PWM型功率放大器长线传输波形整型

摘要：为解决PWM功率放大器输出长线传输引发的波形畸变，可能伤及力矩电动机的问题，对实际系统结构进行了理论分析，找出了可能引发波形畸变的原因，并给出了3种解决方法。实际试验结果证实所给方法的有效性。
关键词：PWM功率放大器；长线传输；波形畸变；滤波器

PWM型功率放大器，因其效率高、体积小，重量轻，即功率密度大等原因，广泛应用于电动机的驱动等场合。
PWM型功率放大器的输出，是一种频率固定，占空比可连续调节变化的脉冲信号。由于长线(功率放大器与负载之间的连接导线，具有等效电阻和等效电感)传输；以及PWM型功率放大器的布板；功率元器件、滤波电容器的选型及容值(容值与负载电流相关、额定电压与功率电源电压相关)的选择；开关死区等的影响，从负载端(电动机输入端)测量时，调宽脉冲的上升沿和下降沿均会附加上一个振荡衰减型的尖峰干扰，可能会对电动机或其它设备造成干扰、损伤甚至破坏，因此必须对该输出信号进行波形整型，剔除尖峰干扰，恢复为近似理想波形。

1 形成尖峰干扰的原因
工程实际中的高电压、大电流型PWM波，在其上升沿和下降沿可能附加振荡衰减型尖峰干扰(如图1所示)。而与之相对应的近似理想波形(如图2所示)。

具有PWM型功率放大器、传输长线、吸收和滤波网络、电动机的等效电原理图如图3所示(图中虚线内部分为附加的吸收网络)。
图3中：


由(2)式、(4)式可知，传输长线的等效电感、电动机的绕组电感和电动机的反电动势，是引起附加尖峰扰动的原因。

2 干扰尖峰的剔除
调宽脉冲上附加的尖峰干扰的剔除，从原理上来讲，有3类方法：一种是吸收，另一种则是滤波，最后是短线传输法。3种方法各有优缺点，可按实际情况进行取舍。
1)滤波法
功率电路中，一般均采用LC滤波方式，此时电感串在电动机回路，电容并联在电动机引线两端，此时电感通过的电流较大，引起其体积较大；电容充放电时，因为其等效电阻的存在，很容易发烫。因此，这种方法一般不可取。如图4所示。

2)吸收法
吸收一般采用2种方法，阻容网络吸收和电容吸收。
阻容网络吸收，是将串联的电阻和电容，与电动机的输入端紧挨并联。如图5所示。

实际上，阻容网络吸收中，仅低ESR电容即可形成回路，吸收尖峰干扰。但是因为电容的瞬时充、放电电流很大，致使其温度很快升高。串入电阻的目的即使为了减小瞬态电流，降低温升。
阻容吸收网络，虽然结构简单，所需元件数目较小，但其普适性较差，其参数需要临时配置。
电容吸收是用无感电容并联紧挨PWM功率放大器。因该电容的体积较大，一般不予采用，另外，其适用性尚待验证。
3)短线传输法
将PWM功率放大器尽可能地靠近电动机，减小传输距离，是去除尖峰干扰的最直接的方法。

3 试验验证
1)阻容式吸收网络试验结果
当以功率转换电源电压为80 V。4 kHz的PWM载波频率，经50 m长线传输，加载于某一直流永磁力矩电动机时，从电动机端测量电动机两端的电压，其波形如图6所示，对应数据如表1所示：加入阻容吸收网络后的电动机端电压波形对应数据如表2所示。

4 结论
由试验波形和数据数据，可以得出以下结论：加入阻容式吸收网络后，基本去掉尖峰扰动，获得准理想波形；所用电阻和电容的量值，需根据实际情况而定。
从PWM功率放大器+传输长线+附加网络+电动机的整体构成角度出发，对其进行了理论分析，给出可能引发波形畸变的因素，并给出了几种解决方法，实际测试结果，验证了设计的可行性。