第8章功率電子電路

1、第8章上頁下頁返回8.1 低頻低頻功率放大電路功率放大電路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8.1.1 概述對(duì)功放電路的要求：第8章上頁下頁返回非線性失真盡可能小效率要高輸出功率PO 盡可能大晶體管的三種晶體管的三種工作狀態(tài)：工作狀態(tài)： 要提高效率就要減小直流靜態(tài)電流，讓功率放大電路工作在乙類狀態(tài)。iCiC iC iC iC uCE uCE uCEttt甲類乙類甲乙類iC QQQ第8章上頁下頁返回功率放大電路分析方法上的特點(diǎn)功率放大電路分析方法上的特點(diǎn)由于功率放大電路的晶體管工作在大信號(hào)狀態(tài)下，因此分析電壓放大電路所用的微變等效電路就不再適用 ，而通常采

2、用估算法或圖解法。第8章上頁下頁返回甲類：IC大，波形好，但三極管功耗大。乙類：IC=0，三極管功耗小，但波形失真。即使采用 互補(bǔ)對(duì)稱放大，仍會(huì)產(chǎn)生交越失真。甲乙類：IC小，但不等于0，采用互補(bǔ)對(duì)稱放大，可以消除交越失真。晶體管三種工作狀態(tài)的特點(diǎn)晶體管三種工作狀態(tài)的特點(diǎn)8.1.2 基本功率放大電路第8章上頁下頁功率放大電路的種類：功率放大電路的種類：（1）早期的變壓器耦合方式）早期的變壓器耦合方式（2）直接耦合互補(bǔ)對(duì)稱電路）直接耦合互補(bǔ)對(duì)稱電路（3）阻容耦合互補(bǔ)對(duì)稱電路）阻容耦合互補(bǔ)對(duì)稱電路返回OCL電路：電路： 若互補(bǔ)對(duì)稱電路直接與負(fù)載相連，省去輸出電容，若互補(bǔ)對(duì)稱電路直接與負(fù)載相連，省去輸

3、出電容，就成為無輸出電容電路，簡(jiǎn)稱就成為無輸出電容電路，簡(jiǎn)稱OCL電路。電路。OTL電路：電路： 當(dāng)互補(bǔ)對(duì)稱電路通過容量較大的電容與負(fù)載當(dāng)互補(bǔ)對(duì)稱電路通過容量較大的電容與負(fù)載耦合時(shí)，由于省去了變壓器而被稱為無輸出變壓耦合時(shí)，由于省去了變壓器而被稱為無輸出變壓器電路，簡(jiǎn)稱器電路，簡(jiǎn)稱OTL電路。電路。1.OCL電路uiiC1iC2OOOOttttuo第8章上頁下頁電路組成電路組成返回ioiC1iC2T1T2E+UCCui+-uo+-UCC參數(shù)計(jì)算參數(shù)計(jì)算第8章上頁下頁返回1. 1. 輸出功率輸出功率 設(shè)輸入信號(hào)足夠大，設(shè)輸入信號(hào)足夠大，T1、T2極限運(yùn)用（輸入信號(hào)達(dá)極限運(yùn)用（輸入信號(hào)達(dá)最大值時(shí)最

4、大值時(shí)T1或或T2開始飽和），飽和壓降為開始飽和），飽和壓降為UCES，則輸出，則輸出電壓電壓uo的最大值的最大值UomUCCUCES，此時(shí)電路有最大的，此時(shí)電路有最大的輸出功率。在不考慮波形失真時(shí)，輸出電壓輸出功率。在不考慮波形失真時(shí)，輸出電壓uo的有效值的有效值為為 ，最大輸出功率為：，最大輸出功率為：參數(shù)計(jì)算參數(shù)計(jì)算第8章上頁下頁返回（2）直流電源功率：）直流電源功率： 由于流過直流電源由于流過直流電源UCC的電流的電流iC1為半波電流，為半波電流，其最大值其最大值Icm=Uom/RL=(UCC-S)/RL，即，即: iC1=Icmsint (0t) iC1=0 (t2)因此，直流電源因

5、此，直流電源UCC提供的平均功率：提供的平均功率： 而直流電源而直流電源UCC提供的平均功率提供的平均功率Ps-=Ps+，故兩個(gè)，故兩個(gè)電源提供的總平均功率：電源提供的總平均功率：參數(shù)計(jì)算參數(shù)計(jì)算第8章上頁下頁返回（3）OCL功率放大電路的效率：功率放大電路的效率： 若忽略若忽略T1、T2的飽和壓降的飽和壓降UCES，OCL電路理想電路理想的最大輸出功率的最大輸出功率Pomax和效率和效率max分別為：分別為：乙類放大的交越失真乙類放大的交越失真uiuo0.7V0.7VOOtt第8章上頁下頁返回當(dāng)ui較小時(shí)(如ui-0.7)，無法產(chǎn)生IB和IC，輸出仍為0，因此波形在過零點(diǎn)附近出現(xiàn)失真，稱為交

6、越失真。OttttOOOuiiOiC1iC2IC2晶體管工作于甲乙類晶體管工作于甲乙類可克服交越失真可克服交越失真第8章上頁下頁返回加入D1,D2,RB1,RB2使靜態(tài)時(shí)T1，T2 微弱導(dǎo)通。電路組成與工作原理電路組成與工作原理2. OTL電路單電源供電第8章上頁下頁返回在在ui的正半周的正半周：正半周：正半周 T1導(dǎo)通，導(dǎo)通，T2截止，截止，產(chǎn)生電流產(chǎn)生電流iC1，使，使RL得到得到正半周電壓；正半周電壓； 在在ui的負(fù)半周：的負(fù)半周：負(fù)半周負(fù)半周 T2導(dǎo)通，導(dǎo)通，T1截止，截止，產(chǎn)生電流產(chǎn)生電流iC2，使，使RL得到得到負(fù)半周電壓，此時(shí)負(fù)半周電壓，此時(shí)C起起到了負(fù)電源的作用。到了負(fù)電源的作

7、用。UE=UCC/2忽略忽略T1、T2的的UBEUCC/2參數(shù)計(jì)算參數(shù)計(jì)算第8章上頁下頁返回OTL功率放大電路的功率和效率：功率放大電路的功率和效率： 理想情況下（忽略理想情況下（忽略T1、T2的飽和壓降的飽和壓降UCES），），輸出電壓輸出電壓uo的最大值為的最大值為UCC/2，因此最大輸出功率為：，因此最大輸出功率為：同樣，可推導(dǎo)同樣，可推導(dǎo)OTL電路的最大效率與電路的最大效率與OCL電路一致，即：電路一致，即：第8章上頁下頁返回實(shí)實(shí)用用電電路路RB1 RB2使TI、T2輸入端電壓為UCC/2（忽略了D1,D2壓降）問題與思考問題與思考第8章上頁下頁返回 1、如果考慮、如果考慮T1、T2的

8、飽和壓降的飽和壓降UCES，OTL最大輸最大輸出功率和最大效率如何計(jì)算？出功率和最大效率如何計(jì)算？2、對(duì)于、對(duì)于OTL與與OCL電路，如果輸入信號(hào)電路，如果輸入信號(hào)ui小于其最小于其最大的輸入信號(hào)，此時(shí)的輸出電壓大的輸入信號(hào)，此時(shí)的輸出電壓uo是多少？此時(shí)的輸是多少？此時(shí)的輸出功率和效率如何計(jì)算？出功率和效率如何計(jì)算？3、對(duì)于書中圖、對(duì)于書中圖8.1.3和和8.1.5由運(yùn)放構(gòu)成的由運(yùn)放構(gòu)成的OTL與與OCL電路，電壓放大倍數(shù)是多少？如果忽略電路，電壓放大倍數(shù)是多少？如果忽略T1、T2的飽和的飽和壓降壓降UCES，其最大的輸入信號(hào)的有效值，其最大的輸入信號(hào)的有效值Uimax是多少？是多少？第8章

9、上頁下頁返回8.1.3 集成功率放大器舉例中中間間級(jí)級(jí)啟動(dòng)啟動(dòng)偏置偏置電路電路短路短路過熱過熱保護(hù)保護(hù)短路短路過熱過熱保護(hù)保護(hù)輸輸出出級(jí)級(jí)輸輸入入級(jí)級(jí)+_24351TDA2030集成音頻功率放大器集成音頻功率放大器1 2 3 4 5同相輸入反相輸入負(fù)電壓正電壓輸出上頁下頁返回第8章TDA2030特點(diǎn)特點(diǎn)電源電壓為電源電壓為6V18V；靜態(tài)電流為靜態(tài)電流為45mA（典型值）；（典型值）；當(dāng)電源電壓為當(dāng)電源電壓為14V，負(fù)載電阻，負(fù)載電阻RL為為4時(shí)，輸出功時(shí)，輸出功率率P0達(dá)達(dá)18W；1腳的輸入阻抗為腳的輸入阻抗為5M（典型值）；（典型值）；當(dāng)電壓增益為當(dāng)電壓增益為30dB，RL4，P012時(shí)的

10、頻帶寬時(shí)的頻帶寬度為度為10H14KH。上頁下頁返回第8章由由TDA2030構(gòu)成的構(gòu)成的OCL電路電路F22. 0+UCCUCCRLTDA20301 12 23 34 45 5F1 . 0F1F1 . 0R1R2R3D1D2C1C2C4C3C5ui22k22k680F22R41K100K100K100K7 . 4K1501+UCCD1D2F5F22F20.22FFF2000F1 . 0TDA20301 1234 45上頁下頁返回第8章由由TDA2030構(gòu)成的構(gòu)成的OTL電路電路8.2 直流穩(wěn)壓電源8.2.1 單相橋式整流電路單相橋式整流電路8.2.2 濾波電路濾波電路8.2.3 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路

11、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路第8章上頁下頁返回概述概述u1半導(dǎo)體直流電源的原理方框圖半導(dǎo)體直流電源的原理方框圖電源變壓器 整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路u2uRuFuououFuRu2u1第8章上頁下頁返回ttttt000008.2.1 8.2.1 單相橋式整流電路第8章上頁下頁返回整流：整流：就是將交流電變換成直流電。就是將交流電變換成直流電。整流電路：整流電路：實(shí)現(xiàn)整流功能的電路稱為整流電路，常用實(shí)現(xiàn)整流功能的電路稱為整流電路，常用 二極管來構(gòu)成。二極管來構(gòu)成。整流電路的分類：整流電路的分類：(1)按交流電源的相數(shù)可分為單相和多相整流電路；按交流電源的相數(shù)可分為單相和多相整流電路；(2)按流過負(fù)載的電流波形可

12、分為半波和全波整流電路。按流過負(fù)載的電流波形可分為半波和全波整流電路。u2D1D2D3D4RLu1+u0+u1在正半周時(shí)：在正半周時(shí)： D1、D3導(dǎo)通，導(dǎo)通，D2、D4截止截止單相橋式整流電路u2=2U2sint,第8章上頁下頁u2u0 （i0）ttU0=? I0=?UDRM=？思考： 返回u1在負(fù)半周時(shí)：在負(fù)半周時(shí)： D2、D4導(dǎo)通，導(dǎo)通，D1、D3截止截止D理想元件U0=0.9U2I0=0.9U2/RLUDRM=2 U200負(fù)載上得到的脈動(dòng)電壓：負(fù)載上得到的脈動(dòng)電壓：整流電壓的平均值整流電流的平均值 二極管承受的最高 反向電壓:UDRM=?UDRM=2U2uoU0第8章上頁下頁返回t= 0

13、.9U2U0RLI0 = 0.9U2RLID =12I0= 0.45U2RL=U222U0 =1 02U2sint dt0根據(jù)UDRM和ID,可以選擇整流二極管u2D1D2D3D4+RL第8章上頁下頁返回變壓器二次側(cè)的電流：i2U2RLI2 =1.11 IL 變壓器的容量(即視在功率)：S=U2I2根據(jù)S和和I2可以選擇變壓器8.2.2 濾波電路濾波電路第8章上頁下頁返回濾波電路的作用濾波電路的作用：是將整流后脈動(dòng)的單方向電壓、：是將整流后脈動(dòng)的單方向電壓、 電流變換為比較平滑的電壓、電流。電流變換為比較平滑的電壓、電流。常用的濾波方法常用的濾波方法:1、電容濾波、電容濾波 是在整流電路的輸出

14、端并聯(lián)一個(gè)容量足夠大的是在整流電路的輸出端并聯(lián)一個(gè)容量足夠大的電容電容 器，利用電容的充、放電特性，使負(fù)載電壓器，利用電容的充、放電特性，使負(fù)載電壓趨向平滑。趨向平滑。電容濾波以單相半波整流濾波電路為例u2 =2U2sint第8章上頁下頁RL=RL0u u2 2正半周上升段，正半周上升段，D D導(dǎo)通，導(dǎo)通，C C充電充電. u. u0 0 跟隨跟隨 u u2 2變化變化tttu2u0u0返回TrDu2u0RLCu1+u u2 2正半周下降段的開始，正半周下降段的開始，D D仍導(dǎo)通，仍導(dǎo)通，u u0 0跟隨跟隨 u u2 2變化。變化。C C繼續(xù)充電繼續(xù)充電u u2 2繼續(xù)下降，繼續(xù)下降，u u

15、2 2uuC ,C ,D D截止，截止，C C放電，放電， u u0 0按按指數(shù)函數(shù)衰減直到指數(shù)函數(shù)衰減直到 u2u2上升到上升到 u0 u0 ，D D再次導(dǎo)再次導(dǎo)通，進(jìn)入下一周期通，進(jìn)入下一周期000輸出電壓與負(fù)載的關(guān)系0.9U2電容濾波無電容濾波為了得到較為平直的輸出電壓：一般要求：RLC(35)T/2 T交流電源的周期U0 = U2 (半波）1.2U2 (全波）第8章上頁下頁返回(橋式整流橋式整流)tu0UDRM=2U2？tu000第8章上頁下頁電容濾波的特點(diǎn)電容濾波的特點(diǎn)返回 電路簡(jiǎn)單，在輕載時(shí)濾波效果明顯。但電電路簡(jiǎn)單，在輕載時(shí)濾波效果明顯。但電路的路的 輸出電壓受負(fù)載變化影響較大，

16、負(fù)載電流輸出電壓受負(fù)載變化影響較大，負(fù)載電流增加增加 時(shí)輸出脈動(dòng)也增加。因此電容濾波適合于時(shí)輸出脈動(dòng)也增加。因此電容濾波適合于要求輸出電壓較高、負(fù)載電流較?。匆筝敵鲭妷狠^高、負(fù)載電流較?。碦L大）大）且負(fù)載變化較小的場(chǎng)合。且負(fù)載變化較小的場(chǎng)合。RLL第8章上頁下頁電感濾波電路電感濾波電路返回電感濾波方法：電感濾波方法： 電感濾波特點(diǎn)：電感濾波特點(diǎn)：電感濾波時(shí)，負(fù)載電壓平均值為：電感濾波時(shí)，負(fù)載電壓平均值為：ULUL=0.9U2 在整流電路和負(fù)載之間串入一在整流電路和負(fù)載之間串入一電感線圈即成為電感濾波電路。電電感線圈即成為電感濾波電路。電感濾波電路利用了電感線圈具有阻感濾波電路利用了電感

17、線圈具有阻止電流變化這一特性進(jìn)行濾波。止電流變化這一特性進(jìn)行濾波。 帶負(fù)載能力強(qiáng)，特別適宜于大電流或負(fù)載變化大帶負(fù)載能力強(qiáng)，特別適宜于大電流或負(fù)載變化大的場(chǎng)合，但電感元件體積大，比較笨重，成本也高，的場(chǎng)合，但電感元件體積大，比較笨重，成本也高，元件本身的電阻還會(huì)引起直流電壓損失和功元件本身的電阻還會(huì)引起直流電壓損失和功 率損耗。率損耗。 RC濾波 LC濾波 型濾波RLLCRRLCRLRLRCCCLC第8章上頁下頁其他形式的濾波電路其他形式的濾波電路返回I0CUiR4UBE1UBE2UzUfR3R1RpR2T1T2RL+UO8.2.3 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路基準(zhǔn)電壓取樣環(huán)節(jié)第8章上頁下頁1 1. .串聯(lián)

18、型穩(wěn)壓電路的工作原理串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理返回放大環(huán)節(jié)調(diào)整環(huán)節(jié)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理第8章上頁下頁返回2. 集成穩(wěn)壓電路輸出電壓固定式兩種穩(wěn)壓器：CW7800系列（輸出正電壓）CW7900系列（輸出負(fù)電壓）CW7800系列穩(wěn)壓器的外形管腳。輸出電壓有：5v、6V 、 8V、 12V 、15V、 18V、 24V。123第8章上頁下頁返回-CW7800UiCiCo123+-+U0固定輸出的接法1 2 3 UiU0地CW78001 2 3 地U0UiCW7900集成穩(wěn)壓器的幾種應(yīng)用1. 提高輸出電壓2. 正負(fù)電壓同時(shí)輸出第8章上頁下頁返回CW7805UiCiUzC0U0

19、+3213. 擴(kuò)大輸出電流擴(kuò)大輸出電流第8章上頁下頁返回u I0較小時(shí)，UR較小 T的 UBUE0.7V, T截止, IO=IOMu I0較大時(shí)，UR較大 T的 UBUE0.7V, T導(dǎo)通， IO=IC+IOM, 輸出電流擴(kuò)大外形管腳1 2 3 1 2 3 調(diào)節(jié)輸出輸入調(diào)節(jié)輸入輸出CW117CW137CW117和 CW137系列穩(wěn)壓器輸出電壓可調(diào)的基本電路U0UiIR1R2I1 CW117+_+Ci312C0RLC第8章上頁下頁返回-CW117UiCiCo312+-+固定輸出的接法Ro1.25VU0=1.25(1+R2R1)輸出電壓可調(diào)上頁下頁返回第8章030V連續(xù)可調(diào)穩(wěn)壓電源連續(xù)可調(diào)穩(wěn)壓電源

20、220V35V6.3V2CZ12B4D2CP1050F/10VF/10VC220F/50VF/50V0.33FFR1680DZ1.25V+321+URR120RP3K1FFRL+UOaCW1178.3.2 可控整流電路8.3.1 晶閘管第8章上頁下頁返回8.3 功率半導(dǎo)體器件和功率半導(dǎo)體器件和變流器變流器*8.3.3 交流調(diào)壓和變頻電路*8.3.4 直流調(diào)壓電路PNPN8.3.1 8.3.1 晶閘管晶閘管 基本結(jié)構(gòu)A陽極AK陰極G控制極GKAGK第8章上頁下頁返回符號(hào)第8章上頁下頁EAEGKTGLA 晶閘管實(shí)驗(yàn)電路示意圖返回當(dāng)AK加正向電壓、GK不加電壓時(shí) 燈不亮，說明T不導(dǎo)通當(dāng)AK、GK都加

21、正向電壓時(shí),燈亮，說明T導(dǎo)通。將EG撤除時(shí)燈依舊亮，說明T仍導(dǎo)通。將EA撤除時(shí),燈不亮，說明T截止。AGK晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)具備兩個(gè)條件晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)具備兩個(gè)條件: :1.1.晶閘管陽極電路加正向電壓晶閘管陽極電路加正向電壓; ;2.2.控制極電路加適當(dāng)?shù)恼螂妷骸？刂茦O電路加適當(dāng)?shù)恼螂妷骸５?章上頁下頁結(jié)論結(jié)論返回控制極只需加觸發(fā)脈沖即可?？刂茦O只需加觸發(fā)脈沖即可。T2T1IGEGREAP2N1P1工作原理分析：P1N1N2P2AGK思考題：晶閘管和二極管、三極管原理的區(qū)別?N1P2N2第8章上頁下頁返回K+AT1P2GP1P2IAN1N2IKIGN1T2-2 IG12IGIGIGUB

22、RUBOIUIHIG0=0IG1IG2第8章上頁下頁+_+_沒有導(dǎo)通時(shí)的特性導(dǎo)通時(shí)的特性晶閘管的伏安特性返回UP1N1N2P2AGK控制極未加正向電壓時(shí)控制極未加正向電壓時(shí)控制極加正向電壓時(shí)控制極加正向電壓時(shí)0晶閘管的主要參數(shù)第8章上頁下頁返回正向轉(zhuǎn)折電壓 UBO反向轉(zhuǎn)折電壓 UBR正向平均電流 UF維持電流 IH上頁下頁返回第8章絕緣門極雙極型晶體管（絕緣門極雙極型晶體管（IGBT） IGBT是一種MOSFET與GTR（大功率雙極型晶體管）的復(fù)合器件。CGEIGBT原理示意圖和符號(hào)CGE門極發(fā)射極集電極 IGBT是一種既能控制 其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的功率半導(dǎo)體器件，當(dāng)門極加上一定的正向電壓時(shí)

23、管子導(dǎo)通，而當(dāng)門極加反向電壓時(shí)，管子則被關(guān)斷。8.3.2 可控整流電路第8章上頁下頁返回 變流電路有四種基本類型： 整流（ACDC)、逆變（DCAC)、直流調(diào)壓（DCDC)、交流調(diào)壓及變頻（ACAC) 可控整流電路的主電路結(jié)構(gòu)形式： 單相半波、單相橋式、三相半波、三相橋式等 可控整流電路的功能： 將交流電變換成電壓大小可調(diào)的直流電1 1、單相半波可控整流電路、單相半波可控整流電路電阻性負(fù)載u =2Usint第8章上頁下頁uuGu0uTtttt返回uTRcuTu0uG+00002. 單相全控橋式整流電路單相全控橋式整流電路T1T2T4T3RL第8章上頁下頁返回uL+i0u2u1+G1G2G3G4+u =2UsintutttuGuLtuG第8章上頁返回下頁uG1uG4uG2uG3uG1uG4iLuL導(dǎo)通角導(dǎo)通角 控制角導(dǎo)通角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0000整流輸出電壓與電流的平均值整流輸出電壓與電流的平均值當(dāng)=0（=180）時(shí)晶閘管在正半周全導(dǎo)通 UL= 0.9U2當(dāng)=180（=0）時(shí)晶閘管關(guān)斷 UL= 0負(fù)載中整流電流的平均值為IL=ULRL= 0.9U2RL1+cos2第8章上頁1=12U2(1+cos)=0.9