流大时容易发生二次击穿电流大时容易发生二次击穿 。二次击穿：次击穿：一次击穿：一次击穿：15.4 PWM功率放大器输出级的工作原理功率放大器输出级的工作原理 H 型桥式电路，四个晶体管和四个续流型桥式电路，四个晶体管和四个续流 二极管。二极管。A 、B是电路的输出端。是电路的输出端。 直流电动机是负载。直流电动机是负载。 输入输入PWM信号，它信号，它的频率

8、和周期就是的频率和周期就是 开关频率和开关频率和 开关周期。开关周期。 有三种不同有三种不同 的控制方法。的控制方法。 为了方便分析，假设：为了方便分析，假设： 1) 忽略晶体管开关过程。忽略晶体管开关过程。 2) 一个开关周期内电机转速及反电势为一个开关周期内电机转速及反电势为 常值。常值。 3)电枢回路用电阻、电感和电势等效。电枢回路用电阻、电感和电势等效。 4)电磁转矩平均值和负载转矩相平衡时，电磁转矩平均值和负载转矩相平衡时， 是准稳定状态，电枢电流周期性变化。是准稳定状态，电枢电流周期性变化。 15.4.1 双极性输出双极性输出 输入与输出输入与输出B1B4B2B3= -= -uuu

9、uaD1aD1=,0 ;= -,uUtt uUttT11avDD011=d -dtTtUUtUtTT1D=(2-1)tUT 1. 电动机状态电动机状态 电流与电势反向，电流与电势反向， 1) 0t 0 iUE1423TTTT 饱和截止。饱和截止。、，、，、4D1DTTUABU电电流流 地地：a:iABABaD=uuU输出电压输出电压 1) 电源输出电能，电流增加，电源输出电能，电流增加， 磁场能增加。磁场能增加。1423TTTT、，、，、 饱和截止。饱和截止。4D1DTT电电流流 ：地地UABUaa aaDd=+=dABiuR iLEUtDa0a-( ) :UEi tIR 10 ttaa-DD

10、a0aa-( ) =-(-)eRtLUEUEi tIRR10 电动机状态： 电动机状态： tt 2）t1 t T 只有只有D2和和D3正常导通。正常导通。14aTT( )、截止，减小。截止，减小。i ta:iABa23D:DD地地地地iABU1ttT电电动动机机状状态态：ABaD= -UUU 2）t1 t T 电源吸收电能，电源吸收电能，电流减小，磁场能减小。电流减小，磁场能减小。 aa aaDd=+= -dABiuR iLEUt:Da1a+( )( )-UEi tI tRa23D:DD地地地地iABUa1a-( -)DDa1aa+( ) = -+ ( )eRt tLUEUEi tI tRR

11、3）说明说明（1） t1 t T T2、T3 正向基正向基 极偏极偏 压，但压，但 UCE=-0.7V ，故不导通。，故不导通。 （2）若无若无D2、D3 ， T1、T4 截止时截止时 将被击穿。将被击穿。 11)ttTa 0iavUE 2314TTTT、饱和，截止饱和，截止aD32( ):TTi tUBA 地地BA电电流流与与电电势势同同向向。 2. 发电机状态发电机状态ABD= -UUa1:发电机状态：发电机状态：t t T i B A电源输出电能，电流电源输出电能，电流增加，磁场能增加。增加，磁场能增加。aD32( ):TTAi tBU 地地Da1a+( ): ( )-UEi tI tR

12、 aa aaDd=+= -dABiuR iLEUta1a-()DDa1aa+( ) = -+ ( )eRt-tLUEUEi tI tRR T2、T3 截止，电流减小，截止，电流减小， 只有只有D1、D4 正常导通。正常导通。11a2) 0 (+) ttTtTi : BtAa4D( ):DD1 1地地i tBAUABaD=uuU输出电压输出电压 电源吸收电能，电源吸收电能， 电流减小，磁场能减小。电流减小，磁场能减小。Da0a-( ):UEi tIRa4D( ):DD1 1地地i tBAUaa aaDd=+=dABiuR iLEUtaa-DDa0aa-( ) =-(-)eRtLUEUEi tIR

13、R3 说明说明 (1) 0tt1 (T t T+ t1)，T1、T4 正正 向基极偏压，但向基极偏压，但UCE=-0.7V ，故不导通。，故不导通。 (2) 若无若无D1、D4 ， T2、T3 截止时将被击穿。截止时将被击穿。 3.轻载状态轻载状态 电流有正有负，上述两个状态中的四种电流有正有负，上述两个状态中的四种 情况，在一个周期内情况，在一个周期内 交替出现。交替出现。emaavav0, ( )0,0,。Ti tIUE 双极性输出总结：双极性输出总结： 在一个开关周期中，在一个开关周期中， 输出电压是方波，输出电压是方波，有正、负两个极性，有正、负两个极性， 电源交替地输出电能电源交替地

14、输出电能和吸收电能。电源输出和吸收电能。电源输出电能时电流值增加，电能时电流值增加，吸收电能时电流减小。吸收电能时电流减小。 电流方向取决于电机工作状态。电流方向取决于电机工作状态。15.5 PWM 放大器的特性放大器的特性 1. 主要结构主要结构 脉宽调制器和开关放大器。脉宽调制器和开关放大器。 2.脉宽调制器脉宽调制器 把连续电压信号把连续电压信号 ui 变成变成PWM信号信号uB， uB反应反应ui大小与极性大小与极性 。 信号系数信号系数: PWM信号参数信号参数 周期周期Tk ,正向电压宽度正向电压宽度t1 , 占空系数占空系数:iim=uU1k=tT 静态特性静态特性 t1 与与是

15、是线性关系：线性关系： 用方波的均值表示用方波的均值表示 ui 的大小与极性。的大小与极性。 当当 ui 为最大值（正的）和最小值（负为最大值（正的）和最小值（负 的）时，方波应是什么样的？的）时，方波应是什么样的？1t = A+ B 静态特性静态特性 t1 与与是是线性关系：线性关系： 方波均值表示方波均值表示 ui。 双极性双极性 单极性单极性 1=(1+ )2或或k1k11=(1+)22A = BTtTiim1= -,= -1,= 0uUtiim1k=1,=；uUtT1t = A+ B 1k=t T= 或或 动特性动特性 晶体管存在开启时间和关闭时间晶体管存在开启时间和关闭时间 。 延迟

16、环节延迟环节 很小，比例环节。很小，比例环节。i( )( ) =e( )-s sG sKU s 3. 放大器输出电压放大器输出电压 双极性双极性 PWM电路的电路的输出电压是输出电压是 直流电压与一系列高频交流电压之和。直流电压与一系列高频交流电压之和。oavankn=11+=+cos(2-)2 uUUnf tnD1oD1k 0=- UttuUttT 3.输出电压输出电压 双极性双极性 输出是直流电压与一系列高频电压之和。输出是直流电压与一系列高频电压之和。 直流电压由直流电压由、决定。决定。 交流电压频率越高幅值越小。交流电压频率越高幅值越小。oavankn=11+=+cos(2-)2 uUUnf tnavDD= (2 -1)UUUDDan44(1+ )=sin=sin( )2UUnUn nnD1oD1k 0=- UttuUttT 负载是直流电动机负载是直流电动机 开关频率是电机频带的几百上千倍，开关频率是电机频带的几百上千倍， 高频交流电压完全被电机衰减。高频交流电压完全被电机衰减。 对电动机起作用的是直流分量。对电动机起作用的是直流分量。oavank=11+=+cos(2-)2 nuUUnf tnme( )( ) =( )(+1)(+1)