第1章 功率电子线路

1、1.1 功率电子线路概述功率电子线路概述1.2 功率放大器的电路组成和工作特性功率放大器的电路组成和工作特性1.3 乙类推挽功率放大器乙类推挽功率放大器1.4 整流与直流稳压电路整流与直流稳压电路第第1章章 功率电子线路功率电子线路1.1 功率电子线路概述功率电子线路概述 功率电子线路是高效率地实现能量变换和控制的一功率电子线路是高效率地实现能量变换和控制的一类电子线路。根据应用领域和处理对象不同，功率电子类电子线路。根据应用领域和处理对象不同，功率电子线路可分为功率放大电路和电源变换电路两大类。线路可分为功率放大电路和电源变换电路两大类。调制音频或视频放大高频功放高频放大中频放大混频解调音频

2、或视频功放高频放大倍频高频振荡本地振荡音频或视频信号1.1.1 功率放大器功率放大器功率放大器的特点： (1) 给负载提供足够大的功率 (2) 大信号工作 (3) 分析方法以图解法为主 (4) 非线性失真矛盾突出 (5) 提高效率成为重要的关注点 (6) 功率器件的安全问题必须考虑oCDPP1. 功率放大器的主要指标功率放大器的主要指标(1) 输出功率输出功率 功率放大器应输出足够大的输出功率 以推动负载工作。oPoP(2) 效率效率C 功率放大器的效率定义为功率放大器的输出信号功率 与直流电源供给功率放大器功率 之比, 用 表示，即DPCoP直流电源供给的功率晶体管的管耗 结论：对于功率放大

3、器，提高效率是一个重要问题。DPCPCDoPPPoCoCoDPPPPP(3) 非线性失真非线性失真 功率放大器为了获得足够大的输出功率，需要大信号激励， 从而使信号动态范围往往超出晶体管的线性区域，导致输出信号失真。因此减小非线性失真，成为功率放大器的又一个重要问题。 概括起来说，要求功率放大器在保证晶体管安全运用的情况下，获得尽可能大的输出功率、尽可能高的效率和尽可能小的非线性失真。2. 功率放大器的分类功率放大器的分类 功率放大器根据功放管导通时间的长短（或集电极电流流通时间的长短或导通角的大小）。分为4种工作状态： 甲类(A)、乙类(B)、甲乙类(AB)、丙类(C)(1) 甲类工作状态甲

4、类工作状态 在整个周期内晶体管集电极电流始终是流通的, 即导通角等于180。特点：特点： A类工作时非线性失真小，但注意：直流工作点Q的位置较高(ICQ大)，效率太低，且没有收到信号时，电源仍供给功率(ICQ0)，这些功率将转化为无用的管耗。(2) 乙类工作状态乙类工作状态 晶体管的发射结在输入信号的半个周期正向运用，在另外半个周期反向运用，晶体管半周导电半周截止。集电极电流只在半周内随信号变化，而在另外半个周期截止, 即导通角等于90。特点：特点： 非线性失真虽大(波形只有半周)，但工作点Q选在截止点，直流电流为零，效率很高，只要在电路结构上加以弥补，非线性失真是可以减小的。(3) 甲乙类工

5、作状态甲乙类工作状态 它是介于甲类和乙类之间的工作状态，静态工作点Q较低，靠近截止区，即发射结处于正向运用的时间略超过半个周期，小于一个周期，即导通角大于90小于180。 (4) 丙类工作状态丙类工作状态 工作点Q选在截止区内，晶体管发射结处于正向运用的时间小于半个周期，集电极电流流通的时间还不到半个周期，即导通角小于90。 主要用于高频功率放大器中。饱和区饱和区截止区截止区放大区放大区ICEO vCE iCCEcBEvifv常量BEcCEvifv常量BBVQQ090cBEvci0 180c丙丙(C)类类:090c转移特性曲线输出特性曲线饱和区饱和区截止区截止区 在相同激励信号作用下，丙类功放

6、集电极电流的流通时间最短，一个周期平均功耗最低，而甲类功放的功耗最高。 甲甲乙乙丙 理想情况下，甲类功放的最高效率为50%，乙类功放的最高效率为78.5%，丙类功放的最高效率可达85%90%。但丙类功放要求特殊形式的负载，不适用于低频。低频功率放大器只使用前三种工作状态。 提高效率是功率放大器的研究方向。另一种提高效率的途径：管子开关工作。 丁类(D) 戊类(E) 半个周期饱和导通： 另半个周期截止： 管耗始终很小，效率很高。0)(satCECEVv0CiCECCviP 1.2 功率放大器的电路组成和工作特性功率放大器的电路组成和工作特性1.2.1 甲类甲类(A类类)功率放大器功率放大器1.

7、电路电路 图中RB为偏置电阻，其值决定了Q点的ICQ及IBQ。如果变压器是理想的，则直流工作点电压VCEQ=VCC，直流负载线为一垂直线，而交流负载线通过Q点，其斜率为(-1/RL) 。 甲类变压器耦合功放1.2.2 乙类推挽功率放大器的工作原理乙类推挽功率放大器的工作原理1.电路结构电路结构0iC1t0iC2t0iLtLC1C2cmLLcmLcmLsinsinsinIiiiItvVitRRtviiC1iC22. 工作原理工作原理 静态时，T1、T2都不可能导通，处于截止状态，静态工作电流ICQ=0。 动态时，当输入信号正半周，T1导通，T2截止，在RL上给出上半周信号；当输入信号负半周，T1

8、截止，T2导通，在RL上给出下半周信号。在输入信号一个周期里，T1、T2交替工作，在负载RL上合成一个完整的输出波形。 3.性能分析（图解法）性能分析（图解法）画负载线： 充分激励，尽限运用时：cmCCCE(sat)CCVVVV2VCC0IcmVcmvCE1iC10(0, VCC)2TCCLVRDAQBiCE(sat)VvCE2iC20vCE1iC10tttIcmLitBiADQVCC-VCCQAIcmD2VCC-2VCC求性能指标：,oDCCP PPoLPP尽限运用时：2max12CCoLVPR1202DDDCCCPPPVI00sin21cmcmCIttdII2DCCcmPVI尽限运用时：m

9、axmax24CCDCCoLVPVPR(1)(2)22cmcmIV12cmcmV I212cmLVR212cmLIR()(0)CE satV1224cmcmoDCCcmcmCCCV IPPVVVImax,78.5%4cmCCCVV尽限运用时：电源电压利用系数：,0,1cmCCVV非尽限运用：2222max1122cmCCooLLVVPPRR2max224cmCCDCCoLLVVPVPRR(3)4C12CCCPPP求最大管耗：1220,0,0.636CdPd(4)212maxmax121()22CCDoooPPPPPP1max2maxmaxmax220.2CCooPPPPCmax(0.785)0

10、P0.636Dmaxomax(1.27)PPomaxP0PC1max0.4oPDPoPC功率管选择：CMoCCCMLCCCCEOBRCCCEPPPPIRViVVvmaxmax2max1max)(max2 . 02（集电极击穿电压）（集电极击穿电压）（集电极最大允许电流）（集电极最大允许电流）（集电极最大允许管耗）（集电极最大允许管耗）1.3 乙类推挽功率放大电路乙类推挽功率放大电路一、交越失真（交叉失真）一、交越失真（交叉失真） 考虑到功率晶体管发射结导通电压的影响，在零偏置情况下，当iC1与iC 2相互交替时，（iC1-iC2）的波形和正弦波形相差较大。结论：乙类推挽放大器所特有的失真结论：

11、乙类推挽放大器所特有的失真交越失真。交越失真。 0vBE2vBE1iC20vi0iL交越失真iC1ttvBE(on)消除交越失真消除交越失真 给两只晶体管的发射结加很小的正偏压，让两只晶体管各有一个很小的电流ICQ流过。既可以基本上消除交越失真，又不会对效率有很大的影响。加正偏压后, 对应负载电流（iC1-iC2）的波形iC1vBE2vBE1Q1Q2QiC20viiL= ic1- ic20ttBEQV甲乙类：由于正偏压较小，静态电流很小，所以一般其分析计算按乙类功率放大器对待。 二极管偏置电路：T0为推动级（驱动级、激励级、前置级）甲类D1、D2两端电压为T1、T2所需的偏置电压，克服交越失真

12、。D1D2viVCCT1T2voVCCRLiC1iC2ICOT0甲乙类推挽功率放大器加正向偏置的常用形式(a) R为T2、T3提供偏置电压，C保证基极B1、B2交流等电位。(b) 在集成电路中，二极管由集基相连接的三极管取代。T4、T5为为功率管提供偏置 。(c) VBE倍增偏置电路：T1、R1、R2组成。B1B2(b)viVCCT1-VCCT5T4T3T2voRL-+viRbVCCRcRCT1T3T2RL-VCC(a)viVCC-VCCR1R2R3T4IR2IR1T1+-VBBT2RLvo(c)RT3 双电源供电功放，当无输入信号时，静态输出电位为零，负载RL可直接连到功放电路输出端，不需要

13、输出耦合电容，因此这种电路又称OCL（Output Capacitor Less）电路。 1112122()(1)BEBBBEVRVRRVRR优点：(1) 调R1、R2比值调偏置 (2) R1引入电压反馈，使“输出电阻”很小，不影响交流传输。 (3) 具有热补偿作用。二、单电源供电的互补推挽电路（二、单电源供电的互补推挽电路（OTL）静态：O点电位 ，电容C的直流电压为VCC/2。动态：当T1导通、T2截止时，VCC给负载RL提供电流；当T1截止、T2导通时，电容C充当T2的电源。 C足够大，电容电压可以保持基本恒定VC C/2。 负载得到的交流电压振幅的最大值为CCOVV212CComVV结

14、论：单电源供电电路等效为结论：单电源供电电路等效为VCC/2和和-VCC/2的双电源供电电路的双电源供电电路三、准互补推挽电路三、准互补推挽电路组成复合管的原则有以下几点：(1) 电流流向要一致。(2) 各极电压必须保证所有管子工作在放大区。(3) 因为复合管的基极电流iB等于第一个管子的iB1，所以复合管的性质取决于第一个晶体管的性质。R1和R2作用： 分流反向饱和电流目的： 提高功放的温度稳定性。 准互补功率放大器四、保护电路四、保护电路 管耗PC过大将导致功放管损坏，限制管耗可有效地保护功放管。限制管耗的常用方法是限制流过功效管集电极的电流（即输出电流Io） 正常情况下，保护电路不起作用

15、。viVCCT1voD2D1R1T3RL-VCC(a)T2viVCCT1voD2D1RRL-VCC(b)T3T2IoD4D3Re2Re3Re3Re2T4T5 整流整流的任务是将电力网提供的频率为50Hz的交流电压变换为直流电压（或电流）。 直流稳压电源直流稳压电源的基本任务是将电力网交流电压变换为电子设备所需要的稳定的直流电源电压（或电流）。1.4 整流与直流稳压电路整流与直流稳压电路一、整流电路一、整流电路 利用二极管的单向导电性能可实现整流。常用的整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流和倍压整流。1. 半波整流半波整流()2220122sin0.452O AVVVtd tVV()2()0.

16、45O AVO AVLLVVIRR加滤波电容的半波整流滤波电路ODii ，平均分量为输出整流电流OI2OVV输出整流电压LLCR增大纹波电压减小滤波能力提高LCABOIOVv2DRLvo+-T(a)+-+v20234V2mt0vot0iD(b)t1tRD2. 全波整流电路全波整流电路20.9OVV3. 桥式整流电路桥式整流电路加滤波电容的桥式整流电路LD1D3D2D4D3iD3iD4i21.2OVV三种整流电路性能比较三种整流电路性能比较1. 输出整流电压：全波、桥式比半波大2. 输出整流电流：3. 纹波电压：全波、桥式比半波小4. 二极管承受的最大反向电压（二极管对耐压的要求）： 半波：2V2m ； 全波：2V2m ； 桥式：V2m 流过二极管的平均电流（二极管最大整流电流）； 半波： 全波、桥式：221.11.2OVVVLOORVIODIIODII21结论：全波和桥式性能比半波电路好，而桥式比全波简单，结论：全波和桥式性能比半波电路好，而桥式比全波简单，应用最广。应用最广。二、串联型稳压电路二、串联型稳压电路目的： 输出电压不受输入电压和负载