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1、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
2、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
3、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。,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
4、区域,1. 截止区 条件 特点 功耗小 , ic 小。,2.放大区 条件 方程 功耗大,ic 和 uce 都比较大。,3.饱和区 条件 特点 功耗小 饱和深度,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 。,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。,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
5、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,1. 电动机状态 电流与电势反向, 1) 0tt1,1) 电源输出电能,电流增加, 磁场能增加。,2)t1 t T 只有D2和D3正常导通。,2)t1 t T 电源吸收电能, 电流减小,磁场能减小。,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。,电源输出电能,电流 增加,磁场能增加。,T2、T3 截止,电流
6、减小, 只有D1、D4 正常导通。,电源吸收电能, 电流减小,磁场能减小。,3 说明 (1) 0tt1 (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。,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。,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。,15.5 PWM 放大器的特性,1. 主要结构 脉宽调制器和开关放大器。,2.
7、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:,静态特性 t1 与是线性关系: 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?,静态特性 t1 与是线性关系: 方波均值表示 ui。 双极性 单极性,动特性 晶体管存在开启时间和关闭时间 。 延迟环节 很小,比例环节。,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。,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、决定。 交流电压频率越高幅值越小。,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。,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。,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?,