第8章功率电子电路

1、ui1R1R2R3R4RbRbui2uo1uoui+-+-AoAo例题例题1：P237 习题习题5.4.8已知已知R1=R2=R3=R4，求求:uo=?解：解：1112121iiouuRRu1342341oiouRRuRRu= 2ui2 - 2ui1= -2(ui1 - ui2)= -2uiR2R1R3R4R5R6R7uoui1ui2AOAO+-uo12V1V10kW6.8kW20kW30kW7.5kW5.1kW1.5kW例题例题2：P238 习题习题5.4.10(a)解：解：VuRRuio4210201121VuRRuRRuioo415 . 7304-1530254134）（第第 8 章章

2、功率电子电路功率电子电路多级放大电路的输出级或输出级的前一级多级放大电路的输出级或输出级的前一级一般都是功率放大级一般都是功率放大级,以将前面电压放大级送来的低频信号，以将前面电压放大级送来的低频信号，进行功率放大，去推动负载工作。进行功率放大，去推动负载工作。一、低频功率放大电路一、低频功率放大电路二、直流稳压电源二、直流稳压电源第第 1 节节 低频功率放大电路低频功率放大电路功率放大电路与电压放大电路的不同：功率放大电路与电压放大电路的不同：电压放大电路：电压放大电路：以输出电压为目的，要求输出足够大的电压，以输出电压为目的，要求输出足够大的电压，晶体管工作在小信号状态。晶体管工作在小信号

3、状态。功率放大电路：功率放大电路：以输出功率为目的，要求不仅能输出以输出功率为目的，要求不仅能输出足够大的电压，还要输出足够大的电流，足够大的电压，还要输出足够大的电流，晶体管工作在大信号状态。晶体管工作在大信号状态。对功率放大电路的基本要求：对功率放大电路的基本要求：1、在不失真的前提下输出尽可能大的功率，、在不失真的前提下输出尽可能大的功率， 为此，晶体管常常工作在极限状态；为此，晶体管常常工作在极限状态；2、非线性失真尽可能小；、非线性失真尽可能小；3、效率要高。、效率要高。效率：效率：负载得到的负载得到的交流信号交流信号功率功率与直流电源供给的与直流电源供给的直流功率直流功率之比值之比

4、值效率、失真和输出功率这三者互有影响效率、失真和输出功率这三者互有影响。功率放大电路的工作状态：功率放大电路的工作状态：功率放大电路功率放大电路 是一个能量转换电路，是一个能量转换电路，在能量转换过程中，在能量转换过程中，有一部分功率被电路本身所消耗，有一部分功率被电路本身所消耗，尤其以晶体管的集电极消耗的功率为重，尤其以晶体管的集电极消耗的功率为重，功率放大电路的损耗主要是指集电极功耗。功率放大电路的损耗主要是指集电极功耗。即：即：PC = uCEiCdtT10T1、甲类工作状态、甲类工作状态uCEiC0Q波形好，波形好，但静态集电极电流但静态集电极电流 IC 较大，较大，所以管耗大，效率低

5、。所以管耗大，效率低。2、乙类工作状态、乙类工作状态uCEiC0Q静态集电极电流静态集电极电流 IC = 0，管耗小，效率高，管耗小，效率高，但波形严重失真。但波形严重失真。3、甲乙类工作状态、甲乙类工作状态uCEiC0Q将静态工作点将静态工作点Q，在乙类状态下，在乙类状态下，沿负载线上移一些，沿负载线上移一些，称为甲乙类工作状态。称为甲乙类工作状态。在提高了效率的前提下，又减小了波形失真。在提高了效率的前提下，又减小了波形失真。功率放大电路一般工作在甲乙类工作状态功率放大电路一般工作在甲乙类工作状态一、基本功率放大电路一、基本功率放大电路1、OCL电路（无输出电容电路）电路（无输出电容电路）

6、T1T2ERL+UCC-UCC+-+-uiuow wtui0为既能提高效率，又能减小信号波形的失为既能提高效率，又能减小信号波形的失真，功率放大电路常采用互补对称电路。真，功率放大电路常采用互补对称电路。静态时，由于采用正负双直流电静态时，由于采用正负双直流电源供电，且源供电，且T1、T2特性完全相同特性完全相同T1T2ERL+UCC-UCC+-+-uiuoiC1iC2 UE = 0V,无直流电压输出无直流电压输出当当 ui0时，时，T1导通，导通，T2截止，负载截止，负载 RL 流过电流流过电流iC1，方向如图所示。，方向如图所示。当当 ui0时，时，T2导通，导通，T1截止，负载截止，负载

7、 RL 流过电流流过电流iC2，方向如图所示。，方向如图所示。由于由于T1、T2都是射极输出器都是射极输出器 uo= uiw wtuo0输出电压输出电压 uo 的波形图为：的波形图为：交越失真交越失真交越失真：输出电压波形过零点附近出现的失真。交越失真：输出电压波形过零点附近出现的失真。 h hmax=4p p100% = 78.5%2、OTL电路（无输出变压器电路）电路（无输出变压器电路）T1T2ERL+UCCR+-+-uiuoRCC1iC1iC2静态时静态时UE =2UCCC被充电到被充电到UC =2UCC同理可证同理可证:h hmax=4p p100% = 78.5%第第 2 节节 直流

8、稳压电源直流稳压电源 原理方框图：原理方框图：交流交流电源电源变压变压整流整流滤波滤波稳压稳压负负载载ut0ut0ut0ut0ut01 整流变压器：整流变压器：将交流电源电压变换为整流需要的交流电压。将交流电源电压变换为整流需要的交流电压。2 整流电路：整流电路：将交流电压变换为单向脉动电压。将交流电压变换为单向脉动电压。3 滤波器：滤波器：减少整流电压的脉动程度，以适合负载的需要。减少整流电压的脉动程度，以适合负载的需要。4 稳压：稳压：稳定直流输出电压，稳定直流输出电压，使输出电压不受电源电压波动和负载变化的影响。使输出电压不受电源电压波动和负载变化的影响。单相桥式整流电路单相桥式整流电路

9、D3ioTru2+RLuo+-abD1D2D4i1i21 工作过程：工作过程：1) 当当u2处于正半周时，处于正半周时， VaVb， D1、D3导通导通；D2、D4截止截止。一：整流电路一：整流电路D3ioTru2+RLuo+-abD1D2D4i1i2电流电流 i1 流通的方向为：流通的方向为：a D1 RL D3 b负载电阻负载电阻RL上得到一个半波电压上得到一个半波电压当当u2处于负半周时，处于负半周时， VbVa电位，电位， D1、D3 截止截止；D2、D4导通导通。电流电流 i2 流通的方向为：流通的方向为：b D2 RL D4 a负载电阻负载电阻RL上又得到另一个半波电压上又得到另一

10、个半波电压io方向不变方向不变, uo极性不变。极性不变。D3ioTru2+RLuo+-abD1D2D4i1i2+-u2w wt0波形图：波形图：uow wt0iouoio由于负载上得到的电压为全波由于负载上得到的电压为全波电压，所以称为全波整流。电压，所以称为全波整流。 虽然负载得到的电压虽然负载得到的电压uo是单方向的（极性一定），是单方向的（极性一定），但但uo的大小是变化的，这种电压称为的大小是变化的，这种电压称为脉动电压脉动电压脉动电压常用一个周期内的平均值来表示其大小脉动电压常用一个周期内的平均值来表示其大小2 整流电压的平均值整流电压的平均值UO =2p p12 2p p02 U

11、2sinw wtd(w wt)= 0.9U2整流电流的平均值为：整流电流的平均值为：Io=UoRL= 0.9U2RL =p p1p p02 U2sinw wtd(w wt)p p2= U223 二极管承受的最高反向压降二极管承受的最高反向压降UDm = U2m=2 U2选择二极管，使：选择二极管，使：UDRMUDmIOM IO21u2w wt0uD0w wt（uD1、uD3）0w wtiD（iD1、iD3）021IID为安全起见，为安全起见，二极管的反向二极管的反向工作峰值电压工作峰值电压UDRM要选得要选得比比UDm大一倍大一倍左右，左右，单相桥式整流电路单相桥式整流电路uoRLu2+-+-

12、例题例题：已知负载电阻：已知负载电阻RL= 80W W，负载电压，负载电压Uo=110V。今采用单相桥式整流电路，交流电源电压为今采用单相桥式整流电路，交流电源电压为380V。如何选用晶体二极管？如何选用晶体二极管？解：解：负载电流：负载电流：Io=UoRL= 1.4A80110=每个二极管的平均电流：每个二极管的平均电流：21ID = IO= 0.7A变压器副边电压的有效值：变压器副边电压的有效值：U2=Uo0.9V1229 .0110UDRM= 122 =173V2因此，选用二极管因此，选用二极管2CZ11C其最大整流电流为其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为，反向工作峰值电压为300

13、V.二、滤波电路二、滤波电路1、电容滤波电路、电容滤波电路u2uoRL+-+-C改善输出电压的脉动程度改善输出电压的脉动程度u2w wt0uow wt0uow wt0滤波后的输出电压波形滤波后的输出电压波形可见：经过电容滤波后，可见：经过电容滤波后，负载电压的脉动减小，平均值提高。负载电压的脉动减小，平均值提高。ioD3Tru2+RLuo+-abD1D2D4i1i2Cuc+-原因解释：原因解释：uC 按指数规律下降按指数规律下降。当当 u2 为正半周且为正半周且 u2uC 时，时，D1、D3导通，电容导通，电容C 被充电，被充电，u2 开始下降，电容开始下降，电容C放电，放电，当充电电压达到最

14、大值当充电电压达到最大值 U2m 后后，经过一段时间后，当经过一段时间后，当uCu2时，时，D1、D3 变为截止，变为截止，2、电感滤波电路、电感滤波电路u2uoRL+-+-L电感滤波的原因电感滤波的原因：电感线圈具有阻止电流变化的特性电感线圈具有阻止电流变化的特性u2uoRL+-+-CL3、电感电容滤波电路（、电感电容滤波电路（LC滤波器）滤波器）进一步减小输出电压的脉动程度，进一步减小输出电压的脉动程度，可以得到甚为平直的直流输出电压。可以得到甚为平直的直流输出电压。 Lu2uoRL+-+-C2C14、p p 形滤波电路形滤波电路u2uoRL+-+-C2C1R由于电感线圈的体积大而笨重，由

15、于电感线圈的体积大而笨重，所以有时候用电阻去代替所以有时候用电阻去代替 p p 形滤波器中形滤波器中的电感线圈，这样便构成了的电感线圈，这样便构成了 p p 形形 RC 滤波器滤波器说明：说明：R 愈大，愈大，C2 愈大，滤波效果愈好。愈大，滤波效果愈好。但但 R 太大，将使直流压降增加，太大，将使直流压降增加，所以，所以，p p 形形 RC 滤波电路，滤波电路，主要适用于主要适用于负载电流较小负载电流较小，而又要求而又要求输出电压脉动很小输出电压脉动很小的场合。的场合。三：直流稳压电源三：直流稳压电源经整流和滤波后的电压经整流和滤波后的电压往往会随着交流电源电压的波动往往会随着交流电源电压的

16、波动和负载的变化而变化。和负载的变化而变化。电压的不稳定有时会产生测量和计算的误差，电压的不稳定有时会产生测量和计算的误差，引起控制装置的工作不稳定，引起控制装置的工作不稳定，甚至根本无法正常工作。甚至根本无法正常工作。特别是精密电子测量仪器、特别是精密电子测量仪器、自动控制、计算装置自动控制、计算装置及晶闸管的触发电路及晶闸管的触发电路等都要求有很稳定的直流电源供电等都要求有很稳定的直流电源供电.所以，经整流、滤波后的电路，所以，经整流、滤波后的电路，还要经过稳压环节。还要经过稳压环节。1、稳压管稳压电路、稳压管稳压电路u2uoRL+-+-CDZR+-UZIZIoUI+-UR稳压过程：稳压过

17、程：1）当电源电压发生波动使）当电源电压发生波动使 u2 上升时上升时UIu2UoUo即为即为UZUo稍有增加稍有增加IZ就显著增加就显著增加IZUR用以抵偿用以抵偿UI的增加的增加UIUo当当u2降低时，稳压过程相反。降低时，稳压过程相反。u2uoRL+-+-CDZR+-UZ2) 当电源电压不变负载发生变化引起负载当电源电压不变负载发生变化引起负载电流增加时：电流增加时：IoIZURUoUI 不变不变只要只要 Uo 下降一点下降一点IZ 就显著减小就显著减小URUo当负载电流减小时，稳压过程相反。当负载电流减小时，稳压过程相反。选择稳压管时，一般取：选择稳压管时，一般取：UZ = UOIZM

18、 = (1.5 3) IOMUI = ( 2 3 ) UO稳压管稳压电路输出电压的大小是固定的，稳压管稳压电路输出电压的大小是固定的，基本上有稳压管的稳定电压决定，基本上有稳压管的稳定电压决定，在使用中很不方便。在使用中很不方便。2、恒压源、恒压源Uo =RFR1UZRRLR1R2RFUoDZUZUI图图a图图a反向输入恒压源反向输入恒压源改变改变 RF 的大小，的大小，可以改变可以改变 UO 的大小。的大小。并且引入电压负反馈并且引入电压负反馈使输出电压更稳定。使输出电压更稳定。RLR1RFUoR2UZUIRDZ图图b图图b同相输入恒压源同相输入恒压源Uo =RFR1UZ1改变改变 RF 的

19、大小，的大小，可以改变可以改变 UO 的大小。的大小。并且引入电压负反馈并且引入电压负反馈使输出电压更稳定。使输出电压更稳定。 为了扩大运算放大器为了扩大运算放大器输出电流的变化范围，输出电流的变化范围，将运算放大器的输出端将运算放大器的输出端接到大电流晶体管接到大电流晶体管T的基极上，的基极上，从从T的发射极输出电压的发射极输出电压UO。3、串联型稳压电源、串联型稳压电源RLR1UoR2UZUIDZATUCEUFIoICUFUBIS基准电压基准电压调整调整比较放大比较放大采样采样稳压过程：稳压过程：UFUO( UZ UF )UBIBICIEUORLR1UoR2UZUIDZATUCEUFIoI

20、CUFUBIS4、集成稳压电源、集成稳压电源 优点：体积小、可靠性高、使用灵优点：体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉等。活、价格低廉等。三端稳压器：三端稳压器：W7800系列、系列、W7900系列系列 W7800系列输出固定的正电压有：系列输出固定的正电压有：5V、8V、12V、15V、18V、24V等等 W7900系列输出固定的负电压有：系列输出固定的负电压有：5V、8V、12V、15V、18V、24V等等输出电压输出电压:UO = ( 1 + )UZR1 R2 123123外形图外形图W78123W79321符号符号W78123 3C1C2+-UIUoC1 是输入滤波电容，是输入滤波电容

21、，用以抵消输入端用以抵消输入端较长接线时的电感效应，较长接线时的电感效应，防止产生自激振荡。防止产生自激振荡。W79123C1C2+-UIUo接线图接线图C2 是输出电容，是输出电容，为了瞬间增减负载电流时为了瞬间增减负载电流时,不致引起输出电压不致引起输出电压有较大的波动。有较大的波动。1 晶闸管：晶闸管： 又名又名可控硅，可控硅， 是一种大功率半导体器件，是一种大功率半导体器件， 它的出现使它的出现使电子技术电子技术由弱电领域由弱电领域 扩展到强电领域扩展到强电领域。 利用晶闸管可以实现利用晶闸管可以实现弱电弱电对对强电强电的控制，的控制， 称为称为变流技术变流技术。 8.3 功率半导体器

22、件和变流电路功率半导体器件和变流电路一一 功率半导体器件功率半导体器件特点：特点：体积小、重量轻、无噪声、寿命长、体积小、重量轻、无噪声、寿命长、 容量大（正向平均电流达千安）容量大（正向平均电流达千安） （正向耐压达数千伏）。（正向耐压达数千伏）。应用领域（变流技术）：应用领域（变流技术）： 整流（交流整流（交流变变直流）直流） 逆变（直流变交流）逆变（直流变交流） 变频（交流变交流）变频（交流变交流） 斩波（直流变直流）斩波（直流变直流）1） 工作原理工作原理（1） 结构结构P1P2N1N2四四 层层 半半 导导 体体PNPN四层半导体结构四层半导体结构三三 个个 PN结结A（阳极）（阳极

23、）K（阴极）（阴极） G（控制极）（控制极）符号符号（2） 工作原理工作原理AKG阳极阳极阴极阴极控制极控制极GKP1P2N1N2AGPPNNNPAKIG1IB等效为由二个三极等效为由二个三极管组成管组成UGKT1、T2都导通后，即使去掉都导通后，即使去掉UGK， T1、T2仍然导通仍然导通GPPNNNPAKKAGT1T2RAUA+-IB12IB（1）晶闸管具有单向导电性。）晶闸管具有单向导电性。若使其关断，若使其关断，必须降低必须降低 UAK 或加大阳极电阻，或加大阳极电阻，把阳极电流减小到维持电流把阳极电流减小到维持电流IH以下。以下。正向导通条件：正向导通条件：A、K间加正向电压，间加正

24、向电压，G、K间加正的触发信号。间加正的触发信号。晶闸管的工作原理小结晶闸管的工作原理小结（2）晶闸管一旦导通，控制极便失去作用。）晶闸管一旦导通，控制极便失去作用。IH维持晶闸管正向导通的最小电流维持晶闸管正向导通的最小电流2） 特性与参数特性与参数（1）. 特性特性UAKIIHIFIG=0时时有有IG时时正向正向反向反向UAK - 阳极、阴极间的电压阳极、阴极间的电压, I - 阳极电流阳极电流UBO正向转折电压正向转折电压截止截止导通导通导通后管压降约为导通后管压降约为1V额定正向额定正向平均电流平均电流维持电流维持电流UBR反向击穿电压反向击穿电压IG增大增大 正向特性：正向特性： 控

25、制极开路时，随控制极开路时，随UAK的加大，阳极电流逐渐增的加大，阳极电流逐渐增加。当加。当U = UBO（正向转折电压）时，晶闸管自正向转折电压）时，晶闸管自动导通。正常工作时，动导通。正常工作时， UAK应小于应小于 UBO 。反向特性：反向特性： 随反向电压的增加，反向漏电流稍有增加，当随反向电压的增加，反向漏电流稍有增加，当 U = UBR （反向击穿反向击穿电压）电压）时，反向击穿。正时，反向击穿。正常工作时，反向电压必须小于常工作时，反向电压必须小于UBR。UDRM：正向阻断电压：正向阻断电压晶闸管耐压值。一般取晶闸管耐压值。一般取 UDRM = 80% UBO （正向（正向转折电

26、压）。转折电压）。普通晶闸管普通晶闸管UDRM 为为 100V-3000V（2）. 主要参数主要参数UIIHIF额定额定正向正向平均平均电流电流UBO正向转折正向转折电压电压UBR反向击穿电压反向击穿电压UDRM控制极断路时，可以重复作用在晶闸管上的反向电控制极断路时，可以重复作用在晶闸管上的反向电压。一般取压。一般取URRM = 80% UBR（反向击穿电压）。普（反向击穿电压）。普通晶闸管通晶闸管URRM为为100V-3000V）URRM：反向峰值电压：反向峰值电压UIIHIF额定额定正向正向平均平均电流电流UBO正向转折正向转折电压电压UBR反向击穿电压反向击穿电压UDRMURRMIF：

27、额定正向平均电流：额定正向平均电流：通用系列为：通用系列为：1、5、10、20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A 等等14种规格。种规格。UIIHIF额定额定正向正向平均平均电流电流UBO正向转折正向转折电压电压UBR反向击穿电压反向击穿电压UDRMURRM2 绝缘门极双极晶体管绝缘门极双极晶体管全控型器件：全控型器件：既能控制器导通，又能控制其关断既能控制器导通，又能控制其关断的功率半导体器件。的功率半导体器件。1）GTR: 大功率双极晶体管，大功率双极晶体管，空穴和电子均参与导电。空穴和电子均参与导电。优点：优点： 控制方便、开关时间短、控制方便

28、、开关时间短、 高频特性好、通态压降低等。高频特性好、通态压降低等。特点：特点： 通过基极信号可方便地进行通、断控制。通过基极信号可方便地进行通、断控制。缺点：缺点： 耐压较低、耐压较低、 容易被二次击穿等。容易被二次击穿等。P-MOSFET: 大功率金属氧化物场效应管，大功率金属氧化物场效应管， 单极型电压控制半导体器件。单极型电压控制半导体器件。优点：优点：驱动功率小、开关速度快等。驱动功率小、开关速度快等。缺点：缺点：通态压降较大等。通态压降较大等。特点：特点：垂直导电结构垂直导电结构IGBT: MOSFET与与GTR的复合器件，的复合器件， 结合了二者的优点。结合了二者的优点。GCEGCE结