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。

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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。

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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。

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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。

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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。…

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用断续供应的方式，代替连续供应， 关键： 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。

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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。

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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。

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15.2 晶体管的运行区域1. 截止区 条件 Ub Ue + 0.5 , b < Uc U 特点 Ib = 0, Ic 0, UC = U D 功耗小 ， ic 小。

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2.放大区 条件 Ub > Ue + 0.7 Ub < Uc Ic ( s ) β 方程 T dic + i = βI ce c b =dt

ic (t ) = βIb (1- e ) 功耗大，ic 和 uce 都比较大。

t Tce

Ib ( s )

Tce s +1

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3.饱和区 条件I cs Ib β

Ub > Ue + 0.7

Uce > 0

其中

UD I cs = Rc

Uces =

0.3 特点 2 2 功耗小 ΔPs = Ub Ib + Ics Req Ics Req = IcsUces 饱和深度βI b k1 = I cs

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4. 击穿区 一次击穿：ic急剧增加， 电压 uce 基本不变，晶体管可不损坏。 二次击穿： 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 。

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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。

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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。

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15.4.1 双极性输出 输入与输出

uB1 = uB4 = -uB2 = -uB3T

ua = UD ,0 < t < t1; ua = -UD , t1 < t < T1 1 U av = U Ddt - U Ddt T 0 T t1t1

t1 = U D (2 - 1) T

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