脉宽调制型(PWM )功率放大器

第十五章脉宽调制型（PWM）功率放大器15.1概述•从应用角度看，线性功率放大器最大的弱点是不能输出大功率。为什么？•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。输出低电压、大电流时特别突出。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。•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。•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。•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。…•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。关键：•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。•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。15.2晶体管的运行区域1.截止区条件特点功耗小，ic小。bebc+0.5，UUUUbc=0,0,IICD=UU2.放大区条件•方程功耗大，ic和uce都比较大。be+0.7UUbcUUccecbd+=diTiβItce-cb()=(1-e)tTitβIcbce()=()+1IsβIsTs•3.饱和区条件•特点功耗小•饱和深度be+0.7UUce0UcsbIIβDcsc=UIRb1cs=βIkIces=0.3U22sbbcseqcseqcscesΔ=+=PUIIRIRIU其中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。二次击穿：一次击穿：15.4PWM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。•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。15.4.1双极性输出•输入与输出B1B4B2B3==-=-uuuuaD1aD1=,0;=-,uUttuUttT11avDD011=d-dtTtUUtUtTT1D=(2-1)tUT1.电动机状态•电流与电势反向，1)0tt1aav0iUE1423TTTT饱和截止。、，、4D1DTTUABU电流地：a:iABABaD==uuU输出电压1)•电源输出电能，电流增加，磁场能增加。1423TTTT、，、饱和截止。4D1DTT电流：地UABUaaaaDd=++=dABiuRiLEUtDa0a-():UEitIR10ttaa-DDa0aa--()=-(-)eRtLUEUEitIRR10电动机状态：tt2）t1tT•只有D2和D3正常导通。14aTT()、截止，减小。ita:iABa23D:DD地地iABU1ttT电动机状态：ABaD==-UUU2）t1tT•电源吸收电能，电流减小，磁场能减小。aaaaDd=++=-dABiuRiLEUt:Da1a+()()-UEitItRa23D:DD地地iABUa1a-(-)DDa1aa++()=-+[+()]eRttLUEUEitItRR3）说明（1）t1tTT2、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。11)ttTa0iavUE2314TTTT、、饱和，截止aD32():TTitUBA地BA电流与电势同向。2.发电机状态ABD=-UUa1:发电机状态：ttTiBA电源输出电能，电流增加，磁场能增加。aD32():TTAitBU地Da1a+():()-UEitItRaaaaDd=++=-dABiuRiLEUta1a-()DDa1aa++()=-+[+()]eRt-tLUEUEitItRR•T2、T3截止，电流减小，•只有D1、D4正常导通。11a2)0(+)ttTtTi:BtAa4D():DD1地itBAUABaD==uuU输出电压•电源吸收电能，电流减小，磁场能减小。Da0a-():UEitIRa4D():DD1地itBAUaaaaDd=++=dABiuRiLEUtaa-DDa0aa--()=-(-)eRtLUEUEitIRR3说明(1)0tt1(TtT+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。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。emaavav0,()0,0,。TitIUE•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。15.5PWM放大器的特性1.主要结构脉宽调制器和开关放大器。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:iim=uρU1k=tγT•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？1t=A+Bρ•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1=(1+)2γρ或k1k11==(1+)22A=BTtTρiim1=-,=-1,=0uUρtiim1k==1,=；uUρtT1t=A+Bρ1k=tρTρ=±γ或•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。i()()==e()-τsΓsGsKUs3.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。oavankn=11+=+cos(2π-π)2ρuUUnftnD1oD1k0=-UttuUttT3.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。oavankn=11+=+cos(2π-π)2ρuUUnftnavDD==(2-1)UρUγUDDan44π(1+)=sin=sin(π)π2πUUnρUnγnnD1oD1k0=-UttuUttT•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。oavank=11+=+cos(2π-π)2nρuUUnftnme()()==()(+1)(+1)ΩsKGsUsτsτs•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，PWM功率放大器等效为比例环节。oavank=11+=+cos(2π-π)2nρuUUnftnDoavDiiim====UuUUρuKuU思考题•若PWM功率放大器的负载是纯电阻，输出量是电功率或电阻产生的热量，它还能起到调节和放大器的作用吗？为什么？