脉宽调制型(PWM-)功率放大器

脉宽调制型(PWM_)功率放大器第一页，共43页。

15.1概述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。例如，电源电压为50V，电机电压10V，电流20A，线性功放，给电机的功率是200W，放大器中消耗的功率是800W,全部变成热能，使温度上升。第二页，共43页。

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。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。第三页，共43页。如何降低晶体管本身的损耗？晶体管有三种状态：放大、饱和与截止，放大区功耗最大，截止与饱和区域功耗很小。能否让功放晶体管主要工作在截止与饱和状态？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。第四页，共43页。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。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。用断续供应的方式，能满足对电能的连续性的需要?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，司空见惯。…第五页，共43页。用断续供应的方式，代替连续供应，要有储存的仓库。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？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，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。第六页，共43页。断续供电的主要优点是：明显减小晶体管的损耗。从供求关系看，线性功放管耗大的原因是供大于求。如要10V，供50V。断续供电使供求关系趋于平衡，实现损耗小，效率高。第七页，共43页。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。缺点：产生噪音和电磁干扰。开关式功率放大器有几种形式。脉宽调制型（PWM）功放：按固定频率接通和断开放大器，并根据需要改变接通与断开的时间比，调整平均电压。第八页，共43页。15.2晶体管的运行区域1.截止区条件特点功耗小，ic小。第九页，共43页。

2.放大区条件方程功耗大，ic和uce都比较大。第十页，共43页。3.饱和区条件

特点功耗小饱和深度第十一页，共43页。4.击穿区ic急剧增加，电压uce基本不变，晶体管可不损坏。电压迅速下降，电流急剧增加，晶体管将损坏。电流大时容易发生二次击穿。第十二页，共43页。15.4

PWM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二极管。A、B是电路的输出端。直流电动机是负载。输入PWM信号，它的频率和周期就是开关频率和开关周期。有三种不同的控制方法。第十三页，共43页。为了方便分析，假设：

1)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常值。

3)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，是准稳定状态，电枢电流周期性变化。第十四页，共43页。15.4.1双极性输出

输入与输出第十五页，共43页。第十六页，共43页。

1.电动机状态电流与电势反向，

1)0<t<t1第十七页，共43页。

1)电源输出电能，电流增加，磁场能增加。第十八页，共43页。第十九页，共43页。

2）t1<t<T只有D2和D3正常导通。第二十页，共43页。第二十一页，共43页。

2）t1<t<T电源吸收电能，电流减小，磁场能减小。第二十二页，共43页。

3）说明（1）

t1<t<T

T2、T3

正向基极偏压，但UCE=-0.7V，故不导通。

（2）若无D2、D3，T1、T4截止时将被击穿。第二十三页，共43页。第二十四页，共43页。第二十五页，共43页。电源输出电能，电流增加，磁场能增加。第二十六页，共43页。T2、T3截止，电流减小，只有D1、D4正常导通。第二十七页，共43页。电源吸收电能，电流减小，磁场能减小。第二十八页，共43页。3说明(1)0<t<t1

(T<t<T+t1)，T1、T4正向基极偏压，但UCE=-0.7V，故不导通。

(2)若无D1、D4，

T2、T3截止时将被击穿。第二十九页，共43页。

3.轻载状态电流有正有负，上述两个状态中的四种情况，在一个周期内交替出现。第三十页，共43页。双极性输出总结：在一个开关周期中，输出电压是方波，有正、负两个极性，电源交替地输出电能和吸收电能。电源输出电能时电流值增加，吸收电能时电流减小。电流方向取决于电机工作状态。第三十一页，共43页。15.5PWM放大器的特性1.主要结构脉宽调制器和开关放大器。第三十二页，共43页。

2.脉宽调制器把连续电压信号ui变成PWM信号uB，

uB反应ui大小与极性。信号系数:PWM信号参数周期Tk,正向电压宽度t1,占空系数:第三十三页，共43页。静态特性t1与ρ是线性关系：用方波的均值表示ui的大小与极性。当ui为最大值（正的）和最小值（负的）时，方波应是什么样的？第三十四页，共43页。第三十五页，共43页。静态特性t1与ρ是线性关系：方波均值表示ui。双极性单极性第三十六页，共43页。动特性晶体管存在开启时间和关闭时间。延迟环节

τ很小，比例环节。第三十七页，共43页。

3.放大器输出电压双极性

PWM电路的输出电压是直流电压与一系列高频交流电压之和。第三十八页，共43页。

3.输出电压双极性

输出是直流电压与一系列高频电压之和。直流电压由ρ、γ决定。交流电压频率越高幅值越小。第三十九页，共43页。负载是直流电动机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。对电动机起作用的是直流分量。第四十页，共43页。负载是直流电动机时，PWM功放输出电压负载是直流电动机时，