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 uCE t t t 甲類乙類甲乙類 iC Q Q Q 第8章 上頁下頁返回 功率放大電路分析方法上的特點功率放大電路分析方法上的特點 由于功率放大電路的晶體管工作在大信號狀態(tài)

2、 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 互補對稱放大，仍會產(chǎn)生交越失真。 甲乙類：IC小，但不等于0，采用互補對稱放大， 可以消除交越失真。 晶體管三種工作狀態(tài)的特點晶體管三種工作狀態(tài)的特點 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）直接耦合互補對稱電路）直接耦合互補對稱電路 （3）阻容耦合互補對稱電路）阻容耦合互補對稱電路 返回

3、OCL電路：電路： 若互補對稱電路直接與負載相連，省去輸出電容，若互補對稱電路直接與負載相連，省去輸出電容， 就成為無輸出電容電路，簡稱就成為無輸出電容電路，簡稱OCL電路。電路。 OTL電路：電路： 當互補對稱電路通過容量較大的電容與負載當互補對稱電路通過容量較大的電容與負載 耦合時，由于省去了變壓器而被稱為無輸出變壓耦合時，由于省去了變壓器而被稱為無輸出變壓 器電路，簡稱器電路，簡稱OTL電路。電路。 1.OCL電路 ui iC1 iC2 O O O O t t t t uo 第8章 上頁下頁 電路組成電路組成 返回 io iC1 iC2 T1 T2 E +UCC ui + - uo +

4、- UCC 參數(shù)計算參數(shù)計算 第8章 上頁下頁返回 1. 1. 輸出功率輸出功率 設(shè)輸入信號足夠大，設(shè)輸入信號足夠大，T1、T2極限運用（輸入信號達極限運用（輸入信號達 最大值時最大值時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，此時電路有最大的，此時電路有最大的 輸出功率。在不考慮波形失真時，輸出電壓輸出功率。在不考慮波形失真時，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)計算參數(shù)計算 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

5、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，故兩個 電源提供的總平均功率：電源提供的總平均功率： 參數(shù)計算參數(shù)計算 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

6、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 ui uo 0.7V 0.7V O O t t 第8章 上頁下頁返回 當ui較小時(如ui- 0.7)，無法產(chǎn)生IB和IC，輸出仍 為0，因此波形在過零點附近 出現(xiàn)失真，稱為交越失真。 O t t t t O O O ui iO iC1 iC2 IC2 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

7、 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的負半周：的負半周：負半周負半周 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 負半周電壓，此時負半周電壓，此時C起起 到了負電源的作用。到了負電源的作用。 UE=UCC/2 忽略忽略T1、 、T2 的的UBE UCC/2 參數(shù)計算參數(shù)計算 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

8、，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 實實 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算？出功率和最大效率如何計算？ 2、對于、對于OTL與與OCL電路，如果輸入信號電路，如果輸入信號ui小于其最小于其最 大的輸入信號，此時的輸出電壓大的輸入信號，此時的輸出電壓uo

9、是多少？此時的輸是多少？此時的輸 出功率和效率如何計算？出功率和效率如何計算？ 3、對于書中圖、對于書中圖8.1.3和和8.1.5由運放構(gòu)成的由運放構(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，其最大的輸入信號的有效值，其最大的輸入信號的有效值Uimax是多少？是多少？ 第8章 上頁下頁返回 8.1.3 集成功率放大器舉例 中中 間間 級級 啟動啟動 偏置偏置 電路電路 短路短路 過熱過熱 保護保護 短路短路 過熱過熱 保護保護 輸輸 出出 級級 輸輸 入入 級級 + _ 2 4 3 5 1 TDA2030

10、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 電 壓 正 電 壓 輸 出 上頁下頁返回 第8章 TDA2030特點特點 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）； 當電源電壓為當電源電壓為14V，負載電阻，負載電阻RL為為4時，輸出功時，輸出功 率率P0達達18W； 1腳的輸入阻抗為腳的輸入阻抗為5M（典型值）；（典型值）； 當電壓增益為當電壓增益為30dB，RL4，P012時的頻帶寬時的頻帶寬 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

11、+UCC UCC RL TDA2030 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 F1 . 0 F1 F1 . 0 R1 R2 R3 D1 D2 C1 C2 C4 C3 C5 ui 22k 22k 680 F22 R4 1 K100 K100 K100 K7 . 4 K150 1 +UCC D1 D2 F5 F22 F2 0.22F F F2000 F1 . 0 TDA2030 1 1 2 3 4 4 5 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

12、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 u2uRuFuo uo uFuRu2u1 第8章 上頁下頁返回 tt tt t 0 0000 8.2.1 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：實現(xiàn)整流功能的電路稱為整流電路，常用實現(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

13、相和多相整流電路； (2)按流過負載的電流波形可分為半波和全波整流電路。按流過負載的電流波形可分為半波和全波整流電路。 u2 D1 D2 D3 D4 RL u1 + u0 + u1在正半周時：在正半周時： 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 u2 u0 （i0） t t U0=? I0=? UDRM=？ 思考： 返回 u1在負半周時：在負半周時： D2、D4導(dǎo)通，導(dǎo)通，D1、 D3截止截止 D理想元件 U0=0.9U2 I0=0.9U2/RL UDRM=2 U2 0 0 負載上得到的脈動電壓：負載上得到的脈動電壓： 整流電壓的

14、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=2U2 uo U0 第8章 上頁下頁返回 t = 0.9U2 U0 RL I0 = = 0.9 U2 RL ID = 1 2 I0 = 0.45 U2 RL = U2 2 2 U0 = 1 0 2U2sint dt 0 根據(jù)UDRM和ID,可以選擇整流二極管 u2 D1 D2D3 D4 + RL 第8章 上頁下頁返回 變壓器二次側(cè)的電流： i2 U2 RL I2 =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

15、用濾波電路的作用：是將整流后脈動的單方向電壓、：是將整流后脈動的單方向電壓、 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端并聯(lián)一個容量足夠大的是在整流電路的輸出端并聯(lián)一個容量足夠大的 電容電容 器，利用電容的充、放電特性，使負載電壓器，利用電容的充、放電特性，使負載電壓 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= RL0 u 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

16、 2變化變化 t t t u2 u0 u0 返回 Tr D u2 u0 RL C u1 + + + + 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 u2 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，進入下一周期通，進入下一周期 0 0 0 輸出電壓與負載的關(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

17、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) t u0 UDRM=2U2 ？ t u0 0 0 第8章 上頁下頁 電容濾波的特點電容濾波的特點 返回 電路簡單，在輕載時濾波效果明顯。但電電路簡單，在輕載時濾波效果明顯。但電 路的路的 輸出電壓受負載變化影響較大，負載電流輸出電壓受負載變化影響較大，負載電流 增加增加 時輸出脈動也增加。因此電容濾波適合于時輸出脈動也增加。因此電容濾波適合于 要求輸出電壓較高、負載電流較?。匆筝敵鲭妷狠^高、負載電流較?。碦L大）大） 且負載變化較小的場合。且負載變化較

18、小的場合。 RL L 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：電感濾波特點： 電感濾波時，負載電壓平均值為：電感濾波時，負載電壓平均值為：ULUL=0.9U2 在整流電路和負載之間串入一在整流電路和負載之間串入一 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線圈具有阻 止電流變化這一特性進行濾波。止電流變化這一特性進行濾波。 帶負載能力強，特別適宜于大電流或負載變化大帶負載能力強，特別適宜于大電流或負載變化大 的場合，但電感元件體積大，比較笨重，成本也高，的場合，但電感元件

19、體積大，比較笨重，成本也高， 元件本身的電阻還會引起直流電壓損失和功元件本身的電阻還會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 RL L C R RL C RLRL R CC C L C 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 I0 C Ui R4 UBE1 UBE2 Uz Uf R3 R1 Rp R2 T1 T2 RL + UO 8.2.3 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 基準電壓取樣環(huán)節(jié) 第8章 上頁下頁 1 1. .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 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

20、 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。 12 3 第8章 上頁下頁返回 - CW7800 UiCiCo 1 2 3 + - + U0 固定輸出的接法1 2 3 UiU0地 CW7800 1 2 3 地U0Ui CW7900 集成穩(wěn)壓器的幾種應(yīng)用 1. 提高輸出電壓 2. 正負電壓同時輸出 第8章 上頁下頁返回 CW7805 Ui Ci Uz C0 U0 + + + 3 2 1 3. 擴大輸出電流擴大輸出電流

21、 第8章 上頁下頁返回 u I0較小時，UR較小 T的 UBUE0.7V, T截止, IO=IOM u I0較大時，UR較大 T的 UBUE0.7V, T導(dǎo)通， IO=IC+IOM, 輸出電流擴大 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 CW117CW137 CW117和 CW137系列穩(wěn)壓器 輸出電壓可調(diào) 的基本電路 U0Ui I R1 R2 I1 CW117 + _ _ + Ci 3 1 2 C0 RL C 第8章 上頁下頁返回 - CW117 Ui Ci Co 3 1 2 + - + 固定輸出的接法 Ro 1.25V U0=1.25(1+ R2

22、R1 ) 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 220V 35V 6.3V 2CZ12B4 D 2CP10 50F/10VF/10V C 220F/50VF/50V 0.33F F R1 680 DZ 1.25V + 32 1 + UR R 120 RP 3K 1F F RL + UO a CW117 8.3.2 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 P N P N 8.3.1 8.3.1 晶閘管晶閘管 基本結(jié)構(gòu) A陽極

23、 A K陰極 G控制極 G K A G K 第8章 上頁下頁返回 符號 第8章 上頁下頁 EA EG K T G L A 晶閘管實驗電路示意圖 返回 當AK加正向電壓、GK不加電壓時 燈不亮，說明T不導(dǎo)通 當AK、GK都加正向電壓時,燈亮，說明T導(dǎo)通。 將EG撤除時燈依舊亮，說明T仍導(dǎo)通。 將EA撤除時,燈不亮，說明T截止。 A G K 晶閘管導(dǎo)通必須同時具備兩個條件晶閘管導(dǎo)通必須同時具備兩個條件: : 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?shù)恼螂妷?。控制極電路加適當?shù)恼螂妷骸?第8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?？?/p>

24、制極只需加觸發(fā)脈沖即可。 T2 T1 IG EG R EA P2 N1 P1 工作原理分析： P1 N1 N2 P2 A G K 思考題： 晶閘管和二極管、 三極管原理的區(qū)別? N1 P2 N2 第8章 上頁下頁返回 K + A T1 P2 G P1 P2 IA N1 N2 IKIG N1 T2 - 2 IG1 2IG I G IG UBR UBO I U IHIG0=0 IG1 IG2 第8章 上頁下頁 + _ + _ 沒有導(dǎo)通時的特性 導(dǎo)通時的特性 晶閘管的伏安特性 返回 U P1 N1 N2 P2 A G K 控制極未加正向電壓時控制極未加正向電壓時 控制極加正向電壓時控制極加正向電壓時

25、 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。 C G E IGBT原理示意圖和符號 C G E 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，當門極加 上一定的正向電壓時 管子導(dǎo)通，而當門極 加反向電壓時，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（DC

26、AC)、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 電阻性負載 u =2Usint 第8章 上頁下頁 u uG u0 uT t t t t 返回 u T Rc uT u0 uG + + + 0 0 0 0 2. 單相全控橋式整流電路單相全控橋式整流電路 T1 T2 T4T3 RL 第8章 上頁下頁返回 uL + i0 u2 u1 + G1G2 G3 G4 + + u =2Usint u t t t uG

27、uL t uG 第8章 上頁返回下頁 uG1 uG4 uG2 uG3 uG1 uG4 iL uL 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 0 0 0 0 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=0（=180）時 晶閘管在正半周全導(dǎo)通 UL= 0.9U2 當=180（=0）時 晶閘管關(guān)斷 UL= 0 負載中整流電流的平均值為 IL= UL RL = 0.9 U2 RL 1+cos 2 第8章 上頁 1 = 1 2U2(1+cos)=0.9U2 1+cos 2 UL= 2U2Sint dt 返回下頁 上頁下頁 第8章 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源 返回 *8.3.3 交流調(diào)壓和變頻電路 交