直接耦合的功率放大器设计与维护

计算机输出的控制信号经过输出通道的处理后，一般还要经过功率放大器后才能作用于执行机构，这是因为经过输出通道所处理的信号的能量不足于驱动各种执行机构。

柴油机电控系统中功率放大器的负载可能是直流伺服电动机、动圈式力电动机、直流比例电磁铁、高速电磁阀、步进电动机等。功率放大级除了必须具有足够的输出功率外，还必须具有良好的稳态和动态特性。本节介绍常用功率放大器的电路原理。

功率放大级和前置电压放大级之间的耦合目前都趋向于无输出变压器的直接耦合方式。功率输出级则采用由一对射极跟随器组成的互补型放大器，如图7-16a所示。其放大失真较小，无输出功耗较低，为实行过电流保护在负载回路中可接入熔断器。

作为功率输出级使用的晶体管，对其耐压、最大允许电流和耗散功率的要求都较高，由于前置放大的负载电流一般仅为数毫安，而功率放大级负载电流往往需要数十、数百，甚至数千安培，仅用单个晶体管很难达到，为此可按达林顿提出的方法将两个晶体管按图7-16b所示方式复合在一起，此时有

式中 β₁、β₂——分别为晶体管VT₁和VT₂的电流放大系数，如令β₁=β₂=50，则达林顿复合管的电流放大系数可达2500倍。

图7-16 互补型放大器和达林顿复合管

a）互补型放大器 b）达林顿复合管

根据不同的电—机械转换器的控制要求，功率放大级又可分为电压反馈型和电流反馈型，直流伺服电动机配用前者，而动圈式和动铁式电—机械转换器及比例电磁铁毫无例外地采用后者。

图7-17 电压反馈型功率放大器

1.电压反馈型功率放大器

直流伺服电动机的转速控制是通过对其电枢绕组的电压控制来实现的，因此可采用带输出电压负反馈的功率放大器，如图7-17所示，由于电压负反馈的存在，该功率放大器的输出电阻可以减小到无反馈时的

式中 A——放大器开环增益；

K_f——反馈增益。

一般来说，控制放大器的输出电阻越小，直流伺服电动机的快速性越好。

2.电流反馈型功率放大器

对动圈式和动铁式电—机械转换器，控制线圈的电感一般较大，如采用电压反馈方式放大器，其电气时间常数变得不可忽略，故往往采用电流反馈，使功率放大器只有很小的电气时间常数。图7-18描绘了两种电路的等效电路。对图7-18a所示的电压反馈放大器，根据a点虚地的概念，有

式中 R_c、R_o——控制线圈电阻和放大器内阻；

L_c——控制线圈电感；

u_o——放大器输出端电压；

R₁、R_f——输入电阻和反馈电阻。

图7-18 带电压或电流反馈的功率放大器等效电路

a）带电压反馈 b）带电流反馈

由式（7-13）和式（7-14）可得输入电压至控制电流的传递函数为

时间常数

图7-18b所示的电流反馈电路增加了一个输出电流采样电阻R_c′，可得

由式（7-16）、式（7-17）和式（7-18）可解得电流反馈放大器的输入电压u_i至控制电流i的传递函数为

式中时间常数为

因R_c′很小，故有

由于放大器开环电压增益很大，由式（7-20）可见，采用电流反馈的放大器电气时间常数可大幅度减小。

由于R_c′<<R_c，故在采样电阻上的功耗可以忽略。

图7-19为带电流负反馈的电—机械转换器功率放大级电路。末级采用了一对互补型达林顿管，二极管的作用在于消除末级的交越失真，以改善输出电流信号的保真度。目前，输出为数十瓦级的功率放大级集成块已经十分普遍，其工作稳定性和可靠性均比分立元件为优。由于功率放大管功耗较大，故需注意冷却。

图7-19 带电流负反馈的功率放大器

3.比例电磁铁的功率放大器

由于比例电磁铁在柴油机电控系统中应用比较广泛，所以下面将仔细介绍比例电磁铁的功率放大器。

对比例电磁铁，通常所需的驱动电流较大，除了足够的驱动功率外，比例控制放大器还必须要有良好的稳态和动态特性。为此，功率器的输入信号除给定控制信号外，通常还包括多种控制信号：颤振信号、初始电流设定信号、负载电流反馈信号、检测值反馈等信号。

根据控制信号综合后的处理方式不同，功率放大器有模拟式和脉宽调制（PWM）式两种，结构框图分别见图7-20a和7-21a所示。从结构上看，两者的主要差别是模拟式的放大器在各种信号相加后直接送功放管进行电流放大，而后者在它们之间加入PWM环节。由于PWM信号中已包括了一定频率的脉动量，所以PWM式功率放大器无需另加颤振信号源。从内部工作情况看，PWM式的功放管工作在开关状态。开状态时，功放管的压降约等于零，关状态时，通过功放管的电流约为零，因而使功放管的功耗大为降低，是一种节能的电路。相反，模拟式功放器工作在功放管的线性区，在非额定工况下能耗较大，同时也使发热增加，降低了可靠性。

图7-20 模拟式功率放大器

a）结构框图 b）电路原理图

（1）模拟式功率放大器 图7-20b是模拟式功率放大器的原理图。主放大电路由一级运放组成的加法器A₁，功率管电流扩展和有源电流负反馈电路三个环节组成。常用的比例电磁铁驱动电流为0.8～2A或更大，故需要有扩展运放输出功率的电路。

调整电位器R_P（R₇），使运放A₂的同相输入端的电压为某一正值u_b，并且适当地选择电阻，使下式

成立，则在I_LR₁₁-u_b≥0之前，差动放大器A₂的输出电压

成立。由于VD₁的作用，反馈通道截止，A₁工作在开环状态，这时只需给出很小的负偏压（由R₂调整），A₁则迅速饱和导通，V₁和V₂功放管也同时导通，产生一个阶跃电流通入负载L。此电流称为初始电流（或先导电流），其值约为

调整电位器RP输入一个负的初始电压，使运放A₂的输出u_f刚好为零或稍大于零，此时运放A₁开始处在深度负反馈的工作状态，工作在线性区域内，成为线性比例放大器。此时通过负载L的电流应为允许的初始电流值，其大小由式（7-23）确定。

当有控制信号u_i（应为负值）输入，静态时研究负反馈通道的电流关系可得（参见图7-20b）

I_f=I_i+I_o （7-24）

即

简化后得(www.xing528.com)

图7-20b中R₅和R₄为限流电阻，VD₁，VD₂为导向二极管，为相应的放大器提供正确的电压极性，VD₃为泄放二极管。如果断路检测信号提供一个足够大的正电压，则A₁的输出电压为负值，VD₂截止，导致功放管也截止，提供断线保护功能。

模拟式比例放大器的优点是控制精度较高，响应快速，适用于要求较高的系统；缺点是功放管工作在线性区，功放管的功耗很大温升高，效率较低。

（2）脉宽调制（PWM）式功率放大器 PWM式功率放大器是一种开关式功率放大器，与模拟式的相比突出优点是功放管本身的功耗很小。因导通时管的压降约为零，截止时通过管的电流约为零，功放管始终只工作在饱和区和截止区。另外，由于PWM调制过程中，控制信号中已包含脉冲分量，其频率与载波频率相同，所以无需再单独加入颤振信号电流。

图7-21所示为脉宽调制式功率放大级的电路原理图。它由四个环节构成，分别是电流调节器、PWM单元、功放单元和电流负反馈单元。与模拟式的功率放大器相比电路中插入了PWM单元，省去了颤振信号发生器。如抽去PWM单元，它就是一个模拟式线性比例功率放大器。

1）电路的基本工作原理。运放A₁是一个反相相加器，当有负值的u_i输入时，u_i与反馈电压u_f加权相加后得到输出u₀₁。u₀₁经脉宽调制后（调制原理见后面），输出u₀₂脉宽调制信号，脉宽的占空比与u₀₁的幅值成正比，在PWM信号的控制下复合功率管处于开关状态，加在负载L上的电压也为脉冲电压。电阻R₇和电容C构成电流负反馈，R₉为取样电阻，C对脉冲电流的高频分量进行滤波，得出平均反馈电压u_f。

2）负载对PWM信号的响应分析。负载（如喷油泵的齿杆）对PWM信号的响应与PWM信号的调制频率有密切关系。为便于讨论，记脉宽调制频率为f_PWM，T_P为脉冲宽度，T_S为负载运动响应时间。

图7-21 脉宽调制式功率放大级

a）结构框图 b）电路原理图

①当f_PWM很小（例如≤5～10Hz），且此时T_p≥T_s。负载对PWM信号将能完全响应，负载的运动是完整的“开关”运动。这时被控量的脉动量太大，这是不希望的。随占空比τ增大，脉动量减小。

②当f_PWM很大时（例如，100Hz<f_PWM<200Hz），此时周期T=1/f_PWM很小，T_P也很小，负载的响应特性近拟于对模拟信号的响应，但叠加上一个脉动幅值很小的颤振信号。f_PWM越高，脉动幅值更小。

③当f_PWM中等时（10Hz<f_PWM<100Hz），这时负载的响应介于前两者之间。

综上所述，PWM信号的调制频率f_PWM的选择应考虑负载本身的响应特性，例如固有频率和过渡时间。因为响应PWM信号时的颤振分量不能单独调节，它是由f_PWM、T_P、T_S、负载的固有频率等因素综合决定的。此外还要兼顾整个系统的固有频率和控制精度要求，使颤振的幅值控制在一个最佳的范围内。

（3）脉宽调制（PWM）信号发生器电路 采用PWM信号控制比例电磁铁有很多优点，负载的运动响应PWM信号的平均值，使负载工作时处于微振动状态，大大减小比例电磁铁—负载系统的滞环。另外，PWM信号的电流放大电路为开关式功放电路，放大器只工作在导通和截止状态，节能效果好。为了产生PWM控制信号，需要用模拟控制信号对脉宽调制。其调制原理如图7-22所示。

1）调制原理。调制电路由三角波（或锯齿波）发生器和电压比较器组成。三角波发生器的输出电压u_s与控制电压u_i在比较器中比较，比较方法是用它们的差值与零比较，每次过零时比较器的输出电压翻转，使脉冲宽度T_P与输入信号u_i的幅值成正比。由于三角波的输出电压对称于横坐标轴，为使u_i=0时比较器的输出u_o为零（低电位），应加入移轴电压u_b，u_b的大小应使

u_b+u_s≥0

图7-22 PWM信号调制原理图及电路

a）原理框图 b）调制原理波形图 c）电路原理图

设u_s的最大幅值为u_smax，则u_b应等于，即

但在实际应用中，为提供初始电流，u_b应小于，以便在控制电压u_i为零时，仍有少量的电流流进比例电磁铁。PWM波形的转换原理如图7-22b所示。当u_s+u_b+u_i之和过零时，u_o跳转。当V_∑由小到大过零时，u_o高电平转为低电平，反之，电平变高。说明比较器具有下行的特征。

2）电路原理。PWM信号发生电路如图7-22c所示，三角波发生器的原理可参阅有关电子技术的书籍。脉宽信号的频率与三角波的振荡频率相同，三角波作为脉宽调制信号的载波加在运算放大器A的反相输入端，给定信号u_i以反相的形式也加在反相端，R₀和R₂组成正向移轴电压，其作用是当u_i为零时使输出电流为零或仅提供初始电流。根据运算放大器的原理，A构成了单限电压比较器，门限电压由同相端输入电压确定，本例中因接地为零。放大器工作在开环状态，带有由R₄、R₅和R₆组成的正向限幅环节，其输出只有正限幅和负值。A的反相端共接三个输入电压，即三角波电压u_s、移轴电压（初始电流设定）u_b及控制电压u_i。当三者之和过零时，A的输出电压变符号。当u_i增加时，三角波轴线下移，输出u₀的脉宽T_p增加，从而可以实现根据输入信号调制输出的脉冲宽度。

（4）应用软件脉宽调制（PWM）信号驱动比例电磁铁 现在，许多微控制器都具有PWM控制功能，应用微控制器的PWM控制功能，通过适当的软件设计，就可以直接驱动功率晶体管或者功率场效应晶体管，如MOSFET，然后驱动比例电磁铁，这样可以大大简化比例电磁铁的驱动控制，例如BOSCH公司的高压共轨油泵的电液比例进油节流阀的比例电磁铁的驱动控制，应用Freescal公司的MPC5634微控制器的增强型时间处理单元eTPU可以实现PWM控制功能，然后通过一个MOSFET功率管HUF7641来驱动，如图7-23所示。

4.开关式功率放大器

图7-23 应用软件脉宽调制（PWM）信号驱动比例电磁铁实例

高速电磁开关阀（数字阀）、步进电动机等数字式执行元件不论是脉宽调制式还是增量式的，都采用开关型放大器。数字式执行元件使用这种放大器除节省能耗外，还有与计算机连接方便、能消除摩擦影响、省去颤振信号等优点。

与模拟电量的电流反馈型放大器比较，数字信号的放大器只在开、关两种状态工作，并不要求输入电压与输出电流的线性关系。它的功率管工作在饱和导通段和截止段。当导通时管压降近于零，而截止时电流近于零，因此放大器的功耗很小。

数字信号的放大器除放大电信号外，还要求尽可能减少开、关过程中的时间。由于像高速电磁阀等电—机械转换器的线圈是感性负载，必然带来时间滞后问题，因此必须考虑两个问题：一是如何保护功率管不受电流切断时由电感引起的尖峰信号的冲击；二是如何减少感性负载的切换响应时间。这对高速电磁阀、步进电机的动态性能影响较大，因此叙述较详细。

（1）抑制电路 为保护功率管免受感性电势峰值的冲击，有以下几种抑制电路。

1）二极管抑制。最简单的电压抑制如图7-24a所示。这是使用一个释能二极管跨接在电—机械转换器线圈的两端，当线圈通电运行时，二极管置反向电压，其作用如同一个对线圈进行分路的极高阻抗。当线圈断电时，线圈极性立即反向，二极管处于正向电压下导通，为电流提供了一个低阻抗的通路。

当线圈断电，储存在线圈中的能量必须消耗在电阻R_m中，衰减的时间常数是L_m/R_m。在增量式数字控制中，若步进电动机的步进率低于它的时间常数，经过释能二极管的平均电流将很小，因而可以不用二极管也不致损坏功率管。

2）“二极管—电阻”抑制。如图7-24b所示，在要求高速运动时，断电线圈里的能量必须尽快消耗掉。这可在“释能”二极管外串联一个电阻R_s，以减小断电电路的时间常数来实现。在图7-24b所示的情况下，电流断开期间的时间常数是L_m/（R_m+R_s）。可利用的抑制电阻R_s的最大值取决于集电极—发射极的击穿电压值V_cer，即

图7-24 功率管的抑制电路

a）二极管抑制 b）二极管—电阻抑制 c）稳压二极管抑制

3）稳压二极管抑制。如图7-24c所示，在要求比二极管电阻抑制电流衰减得更快时可以使用这种电路。断开线圈的电压升高到使稳压二极管击穿并开始导通，能量以热能的形式在稳压管内消散。

以上三种是较常用的抑制电路，但需消耗相当能量，效率较低。为更进一步提高效率，可用有源抑制的功率放大器，如图7-25所示。

图7-25中当线圈通电时，晶体管VT₁和VT₂导通，二极管VD₁和VD₂反向偏置，电流从电源经晶体管VT₁和VT₂及线圈流过，当线圈断电时，晶体管VT₁和VT₂截止，跨越线圈的电压反向，引起二极管VD₁和VD₂导通直至线圈电流变为零。VT₁和VT₂绝不能出现峰值电压。

这种有源抑制功率放大器，改进了稳定性。在步进电动机中，断电相的能量可输送到即将接通的下一相，能量不会损失，电流容量大，功率管损坏的危险性小，所以比常用放大器有更高的效率，但成本较高。

图7-25 有源抑制电路

（2）高速增加电流的方法 功率放大器的能量输入方式直接影响到高速电磁阀的工作性能。高速电磁阀的快速响应特性和强电磁吸力特性，要求其功率驱动模块在尽可能短的时间内能够提供高能量，使电磁阀得到尽可能高的电流变化率和电流峰值。

常规功率驱动模块能量输入方案如7-26所示。通常是在电磁阀运动阶段，驱动模块提供给电磁线圈一定常高电压，在这期间电流逐渐达到最大值，工作气隙逐渐减小到最低值，磁通密度和电磁吸力也逐渐增大，并在衔铁运动终了时达到最大值。当电磁阀闭合进入保持阶段，驱动模块提供给电磁线圈一定常低电压，电流被降低到能够维持衔铁处于闭合状态即可。使用这种常规能量输入方案工作的电磁阀，由于衔铁运动起始阶段电磁吸力很小，衔铁运动非常缓慢，绝大部分衔铁运动行程是在运动末了短时间内才能完成的，因此响应速度没有达到最大值。理想的能量输入方案是当衔铁运动刚开始时，就能得到最大作用力，使其在整个运动过程中都能以最大加速度运动，以保证衔铁吸合时间最短；因为电磁吸力是由磁通密度和吸合作用面积决定的，所以要实现电磁阀上述工作过程，需要当工作气隙仍然很大时磁通密度就达到饱和，这就要求电磁阀在初始运动阶段电流要有很高的变化率并达到很大的峰值；随着衔铁的运动，工作气隙减小，磁阻降低，电流逐渐变低仍能保持电磁作用力不变，在运动阶段衔铁始终以最大加速度工作（见图7-27）。

图7-26 功率驱动模块的常规能量输入方案

图7-27 功率驱动模块的优化能量输入方案

因为功率驱动模块的能量输入方案直接影响电磁阀的工作性能，人们经过努力已研制和开发出多种各具特色的驱动模块。目前比较成熟的驱动模块类型可分为调压式、增压式和电容式驱动模块。

1）调压式功率驱动模块，按工作方式不同又可分为线性调压式驱动和PWM调压式驱动。线性调压式驱动模块采用12V车用蓄电池电压，对蓄电池电压进行线性调节以得到合理的电磁线圈驱动电流。PWM（脉宽调制）调压式驱动模块与线性调压式驱动模块相比，具有节约能耗、电路结构简单以及电路板所占体积小等优点。在相同工作条件下，PWM驱动模块消耗的能量比线性驱动模块少1/3，因为当电磁阀关闭后，PWM驱动模块可以调节电磁线圈中的维持电流，而线性驱动模块却只能提供定常的维持电流。

2）增压式驱动方式也叫高低双电压驱动方式。这种方式使用增压电路提供远高于12V的电压作为电磁线圈的初始驱动电压。在电磁阀初始运动阶段，增压式驱动方式提供电磁线圈90～120V的高电压，使线圈中电流以极高电流变化率上升，保证电磁阀的快速响应性；当电磁阀关闭后，驱动模块提供低电压用以维持电磁阀的工作状态。增压式驱动模块可以提供快速、可预知和不受蓄电池电压变化影响的线圈电流上升波形，从而保证电磁阀关闭始点的一致性，降低喷射定时的误差。但其电路设计比调压式驱动模块复杂，能耗较高。增压式驱动模块的特点是：对蓄电池电压变化不敏感；在大电流功率线束中使用更少的导线；对导线电阻变化不敏感。从而提高高速电磁阀控制燃油喷射的一致性。

图7-28是高低双电压驱动的电路原理图及控制信号和线圈电流的波形。

图7-28 高速电磁阀的高低双电压确定原理

a）双压驱动放大器 b）线圈电流波形

驱动放大器用两种直流电压（例如100V和12V）供电，在控制信号的控制下配合工作。计算机输出两个控制信号u₁和u₂，在每一个采样周期开始时同时上跳，功率管V₁和V₂同时导通，导通时通过V₁管压降很小，VD₂因反向偏置而截止，这时负载线圈由100V电源供电，使得线圈电流飞速上升，电磁阀阀芯迅速启动。阀芯启动瞬间，u₁信号下降，使V₁关闭，这时由12V电源继续供电，维持阀芯在工作位置。达到要求的时间后，u₂信号下跳，使V₂管也关闭，阀芯在弹簧力的作用下复位，由于启动时强励磁电流的作用，使得电磁阀的启动时间减小，而启动后又可用较小的励磁电压维持阀芯位置，使电磁阀复位时磁力消退加快，减少了电磁阀的复位时间。因此，双电压驱动方式既减小了电磁阀的启、闭时间，同时具有良好的节能效果。

计算机输出的u₁信号是高电压控制信号，其脉冲宽度固定不变，且略大于高速电磁阀的开启时间，u₂为脉宽调制信号，由给定值或反馈值经运算后确定。

3）电容式驱动模块通过高压电容放电，提供给电磁线圈瞬态的高变化速率的电流使电磁阀迅速达到工作位置；工作气隙减小到只需很低电流便能维持正常工作时，由12V车用蓄电池电压提供此维持电流。在该种驱动模块中，可以使用DC—DC转换器提供的高电压给电容充电，也可以不使用额外的高电压，而是通过终止流经一附加电感线圈的电流产生的瞬态高电位差给电容充电。

高速高压电磁阀的功率驱动部分对电磁阀的工作性能起着重大作用，必须对其合理设计和应用。如前所述，功率驱动模块可概括为调压式、增压式和电容式。三种驱动类型各有特色，又相互有交叉应用之处，为电磁阀提供高电流变化率和电流峰值，降低对蓄电池电压的敏感程度，驱动能量智能优化地输入以降低能量消耗等是设计和开发高速强力电磁阀的功率驱动模块所必须考虑的。

上述的几种高速增加电流，提高功率放大器的开关切换时间的方法也适于步进电动机。