PWM型功率放大器長線傳輸波形整型

摘要：為解決PWM功率放大器輸出長線傳輸引發(fā)的波形畸變，可能傷及力矩電動(dòng)機(jī)的問題，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析，找出了可能引發(fā)波形畸變的原因，并給出了3種解決方法。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)所給方法的有效性。
關(guān)鍵詞：PWM功率放大器；長線傳輸；波形畸變；濾波器

    PWM型功率放大器，因其效率高、體積小，重量輕，即功率密度大等原因，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)等場(chǎng)合。
    PWM型功率放大器的輸出，是一種頻率固定，占空比可連續(xù)調(diào)節(jié)變化的脈沖信號(hào)。由于長線(功率放大器與負(fù)載之間的連接導(dǎo)線，具有等效電阻和等效電感)傳輸；以及PWM型功率放大器的布板；功率元器件、濾波電容器的選型及容值(容值與負(fù)載電流相關(guān)、額定電壓與功率電源電壓相關(guān))的選擇；開關(guān)死區(qū)等的影響，從負(fù)載端(電動(dòng)機(jī)輸入端)測(cè)量時(shí)，調(diào)寬脈沖的上升沿和下降沿均會(huì)附加上一個(gè)振蕩衰減型的尖峰干擾，可能會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)或其它設(shè)備造成干擾、損傷甚至破壞，因此必須對(duì)該輸出信號(hào)進(jìn)行波形整型，剔除尖峰干擾，恢復(fù)為近似理想波形。

1 形成尖峰干擾的原因
    工程實(shí)際中的高電壓、大電流型PWM波，在其上升沿和下降沿可能附加振蕩衰減型尖峰干擾(如圖1所示)。而與之相對(duì)應(yīng)的近似理想波形(如圖2所示)。

    具有PWM型功率放大器、傳輸長線、吸收和濾波網(wǎng)絡(luò)、電動(dòng)機(jī)的等效電原理圖如圖3所示(圖中虛線內(nèi)部分為附加的吸收網(wǎng)絡(luò))。
    圖3中：
   

    由(2)式、(4)式可知，傳輸長線的等效電感、電動(dòng)機(jī)的繞組電感和電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，是引起附加尖峰擾動(dòng)的原因。

2 干擾尖峰的剔除
    調(diào)寬脈沖上附加的尖峰干擾的剔除，從原理上來講，有3類方法：一種是吸收，另一種則是濾波，最后是短線傳輸法。3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，可按實(shí)際情況進(jìn)行取舍。
    1)濾波法
    功率電路中，一般均采用LC濾波方式，此時(shí)電感串在電動(dòng)機(jī)回路，電容并聯(lián)在電動(dòng)機(jī)引線兩端，此時(shí)電感通過的電流較大，引起其體積較大；電容充放電時(shí)，因?yàn)槠涞刃щ娮璧拇嬖?，很容易發(fā)燙。因此，這種方法一般不可取。如圖4所示。

    2)吸收法
    吸收一般采用2種方法，阻容網(wǎng)絡(luò)吸收和電容吸收。
    阻容網(wǎng)絡(luò)吸收，是將串聯(lián)的電阻和電容，與電動(dòng)機(jī)的輸入端緊挨并聯(lián)。如圖5所示。

    實(shí)際上，阻容網(wǎng)絡(luò)吸收中，僅低ESR電容即可形成回路，吸收尖峰干擾。但是因?yàn)殡娙莸乃矔r(shí)充、放電電流很大，致使其溫度很快升高。串入電阻的目的即使為了減小瞬態(tài)電流，降低溫升。
    阻容吸收網(wǎng)絡(luò)，雖然結(jié)構(gòu)簡單，所需元件數(shù)目較小，但其普適性較差，其參數(shù)需要臨時(shí)配置。
    電容吸收是用無感電容并聯(lián)緊挨PWM功率放大器。因該電容的體積較大，一般不予采用，另外，其適用性尚待驗(yàn)證。
    3)短線傳輸法
    將PWM功率放大器盡可能地靠近電動(dòng)機(jī)，減小傳輸距離，是去除尖峰干擾的最直接的方法。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證
    1)阻容式吸收網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果
    當(dāng)以功率轉(zhuǎn)換電源電壓為80 V。4 kHz的PWM載波頻率，經(jīng)50 m長線傳輸，加載于某一直流永磁力矩電動(dòng)機(jī)時(shí)，從電動(dòng)機(jī)端測(cè)量電動(dòng)機(jī)兩端的電壓，其波形如圖6所示，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如表1所示：加入阻容吸收網(wǎng)絡(luò)后的電動(dòng)機(jī)端電壓波形對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如表2所示。

4 結(jié)論
    由試驗(yàn)波形和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：加入阻容式吸收網(wǎng)絡(luò)后，基本去掉尖峰擾動(dòng)，獲得準(zhǔn)理想波形；所用電阻和電容的量值，需根據(jù)實(shí)際情況而定。
    從PWM功率放大器+傳輸長線+附加網(wǎng)絡(luò)+電動(dòng)機(jī)的整體構(gòu)成角度出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行了理論分析，給出可能引發(fā)波形畸變的因素，并給出了幾種解決方法，實(shí)際測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。