一种基于PWM的开关功率放大器的设计

一种基于PWM的开关功率放大器的设计

原作者：韩金刚史新乾汤天浩王小明

一、前言

振动测试系统是模拟某种产品的实际使用环境，在产品出厂前检验其结构特性和可靠性，这对于新产品开发起着重要作用，因此，被广泛应用于军事，自动化，半导体，汽车，航空航天等行业。

采用开关功率放大器的电动式振动测试系统是目前应用广泛的一种振动试验系统。通常能提供正弦、随机和冲击试验环境，它的频率范围广，动态范围宽，易于实现自动或手动控制；加速度波形良好，适合产生随机波；可得到很大的加速度。

功率放大器是电动振动试验系统的重要组成部分，其性能和与振动台的匹配状况直接关系着系统的性能。功率放大器发展到现在已经历了3代：电子管功率放大器、晶体管线性功率放大器及开关功率放大器。目前电子管功率放大器已经很少使用，晶体管线性功率放大器效率通常只有50％左右，而其他的能量则转化为热能，不但效率低，而且散热是个很大问题。开关功率放大器如果采用功率场效应管（PMOSFET），则损耗很小，效率可达到90％，发热少，冷却设备简单。由于开关功率放大器输出电压容易调节，且电流的波峰系数较大，这样就可以直接与振动台耦合，而不需要输出变压器。而且PMOSFET的开关频率高，因此放大器体积小，功率密度大，容易实现模块化。

本文应用PWM技术设计并实现了5kW的功率放大器模块。由于采用PMOSFET，开关频率达到50 kHz,体积比较小，效率高。输出电感铁芯采用钻基非晶合金，频率响应范围广。2主电路设计2.1主电路结构

开关式功率放大器主电路结构如图1所示。三相交流电经过工频变压器隔离、降压送入三相全桥滤波器，然后通过电容滤波得到低纹波直流电源V in。主电路由4只PMOSFET组．成一个全桥变换器。输出的电压波经过常模和共模扼流线圈滤波后输出到振动台。

开关功率放大器输出正弦波（5Hz～5kHz）或随机波形。采用提高开关频率的方法来抑制谐波虽然有效，但是会增加PMOSFET的开关损耗，从而导致变换器的效率下降。本文采用倍频PWM技术，即三角载波的频率为100 kHz,而MOSFET的开关频率为50 kHz,这样不仅能够有效地降低谐波，而且也可以减少开关损耗。变换器工作时，同一个桥臂上的MOSF ET交替导通，当Q1，Q3同时导通时输出为零，只有对角线上的Q1，Q4或Q3，Q2同时导通时才输出电压波形。

二、控制逻辑

由于开关功率放大器是通过输入信号来改变输出结果的，所以是开环控制。其控制逻辑如图2所示，由载波发生，调制信号，比较单．元和延时单元组成。载波是频率为50 kHz三角波，由模拟振荡电路获得。调制信号由振动台控制系统给定，滤波后送到比较器的同相端。载波以及反相的载波分别送到比较器的反相端。调制后的信号通过一个由RC电路和与非门组成的延时单元，防止同一桥臂的MOSFET的直通，最后经过缓冲器到驱动电路。

三、驱动电路

变换器输出电流有效值为50 A,输出电压有效值为100V。采用IR公司的HEXFET IRFP250N，VDS＝200V，ID＝30A，开关频率大于100kHz。考虑到能提供一定的裕量和过载能力，每个桥臂用4只MOSFET并联。驱动电路原理如图3所示。

四、输出滤波电路设计

开关功率放大器中MOSFET的导通和关断，电容的充放电都产生很强的电磁干扰。为了减少EMI发射量以及避免外部干扰对本机的影响，输出滤波电路非常关键。输出滤波电路如图4所示。图4中L l，L2和C ol用来减少常模干扰，而L3，C o2和C o3用来减少共模干扰，其中L l=L2，C o2=C o3。功率放大器输出最高频率为5kHz,可以选择截止频率为10kHz,则L1和L2可由下式计算

C ol由两个2.2μF的高频薄膜电容并联所得，计算可知，L l和L2取30μH。C a2和C o3则取0.22μF的高频薄膜电容，截止频率为10kHz，计算可知，L3取1.15mH。

非晶态合金具有软磁性能好，强度和硬度高，韧性、耐蚀性和耐磨性好，饱和磁密度高，矫顽力小，电阻率高，损耗小等特点，适宜电抗器和高频开关电源变压器。考虑到开关功率放大器的输出频率范围较宽（5Hz～5kHz），所以铁芯采用钻基非晶合金。饱和磁密达到1.54T，磁导率达到100 kH／m，而且损耗小。另外，在进线和出线上添加磁环，可减少噪声。

五、监控电路设计

图5是监控系统的原理框图，核心是Atmel公司的8位单片机AT89C52,主要功能是监测模块状态，检测输出电压电流以及故障显示。模块的故障信号经过RS触发器保持后送到单片机。对输出电压和电流进行电阻取样，然后经过A/D转换送到单片机。单片机另一作用是管理液晶显示器，该显示器的显示方式为中文显示，主要内容包括输出电压电流值、故障、系统的运行状态等。

七、结论

试验证明，采用全桥PWM技术的开关功率放大器具有效率高（大于90％），体积小，失真度低，信噪比高，容易实现多机并联使用，大大提高功率放大器的总容量。本文研制的功率放大器，已应用在电动振动台系统中，具有较好的应用前景。

开关功放的调制技术

时间：2011-05-14 14:17:09阅读：17

在电磁FAG轴承中应用的开关功放主要工作于两电平模式，最近三电平功放也是研究的热点，但无论是工作于两电平还是三电平的功放，其基本调制原理都是一样的，常见的调制方式主要有PWM调制型、采样保持型、滞环比较型、最小脉宽型等，下面以常见的两电平工作模式为例，介绍这四种最常用的调制方法。PWM型功放调制方法是将功放的电流误差信号与一个固定频率和幅值的三角波或锯齿扳相比较，当三角波信号一大于电流误差信号时，输出高电平驱动开关管导通，线圈电流随之上升;三角波信号低于误差信号时，停止输出高电平，开关管截止，线圈电流随之下降，采用PWM调制方式，由于开关管的开关频率

固定，功放容易实现同步。适当地提高PWM功率放大器的开关频率，可以减小电流纹波，提高系统的稳定性。另外，在PWM功率放大器中引入电流负反馈，可以抑制负载变化对电流的影响，拓宽功率放大器的频带，提高电彼力的响应速度。

若使用具有保护功能的调制芯片来产生PWM波，还可以简化电路，提高系统的可靠性。总之，这种结构的功率放大器具有了所有工业应用必须的特征，目前市场上的电磁FAG进口轴承系统功放大多是基于PWM技术构建的。PWM功放一个明显的缺点就是电流纹波较大，调制频率越低，纹波越大。另外一个问题是当电流增益太大时，PWM调制可能失败，导致输出脉宽只在O%和100%两个状态振荡。具体情况是这样的:当电流增益很大时，参考信号或外界扰动的微小变化就可能使PWM功放的输出脉宽到达100%，电流很快上升到达饱和，此时实际电流远超过参考值，为减沙电流，控制器接着只能输出脉宽O%，电流又马上回落远低于参考值，控制器要求输出脉宽又回到100%，电流又马上上升，如此循环，脉宽只在0%和100%两个状态振荡。德国FAG轴承当电流增益大到一定程度时，PWM功放就会工作于ballg一bang模式，只存在开和关两种状态，达不到所希望的连续脉宽调制