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1、第十五章 脉宽调制型（PWM ）功率放大器,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
2、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。,断续供电的主要优
3、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。,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
4、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,
5、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
6、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.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
7、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？,