電子線路非線性部分第五版第一章功率放大器課件

第一章功率電子線路1.1概述功率電子線路是采用功率電子器件實(shí)現(xiàn)能量變換和控制功能的電路。功率電子線路分為功率放大電路和電源變換電路；功率放大電路是在輸入信號(hào)作用下,把直流能量轉(zhuǎn)換成交流輸出功率的放大電路；電源轉(zhuǎn)換電路是把電源能量進(jìn)行特定方式轉(zhuǎn)換的電路。1.1.1功率放大器功率放大器與小信號(hào)放大器的區(qū)別：小信號(hào)放大的是電壓或者電流，對(duì)輸出功率無(wú)要求。功率放大器的要求是，在安全工作條件下，高效率，小失真，輸出盡可能大的功率。集電極效率

PO

信號(hào)輸出功率，PD直流功率，功耗PC，

PO

相同，PC越小，ηC越大。大信號(hào)運(yùn)用電路，放大管特性非線性引起失真比小信號(hào)放大器大，減小非線性失真必須認(rèn)真考慮。1.1.2電源變換電路將電源能量進(jìn)行特定方式的變換AC-DC：把交流電變成直流電整流器；DC-DC：把一種數(shù)值的直流電變成另一種數(shù)值或者極性的直流電斬波器；DC-AC：把直流電能變成不同幅值，頻率的交流電

逆變器；AC-AC：把50Hz交流電變成不同幅值，頻率的交流電變換器；它們同樣要求選擇合適的功率器件，并具有很高的效率。1.1.3功率器件

大功率器件結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)與小信號(hào)器件不同比如功率晶體管發(fā)射極面積較大，β較低，ICBO較大，V(BR)CEO和ICM也較大。且集電極一般與管座相連，便于安裝散熱器。

一、散熱熱阻與溫度的關(guān)系T2-T1=RTHP

集電極最大耗散功率PCM=(TjM-Ta)/Rth

集電結(jié)與周圍環(huán)境的熱阻Rth=R(th)jc+R(th)ca

R(th)jc為結(jié)與底座的熱阻，

R(th)ca為管殼與周圍環(huán)境的熱阻

加散熱器后的總電阻Rth=R(th)jc+R(th)cs＋R(th)sa雙擴(kuò)散MOS管(Double-diffusedMOSFET)，它可承受的電流高達(dá)數(shù)百安，電壓高達(dá)幾百伏，甚至上千伏。三、器件絕緣柵雙極型功率管（IGBT）與雙擴(kuò)散MOS管相比，IGBT僅在高摻雜N+區(qū)與金屬漏極之間插入一層高摻雜的P+區(qū)，與作為MOS管襯底的P+區(qū)之間夾著N區(qū)，形成兩個(gè)PN結(jié)，構(gòu)成PNP型晶體三極管，這個(gè)晶體三極管與MOS管共同組成組合管。1.2功率放大器的電路組成和工作特性性能分析時(shí)，器件采用大信號(hào)模型。工程上，采用圖解分析。1.2.1從一個(gè)例子講起1.2.2甲類、乙類功率放大器的電路組成及其功率性能=n2RL

一、甲類變壓器耦合功率放大電路直流負(fù)載線是自vCE=VCC出發(fā)的垂直線EF

直流負(fù)載線與iB=IBQ交點(diǎn)即為靜態(tài)工作點(diǎn)Q。交流負(fù)載線是一條通過(guò)Q點(diǎn)的直線MN，它的斜率為-1/

性能分析

iC=ICQ+Icmsinωt

vCE=VCEQ-Vcmsinωt，

Vcm=IcmRL′

輸出信號(hào)功率：

直流功率：PD=VCCICQ

集電極管耗：

PC==PD-Po

集電極效率：vCEmax=2VCC<V

(BR)CEOVCC<V

(BR)CEO/2

iCmax=2ICQ<I

CMICQ<I

CM/2

PCmax=

PD<P

CM

還應(yīng)保證動(dòng)態(tài)點(diǎn)不超過(guò)二次擊穿限定的安全區(qū)。安全工作條件二、乙類推挽功率放大電路變壓器耦合電路互補(bǔ)推挽電路電路介紹兩管配對(duì)，無(wú)信號(hào)時(shí)，截止，輸出為0。加信號(hào)vi=Vimsinωt，兩管輪流導(dǎo)通。正半周，T1導(dǎo)通，T2截止，iE1＝iC1；負(fù)半周，T1截止，T2導(dǎo)通，iE2＝iC2。負(fù)載RL的電流iL=iE1-iE2,為完整的正弦波。工作原理輸入為正弦信號(hào)的推挽式乙類功放，在最大不失真條件下兩管輪流導(dǎo)通，集電極電流在信號(hào)的不同半周為正弦波，另半周為零。通過(guò)負(fù)載RL的電流

iL

＝ic1-ic2=

Icmsinωt相應(yīng)產(chǎn)生的電壓

vL

＝

Vcmsinωt=

RLIcmsinωt負(fù)載功率：

PL=Po=VcmIcm/2電源提供的總功率：

PD=PD1＋PD2=2VCCIC0=2VCCIcm/π令電源電壓利用系數(shù)為：

集電極效率ηC＝Po/PD＝(π/4)ξ單管集電極功耗

PC1=PC2=(PD-PL)/2=(2ξ/π-/2)Pomax

ξ=2/π≈0.636PCmax

＝0.2Pomax

注意：在乙類推挽功率放大器中，PC的最大值既不出現(xiàn)在ξ=0即靜止?fàn)顟B(tài)，也不出現(xiàn)在ξ=1即最大輸出狀態(tài)。因?yàn)棣涡r(shí)，雖然Po小，但PD也小，結(jié)果PC??；反之，ξ接近1時(shí)，雖然PD大，但也高。PD中大部分轉(zhuǎn)化為Po，結(jié)果PC也較小。安全工作的條件：

vCEmax≈2VCC<V(BR)CEO

iCmax=Icm≈VCC/RL

<ICM

PC1max

=PC2max

=0.2PLomax

<PCM

同時(shí)動(dòng)態(tài)點(diǎn)不能超過(guò)二次擊穿限定的安全區(qū)VBB=2VTIn(IR/IS)2.二極管偏置電路VBE3

=VTln(IC3/IS)≈VTln(IR/IS)VBB=VBE3(1+R1/R2)通過(guò)改變R1和R2，可提供需要的VBB3.VBE倍增偏置電路四、保護(hù)電路保護(hù)電路有過(guò)流，過(guò)壓和過(guò)熱之分。過(guò)流保護(hù)電路五、輸入激勵(lì)電路1.3集成功率放大器1.3.1LM380集成功率放大器T1～T6管為輸入級(jí)，其中，T1、T3和T2、T4管接成共集─共射組合差分放大電路。T5、T6為鏡象電流源，作為有源負(fù)載，R3為發(fā)射極反饋電阻。差放中T3管的靜態(tài)電流ICQ3（≈IEQ3）由VCC通過(guò)T10管和R1設(shè)定，T4管的靜態(tài)電流ICQ4（≈IEQ4）由輸出靜態(tài)電位VOQ通過(guò)反饋電阻R2設(shè)定。1.3.2功率運(yùn)算放大器在集成運(yùn)放輸出端接入T1～T4管組成的互補(bǔ)推挽功率放大器。T5、T6管為電流自舉電路，當(dāng)T3（或T4）管電流iC3（或iC4）增大到R3（或R4）上的壓降導(dǎo)致T5（或T6）管導(dǎo)通時(shí)，RL上便附加T5（或T6）管的輸出電流。1.3.3MOS管集成功率放大器T8、T9互補(bǔ)推挽輸出級(jí)，由T10、T12和T11、T13推動(dòng)；T7，R7，

R8偏置電路，克服交越失真；IR，T6，R6共源放大器，推動(dòng)兩個(gè)雙極型互補(bǔ)推挽電路；T14，T15和D6,，D7為T8，T9的過(guò)流保護(hù)電路；R9過(guò)流取樣電路。PA04集成MOS功率放大器的輸出級(jí)電路。1.3.4橋式功率放大器A1同相，A2反相，懸浮負(fù)載RL上的電壓幅度為單個(gè)放大器的兩倍接成橋路后，合成的輸出功率為單個(gè)放大器的四倍。1.3.5集成ClassD音頻功率放大器ClassD類功放采用了脈寬調(diào)制技術(shù)PWM(PulseWidthModulation)，用模擬音頻信號(hào)調(diào)制一系列矩形脈沖的寬度，使該等幅脈沖信號(hào)的寬度隨模擬音頻信號(hào)幅度大小而變化。因此，脈沖信號(hào)的寬度中包含了模擬音頻信號(hào)。用該脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出功率級(jí)，產(chǎn)生信號(hào)，最后采用低通濾波器還原出音頻信號(hào)。所以，輸出功率管完全工作在開關(guān)狀態(tài)，獲得高效率。ClassD音頻功放主要由比較器，三角波發(fā)生器，功率放大器和LC低通濾波器等組成。采用橋式輸出可增加ClassD功放的輸出功率，只是需要產(chǎn)生兩路互補(bǔ)PWM信號(hào)以驅(qū)動(dòng)橋式輸出功率級(jí)。在互補(bǔ)PWM信號(hào)激勵(lì)下，T1、T4和T2、T3交錯(cuò)導(dǎo)通，輸出功率增加到4倍。1.4功率合成技術(shù)

功率合成是實(shí)現(xiàn)多個(gè)功率放大器聯(lián)合工作的技術(shù)。A、B為功率提供端，C、D為功率合成端。C為同相合成端，D為反相合成端，在一端合成功率輸出時(shí)，另一端無(wú)功率輸出。當(dāng)Rd和Rc之間滿足特定關(guān)系時(shí)，A、B兩輸入端彼此隔離。功率合成電路也可實(shí)現(xiàn)功率分配的功能。1.4.1功率合成電路的作用一、變壓器和傳輸線的工作頻帶上限頻率主要受繞組電感和匝間分布電容限制，下限頻率主要受到有限激磁電感量限制。傳輸線有極寬的工作頻帶和很高的上限頻率。傳輸線指連接信號(hào)源和負(fù)載的兩根導(dǎo)線。低頻工作，信號(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于導(dǎo)線長(zhǎng)度時(shí)，傳輸線為兩根普通的連接線，下限頻率為零。高頻工作，信號(hào)波長(zhǎng)與導(dǎo)線長(zhǎng)度可比擬時(shí)，兩導(dǎo)線上的固有分布電感和線間分布電容的影響不能忽略。

1.4.2傳輸線變壓器二、傳輸線變壓器的工作原理在上限頻率范圍內(nèi)1：1倒相對(duì)稱（平衡）與不對(duì)稱（不平衡）的轉(zhuǎn)換三、傳輸線變壓器功能阻抗變換器4：11：4Tr1魔T混合網(wǎng)絡(luò)，Tr2對(duì)稱一不對(duì)稱變換器。Tr1兩繞組上電壓等于vd/2

1.4.3用傳輸線變壓器構(gòu)成的魔T混合網(wǎng)絡(luò)

i=ia－id，i=id－ib

id=

?（ia+ib）

ic=2i=ia－ib

一、功率合成i=?（ia－ib）

ia=ib

反相輸入(2)ia=-ib同相輸入

id=

?（ia+ib）

ic=2i=ia－ib

分三種情況ic=0

id=ia=

ib

Pd=Pa+PbC端無(wú)輸出，D端合成va=vb=vd/2輸入為正弦波Pc=Pa+Pbid=0

ic=2ia=2ib

D端無(wú)輸出，C端合成vd=0

（3）ia≠ib，va≠vb

v=vd/2，vd=idRd，vc=icRc，ic

=2i

va=v+vc=?idRd+2iRc，vb=v-vc=?idRd-2iRc

只要負(fù)載均為極端情況若等同ib=0Pc=Pd=Pa/2

二、功率分配同相功率分配反相功率分配

三、另一種混合網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)1∶1傳輸線變壓器組成實(shí)例寬帶功率合成1.5整流電路整流電路將電力網(wǎng)提供的頻率為50Hz的交流電壓變換為直流電壓（或電流）。根據(jù)電路中采用的整流器件不同，下面按二極管整流電路、三極管整流電路和可控整流電路介紹1.5.1二極管整流電路二極管整流電路按半波、全波、橋式三種介紹Tr電源變壓器，D整流二極管，RL負(fù)載，

CL濾波電容。工作原理：二極管上電壓為（v2-v0），大于零D導(dǎo)通，給CL充電，充電時(shí)間常數(shù)RDC；小于零D截止，CL放電，放電時(shí)間常數(shù)RLC。RD<<RL，充電快放電慢，電容上電荷積累。隨v0增長(zhǎng)，充電時(shí)間短，放電時(shí)間長(zhǎng)，達(dá)到平衡時(shí)，v0在均值VO上下做等幅波動(dòng)。VO為輸出整流電壓，波動(dòng)為紋波。一、半波整流電路紋波大小取決于CL和RL的大小，當(dāng)增大CL或RL時(shí)，由于減慢了CL通過(guò)RL的放電速度，從而減小了CL的泄放電荷量，因而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)CL的充電電荷量也就必須相應(yīng)減小，結(jié)果是D的導(dǎo)通時(shí)間減小，Vo增大，紋波電壓減小。

由兩個(gè)半波整流電路組成，在每個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)，CL經(jīng)歷兩次充放電過(guò)程。通過(guò)RLCL電路的電流io在每個(gè)輸入信號(hào)周期出現(xiàn)兩個(gè)同極性電流脈沖，疊加在VO上紋波電壓頻率加倍，濾波能力加強(qiáng)，紋波電壓比半波整流電路小。二、全波和橋式整流電路全波整流

截止時(shí)最大反向電壓由兩管共同承擔(dān)，降低了對(duì)整流二極管的要求，電源變壓器不需要中心抽頭。橋式整流三、倍壓整流電路二倍壓三倍壓1.5.2三極管整流電路1.5.3可控整流電路晶閘管又名可控硅結(jié)構(gòu)電路符號(hào)等效電路iA=iE1=iC1+iC2

iK=iE2=iA+iG

iC1=a1

iA+ICBO1

iC2=a2

ik+ICBO2∴

iA=a1

iA+a2

ik+ICBO

I

CBO=I

CBO1+ICBO21、vAK>0，iG=0，正向截止；2、vAK>0，iG0，正向?qū)ǎ?、vAK<0

，反向截止；半波可控整流電路1.6穩(wěn)壓電路為獲得穩(wěn)定的直流電壓，整流器后面一般都加接直流穩(wěn)壓電路。直流穩(wěn)壓電路分為并聯(lián)型，串聯(lián)型和開關(guān)型三種。并聯(lián)型穩(wěn)壓電路是由穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的穩(wěn)壓電路，簡(jiǎn)單但穩(wěn)壓性能差。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，除傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路外，還介紹目前應(yīng)用較廣的低壓差線性穩(wěn)壓電路。開關(guān)型穩(wěn)壓電路是一種非線性電路，電路中的主要器件工作于開關(guān)狀態(tài)，從而獲得更高的效率。

1.6.1串聯(lián)穩(wěn)壓電路原理電路組成框圖基準(zhǔn)電壓源電路T16、T17為調(diào)整管。T15，D2和R11,R12,R13構(gòu)成調(diào)整管的過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路。T14為過(guò)熱保護(hù)管。而T12，T13，

D1，

R4~