第8章功率電子電路第3版

1、8.1 8.1 低頻功率放大電路低頻功率放大電路 8.2 8.2 直流穩(wěn)壓電路直流穩(wěn)壓電路 8.3 8.3 功率半導(dǎo)體器件和變流電路功率半導(dǎo)體器件和變流電路 第第8 8章章 功率電子電路功率電子電路 功率電子電路的分類 1. 將信號加以放大，使負(fù)載獲得所需的信 號功率，常稱功率放大器； 2. 進(jìn)行交直流的電能變換，向負(fù)載提供直 流功率或交流功率，即直流穩(wěn)壓電源及 變流電路。 功率電子電路一般可分為兩種類型： 8.1.1 概述 8.1.2 基本功率放大電路 8.1.3 集成功率放大器舉例 8.1 8.1 低頻功率放大電路低頻功率放大電路 對功放電路的要求：對功放電路的要求： （1 1）輸出功率盡

2、可能大，即輸出電流和輸出電壓都要盡輸出功率盡可能大，即輸出電流和輸出電壓都要盡 可能大，因此功率管通常工作在近于極限狀態(tài)；可能大，因此功率管通常工作在近于極限狀態(tài)； （2 2）非線性失真盡可能小，通常用負(fù)反饋等措施來實(shí)現(xiàn)；）非線性失真盡可能小，通常用負(fù)反饋等措施來實(shí)現(xiàn)； （3 3）效率要高。）效率要高。 8.1.1 概述 集電極功耗要盡可能小集電極功耗要盡可能小 晶體管的工作狀態(tài)晶體管的工作狀態(tài) （a)a)甲類：波形好，但管耗大，甲類：波形好，但管耗大， 效率低。效率低。 （b)b)乙類：乙類：I IC C為零，因此管耗小，為零，因此管耗小， 但波形嚴(yán)重失真。但波形嚴(yán)重失真。 （c)c)甲乙類

3、：介于甲、乙類之甲乙類：介于甲、乙類之 間，可消除交越失真，功間，可消除交越失真，功 放電路常用的工作狀態(tài)。放電路常用的工作狀態(tài)。 （1 1）OCLOCL電路（電路（Output Capacitorless)Output Capacitorless) 8.1.2 基本功率放大電路 （1)OCL1)OCL電路電路 直流電源功率直流電源功率 最大輸出功率最大輸出功率 效率效率 若忽略飽和壓降若忽略飽和壓降 其中：其中： (1)D(1)D1 1、D D2 2用來消除用來消除 交越失真；交越失真； OCLOCL功率放大電路功率放大電路 (2)R(2)R1 1、R R2 2引入電壓引入電壓 串聯(lián)負(fù)反饋。

4、串聯(lián)負(fù)反饋。 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù): : 特點(diǎn)：特點(diǎn)： （1 1）單電源供電，電容）單電源供電，電容 起到負(fù)電源的作用；起到負(fù)電源的作用； （2)OTL2)OTL電路（電路（Output Transformerless)Output Transformerless) （2 2）只能放大交流信號，）只能放大交流信號， 不能放大直流信號；不能放大直流信號； （3 3）靜態(tài)時基極電位：）靜態(tài)時基極電位： U UB B=U=UCC CC/2 /2 。 （2)OTL2)OTL電路電路 直流電源功率直流電源功率 最大輸出功率最大輸出功率 效率效率 其中：其中： (1)C(1)C1 1、C C2 2為隔

5、直電為隔直電 容；容；R R3 3用來增加用來增加 輸入電阻；輸入電阻； OTLOTL功率放大電路功率放大電路 (2)(2)動態(tài)時，電路的動態(tài)時，電路的 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù): : TDA2030TDA2030接成接成OCLOCL電路電路 TDA2030TDA2030管腳圖管腳圖 8.1.3 集成功率放大器舉例 TDA2030TDA2030接成接成OTLOTL電路電路 8.2.1 單相橋式整流電路 8.2.2 濾波電路 8.2.3 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 8.2.4 開關(guān)型穩(wěn)壓電路 8.2 8.2 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源 直流穩(wěn)壓電路的原理框圖直流穩(wěn)壓電路的原理框圖 （1 1）U U2 2在正半

6、周時，在正半周時，D D1 1、 D D3 3導(dǎo)通而導(dǎo)通而D D2 2、D D4 4截止，電截止，電 流如圖中實(shí)線所示；流如圖中實(shí)線所示； （2 2）U U2 2在負(fù)半周時，在負(fù)半周時，D D2 2、 D D4 4導(dǎo)通而導(dǎo)通而D D1 1、D D3 3截止，電截止，電 流如圖中虛線所示。流如圖中虛線所示。 由此，由此，u u2 2是交變的，而是交變的，而u uL L是大小變化而方向不變。是大小變化而方向不變。 8.2.1 單相橋式整流電路 單相橋式整流電路的波形圖單相橋式整流電路的波形圖 單相脈動電壓的平均值單相脈動電壓的平均值 負(fù)載電流的平均值負(fù)載電流的平均值 每個二極管的電流平均值每個二極

7、管的電流平均值 最大反向電壓最大反向電壓 例例8.2.1 某一負(fù)載需要某一負(fù)載需要18V，1A的直流電源供電，如采用單相的直流電源供電，如采用單相 橋式橋式 整流電路，試計(jì)算：整流電路，試計(jì)算： （1）變壓器二次側(cè)的電壓和電流有效值及變壓器容量；）變壓器二次側(cè)的電壓和電流有效值及變壓器容量； （2）流過整流二極管的平均電流和承受的反向電壓最大值）流過整流二極管的平均電流和承受的反向電壓最大值 解：（解：（1 1）變壓器二次側(cè)的電壓和電流有效值）變壓器二次側(cè)的電壓和電流有效值 U2= =UL / /0.9=1.11UL=1.111820 （V） I2=1.11IL=1.111=1.11 (A)

8、變壓器容量變壓器容量 SU2I2=201.11=22.2 (VA) （2）流過每個二極管大的電流平均值）流過每個二極管大的電流平均值 ID =IL /2= =0.51=0.5 (A) 每個二極管所承受的最大反向電壓每個二極管所承受的最大反向電壓 UDRM=2U2 =22028 （V） 當(dāng)當(dāng)u2為正半周且為正半周且u2uc時，時，D1、D3導(dǎo)通，導(dǎo)通，C充電，達(dá)到最大充電，達(dá)到最大 值值U2m后，后， u2開始下降，電容放電，當(dāng)開始下降，電容放電，當(dāng)ucu2， D1、D3截止，截止， uc按指數(shù)規(guī)律下降；當(dāng)按指數(shù)規(guī)律下降；當(dāng)u2為負(fù)半周時，情況類似。為負(fù)半周時，情況類似。 由圖可見，濾波后由圖可

9、見，濾波后 ，uL脈動減少，平均值提高。脈動減少，平均值提高。 UL1.2U2 電容濾波電容濾波8.2.2 濾波電路 電感濾波電感濾波 其它形式的濾波電路其它形式的濾波電路 除電容濾波外，還有電感濾波、除電容濾波外，還有電感濾波、 RC濾波、濾波、LC濾波和濾波和型濾波等型濾波等 多種形式。多種形式。 電容濾波的特點(diǎn)是電路簡單，電容濾波的特點(diǎn)是電路簡單， 適用于輸出電壓高、負(fù)載電流適用于輸出電壓高、負(fù)載電流 小且負(fù)載變化不大的場合。小且負(fù)載變化不大的場合。 電感濾波的特點(diǎn)是帶負(fù)載能力強(qiáng)，適用于大電流或負(fù)載變電感濾波的特點(diǎn)是帶負(fù)載能力強(qiáng)，適用于大電流或負(fù)載變 化大的場合，但電感體積大且笨重化大的

10、場合，但電感體積大且笨重。 8.2.3 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓電路的主要質(zhì)量指標(biāo)： 1）穩(wěn)壓系數(shù)（電壓調(diào)整率）Sv： 2）輸出電阻（動態(tài)電阻）RO： 基基 準(zhǔn)準(zhǔn) 電電 壓壓 源源 取樣取樣 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò) 調(diào)整管調(diào)整管 比較放大器比較放大器 8.2.3 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 1. 串聯(lián)型穩(wěn)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理壓電路的工作原理 2. 集成穩(wěn)集成穩(wěn)壓電路壓電路 固定輸出三端集成穩(wěn)壓器固定輸出三端集成穩(wěn)壓器CW7800系列系列 該系列輸出正電壓，其中符號該系列輸出正電壓，其中符號 “00”用數(shù)字代替，用數(shù)字代替， 表示輸出電壓值。表示輸出電壓值。 2. 集成穩(wěn)集成穩(wěn)壓電路壓電路 該系列輸出負(fù)電壓，其中符號該系

11、列輸出負(fù)電壓，其中符號 “00”用數(shù)字代替，用數(shù)字代替， 表示輸出電壓值。表示輸出電壓值。 固定輸出三端集成穩(wěn)壓器固定輸出三端集成穩(wěn)壓器CW7900系列系列 2. 集成穩(wěn)集成穩(wěn)壓電路壓電路 該系列的輸出端和調(diào)節(jié)端之間的電壓為該系列的輸出端和調(diào)節(jié)端之間的電壓為1.25V，并在，并在 1.2537V的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 引腳圖引腳圖 1.25V固定輸出的接法固定輸出的接法 可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器CW117和和CW137 CW117輸出電壓可調(diào)的基本電路輸出電壓可調(diào)的基本電路 例題例題8.2.2 解：由圖可知解：由圖可知 故故RP=0時，時，UO=OV；RP調(diào)到最大

12、值時，調(diào)到最大值時，UO30V。 按調(diào)制方式：脈寬調(diào)制型、脈頻調(diào)制型及混合調(diào)制型；按調(diào)制方式：脈寬調(diào)制型、脈頻調(diào)制型及混合調(diào)制型； 按功率管和負(fù)載的連接方式：串聯(lián)型和并聯(lián)型。按功率管和負(fù)載的連接方式：串聯(lián)型和并聯(lián)型。 8.2.4 開關(guān)型穩(wěn)壓電路 工作原理工作原理 當(dāng)當(dāng)UO升高時，升高時，UP2下降，下降， 從而使從而使UB 和和Ton 減小、減小、Toff 增增 大，占空比變小。這樣使調(diào)整大，占空比變小。這樣使調(diào)整 管管T的截止時間的截止時間Toff 變長，故變長，故 輸出電壓隨之減小，使輸出電壓隨之減小，使UO 趨趨 于不變。于不變。 8.3.1 功率半導(dǎo)體器件 8.3.2 可控整流電路 8

13、.3.3 交流調(diào)壓和變頻電路 8.3.4 直流調(diào)壓電路 8.3 8.3 功率半導(dǎo)體器件和變流電路功率半導(dǎo)體器件和變流電路 1. 晶閘管（可控硅）晶閘管（可控硅） 結(jié)構(gòu)示意圖及圖形符號結(jié)構(gòu)示意圖及圖形符號 陽極陽極 陰極陰極 門極門極 晶閘管的導(dǎo)通條件：晶閘管的導(dǎo)通條件： 1）UAK0； 2）門極和陰極之間加一定）門極和陰極之間加一定 大小的正向觸發(fā)電壓。大小的正向觸發(fā)電壓。 晶閘管維持導(dǎo)通必須：晶閘管維持導(dǎo)通必須： IAIH（維持電流）。（維持電流）。 8.3.1 功率半導(dǎo)體器件 工作原理：工作原理： 1）當(dāng)）當(dāng)UAK0、UGK0時，由于時，由于 T2反偏，晶閘管處于正向阻斷反偏，晶閘管處于正

14、向阻斷 狀態(tài)；狀態(tài)； 2）當(dāng)）當(dāng)UAK0、UGK0時，產(chǎn)時，產(chǎn) 生電流生電流IG，又，又IC2=2IB2， IC2=IB1，IC1=12IB2， 使使T T1、 T T2迅速飽和導(dǎo)通，即迅速飽和導(dǎo)通，即晶閘管全晶閘管全 導(dǎo)通；此時若去掉導(dǎo)通；此時若去掉UGK，晶閘，晶閘 管依然導(dǎo)通。管依然導(dǎo)通。 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 晶閘管的特性參數(shù)晶閘管的特性參數(shù) （1）正向轉(zhuǎn)折電壓）正向轉(zhuǎn)折電壓UBO； （2）正向阻斷峰值電壓）正向阻斷峰值電壓UDRM； （3）反向轉(zhuǎn)折電壓）反向轉(zhuǎn)折電壓UBR； （4）反向阻斷峰值電壓）反向阻斷峰值電壓URRM ； （5）正向平均管壓降）正向平均管壓降UF；

15、（6）額定正向平均電流）額定正向平均電流IF； （7）維持電流）維持電流IH 。 2. 絕緣門極雙極晶體管（絕緣門極雙極晶體管（IGBT） 原理示意圖及圖形符號原理示意圖及圖形符號 晶閘管屬半控型器件，晶閘管屬半控型器件， 因?yàn)樗荒芸刂破鋵?dǎo)通，而因?yàn)樗荒芸刂破鋵?dǎo)通，而 不能控制其關(guān)斷；不能控制其關(guān)斷； IGBT屬全控型器件，屬全控型器件， 通過在門極加正向和反向電通過在門極加正向和反向電 壓來控制管子的導(dǎo)通和截止。壓來控制管子的導(dǎo)通和截止。 3. 集成門極換流晶閘管（集成門極換流晶閘管（IGCT） IGCT 是是20世紀(jì)世紀(jì)90年代開發(fā)的全控型半導(dǎo)體功率器件，年代開發(fā)的全控型半導(dǎo)體功率器件

16、， 正向?qū)〞r其機(jī)理與普通晶閘管相同；關(guān)斷時，它能使正向?qū)〞r其機(jī)理與普通晶閘管相同；關(guān)斷時，它能使 陽極電流快速地由陰極轉(zhuǎn)移至門極（故稱為門極換流晶陽極電流快速地由陰極轉(zhuǎn)移至門極（故稱為門極換流晶 閘管），瞬間地從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)為阻斷狀態(tài)。閘管），瞬間地從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)為阻斷狀態(tài)。 特點(diǎn)：主回路接線簡單、門極控制方便、大電流、高特點(diǎn)：主回路接線簡單、門極控制方便、大電流、高 電壓、工作頻率高、開關(guān)速度快、開關(guān)能耗小等。比電壓、工作頻率高、開關(guān)速度快、開關(guān)能耗小等。比 IGBT更適用于高電壓、大容量的場合。更適用于高電壓、大容量的場合。 變流電路的四種基本類型：變流電路的四種基本類型： 整流（整流（A

17、C DC）、逆變（）、逆變（DC AC）、）、 直流調(diào)壓（直流調(diào)壓（DC - DC）、交流調(diào)壓及變頻（）、交流調(diào)壓及變頻（AC - AC） 可控整流電路的功能是將交流電能轉(zhuǎn)換成電壓大小可可控整流電路的功能是將交流電能轉(zhuǎn)換成電壓大小可 調(diào)的直流電能。調(diào)的直流電能。 可控整流電路的結(jié)構(gòu)形式：可控整流電路的結(jié)構(gòu)形式： 單相半波、單相橋式、三相半波、三相橋式。單相半波、單相橋式、三相半波、三相橋式。 8.3.2 可控整流電路 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路 與與8.2.1中的單相橋中的單相橋 式整流電路的區(qū)別在于式整流電路的區(qū)別在于 用用4個晶閘管代替二極管，個晶閘管代替二極管， 從而實(shí)現(xiàn)可

18、控整流，即從而實(shí)現(xiàn)可控整流，即 當(dāng)晶閘管處于正向偏置當(dāng)晶閘管處于正向偏置 時，還必須在其門極加時，還必須在其門極加 正向觸發(fā)脈沖，才能使正向觸發(fā)脈沖，才能使 其導(dǎo)通。其導(dǎo)通。 單相橋式全控整流電路波形圖單相橋式全控整流電路波形圖 控制角控制角導(dǎo)通角導(dǎo)通角 1）負(fù)載電壓）負(fù)載電壓UL的平均值的平均值 3）變壓器二次側(cè)繞組）變壓器二次側(cè)繞組i2的平均值的平均值 2）負(fù)載電流）負(fù)載電流iL的平均值的平均值 UL的有效值：的有效值： *8.3.3 交流調(diào)壓和變頻電路 1. 交流調(diào)壓交流調(diào)壓 1）相控式交流調(diào)壓電路）相控式交流調(diào)壓電路 雙向晶閘管的圖形符號及伏安特性雙向晶閘管的圖形符號及伏安特性 雙向晶

19、閘管雙向晶閘管 雙向晶閘管相當(dāng)于雙向晶閘管相當(dāng)于 兩只晶閘管反向并聯(lián)，兩只晶閘管反向并聯(lián)， 但同用一個門極，觸發(fā)但同用一個門極，觸發(fā) 脈沖（可正可負(fù)）加在脈沖（可正可負(fù)）加在 G和和A1之間。則根據(jù)外之間。則根據(jù)外 加電壓極性的不同，在加電壓極性的不同，在 觸發(fā)脈沖的作用下，導(dǎo)觸發(fā)脈沖的作用下，導(dǎo) 通方向可從通方向可從A2到到A1，或，或 反之。反之。 例題例題8.3.1 調(diào)光臺燈電路調(diào)光臺燈電路 觸發(fā)二極管的伏安特性觸發(fā)二極管的伏安特性 2）斬控式交流調(diào)壓電路）斬控式交流調(diào)壓電路 右圖為單相斬控右圖為單相斬控 式交流調(diào)壓電路。其式交流調(diào)壓電路。其 中中S1、S2為全控型功為全控型功 率器件（如率器件（如IGBT），）， 可以雙向?qū)?，并且可以雙向?qū)?，并?雙向都可以控制開通雙向都可以控制開通 和關(guān)斷。和關(guān)斷。 原理圖原理圖 波形圖波形圖 2. 交流變頻交流變頻 交流變頻是指將一種頻率（如工頻）的交流電變換成另交流變頻是指將一種頻率（如工頻）的交流電變換成另 一種頻率的交流電。一種頻率的交流電。 常用于交流電動機(jī)的變頻調(diào)速、中頻電源、高頻電源等。常用于交流電動機(jī)的變頻調(diào)速、中頻電源、高頻電源等。 正弦波脈寬調(diào)制方式（正弦波脈寬調(diào)制方式（SPWM） 單相單相SPWM調(diào)制原理框圖調(diào)制原理框圖 正弦波脈