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(shì)。霍爾電流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(cè)量信號(hào)。離散 PI 控制器對(duì) 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(duì)比仿真了三電平控制策略，測(cè)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(chǎng)合。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)展，開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，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(kāi)關(guān)功放開(kāi)始形成。集成電路因?yàn)殡娐返母叨燃桑垢蓴_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(jiǎn)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(kāi)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(duì)電流快速、穩(wěn)定、精確控制的應(yīng)用場(chǎng)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(jiǎn)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(duì)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(duì)應(yīng)的電流紋波大小。測(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(kāi)通或者 T3，T4同時(shí)開(kāi)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(wú)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(kāi)關(guān)型器件有很多，有晶閘管、功率場(chǎng)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(kāi)關(guān)器件以功率場(chǎng)效應(yīng)管和 IGBT 居多，這是因?yàn)楣β蕡?chǎng)效應(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(méi)有兩種載流子（多子和少子）的復(fù)合問(wèn)題，因而開(kāi)關(guān)頻率高，此外功率場(chǎng)效應(yīng)管和IGBT價(jià)格便宜，種類多樣，易于購(gòu)買(mǎi)。

　　本設(shè)計(jì)選用的功率場(chǎng)效應(yīng)管為國(guó)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(chǎng)效應(yīng)管工作，因此必須要設(shè)計(jì)一級(jí)驅(qū)動(dòng)級(jí)，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(kāi)關(guān)型功率發(fā)大器中，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)管的高速開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率、線圈電感量成反比，即直流電壓越高紋波越大，開(kāi)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(kāi)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。

　　1.3.3 三電平控制策略的電流紋波分析

　　根據(jù)上面推導(dǎo)的兩電平控制策略和三電平控制策略的電流紋波近似計(jì)算，可以得出三電平控制策略電流紋波比兩電平控制策略要小的結(jié)論。

　　圖5為利用 Simulink仿真得到的兩電平控制策略和三電平控制策略電流波形對(duì)比圖。

　　通過(guò)圖5可以得出，應(yīng)用三電平控制策略的電流型功率放大器電流紋波將比兩電平控制策略減小 30%以上。

　　進(jìn)一步仿真中，繼續(xù)使用同一個(gè)三電平控制策略的電流型功率放大器，并設(shè)定功率放大器為相同電流值，但是續(xù)流時(shí)間不同的，分別為 20%，40%，60%，得到如圖 6所示電流波形。

　　從圖 6 可以明顯看出續(xù)流時(shí)間越長(zhǎng)電流紋波越小，從而提高三電平控制策的續(xù)流時(shí)間也是減小電流紋波的一種手段，實(shí)際上當(dāng)系統(tǒng)電流穩(wěn)定是三電平控制策的續(xù)流時(shí)間應(yīng)達(dá)到 80%以上。

　　1.3.4 三電平控制策略的電流響應(yīng)速度

　　由式（7）可知，電流變化率主要取決于線圈電感 L和直流電源電壓 UDC。在絕大多數(shù)系統(tǒng)中，線圈作為負(fù)載一般是固定不變的，從而增大直流電源電壓，可以提高負(fù)載響應(yīng)速度，縮短階躍響應(yīng)時(shí)間。

　　1.4 功率放大器軟件設(shè)計(jì)

　　軟件部分作為功率放大器的核心內(nèi)容，是控制策略由構(gòu)想到實(shí)現(xiàn)的重要保證。軟件設(shè)計(jì)應(yīng)該充分發(fā)揮控制芯片的性能優(yōu)勢(shì)，以使系統(tǒng)獲得更短的響應(yīng)時(shí)間和更高的執(zhí)行效率。

　　為實(shí)現(xiàn)功率放大器的三電平控制策略，單片機(jī)需要輸入/輸出接口和實(shí)現(xiàn)三電平控制策略的控制器。輸入/輸出接口使用 A/D 采樣輸入控制、測(cè)量信號(hào)和 PWM 模塊輸出執(zhí)行信號(hào)，控制器負(fù)責(zé)離散 PI運(yùn)算［10］。

　　控制器在上電復(fù)位之后應(yīng)該進(jìn)行一系列的初始化操作，完成內(nèi)部寄存器的初始化賦值，PI 控制器的參數(shù)設(shè)定，AD、PWM 模塊相應(yīng)寄存器設(shè)置，從而單片機(jī)讓軟硬件都可靠工作。圖 7 所示為單片機(jī)上電復(fù)位之后的初始化操作。PI 算法流程圖如圖 8 所示，A/D 采樣得到的 10 位二進(jìn)制數(shù)代表的是 0~5 V 的電壓值，電壓值和實(shí)際電流值有一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系。在進(jìn)行誤差計(jì)算前應(yīng)該首先把電壓值轉(zhuǎn)為電流值，并變換為同一量綱，只有電流的設(shè)置值和實(shí)際值處于同一量綱之下，計(jì)算出的電流誤差才是有意義的。判斷電流誤差大小，當(dāng)誤差大于 0 時(shí)控制電流減小，當(dāng)誤差小于 0 時(shí)控制電流增加。通過(guò)對(duì)誤差的 PI算法，進(jìn)行占空比調(diào)制，以控制電流上升和下降的速度。

　　2、實(shí) 驗(yàn)

　　2.1 直流穩(wěn)壓電源

　　功率放大器使用的電源為直流電源，而市電為220V50Hz的交流電，市電經(jīng)過(guò)隔離、調(diào)壓、整流、濾波之后就轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂忻}動(dòng)的直流電。

　　圖9所示為功率放大器的直流調(diào)壓電源示意圖，市電經(jīng)過(guò)隔離變壓器 BK?500 VA 的隔離，接在 500 VA 的調(diào)壓器上，經(jīng)過(guò) KBPC3510 整流橋堆全波整流，隨后并聯(lián)一個(gè) 470 μF 的鋁電解電容和一個(gè) CBB104，輸出端接在功放的電源輸入端。

　　2.2 靜態(tài)激勵(lì)測(cè)試

　　靜態(tài)激勵(lì)測(cè)試的目的是檢驗(yàn)功率場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)是否正常，三電平控制策略是否有效，以及輸出電流紋波的大小。靜態(tài)激勵(lì)測(cè)試的測(cè)試參數(shù)如表 1所示。

　　圖 10 所示為功率放大器靜態(tài)激勵(lì)測(cè)試的電流波形圖。從圖 10 可以看出，電流波形規(guī)則而且平穩(wěn)，沒(méi)有劇烈振蕩和不穩(wěn)定情況出現(xiàn)，電流紋波 40 mV（對(duì)應(yīng)實(shí)際紋波電流 100 mA）。與仿真結(jié)果（兩電平控制策略電流紋波約 130 mA，三電平控制策略電流紋波約 80 mA）相比較，電流紋波小于兩電平控制策略電流紋波但大于三電平控制策略電流紋波；由于實(shí)際控制、測(cè)量、顯示部分均存在誤差不可能達(dá)到仿真時(shí)的理想情況，可以認(rèn)為功率放大器的電流紋波達(dá)到了預(yù)期要求。

　　2.3 動(dòng)態(tài)激勵(lì)測(cè)試

　　動(dòng)態(tài)激勵(lì)測(cè)試的目的是考查功率放大器的動(dòng)態(tài)性能。測(cè)試時(shí)輸入功率放大器的是一個(gè)頻率變化的正弦波信號(hào)，得到功率放大器的頻率特性和傳輸特性。圖 11 是功率放大器的幅頻特性曲線，從圖中見(jiàn)當(dāng)功率放大器幅值衰減到3dB時(shí)的截止頻率為3 kHz左右。

　　圖 12 是功率放大器的相頻特性曲線，從圖中可見(jiàn)，當(dāng)功率放大器相位滯后達(dá)到-180時(shí)的截止頻率為6kHz左右，3 kHz 頻率時(shí)功率放大器的相位滯后僅有-75°左右。

　　圖 13 是功率放大器的傳輸特性曲線，從圖中可見(jiàn)，系統(tǒng)的輸入/輸出之間保持了很好的線性度，因而功率放大器環(huán)節(jié)近似地可以看作一個(gè)線性環(huán)節(jié)。

　　3、結(jié)論

　　應(yīng)用高性能51單片機(jī) STC12C5A60S2 實(shí)現(xiàn)了單自由度的電流型 PWM 功率放大器，使用單片機(jī)內(nèi)部 A/D和 PWM 模塊，整體電路簡(jiǎn)單，外圍器件少，有利于功率放大器的小型化且低成本。測(cè)試結(jié)果表明應(yīng)用了三電平控制策略的電流型 PWM 功率放大器輸出紋波電流小，動(dòng)態(tài)性能好。