脉宽调制型(PWM )功率放大器

• 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。
电动机状态：t1 < t < T U AB = Ua = -U D
2）t1< t <T
uAB
ia : 地 D2 A B D3 UD 地
dia = Ra ia + La + E = -U D dt
Ra ( t - t1 ) La
UD + E UD + E ia ( t ) = +[ + I ( t1 )]e Ra Ra UD + E ia ( t ) : I ( t1 ) Ra
ui = - Uim , ρ = -1, t1 = 0
1 1 A = B = Tk t1 = Tk (1 + ρ) 2 2

1 或 γ = (1 + ρ) 2
• 单极性
t1 = ρ Tk 或 ρ = ±γ
• 动特性 晶体管存在开启时间和关闭时间 。 • 延迟环节
Γ ( s) G( s ) = = Ke -τs Ui ( s)
t1 γ= Tk
• 静态特性 t1 与ρ是线性关系： t1 = A+ Bρ 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 = A+ Bρ t1 与ρ是线性关系： 方波均值表示 ui。 • 双极性 ui = Uim ρ = 1, t1 = Tk；
ia (t ) : 地 D4 B A D1 UD
输出电压uAB = ua = UD
ia (t ) : 地 D4 B A D1 UD
uAB
dia = Ra ia + La + E = UD dt
Ra t La
UD - E UD - E ia ( t ) = -( - I 0 )e Ra Ra
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。
• 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。
2. 发电机状态
电流与电势同向。
B A
ia < 0
Uav < E
1) t1 < t < T
U AB = -U D
Байду номын сангаас
T2、T3饱和，T1、T4截止
ia (t ) : UD T3 B A T2 地
发电机状态：t1 < t < T
ia : B A
ia (t ) : UD T3 B A T2 地
uAB dia = Ra ia + La + E = -U D dt
Ra ( t -t1 ) La
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。
2.放大区 条件 Ub > Ue + 0.7 Ub < Uc Ic ( s ) β • 方程 T dic + i = βI ce c b =
βI b k1 = I cs
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 。
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
uB1 = uB4 = -uB2 = -uB3
UD - E ia ( t ) : I 0 Ra
• 电源输出电能，电流增加， 磁场能增加。
电动机状态： < t < t1 0
T1、T4截止，ia (t )减小。 2）t1< t <T ia : A B • 只有D2和D3正常导通。
ia : 地 D2 A B D3 UD 地
1+ ρ uo = U av + U ancos(2πnfk t nπ) 2 n =1

• 负载是直流电动机时，PWM功放输出 电压 UD uo = Uav = U D ρ = ui = Kui U im
• 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？
dt

ic (t ) = βIb (1- e ) 功耗大，ic 和 uce 都比较大。
t Tce
Ib ( s )
Tce s +1
• 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
T
ua = UD ,0 < t < t1; ua = -UD , t1 < t < T
1 1 U av = U Ddt - U Ddt T 0 T t1
t1
t1 = U D (2 - 1) T
ia : A B 1. 电动机状态 • 电流与电势反向， ia > 0 Uav > E T1、T4 饱和，T2、T3截止。 1) 0<t<t1
• 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。
• 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.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 。 ui ρ= • 信号系数: U im • PWM信号参数 周期Tk ,正向电压宽度t1 , 占空系数:
UD + E UD + E ia ( t ) = +[ + I ( t1 )]e Ra Ra
UD + E ia ( t ) : I ( t1 ) Ra
电源输出电能，电流 增加，磁场能增加。
2) 0 < t < t1 (T < t < T + t1 )
ia : B A
• T2、T3 截止，电流减小， • 只有D1、D4 正常导通。
电流 ：UD T1 A B T4 地 UD
输出电压uAB = ua = UD
1) 0 < t < t1
uAB
T1、T4 饱和，T2、T3截止。
Ra t La
电流 ：UD T1 A B T4 地 UD
dia UD - E UD - E -( - I 0 )e = Ra ia + La + E = U D ia (t ) = Ra Ra dt

UD uo = -U D
0 t < t1 t1 t < Tk
1+ ρ uo = U av + U ancos(2πnfk t nπ) 2 n=1
• 输出是直流电压与一系列高频电压之和。
Uav = ρUD = (2γ -1)UD
4U D nπ(1 + ρ) 4U D U an = sin = sin( nπγ ) nπ 2 nπ
• τ 很小，比例环节。
3. 放大器输出电压 • 双极性
UD uo = -U D 0 t < t1 t1 t < Tk

1+ ρ uo = U av + U ancos(2πnfk t nπ) 2 n=1
• 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
UD - E ia (t ) : I 0 Ra
• 电源吸收电能， 电流减小，磁场能减小。
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。
3.轻载状态 Tem 0, ia (t ) 0, Iav 0, Uav E。 • 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。
• 直流电压由ρ、γ决定。 • 交流电压频率越高幅值越小。
1+ ρ uo = U av + U ancos(2πnfk t nπ) 2 n =1

Ω( s ) K G( s ) = = U ( s ) ( τ m s + 1)( τ e s + 1)
• 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。
• 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， • 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。