一種基于PWM的開關功率放大器的設計

1、一種基于PWM的開關功率放大器的設計  一、前言振動測試系統(tǒng)是模擬某種產品的實際使用環(huán)境，在產品出廠前檢驗其結構特性和可靠性，這對于新產品開發(fā)起著重要作用，因此，被廣泛應用于軍事，自動化，半導體，汽車，航空航天等行業(yè)。采用開關功率放大器的電動式振動測試系統(tǒng)是目前應用廣泛的一種振動試驗系統(tǒng)。通常能提供正弦、隨機和沖擊試驗環(huán)境，它的頻率范圍廣，動態(tài)范圍寬，易于實現自動或手動控制；加速度波形良好，適合產生隨機波；可得到很大的加速度。功率放大器是電動振動試驗系統(tǒng)的重要組成部分，其性能和與振動臺的匹配狀況直接關系著系統(tǒng)的性能。功率放大器發(fā)展到現在已經歷了3代：電子管功率放大器、晶體管線性功率放

2、大器及開關功率放大器。目前電子管功率放大器已經很少使用，晶體管線性功率放大器效率通常只有50左右，而其他的能量則轉化為熱能，不但效率低，而且散熱是個很大問題。開關功率放大器如果采用功率場效應管（PMOSFET），則損耗很小，效率可達到90，發(fā)熱少，冷卻設備簡單。由于開關功率放大器輸出電壓容易調節(jié)，且電流的波峰系數較大，這樣就可以直接與振動臺耦合，而不需要輸出變壓器。而且PMOSFET的開關頻率高，因此放大器體積小，功率密度大，容易實現模塊化。本文應用PWM技術設計并實現了5kW的功率放大器模塊。由于采用PMOSFET，開關頻率達到50 kHz,體積比較小，效率高。輸出電感鐵芯采用鉆基非晶合金，

3、頻率響應范圍廣。2主電路設計2.1主電路結構開關式功率放大器主電路結構如圖1所示。三相交流電經過工頻變壓器隔離、降壓送入三相全橋濾波器，然后通過電容濾波得到低紋波直流電源Vin。主電路由4只PMOSFET組成一個全橋變換器。輸出的電壓波經過常模和共模扼流線圈濾波后輸出到振動臺。開關功率放大器輸出正弦波（5Hz5kHz）或隨機波形。采用提高開關頻率的方法來抑制諧波雖然有效，但是會增加PMOSFET的開關損耗，從而導致變換器的效率下降。本文采用倍頻PWM技術，即三角載波的頻率為100 kHz,而MOSFET的開關頻率為50 kHz,這樣不僅能夠有效地降低諧波，而且也可以減少開關損耗。變換器工作時，

4、同一個橋臂上的MOSF ET交替導通，當Q1，Q3同時導通時輸出為零，只有對角線上的Q1，Q4或Q3，Q2同時導通時才輸出電壓波形。二、控制邏輯由于開關功率放大器是通過輸入信號來改變輸出結果的，所以是開環(huán)控制。其控制邏輯如圖2所示，由載波發(fā)生，調制信號，比較單元和延時單元組成。載波是頻率為50 kHz三角波，由模擬振蕩電路獲得。調制信號由振動臺控制系統(tǒng)給定，濾波后送到比較器的同相端。載波以及反相的載波分別送到比較器的反相端。調制后的信號通過一個由RC電路和與非門組成的延時單元，防止同一橋臂的MOSFET的直通，最后經過緩沖器到驅動電路。三、驅動電路變換器輸出電流有效值為50 A,輸出電壓有效值

5、為100V。采用IR公司的HEXFET IRFP250N，VDS200V，ID30A，開關頻率大于100kHz?？紤]到能提供一定的裕量和過載能力，每個橋臂用4只MOSFET并聯。驅動電路原理如圖3所示。四、輸出濾波電路設計開關功率放大器中MOSFET的導通和關斷，電容的充放電都產生很強的電磁干擾。為了減少EMI發(fā)射量以及避免外部干擾對本機的影響，輸出濾波電路非常關鍵。輸出濾波電路如圖4所示。圖4中Ll，L2和Col用來減少常模干擾，而L3，Co2和Co3用來減少共模干擾，其中Ll=L2，Co2=Co3。功率放大器輸出最高頻率為5kHz,可以選擇截止頻率為10kHz,則L1和L2可由下式計算Co

6、l由兩個2.2F的高頻薄膜電容并聯所得，計算可知，Ll和L2取30H。Ca2和Co3則取0.22F的高頻薄膜電容，截止頻率為10kHz，計算可知，L3取1.15mH。非晶態(tài)合金具有軟磁性能好，強度和硬度高，韌性、耐蝕性和耐磨性好，飽和磁密度高，矯頑力小，電阻率高，損耗小等特點，適宜電抗器和高頻開關電源變壓器。考慮到開關功率放大器的輸出頻率范圍較寬（5Hz5kHz），所以鐵芯采用鉆基非晶合金。飽和磁密達到1.54T，磁導率達到100 kHm，而且損耗小。另外，在進線和出線上添加磁環(huán)，可減少噪聲。五、監(jiān)控電路設計圖5是監(jiān)控系統(tǒng)的原理框圖，核心是Atmel公司的8位單片機AT89C52,主要功能是監(jiān)測模塊狀態(tài)，檢測輸出電壓電流以及故障顯示。模塊的故障信號經過RS觸發(fā)器保持后送到單片機。對輸出電壓和電流進行電阻取樣，然后經過A/D轉換送到單片機。單片機另一作用是管理液晶顯示器，該顯示器的顯示方式為中文顯示，主要內容包括輸出電壓電流值、故障、系統(tǒng)的運行狀態(tài)等。七、結論試驗證明