摘 要：以 STC12C5A60S2高性能單片機(jī)作為控制核心，設(shè)計(jì)一種單自由度電流型 PWM 功率放大器，具有集成度高、體積小和成本優(yōu)勢?；魻栯娏?a href="http://hljzzgx.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器完成電流信號(hào)到電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)內(nèi)部 2路 10位精度 A/D 分別采樣控制信號(hào)和測量信號(hào)。離散 PI 控制器對 8 位精度 PWM 模塊進(jìn)行占空比調(diào)節(jié)，控制電流上升和下降速度。采用 Simulink 對比仿真了三電平控制策略，測試結(jié)果和仿真數(shù)據(jù)相一致，反映出功率放大器的靜態(tài)電流精度高、紋波小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度可以滿足實(shí)際應(yīng)用。從而得出控制策略有效，實(shí)現(xiàn)方法可行，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

　　0、引言

　　在感性負(fù)載中，電流型 PWM 功率放大器的應(yīng)用十分廣泛。功率放大器的發(fā)展大致分為三代：第一代是線性功放，其優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能差，效率較低，功率較大時(shí)器件發(fā)熱嚴(yán)重，多用于功率不大、精度要求不高的場合。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)展，開關(guān)型器件逐漸應(yīng)用在了功率放大器之上，這就是第二代功放。開關(guān)型器件的使用，不僅提高了電源效率，響應(yīng)速度也更快，但開關(guān)型器件會(huì)產(chǎn)生很大的電磁干擾，同時(shí)電流紋波也比線性功放大。第二代功放多由數(shù)個(gè)獨(dú)立模塊組合構(gòu)成，不僅體積巨大，而且開發(fā)周期長，系統(tǒng)整體可靠性不高。伴隨著集成電路的出現(xiàn)和發(fā)展，A/D、PWM 等各種功能逐漸被整合進(jìn)同一塊控制芯片內(nèi)，集成開關(guān)功放開始形成。集成電路因?yàn)殡娐返母叨燃?，抗干擾能力顯著增強(qiáng)，整體穩(wěn)定性大大提高，硬件設(shè)計(jì)得以簡化，從此功率放大器朝著小型化、集成化的方向不斷發(fā)展。目前，大功率功放均是采用開關(guān)型器件和高性能的微處理器。

　　本文設(shè)計(jì)的電流型 PWM 功率放大器可運(yùn)用于需要對電流快速、穩(wěn)定、精確控制的應(yīng)用場合，從而實(shí)現(xiàn)輕量化、模塊化應(yīng)用。因此設(shè)計(jì)采用 STC12C5A60S2 高性能單片機(jī)，使用其內(nèi)部 A/D 和 PWM 模塊，最大限度減少了外圍器件和電路，有效降低了成本并提高系統(tǒng)整體可靠性。因其是數(shù)字式 PI 控制器，簡單修改控制參數(shù)即可靈活運(yùn)用于多種負(fù)載。

　　本文針對電流型 PWM 功率放大器的控制策略進(jìn)行電流紋波仿真分析，比較了兩電平控制策略和三電平控制策略的電流紋波效果，以及三電平控制策略下不同續(xù)流時(shí)間所對應(yīng)的電流紋波大小。測試驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果，表明基于高性能單片機(jī)的數(shù)字式電流型 PWM 功率放大器方案可行，性能良好。

　　1、原理與設(shè)計(jì)

　　1.1 功率放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　電流型 PWM 功率放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選用半橋電路結(jié)構(gòu)，半橋電路結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，由電磁線圈、功率場效應(yīng)管和功率續(xù)流二極管構(gòu)成。半橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要有：

　　（1）采用隔離電源驅(qū)動(dòng)功率場效應(yīng)管時(shí)，半橋結(jié)構(gòu)可比全橋結(jié)構(gòu)少用兩路隔離電源；

　　（2）全橋結(jié)構(gòu)中，當(dāng) T1，T2同時(shí)開通或者 T3，T4同時(shí)開通時(shí)，即同一橋臂的上下兩管直通，電路會(huì)出現(xiàn)很大的短路電流，半橋結(jié)構(gòu)中，無論 T1，T2出于何種狀態(tài)均不會(huì)出現(xiàn)上下直通的情況。

　　1.2 功率器件和驅(qū)動(dòng)

　　在電力電子中，用于功率變換的開關(guān)型器件有很多，有晶閘管、功率場效應(yīng)管、IGBT 等，按照其驅(qū)動(dòng)方式的不同可以分為電流型器件和電壓型器件。目前功率放大器中使用的開關(guān)器件以功率場效應(yīng)管和 IGBT 居多，這是因?yàn)楣β蕡鲂?yīng)管和 IGBT 是單極性器件，內(nèi)部只存在多數(shù)載流子導(dǎo)電，沒有兩種載流子（多子和少子）的復(fù)合問題，因而開關(guān)頻率高，此外功率場效應(yīng)管和IGBT價(jià)格便宜，種類多樣，易于購買。

　　本設(shè)計(jì)選用的功率場效應(yīng)管為國際整流器（IR）生產(chǎn)的 IRFP460，其具體技術(shù)參數(shù)有：最大漏源電壓為500 V，最大電流漏極電流為 20 A。續(xù)流二極管只需要滿足電路所要承受的最高耐壓和最大電流要求，并留有一定的裕量即可，參考 IRFP460 的技術(shù)參數(shù)，本設(shè)計(jì)選用了 MUR860。

　　單片機(jī)的I/O 口并不能直接驅(qū)動(dòng)功率場效應(yīng)管工作，因此必須要設(shè)計(jì)一級驅(qū)動(dòng)級，這里選擇 TLP250作為隔離驅(qū)動(dòng)器件。TLP250 是一種推挽式隔離驅(qū)動(dòng)光耦，驅(qū)動(dòng)電流 1.5 A，隔離電壓630 V。TLP250 在使用時(shí)電源和地之間需要一個(gè)退耦電容，退耦電容的布置需盡可能靠近輸入引腳，保證 TLP250 內(nèi)部的高增益可靠工作。圖 2是 TLP250隔離驅(qū)動(dòng)電路。

　　1.3 功率放大器輸出電流紋波

　　線性功率放大電路中，三極管工作在放大區(qū)，電感中的電流是穩(wěn)定、平滑的，電流紋波較小。但是，在開關(guān)型功率發(fā)大器中，因?yàn)殚_關(guān)管的高速開關(guān)動(dòng)作，電流紋波的影響不可忽視，有些系統(tǒng)中電流紋波甚至可達(dá)直流偏置電流的 15%以上。

　　1.3.1 兩電平控制策略的電流紋波估算

　　兩電平控制策略電流波形如圖3所示，一個(gè)電流周期T內(nèi)，電流只有上升、下降兩個(gè)狀態(tài)。

　　兩電平控制策略中，電流紋波和直流電源電壓成正比，和開關(guān)頻率、線圈電感量成反比，即直流電壓越高紋波越大，開關(guān)頻率、線圈電感量越大紋波越小。

　　1.3.2 三電平控制策略的電流紋波估算

　　在兩電平控制策略的基礎(chǔ)上，三電平控制策略增加了一個(gè)電流續(xù)流狀態(tài)。三電平控制策略電流波形如圖4所示。

　　其中：UR為線圈中等效電阻的平均壓降。一般直流電源的電壓UDC遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于UT和UD，尤其為了提高功率放大器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，UDC會(huì)很高。

　　比較兩電平控制策略和三電平控制策略電流紋波的近似紋波可看出，在同一系統(tǒng)中，開關(guān)頻率和線圈電感量相同，當(dāng)功率放大器輸出平均值相同時(shí)，應(yīng)用三電平控制策略將減小電流紋波。