摘 要：以 STC12C5A60S2高性能單片機作為控制核心，設計一種單自由度電流型 PWM 功率放大器，具有集成度高、體積小和成本優勢?；魻栯娏?a href="http://www.asorrir.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器完成電流信號到電壓信號轉換，單片機內部 2路 10位精度 A/D 分別采樣控制信號和測量信號。離散 PI 控制器對 8 位精度 PWM 模塊進行占空比調節，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，測試結果和仿真數據相一致，反映出功率放大器的靜態電流精度高、紋波小，動態響應速度可以滿足實際應用。從而得出控制策略有效，實現方法可行，系統穩定性好。

　　0、引言

　　在感性負載中，電流型 PWM 功率放大器的應用十分廣泛。功率放大器的發展大致分為三代：第一代是線性功放，其優點是易于實現，缺點是系統動態性能差，效率較低，功率較大時器件發熱嚴重，多用于功率不大、精度要求不高的場合。隨著電力電子技術的進展，開關型器件逐漸應用在了功率放大器之上，這就是第二代功放。開關型器件的使用，不僅提高了電源效率，響應速度也更快，但開關型器件會產生很大的電磁干擾，同時電流紋波也比線性功放大。第二代功放多由數個獨立模塊組合構成，不僅體積巨大，而且開發周期長，系統整體可靠性不高。伴隨著集成電路的出現和發展，A/D、PWM 等各種功能逐漸被整合進同一塊控制芯片內，集成開關功放開始形成。集成電路因為電路的高度集成，抗干擾能力顯著增強，整體穩定性大大提高，硬件設計得以簡化，從此功率放大器朝著小型化、集成化的方向不斷發展。目前，大功率功放均是采用開關型器件和高性能的微處理器。

　　本文設計的電流型 PWM 功率放大器可運用于需要對電流快速、穩定、精確控制的應用場合，從而實現輕量化、模塊化應用。因此設計采用 STC12C5A60S2 高性能單片機，使用其內部 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整體可靠性。因其是數字式 PI 控制器，簡單修改控制參數即可靈活運用于多種負載。

　　本文針對電流型 PWM 功率放大器的控制策略進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流時間所對應的電流紋波大小。測試驗證了仿真分析結果，表明基于高性能單片機的數字式電流型 PWM 功率放大器方案可行，性能良好。

　　1、原理與設計

　　1.1 功率放大器拓撲結構

　　電流型 PWM 功率放大器的拓撲結構選用半橋電路結構，半橋電路結構如圖 1 所示，由電磁線圈、功率場效應管和功率續流二極管構成。半橋結構的優點主要有：

　?。?）采用隔離電源驅動功率場效應管時，半橋結構可比全橋結構少用兩路隔離電源；

　?。?）全橋結構中，當 T1，T2同時開通或者 T3，T4同時開通時，即同一橋臂的上下兩管直通，電路會出現很大的短路電流，半橋結構中，無論 T1，T2出于何種狀態均不會出現上下直通的情況。

　　1.2 功率器件和驅動

　　在電力電子中，用于功率變換的開關型器件有很多，有晶閘管、功率場效應管、IGBT 等，按照其驅動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器件以功率場效應管和 IGBT 居多，這是因為功率場效應管和 IGBT 是單極性器件，內部只存在多數載流子導電，沒有兩種載流子（多子和少子）的復合問題，因而開關頻率高，此外功率場效應管和IGBT價格便宜，種類多樣，易于購買。

　　本設計選用的功率場效應管為國際整流器（IR）生產的 IRFP460，其具體技術參數有：最大漏源電壓為500 V，最大電流漏極電流為 20 A。續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 的技術參數，本設計選用了 MUR860。

　　單片機的I/O 口并不能直接驅動功率場效應管工作，因此必須要設計一級驅動級，這里選擇 TLP250作為隔離驅動器件。TLP250 是一種推挽式隔離驅動光耦，驅動電流 1.5 A，隔離電壓630 V。TLP250 在使用時電源和地之間需要一個退耦電容，退耦電容的布置需盡可能靠近輸入引腳，保證 TLP250 內部的高增益可靠工作。圖 2是 TLP250隔離驅動電路。

　　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，電感中的電流是穩定、平滑的，電流紋波較小。但是，在開關型功率發大器中，因為開關管的高速開關動作，電流紋波的影響不可忽視，有些系統中電流紋波甚至可達直流偏置電流的 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，一個電流周期T內，電流只有上升、下降兩個狀態。

　　兩電平控制策略中，電流紋波和直流電源電壓成正比，和開關頻率、線圈電感量成反比，即直流電壓越高紋波越大，開關頻率、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上，三電平控制策略增加了一個電流續流狀態。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遠遠大于UT和UD，尤其為了提高功率放大器的動態響應，UDC會很高。

　　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，在同一系統中，開關頻率和線圈電感量相同，當功率放大器輸出平均值相同時，應用三電平控制策略將減小電流紋波。