第8章功率电子电路

1、 第8章 上页下页返回 8.1 低频低频功率放大电路功率放大电路 8.1.1 概述 8.1.2 基本功率放大电路 8.1.3 集成功率放大器举例 8.1.1 概述 对功放电路的要求： 第8章 上页下页返回 非线性失真尽可能小 效率要高 输出功率PO 尽可能大 晶体管的三种晶体管的三种 工作状态：工作状态： 要提高效 率就要减小直 流静态电流， 让功率放大电 路工作在乙类 状态。 iCiC iC iC iC uCE uCE uCE t t t 甲类乙类甲乙类 iC Q Q Q 第8章 上页下页返回 功率放大电路分析方法上的特点功率放大电路分析方法上的特点 由于功率放大电路的晶体管工作在大信号状态

2、 下，因此分析电压放大电路所用的微变等效电路就 不再适用 ，而通常采用估算法或图解法。 第8章 上页下页返回 甲类：IC大，波形好，但三极管功耗大。 乙类：IC=0，三极管功耗小，但波形失真。即使采用 互补对称放大，仍会产生交越失真。 甲乙类：IC小，但不等于0，采用互补对称放大， 可以消除交越失真。 晶体管三种工作状态的特点晶体管三种工作状态的特点 8.1.2 基本功率放大电路 第8章 上页下页 功率放大电路的种类：功率放大电路的种类： （1）早期的变压器耦合方式）早期的变压器耦合方式 （2）直接耦合互补对称电路）直接耦合互补对称电路 （3）阻容耦合互补对称电路）阻容耦合互补对称电路 返回

3、OCL电路：电路： 若互补对称电路直接与负载相连，省去输出电容，若互补对称电路直接与负载相连，省去输出电容， 就成为无输出电容电路，简称就成为无输出电容电路，简称OCL电路。电路。 OTL电路：电路： 当互补对称电路通过容量较大的电容与负载当互补对称电路通过容量较大的电容与负载 耦合时，由于省去了变压器而被称为无输出变压耦合时，由于省去了变压器而被称为无输出变压 器电路，简称器电路，简称OTL电路。电路。 1.OCL电路 ui iC1 iC2 O O O O t t t t uo 第8章 上页下页 电路组成电路组成 返回 io iC1 iC2 T1 T2 E +UCC ui + - uo +

4、- UCC 参数计算参数计算 第8章 上页下页返回 1. 1. 输出功率输出功率 设输入信号足够大，设输入信号足够大，T1、T2极限运用（输入信号达极限运用（输入信号达 最大值时最大值时T1或或T2开始饱和），饱和压降为开始饱和），饱和压降为UCES，则输出，则输出 电压电压uo的最大值的最大值UomUCCUCES，此时电路有最大的，此时电路有最大的 输出功率。在不考虑波形失真时，输出电压输出功率。在不考虑波形失真时，输出电压uo的有效值的有效值 为为 ，最大输出功率为：，最大输出功率为： 参数计算参数计算 第8章 上页下页返回 （2）直流电源功率：）直流电源功率： 由于流过直流电源由于流过直

5、流电源UCC的电流的电流iC1为半波电流，为半波电流， 其最大值其最大值Icm=Uom/RL=(UCC-S)/RL，即，即: iC1=Icmsint (0t) iC1=0 (t2) 因此，直流电源因此，直流电源UCC提供的平均功率：提供的平均功率： 而直流电源而直流电源UCC提供的平均功率提供的平均功率Ps-=Ps+，故两个，故两个 电源提供的总平均功率：电源提供的总平均功率： 参数计算参数计算 第8章 上页下页返回 （3）OCL功率放大电路的效率：功率放大电路的效率： 若忽略若忽略T1、T2的饱和压降的饱和压降UCES，OCL电路理想电路理想 的最大输出功率的最大输出功率Pomax和效率和效

6、率max分别为：分别为： 乙类放大的交越失真乙类放大的交越失真 ui uo 0.7V 0.7V O O t t 第8章 上页下页返回 当ui较小时(如ui- 0.7)，无法产生IB和IC，输出仍 为0，因此波形在过零点附近 出现失真，称为交越失真。 O t t t t O O O ui iO iC1 iC2 IC2 晶体管工作于甲乙类晶体管工作于甲乙类 可克服交越失真可克服交越失真 第8章 上页下页返回 加入D1,D2,RB1,RB2使静 态时T1，T2 微弱导通。 电路组成与工作原理电路组成与工作原理 2. OTL电路单电源供电 第8章 上页下页返回 在在ui的正半周的正半周：正半周：正半周

7、 T1导通，导通，T2截止，截止， 产生电流产生电流iC1，使，使RL得到得到 正半周电压；正半周电压； 在在ui的负半周：的负半周：负半周负半周 T2导通，导通，T1截止，截止， 产生电流产生电流iC2，使，使RL得到得到 负半周电压，此时负半周电压，此时C起起 到了负电源的作用。到了负电源的作用。 UE=UCC/2 忽略忽略T1、 、T2 的的UBE UCC/2 参数计算参数计算 第8章 上页下页返回 OTL功率放大电路的功率和效率：功率放大电路的功率和效率： 理想情况下（忽略理想情况下（忽略T1、T2的饱和压降的饱和压降UCES），）， 输出电压输出电压uo的最大值为的最大值为UCC/2

8、，因此最大输出功率为：，因此最大输出功率为： 同样，可推导同样，可推导OTL电路的最大效率与电路的最大效率与OCL电路一致，即：电路一致，即： 第8章 上页下页返回 实实 用用 电电 路路 RB1 RB2使TI、 T2输入端电压 为UCC/2 （忽略了 D1,D2压降） 问题与思考问题与思考 第8章 上页下页返回 1、如果考虑、如果考虑T1、T2的饱和压降的饱和压降UCES，OTL最大输最大输 出功率和最大效率如何计算？出功率和最大效率如何计算？ 2、对于、对于OTL与与OCL电路，如果输入信号电路，如果输入信号ui小于其最小于其最 大的输入信号，此时的输出电压大的输入信号，此时的输出电压uo

9、是多少？此时的输是多少？此时的输 出功率和效率如何计算？出功率和效率如何计算？ 3、对于书中图、对于书中图8.1.3和和8.1.5由运放构成的由运放构成的OTL与与OCL 电路，电压放大倍数是多少？如果忽略电路，电压放大倍数是多少？如果忽略T1、T2的饱和的饱和 压降压降UCES，其最大的输入信号的有效值，其最大的输入信号的有效值Uimax是多少？是多少？ 第8章 上页下页返回 8.1.3 集成功率放大器举例 中中 间间 级级 启动启动 偏置偏置 电路电路 短路短路 过热过热 保护保护 短路短路 过热过热 保护保护 输输 出出 级级 输输 入入 级级 + _ 2 4 3 5 1 TDA2030

10、集成音频功率放大器集成音频功率放大器 1 2 3 4 5 同 相 输 入 反 相 输 入 负 电 压 正 电 压 输 出 上页下页返回 第8章 TDA2030特点特点 电源电压为电源电压为6V18V； 静态电流为静态电流为45mA（典型值）；（典型值）； 当电源电压为当电源电压为14V，负载电阻，负载电阻RL为为4时，输出功时，输出功 率率P0达达18W； 1脚的输入阻抗为脚的输入阻抗为5M（典型值）；（典型值）； 当电压增益为当电压增益为30dB，RL4，P012时的频带宽时的频带宽 度为度为10H14KH。 上页下页返回 第8章 由由TDA2030构成的构成的OCL电路电路 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 上页下页返回 第8章 由由TDA2030构成的构成的OTL电路电路 8.2 直流稳压电源 8.2.1 单相桥式整流电路单相桥式整流电路 8.2.2 滤波电路滤波电路 8.2.3 串联型稳压电路

12、串联型稳压电路 第8章 上页下页返回 概述概述 u1 半导体直流电源的原理方框图半导体直流电源的原理方框图 电源变压器 整流电路滤波电路稳压电路 u2uRuFuo uo uFuRu2u1 第8章 上页下页返回 tt tt t 0 0000 8.2.1 8.2.1 单相桥式整流电路 第8章 上页下页返回 整流：整流：就是将交流电变换成直流电。就是将交流电变换成直流电。 整流电路：整流电路：实现整流功能的电路称为整流电路，常用实现整流功能的电路称为整流电路，常用 二极管来构成。二极管来构成。 整流电路的分类：整流电路的分类： (1)按交流电源的相数可分为单相和多相整流电路；按交流电源的相数可分为单

13、相和多相整流电路； (2)按流过负载的电流波形可分为半波和全波整流电路。按流过负载的电流波形可分为半波和全波整流电路。 u2 D1 D2 D3 D4 RL u1 + u0 + u1在正半周时：在正半周时： D1、D3导通，导通，D2、 D4截止截止 单相桥式整流电路 u2=2U2sint, 第8章 上页下页 u2 u0 （i0） t t U0=? I0=? UDRM=？ 思考： 返回 u1在负半周时：在负半周时： D2、D4导通，导通，D1、 D3截止截止 D理想元件 U0=0.9U2 I0=0.9U2/RL UDRM=2 U2 0 0 负载上得到的脉动电压：负载上得到的脉动电压： 整流电压的

14、平均值 整流电流的平均值 二极管承受的最高 反向电压: UDRM=? UDRM=2U2 uo U0 第8章 上页下页返回 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 根据UDRM和ID,可以选择整流二极管 u2 D1 D2D3 D4 + RL 第8章 上页下页返回 变压器二次侧的电流： i2 U2 RL I2 =1.11 IL 变压器的容量(即视在功率)：S=U2I2 根据S和和I2可以选择变压器 8.2.2 滤波电路滤波电路 第8章 上页下页返回 滤波电路的作

15、用滤波电路的作用：是将整流后脉动的单方向电压、：是将整流后脉动的单方向电压、 电流变换为比较平滑的电压、电流。电流变换为比较平滑的电压、电流。 常用的滤波方法常用的滤波方法: 1、电容滤波、电容滤波 是在整流电路的输出端并联一个容量足够大的是在整流电路的输出端并联一个容量足够大的 电容电容 器，利用电容的充、放电特性，使负载电压器，利用电容的充、放电特性，使负载电压 趋向平滑。趋向平滑。 电容滤波 以单相半波整流滤波电路为例 u2 =2U2sint 第8章 上页下页 RL= RL0 u u2 2正半周上升段，正半周上升段，D D导通，导通，C C充电充电. u. u0 0 跟随 跟随 u u2

16、 2变化变化 t t t u2 u0 u0 返回 Tr D u2 u0 RL C u1 + + + + u u2 2正半周下降段的开始，正半周下降段的开始，D D仍导通，仍导通，u u0 0跟随跟随 u u2 2变化。变化。 C C继续充电继续充电 u u2 2继续下降，继续下降，u u2 2uuC C , ,D D截止， 截止，C C放电，放电， u u0 0按按 指数函数衰减直到指数函数衰减直到 u2u2上升到上升到 u0 u0 ，D D再次导再次导 通，进入下一周期通，进入下一周期 0 0 0 输出电压与负载的关系 0.9U2 电容滤波 无电容 滤波 为了得到较为平直的 输出电压： 一般

17、要求：RLC(35)T/2 T交流电源的周期 U0 = U2 (半波） 1.2U2 (全波） 第8章 上页下页返回 (桥式整流桥式整流) t u0 UDRM=2U2 ？ t u0 0 0 第8章 上页下页 电容滤波的特点电容滤波的特点 返回 电路简单，在轻载时滤波效果明显。但电电路简单，在轻载时滤波效果明显。但电 路的路的 输出电压受负载变化影响较大，负载电流输出电压受负载变化影响较大，负载电流 增加增加 时输出脉动也增加。因此电容滤波适合于时输出脉动也增加。因此电容滤波适合于 要求输出电压较高、负载电流较小（即要求输出电压较高、负载电流较小（即RL大）大） 且负载变化较小的场合。且负载变化较

18、小的场合。 RL L 第8章 上页下页 电感滤波电路电感滤波电路 返回 电感滤波方法：电感滤波方法： 电感滤波特点：电感滤波特点： 电感滤波时，负载电压平均值为：电感滤波时，负载电压平均值为：ULUL=0.9U2 在整流电路和负载之间串入一在整流电路和负载之间串入一 电感线圈即成为电感滤波电路。电电感线圈即成为电感滤波电路。电 感滤波电路利用了电感线圈具有阻感滤波电路利用了电感线圈具有阻 止电流变化这一特性进行滤波。止电流变化这一特性进行滤波。 带负载能力强，特别适宜于大电流或负载变化大带负载能力强，特别适宜于大电流或负载变化大 的场合，但电感元件体积大，比较笨重，成本也高，的场合，但电感元件

19、体积大，比较笨重，成本也高， 元件本身的电阻还会引起直流电压损失和功元件本身的电阻还会引起直流电压损失和功 率损耗。率损耗。 RC滤波 LC滤波 型滤波 RL L C R RL C RLRL R CC C L C 第8章 上页下页 其他形式的滤波电路其他形式的滤波电路 返回 I0 C Ui R4 UBE1 UBE2 Uz Uf R3 R1 Rp R2 T1 T2 RL + UO 8.2.3 串联型稳压电路 基准电压取样环节 第8章 上页下页 1 1. .串联型稳压电路的工作原理串联型稳压电路的工作原理 返回 放大环节调整环节 串联型稳压电路的工作原理串联型稳压电路的工作原理第8章 上页下页返回

20、 2. 集成稳压电路 输出电压固定式两种稳压器： CW7800系列（输出正电压） CW7900系列（输出负电压） CW7800系列稳压 器的外形管脚。 输出电压有：5v、 6V 、 8V、 12V 、15V、 18V、 24V。 12 3 第8章 上页下页返回 - CW7800 UiCiCo 1 2 3 + - + U0 固定输出的接法1 2 3 UiU0地 CW7800 1 2 3 地U0Ui CW7900 集成稳压器的几种应用 1. 提高输出电压 2. 正负电压同时输出 第8章 上页下页返回 CW7805 Ui Ci Uz C0 U0 + + + 3 2 1 3. 扩大输出电流扩大输出电流

21、 第8章 上页下页返回 u I0较小时，UR较小 T的 UBUE0.7V, T截止, IO=IOM u I0较大时，UR较大 T的 UBUE0.7V, T导通， IO=IC+IOM, 输出电流扩大 外形管脚 1 2 3 1 2 3 调 节 输 出 输 入 调 节 输 入 输 出 CW117CW137 CW117和 CW137系列稳压器 输出电压可调 的基本电路 U0Ui I R1 R2 I1 CW117 + _ _ + Ci 3 1 2 C0 RL C 第8章 上页下页返回 - CW117 Ui Ci Co 3 1 2 + - + 固定输出的接法 Ro 1.25V U0=1.25(1+ R2

22、R1 ) 输出电压可调 上页下页返回 第8章 030V连续可调稳压电源连续可调稳压电源 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 可控整流电路 8.3.1 晶闸管 第8章 上页下页返回 8.3 功率半导体器件和功率半导体器件和 变流器变流器 *8.3.3 交流调压和变频电路 *8.3.4 直流调压电路 P N P N 8.3.1 8.3.1 晶闸管晶闸管 基本结构 A阳极

23、 A K阴极 G控制极 G K A G K 第8章 上页下页返回 符号 第8章 上页下页 EA EG K T G L A 晶闸管实验电路示意图 返回 当AK加正向电压、GK不加电压时 灯不亮，说明T不导通 当AK、GK都加正向电压时,灯亮，说明T导通。 将EG撤除时灯依旧亮，说明T仍导通。 将EA撤除时,灯不亮，说明T截止。 A G K 晶闸管导通必须同时具备两个条件晶闸管导通必须同时具备两个条件: : 1.1.晶闸管阳极电路加正向电压晶闸管阳极电路加正向电压; ; 2.2.控制极电路加适当的正向电压。控制极电路加适当的正向电压。 第8章 上页下页 结论结论 返回 控制极只需加触发脉冲即可。控

24、制极只需加触发脉冲即可。 T2 T1 IG EG R EA P2 N1 P1 工作原理分析： P1 N1 N2 P2 A G K 思考题： 晶闸管和二极管、 三极管原理的区别? N1 P2 N2 第8章 上页下页返回 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 上页下页 + _ + _ 没有导通时的特性 导通时的特性 晶闸管的伏安特性 返回 U P1 N1 N2 P2 A G K 控制极未加正向电压时控制极未加正向电压时 控制极加正向电压时控制极加正向电压时

25、 0 晶闸管的主要参数 第8章 上页下页返回 正向转折电压 UBO 反向转折电压 UBR 正向平均电流 UF 维持电流 IH 上页下页返回 第8章 绝缘门极双极型晶体管（绝缘门极双极型晶体管（IGBT） IGBT是一种MOSFET与GTR（大功率双极型晶 体管）的复合器件。 C G E IGBT原理示意图和符号 C G E 门极 发射极 集电极 IGBT是一种既 能控制 其导通又能 控制其关断的功率半 导体器件，当门极加 上一定的正向电压时 管子导通，而当门极 加反向电压时，管子 则被关断。 8.3.2 可控整流电路 第8章 上页下页返回 变流电路有四种基本类型： 整流（ACDC)、逆变（DC

26、AC)、直流调压 （DCDC)、交流调压及变频（ACAC) 可控整流电路的主电路结构形式： 单相半波、单相桥式、三相半波、三相桥式等 可控整流电路的功能： 将交流电变换成电压大小可调的直流电 1 1、单相半波可控整流电路、单相半波可控整流电路 电阻性负载 u =2Usint 第8章 上页下页 u uG u0 uT t t t t 返回 u T Rc uT u0 uG + + + 0 0 0 0 2. 单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路 T1 T2 T4T3 RL 第8章 上页下页返回 uL + i0 u2 u1 + G1G2 G3 G4 + + u =2Usint u t t t uG

27、uL t uG 第8章 上页返回下页 uG1 uG4 uG2 uG3 uG1 uG4 iL uL 导通角导通角 控制角 导通角 单相桥式全控整流电路波形图单相桥式全控整流电路波形图 0 0 0 0 整流输出电压与电流的平均值整流输出电压与电流的平均值 当=0（=180）时 晶闸管在正半周全导通 UL= 0.9U2 当=180（=0）时 晶闸管关断 UL= 0 负载中整流电流的平均值为 IL= UL RL = 0.9 U2 RL 1+cos 2 第8章 上页 1 = 1 2U2(1+cos)=0.9U2 1+cos 2 UL= 2U2Sint dt 返回下页 上页下页 第8章 直流稳压电源直流稳压电源 返回 *8.3.3 交流调压和变频电路 交