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      用PWM放大器實現400Hz電源

      時間:2024-10-10 01:17:17 理工畢業論文 我要投稿
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      用PWM放大器實現400Hz電源

      摘要:介紹了美國Apex Microtechnolgy公司生產的大功率PWM脈寬調制型放大器的基本工作原理及如何用它來設計400Hz/115V電源的具體方法,并給出它的設計電路圖。

      高壓大電流PWM混合電路放大器的實用性已經吸引了許多習慣采用線性放大器的工程師。由于PWM脈寬調制放大器的效率為70%到97%,因而有效降低了放大器的內部功耗,減小了散熱器及整個系統的尺寸,同時,采用混合電路放大器也提高了整個系統的可靠性和易操作性。

      1 PWM脈寬調制放大器工作原理

      圖1顯示了一個基本的PWM放大器模型,Vin是一個模擬DC輸入,Aout是一個占空比可調的脈沖串,Bout是一個同Aout反相的脈沖串,PWM振蕩器決定著脈沖串的頻率。實際上,Apex的有些放大器也允許輸入外部振蕩器信號。當輸入信號從小到大變化時,Aout的占空比將從0到100%變化,Bout則從100%到0變化,Aout-Bout是一個同Aout相位相同的脈沖串,但幅度是Vsp-p的2倍。

      如果在Aout和Bout之間接一個直流有刷電機,那么,就可以通過輸入信號控制電機的轉速。若將輸入信號設置為輸入電壓范圍的中間電壓,則在Aout和Bout上會產生50%占空比的脈沖串,此時電機將靜止不動。當Vin達到最大值時,電機將以最高轉速旋轉,當Vin達到最小值時,電機將按反方向以最高轉速旋轉。設計時,可以直接將電機連到Aout和Bout上,因為電機繞阻的電感會將脈沖電壓轉換成直流紋波電流。這樣,它的幅度便可用來控制電機的轉速,并用極性控制電機的旋轉方向,圖1中的 LC濾波器可用于PWM脈沖的濾波,以確保在負載上獲得一個模擬信號。

      2 SA08放大器的引腳功能

      圖2是SA08的外形圖和引腳排列,各引腳的主要功能如下:

      CLK IN:外部振蕩器輸入腳;

      CLK OUT:內部振蕩器輸出腳,其輸出頻率為42kHz;

      +PWM:內部比較器的同相端;

      -PWM/RAMP:內部比較器反相端。SA08放大器可在內部把CLK IN輸入振蕩器的方波頻率進行二分頻,然后通過RC網絡輸入到PWM/RAMP管腳;

      GND:信號地;

      ILIM/SHDN:關斷管腳,可以實現限流及外部關斷兩種功能;

      ISENSEA/ISENSEB:電流采樣管腳;

      AOUT/BOUT:放大器的兩個輸出管腳;

      Vcc:低壓電源,典型值為15V;

      Vs:功率電源,電壓范圍為16V~500V。

      3 SA08的結構原理

      SA08脈寬調制放大器的工作電源最高可達500V,連續工作電流最大為20A?峰值電流為28A。42kHz的內部振蕩器頻率二分頻后可作為內部大功率IGBT管的開關頻率。在每個半橋下面都有一個電流采樣管腳,可以采樣電流的大小和方向,以便實現四象限控制。器件在SHDN管腳上輸入一個高電平信號可以關斷H橋的四個輸出IGBT管。同時,SA08內部還具有過流和過熱保護功能。由于SA08采用12管腳3平方英寸的MO-127密封金屬殼封裝,且管殼同內部電路電隔離,因此可以很方便地直接安裝散熱器。圖3所示是SA08的內部結構原理圖。

      4 基于SA08的400Hz/115V電源電路

      圖4是用SA08實現的400Hz/115V電源電路。對220VAC交流電源進行全橋整流和濾波便可為SA08提供電源。在SA08的輸出直接取電壓反饋,然后通過有源濾波差分放大器濾掉SA08的開關頻率,再把400Hz輸入信號源同濾波后的反饋電壓進行比較,就可以校正系統誤差。最后,把SA08的輸出通過LC低通濾波器對開關頻率進行衰減,電路便可以提取400Hz信號并輸出到負載上。

      在圖4電路中,X6是一個全橋整流器,在相同的濾波電容下,采用全橋整流比采用半橋整流更能充分地降低輸出電壓紋波。而選擇SA08是因為它的電源電壓和電流可以分別達到500V和20A。

      由于SA08的輸出為PWM信號,所以輸出必須采用低通濾波器以解調400Hz信號。

      電路中的L1,L2,C2,C3組成了一個兩階的巴特沃夫低通濾波器。對于一個20Ω的負載,該濾波器具有最大的通頻帶平坦度,其截止頻率為2kHz,幾乎為SA08開關頻率的十分之一。當負載變化時,該截止頻率不會發生變化,但會影響Q系數。為了獲得更小的輸出紋波電壓及噪聲,也可以降低LC濾波器的截止頻率。

      2kHz有源濾波器同X4可組成電壓反饋通道,因為該通道傳輸的僅僅是電壓反饋小信號,而不是功率信號,所以,采用有源濾波器設計時同樣要選擇其截止頻率為2kHz。

      運算放大器X3以及它周圍元件的作用有兩個:其一是作為一個差分運算放大器反饋輸出采樣電壓。其二是作為一個有源低通濾波器將輸出采樣電壓從PWM信號中解調出來。需要注意的是,在設計電路時,必須確認反饋電壓的極性以確保其為負反饋。

      圖4

      輸出快恢復二極管D2、D3、D4、D7的作用是保證SA08在驅動感性負載時,不會被負載的反饋能量所損壞。通常要求恢復時間至少小于100ns,它的反向耐壓必須大于或等于電源電壓。R15、R16、R17主要用于防

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