第8章功率電子電路

ui1R1R2R3R4RbRbui2uo1uoui+-++++--AoAo例題1：P237習(xí)題5.4.8已知R1=R2=R3=R4，求:uo=?解：=2ui2-2ui1=-2(ui1-ui2)=-2uiR2R1R3R4R5R6R7uoui1ui2AOAO++++--uo12V1V10kW6.8kW20kW30kW7.5kW5.1kW1.5kW例題2：P238習(xí)題5.4.10(a)解：第8章功率電子電路多級(jí)放大電路的輸出級(jí)或輸出級(jí)的前一級(jí)一般都是功率放大級(jí),以將前面電壓放大級(jí)送來的低頻信號(hào)，進(jìn)行功率放大，去推動(dòng)負(fù)載工作。一、低頻功率放大電路二、直流穩(wěn)壓電源第1節(jié)低頻功率放大電路功率放大電路與電壓放大電路的不同：電壓放大電路：以輸出電壓為目的，要求輸出足夠大的電壓，晶體管工作在小信號(hào)狀態(tài)。功率放大電路：以輸出功率為目的，要求不僅能輸出足夠大的電壓，還要輸出足夠大的電流，晶體管工作在大信號(hào)狀態(tài)。對(duì)功率放大電路的基本要求：1、在不失真的前提下輸出盡可能大的功率，為此，晶體管常常工作在極限狀態(tài)；2、非線性失真盡可能??；3、效率要高。效率：負(fù)載得到的交流信號(hào)功率與直流電源供給的直流功率之比值效率、失真和輸出功率這三者互有影響。功率放大電路的工作狀態(tài)：功率放大電路是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換電路，在能量轉(zhuǎn)換過程中，有一部分功率被電路本身所消耗，尤其以晶體管的集電極消耗的功率為重，功率放大電路的損耗主要是指集電極功耗。即：PC=∫

uCEiCdtT10T1、甲類工作狀態(tài)uCEiC0Q波形好，但靜態(tài)集電極電流IC較大，所以管耗大，效率低。2、乙類工作狀態(tài)uCEiC0Q靜態(tài)集電極電流IC=0，管耗小，效率高，但波形嚴(yán)重失真。3、甲乙類工作狀態(tài)uCEiC0Q將靜態(tài)工作點(diǎn)Q，在乙類狀態(tài)下，沿負(fù)載線上移一些，稱為甲乙類工作狀態(tài)。在提高了效率的前提下，又減小了波形失真。功率放大電路一般工作在甲乙類工作狀態(tài)一、基本功率放大電路1、OCL電路（無輸出電容電路）T1T2ERL+UCC-UCC+-+-uiuowtui0為既能提高效率，又能減小信號(hào)波形的失真，功率放大電路常采用互補(bǔ)對(duì)稱電路。靜態(tài)時(shí)，由于采用正負(fù)雙直流電源供電，且T1、T2特性完全相同T1T2ERL+UCC-UCC+-+-uiuoiC1iC2∴UE=0V,無直流電壓輸出當(dāng)ui＞0時(shí)，T1導(dǎo)通，T2截止，負(fù)載RL流過電流iC1，方向如圖所示。當(dāng)ui＜0時(shí)，T2導(dǎo)通，T1截止，負(fù)載RL流過電流iC2，方向如圖所示。由于T1、T2都是射極輸出器∴uo=uiwtuo0輸出電壓uo的波形圖為：交越失真交越失真：輸出電壓波形過零點(diǎn)附近出現(xiàn)的失真。hmax=4p×100%=78.5%2、OTL電路（無輸出變壓器電路）T1T2ERL+UCCR+-+-uiuoRCC1iC1iC2靜態(tài)時(shí)UE=2UCCC被充電到UC=2UCC同理可證:hmax=4p×100%=78.5%第2節(jié)直流穩(wěn)壓電源

原理方框圖：交流電源變壓整流濾波穩(wěn)壓負(fù)載ut0ut0ut0ut0ut01整流變壓器：將交流電源電壓變換為整流需要的交流電壓。2整流電路：將交流電壓變換為單向脈動(dòng)電壓。3濾波器：減少整流電壓的脈動(dòng)程度，以適合負(fù)載的需要。4穩(wěn)壓：穩(wěn)定直流輸出電壓，使輸出電壓不受電源電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。單相橋式整流電路D3ioTru2~+RLuo+--abD1D2D4i1i21工作過程：1)當(dāng)u2處于正半周時(shí)，Va>Vb，D1、D3導(dǎo)通；D2、D4截止。一：整流電路D3ioTru2~+RLuo+--abD1D2D4i1i2電流i1流通的方向?yàn)椋篴D1RLD3

b負(fù)載電阻RL上得到一個(gè)半波電壓當(dāng)u2處于負(fù)半周時(shí)，Vb>Va電位，D1、D3截止；D2、D4導(dǎo)通。電流i2流通的方向?yàn)椋篵D2RLD4

a負(fù)載電阻RL上又得到另一個(gè)半波電壓io方向不變,

uo極性不變。D3ioTru2~+RLuo+--abD1D2D4i1i2+-tu2wt0波形圖：uowt0iouoio由于負(fù)載上得到的電壓為全波電壓，所以稱為全波整流。雖然負(fù)載得到的電壓uo是單方向的（極性一定），但uo的大小是變化的，這種電壓稱為脈動(dòng)電壓脈動(dòng)電壓常用一個(gè)周期內(nèi)的平均值來表示其大小2整流電壓的平均值UO=2p12p02U2sinwtd(wt)=

0.9U2整流電流的平均值為：Io=UoRL=0.9U2RL

=p1p02U2sinwtd(wt)p2=U223二極管承受的最高反向壓降UDm=U2m=2U2選擇二極管，使：UDRM≥UDmIOM≥IO21u2wt0uD0wt（uD1、uD3）0wtiD（iD1、iD3）為安全起見，二極管的反向工作峰值電壓UDRM要選得比UDm大一倍左右，單相橋式整流電路uoRLu2+-+-~例題：已知負(fù)載電阻RL=80W，負(fù)載電壓Uo=110V。今采用單相橋式整流電路，交流電源電壓為380V。如何選用晶體二極管？解：負(fù)載電流：Io=UoRL=1.4A80110=每個(gè)二極管的平均電流：21ID=IO=0.7A變壓器副邊電壓的有效值：U2=Uo0.9UDRM=×122=173V2∴因此，選用二極管2CZ11C其最大整流電流為1A，反向工作峰值電壓為300V.二、濾波電路1、電容濾波電路u2uoRL+-+-~＋C改善輸出電壓的脈動(dòng)程度u2wt0uowt0uowt0濾波后的輸出電壓波形可見：經(jīng)過電容濾波后，負(fù)載電壓的脈動(dòng)減小，平均值提高。ioD3Tru2~+RLuo+--abD1D2D4i1i2＋Cuc+-原因解釋：uC按指數(shù)規(guī)律下降。當(dāng)u2

為正半周且u2＞uC

時(shí)，D1、D3導(dǎo)通，電容C被充電，u2

開始下降，電容C放電，當(dāng)充電電壓達(dá)到最大值U2m

后，經(jīng)過一段時(shí)間后，當(dāng)uC＞u2時(shí)，D1、D3

變?yōu)榻刂梗?、電感濾波電路u2uoRL+-+-~L電感濾波的原因：電感線圈具有阻止電流變化的特性u(píng)2uoRL+-+-~＋CL3、電感電容濾波電路（LC濾波器）進(jìn)一步減小輸出電壓的脈動(dòng)程度，可以得到甚為平直的直流輸出電壓。

Lu2uoRL+-+-~＋C2＋C14、p形濾波電路u2uoRL+-+-~＋C2＋C1R由于電感線圈的體積大而笨重，所以有時(shí)候用電阻去代替p形濾波器中的電感線圈，這樣便構(gòu)成了p形RC濾波器說明：R愈大，C2愈大，濾波效果愈好。但R太大，將使直流壓降增加，所以，p形RC濾波電路，主要適用于負(fù)載電流較小，而又要求輸出電壓脈動(dòng)很小的場(chǎng)合。三：直流穩(wěn)壓電源經(jīng)整流和濾波后的電壓往往會(huì)隨著交流電源電壓的波動(dòng)和負(fù)載的變化而變化。電壓的不穩(wěn)定有時(shí)會(huì)產(chǎn)生測(cè)量和計(jì)算的誤差，引起控制裝置的工作不穩(wěn)定，甚至根本無法正常工作。特別是精密電子測(cè)量儀器、自動(dòng)控制、計(jì)算裝置及晶閘管的觸發(fā)電路等都要求有很穩(wěn)定的直流電源供電.所以，經(jīng)整流、濾波后的電路，還要經(jīng)過穩(wěn)壓環(huán)節(jié)。1、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路u2uoRL+-+-~＋CDZR+-UZIZIoUI+-UR穩(wěn)壓過程：1）當(dāng)電源電壓發(fā)生波動(dòng)使u2

上升時(shí)UIu2UoUo即為UZUo稍有增加IZ就顯著增加IZUR用以抵償U(kuò)I的增加UIUo當(dāng)u2降低時(shí)，穩(wěn)壓過程相反。u2uoRL+-+-~＋CDZR+-UZ2)當(dāng)電源電壓不變負(fù)載發(fā)生變化引起負(fù)載電流增加時(shí)：IoIZURUoUI不變只要Uo下降一點(diǎn)IZ就顯著減小URUo當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí)，穩(wěn)壓過程相反。選擇穩(wěn)壓管時(shí)，一般取：UZ=UOIZM=(1.5~3)IOMUI=(2~3)UO穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路輸出電壓的大小是固定的，基本上有穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓決定，在使用中很不方便。2、恒壓源Uo=RFR1UZ∞＋＋－RRLR1R2RF＋－UoDZ＋－UZUI＋圖a圖a反向輸入恒壓源改變RF的大小，可以改變UO的大小。并且引入電壓負(fù)反饋使輸出電壓更穩(wěn)定。∞＋＋－RLR1RF＋－UoR2UZUIRDZ＋－＋圖b圖b同相輸入恒壓源Uo=RFR1UZ1＋改變RF的大小，可以改變UO的大小。并且引入電壓負(fù)反饋使輸出電壓更穩(wěn)定。

為了擴(kuò)大運(yùn)算放大器輸出電流的變化范圍，將運(yùn)算放大器的輸出端接到大電流晶體管T的基極上，從T的發(fā)射極輸出電壓UO。3、串聯(lián)型穩(wěn)壓電源∞＋＋－RLR1＋－UoR2UZUIDZ＋－＋＋－AT－UCEUFIoICUFUBIS基準(zhǔn)電壓調(diào)整比較放大采樣穩(wěn)壓過程：UFUO(UZ–UF)UBIBICIEUO∞＋＋－RLR1＋－UoR2UZUIDZ＋－＋＋－AT－UCEUFIoICUFUBIS4、集成穩(wěn)壓電源優(yōu)點(diǎn)：體積小、可靠性高、使用靈活、價(jià)格低廉等。三端穩(wěn)壓器：W7800系列、W7900系列

W7800系列輸出固定的正電壓有：5V、8V、12V、15V、18V、24V等

W7900系列輸出固定的負(fù)電壓有：－5V、－8V、－12V、－15V、－18V、－24V等輸出電壓:UO

=(1

+)UZR1R2123123外形圖W78××123W79××321符號(hào)W78××1233C1C2++--UIUoC1是輸入濾波電容，用以抵消輸入端較長接線時(shí)的電感效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激振蕩。W79××123C1C2++--UIUo接線圖C2是輸出電容，為了瞬間增減負(fù)載電流時(shí),不致引起輸出電壓有較大的波動(dòng)。1晶閘管：又名可控硅，是一種大功率半導(dǎo)體器件，

它的出現(xiàn)使電子技術(shù)由弱電領(lǐng)域

擴(kuò)展到強(qiáng)電領(lǐng)域。利用晶閘管可以實(shí)現(xiàn)弱電對(duì)強(qiáng)電的控制，稱為變流技術(shù)。

8.3

功率半導(dǎo)體器件和變流電路一功率半導(dǎo)體器件特點(diǎn)：體積小、重量輕、無噪聲、壽命長、容量大（正向平均電流達(dá)千安）（正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）。應(yīng)用領(lǐng)域（變流技術(shù)）：整流（交流變直流）逆變（直流變交流）變頻（交流變交流）

斬波（直流變直流）1）工作原理（1）結(jié)構(gòu)P1P2N1N2四層半導(dǎo)體PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)三個(gè)

PN結(jié)A（陽極）K（陰極）G（控制極）符號(hào)（2）工作原理AKG陽極陰極控制極GKP1P2N1N2AGPPNNNPAKIG?1IB等效為由二個(gè)三極管組成UGKT1、T2都導(dǎo)通后，即使去掉UGK，T1、T2仍然導(dǎo)通GPPNNNPAKKAGT1T2RAUA+-IB?1?2IB（1）晶閘管具有單向?qū)щ娦?。若使其關(guān)斷，必須降低UAK或加大陽極電阻，把陽極電流減小到維持電流IH以下。正向?qū)l件：A、K間加正向電壓，G、K間加正的觸發(fā)信號(hào)。晶閘管的工作原理小結(jié)（2）晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極便失去作用。IH維持晶閘管正向?qū)ǖ淖钚‰娏?）特性與參數(shù)（1）.特性UAKIIHIFIG=0時(shí)有IG時(shí)正向反向UAK--陽極、陰極間的電壓,

I--陽極電流UBO正向轉(zhuǎn)折電壓截止導(dǎo)通導(dǎo)通后管壓降約為1V額定正向平均電流維持電流UBR反向擊穿電壓IG增大正向特性：控制極開路時(shí)，隨UAK的加大，陽極電流逐漸增加。當(dāng)U=UBO（正向轉(zhuǎn)折電壓）時(shí)，晶閘管自動(dòng)導(dǎo)通。正常工作時(shí)，

UAK應(yīng)小于UBO

。反向特性：隨反向電壓的增加，反向漏電流稍有增加，當(dāng)U=UBR

（反向擊穿電壓）時(shí)，反向擊穿。正常工作時(shí)，反向電壓必須小于UBR。UDRM：正向阻斷電壓晶閘管耐壓值。一般取UDRM

=80%UBO

（正向轉(zhuǎn)折電壓）。普通晶閘管UDRM

為100V---3000V（2）.主要參數(shù)UIIHIF額定正向平均電流UBO正向轉(zhuǎn)折電壓UBR反向擊穿電壓UDRM控制極斷路時(shí)，可以重復(fù)作用在晶閘管上的反向電壓。一般取URRM=80%UBR（反向擊穿電壓）。普通晶閘管URRM為100V--3000V）URRM：反向峰值電壓UIIHIF額定正向平均電流UBO正向轉(zhuǎn)折電壓UBR反向擊穿電壓UDRMURRMIF：額定正向平均電流：通用系列為：1、5、10、 20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A等14種規(guī)格。UIIHIF額定正向平均電流UBO正向轉(zhuǎn)折電壓UBR反向擊穿電壓UDRMURRM2絕緣門極雙極晶體管全控型器件：既能控制器導(dǎo)通，又能控制其關(guān)斷的功率半導(dǎo)體器件。1）GTR:大功率雙極晶體管，空穴和電子均參與導(dǎo)電。優(yōu)點(diǎn)：控制方便、開關(guān)時(shí)間短、高頻特性好、通態(tài)壓降低等。特點(diǎn)：通過基極信號(hào)可方便地進(jìn)行通、斷控制。缺點(diǎn)：耐壓較低、容易被二次擊穿等。P-MOSFET:大功率金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管，單極型電壓控制半導(dǎo)體器件。優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快等。缺點(diǎn)：通態(tài)壓降較大等。特點(diǎn)：垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)IGBT:MOSFET與GTR的復(fù)合器件，結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)。GCEGCE結(jié)構(gòu)示意圖圖形符號(hào)GCEIGBTG控制門極C集電極E發(fā)射極ICUGUG(th)0轉(zhuǎn)移特性特點(diǎn)1：用MOSFE作為輸入部分，器件的驅(qū)動(dòng)電路簡單，輸入阻抗高，開關(guān)速度易提高。特點(diǎn)2：用GTR作為輸出部件，器件的導(dǎo)通壓降低，容量容易提高二單相全波可控整流電