功率电子电路

—电工电子学—西北大学化工学院下页上页1第8章功率电子电路8.1低频功率放大电路8.2直流稳压电源8.3功率半导体器件和变流电路主要内容—电工电子学—西北大学化工学院下页上页28.1低频功率放大电路主要内容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—电工电子学—西北大学化工学院下页上页31.功率电子电路：根据功能分为两类：（1）功率放大：即将输入信号放大，使负载获得所需要的信号功率。（2）能量变换：进行交、直流电能的变换，向负载提供直流功率或交流功率。有整流电路、逆变电路。8.1.1概述2.功率电子电路的类型:3.功率放大电路:放大电路的输出不仅要有足够大的电压，还要输出足够大的电流，能推动负载正常运行，这样的电路称为功率放大电路。向负载提供功率为主要目的的电子电路。它不仅要输出足够大的电压，也要输出足够大的电流。该电路中一定含有大功率电子器件。—电工电子学—西北大学化工学院下页上页45.功率放大电路的效率：8.1.1概述提高功率放大电路效率的方法是，减小功率管的集电极功耗。效率指输出的信号功率PO与电源输出（消耗）功率PS的百分比，即100%OSPP4.功率放大电路的要求:（1）输出功率尽可能大，使负载能获得所需的功率。输出电流和电压较大，功率管工作在接近于极限状态。（2）非线性失真尽可能小。（3）效率要高。功率放大电路是个能量转换电路，转换效率是一个重要的问题。功率管的集电极功耗为：01TCCECPuidtT—电工电子学—西北大学化工学院下页上页58.1.1概述6.功率放大电路的静态工作点：（1）甲类工作状态特点是：静态集电极电流大，波形好，无失真，但管耗大，效率低。（2）乙类工作状态特点是：静态集电极电流为零，管耗小，效率高，但波形严重失真，晶体管只在半个周期内导通；所以采用对称互补电路实现功率放大。由于晶体管有死区电压，所以在输出波形过零点附近会出现失真，称为交越失真。（3）甲乙类工作状态特点是：静态集电极电流很小，波形好，无失真，管耗小，效率高。ICUCEiCtQiCiCttQQICICUCEUCE甲乙类工作状态乙类工作状态甲类工作状态000000功率放大电路工作在大信号状态，所以常用估算法或图解法。—电工电子学—西北大学化工学院下页上页68.1.2基本功率放大电路功率放大电路的形式有：（1）变压器耦合方式①无变压器输出电路(OTL)：用单电源,通过容量较大的电容与负载耦合,实现功率放大,称为无输出变压器（OutputTransformerless）电路。②无输出电容电路(OCL)：使用双电源,使互补对称电路直接与负载相连,省去输出电容,构成无输出电容（OutputCapacitorless）电路。+UCCRLT1uiT2+-Tr1Tr2RLui+UCCRBCTTr特点是：优点是利用变压器的变阻作用，实现阻抗匹配，负载能获得最大功率；但变压器体积大，重量重，易引入电磁干扰，频带窄，电路不能集成化。（2）互补对称电路—电工电子学—西北大学化工学院下页上页78.1.2基本功率放大电路1.OCL电路：R2ui++UCCRLT1-bauo-UCCR1T2uoui（1）OCL电路原理图（2）工作原理:在ui的正半周，+UCC使T1导通，T2截止,负载得到正半周输出。iC1iC2ωtωtT1、T2特性完全相同,常采用对管；T1为NPN管，T2为PNP管；使用正负两个电源+UCC、-UCC。（3）特点:（理想情况）最大输出功率：最高效率：交越失真max100%78.5%42max12CCLUPROCL电路线路简单，效率高；但有交越失真，T1、T2必须对称。在ui的负半周，-UCC使T2导通，T1截止,负载得到负半周输出。iB2iB1R1=R2—电工电子学—西北大学化工学院下页上页88.1.2基本功率放大电路（4）实用的OCL电路D1、D2为T1、T2的发射结提供偏置电压，用来消除交越失真。引入负反馈使放大电路工作比较稳定，具有较好的放大性能。RB2ui++UCCD1D2RLT1-uo-UCCRB1T2A0+-+RE1RE2R1R2R3ERE1、RE2起电流串联负反馈作用；R1、R2起电压串联负反馈作用。RB1、RB2使T1、T2的偏置电阻。集成运放构成同相输入前置放大电路，放大倍数为：T1、T2构成互补对称功放。211fRARRB1=RB2RE1=RE2uo11ofiuAu—电工电子学—西北大学化工学院下页上页98.1.2基本功率放大电路2.OTL电路：Rui++UCCRLT1-uoRT2（1）OTL电路原理图（2）工作原理:在ui的正半周，T1导通，负载得到正半周输出，同时,电容C充电，电压UC充电到UCC/2。该电压UC是信号负半周时T2的电源。iC1iC2电路使用单电源+UCC，两个电阻R分压，使静态时T1、T2的基极电位（3）特点:（理想情况）最大输出功率：最高效率：max100%78.5%42max18CCLUPROTL使用单电源，效率高；但有交越失真，电容C要足够大。C+C1+-T1、T2的发射极通过大容量电容C和负载RL相连，发射极电位在ui的负半周，电容上电压UC≈UCC/2使T2导通，负载得到负半周输出。UBUE2CCBUU2CCEUU—电工电子学—西北大学化工学院下页上页108.1.2基本功率放大电路（4）实用的OTL电路D1、D2为T1、T2的发射结提供偏置电压，用来消除交越失真。引入负反馈使放大电路工作比较稳定，具有较好的放大性能。RB2ui++UCCD1D2RLT1+uoRB1T2A0+-+RE1RE2RR3C2ERE1、RE2起电流串联负反馈作用；R1、R2起电压串联负反馈作用。RB1、RB2使T1、T2的偏置电阻。两个R分压使集成运放输入端静态电位为UCC/2。C1、C2为隔直电容。R1R2RC1C大容量电容C为耦合电容。R3为用于增加输入电阻。—电工电子学—西北大学化工学院下页上页118.1.3集成功率放大器举例TDA2030集成音频功率放大器（OCL电路）12345启动偏置电路同相输入反相输入负电源输出正电源输入级中间级输出级短路过热保护短路过热保护5脚塑封结构特点：+-12345转换效率高、失真小、输出功率大外围电路简单，被广泛使用。电源为±6～±18，静态电流45mA。当UCC=±14V时，负载RL=4Ω时，输出功率PO达18W，电压增益为30dB（31.6倍），频带宽10HZ～14KHZ—电工电子学—西北大学化工学院下页上页128.1.3集成功率放大器举例典型应用一：TDA2030集成音频功率放大器接成OCLR2、C2、R3构成电压串联负反馈，改变R2或R3可改变电压增益。12345TDA2030uiR1R2R3R4C1C2C3C4C5D1D2D3D4+UCC-UCCRLD1、D2用作输出保护；R4、C5用以补偿高频时喇叭的电感，使其在高频时有较好的特性。C3、C4作电源滤波；D3、D4防止电源反接。1μF0.1μF22μF0.1μF0.22μF680Ω22kΩ22kΩ1Ω+-—电工电子学—西北大学化工学院下页上页138.1.3集成功率放大器举例典型应用二：TDA2030集成音频功率放大器接成OTLR1、R2分压使1脚电压为UCC/2，R3用于提高输入电阻。12345TDA2030uiR2R5R6R4C1C2C3C5D1D2D3+UCCRL大容量电容C为耦合电容。C2000μFR1R3C4100kΩ100kΩ100kΩ150kΩ1Ω4.7kΩ0.1μF0.22μF2μF5μF22μFD1、D2用作输出保护；C3作电源滤波；D3防止电源反接。+-—电工电子学—西北大学化工学院下页上页148.2直流稳压电源主要内容8.2.1单相桥式整流电路8.2.2滤波电路8.2.3串联型稳压电路8.2.4开关型稳压电路—电工电子学—西北大学化工学院下页上页15基本概念整流滤波电路的需要很多场合需要直流电源，而一般供电是50HZ的交流，所以要将交流变成直流，即直流稳压电源。整流电路——将交流变成脉动的直流直流稳压电源的组成整流电路滤波电路稳压电路220V50HZ变压器滤波电路——将脉动直流变成比较平稳的直流稳压电路——将比较平稳的直流变成稳定的直流RLu1u2—电工电子学—西北大学化工学院下页上页161.电路结构RLDTrabu2uDuL～220V2.工作原理及各点波形由变压器Tr、二极管D、负载RL组成。设变压器副边电压为：22u2sinUt在u2的正半周，D承受正向电压而导通，电流从a点流出。经D、RL流入b点，负载RL上电压等于uL。在u2的负半周，D承受反向电压而截止，负载RL上电压等于零。uLu2uDiLiDωtωtωtωtiLiD-+-++-单相半波整流电路—电工电子学—西北大学化工学院下页上页173.单向半波整流电路的特性①输出电压平均值L222012U=2sin0.452UtdtUUuLu2uDiLiDωtωtωtωt②二极管平均电流、负载平均电流2I0.45DLLUIR③二极管承受的最大反向电压22RMUU单相半波整流电路RLDTrabu2uDuL～220ViLiD-+-++-—电工电子学—西北大学化工学院下页上页18uLu2uDiLiDωtωtωtωt4.二极管的选用二极管的最大整流电流IOM，要大于负载电流平均值IL。二极管的反向工作电压URM，要大于变压器副边电压的幅值UM。实际选用时要有10%的余量。5.电路特点电路简单，整流元件少；输出电压低，脉动大，效率低。单相半波整流电路RLDTrabu2uDuL～220ViLiD-+-++-—电工电子学—西北大学化工学院下页上页19单相半波整流电路应用举例例图示整流电路中。RL=200Ω，U2=20V，试求：(1)负载上电压和电流平均值；(2)二极管承受的最大反向电压和通过的平均电流。(1)负载电压平均值RM2U=222028.2UV(2)二极管承受的最大反向电压2200.450.450.045A45mA200LLUIR解：L2U=0.45U=0.4520=9V负载电流平均值二极管流过的平均电流45DLIImARLDTrabu2uDuL～220ViLiD-+-++-—电工电子学—西北大学化工学院下页上页20RLD1Trabu2uL简化画法1.电路结构D2D3D4RLTrabu2uL2.工作原理在u2的正半周：D1、D3、导通，D2、D4截止；负载RL上电压等于u2的正半周；D2、D4承受反向电压为u2。在u2的负半周：D2、D4导通，D1、D3截止；负载RL上电压等于u2的负半周；D1、D3承受反向电压为u2。在正、负半周，负载中电流方向相同8.2.1单相桥式整流电路u1u1++++----++--iLiL—电工电子学—西北大学化工学院下页上页21RLD1Trabu2uLD2D3D43.各点波形iDu2uDiLuLωtωtωtωtiD1iD3iD2iD4uD4uD1uD3uD2iD1iD3iD2iD4iLωt⑤二极管反向电压uD波形如图+++---u1①变压器次级电压u2；④二极管电流iD；③负载电流iL；②负载电压uL；π2π3π变压器次级电流i2波形如图i2i28.2.1单相桥式整流电路①②③④⑤—电工电子学—西北大学化工学院下页上页224.特性①输出电压平均值（直流分量）L2220122U=2sin()0.9UtdtUU②负载电流平均电流L2U0.9LLLUIRR③每只二极管平均电流22DRMUU2DL1I0.452LUIR④二极管承受的最大反向电压iDu2uDiLuLωtωtωtωtiD1iD3iD2iD4uD4uD1uD3uD2ωtπ2π3πi2⑤变压器次级电流(是正弦波,有效值)为221.111.11LLLLUUIIRR8.2.1单相桥式整流电路—电工电子学—西北大学化工学院下页上页235.二极管的选用二极管的反向工作电压URM