1、第8章功率電子電路8.1 低頻功率放大電路8.2 直流穩(wěn)壓電路8.3 功率半導(dǎo)體器件和變流電路功率電子電路的分類功率電子電路一般可分為兩種類型：1.將信號加以放大，使負(fù)載獲得所需的信號功率，常稱功率放大器；2. 進行交直流的電能變換，向負(fù)載提供直流功率或交流功率，即直流穩(wěn)壓電源及變流電路。8.1 低頻功率放大電路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：（1）輸出功率盡可能大，即輸出電流和輸出電壓都要盡可能大，因此功率管通常工作在近于極限狀態(tài)；（2）非線性失真盡可能小，通常用負(fù)反饋等措施來實現(xiàn)； = PO 100%（3）效率要高。PS=

2、 1 T uPidt集電極功耗要盡可能小CCECT0晶體管的工作狀態(tài)（a)甲類：波形好，但管耗大，效率低。（b)乙類：IC為零，因此管耗小，但波形嚴(yán)重失真。（c)甲乙類：介于甲、乙類之間，可消除交越失真，功放電路常用的工作狀態(tài)。8.1.2基本功率放大電路（1）OCL電路（OutputCapacitorless)（1)OCL電路= (Uom/2 ) 2= 1 (UCC - UCES) 2P最大輸出功率omaxRL2RL+P= 2 1UP= PIsintd(t)直流電源功率SS +S -CCcm 20= 2 UCC (UCC - UCE S )RL= Pomax100% = UCC - UCES效

3、率max100%PS4UCC= 100%= 78.5%hmax若忽略飽和壓降4OCL功率放大電路其中：(1)D1、D2用來消除交越失真；(2)R1、R2引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋。電壓放大倍數(shù):Af 1 + R2R1（2)OTL電路（OutputTransformerless)特點：（1）單電源供電，電容 起到負(fù)電源的作用；（2）只能放大交流信號，不能放大直流信號；（3）靜態(tài)時基極電位：UB=UCC/2。（2)OTL電路1 UCC - UCE S( 2) 2) 21 (U- 2UPom ax = 2= CCCE SRL最大輸出功率RL8UCC ( 1 UCC - UCE S )112R直流電源功率PS

4、 = UCC I cm = L= 1 UCC (UCC - 2UCE S )2RLm ax = Pomax= UCC - 2UCE S 78.5%效率PS4UCCOTL功率放大電路其中：(1) C1、C2為隔直電容；R3用來增加輸入電阻；(2) 動態(tài)時，電路的電壓放大倍數(shù):A 1 + R2uR18.1.3集成功率放大器舉例TDA2030管腳圖TDA2030接成OCL電路TDA2030接成OTL電路8.2 直流穩(wěn)壓電源8.2.1單相橋式整流電路8.2.2濾波電路8.2.3串聯(lián)型穩(wěn)壓電路8.2.4開關(guān)型穩(wěn)壓電路直流穩(wěn)壓電路的原理框圖8.2.1單相橋式整流電路（1）U2在正半周時，D1、D3導(dǎo)通而D

5、2、D4截止，電流如圖中實線所示；（2）U2在負(fù)半周時，D2、D4導(dǎo)通而D1、D3截止，電流如圖中虛線所示。由此，u2是交變的，而uL是大小變化而方向不變。單相脈動電壓的平均值= 1 0U2Usintd(tL2= 22 U2 0.9U2負(fù)載電流的平均值= UL= 0.9 U 2I LRLRL每個二極管的電流平均值I D = 1/2IL = 0.45UR /RL最大反向電壓U DRM=2U 2單相橋式整流電路的波形圖例8.2.1某一負(fù)載需要18V，1A的直流電源供電，如采用單相橋式整流電路，試計算：（1） 變壓器二次側(cè)的電壓和電流有效值及變壓器容量；（2） 流過整流二極管的平均電流和承受的反向電

6、壓最大值解：（1）變壓器二次側(cè)的電壓和電流有效值U2=UL/0.9=1.11UL=1.111820 （V）I2=1.11IL=1.111=1.11(A)變壓器容量 SU2I2=201.11=22.2（2）流過每個二極管的電流平均值ID =IL /2= =0.51=0.5(A)每個二極管所承受的最大反向電壓(VA)UDRM=2U2 =22028（V）例8.2.2 有一額定電壓為24V，阻值為1K的直流負(fù)載， 采用單相橋式整流電路供電，求：（1） 變壓器付繞組的電壓和電流值（U2,I2）；（2） UDRM并選擇二極管的型號。解：（1）變壓器付繞組的電壓和電流分別為U2=UL/0.9=1.11UL=

7、1.112426.6 （V）I2=1.11IL=1.1124=26.6(mA)UDRM=2U2 =226.637.5（V）ID =IL /2= =0.524=12(mA)(2)查附錄，二極管可選用2CP11，最大整流電流為100mA，最高反向工作電壓為50V。8.2.2濾波電路電容濾波當(dāng)u2為正半周且u2uc時，D1、D3導(dǎo)通，C充電，達(dá)到最大值U2m后， u2開始下降，電容放電，當(dāng)ucu2， D1、D3截止， uc按指數(shù)規(guī)律下降；當(dāng)u2為負(fù)半周時，情況類似。由圖可見，濾波后 ，uL脈動減少，平均值提高。UL1.2U2其它形式的濾波電路電容濾波的特點是電路簡單，適用于輸出電壓高、負(fù)載電流小且負(fù)

8、載變化不大的場合。除電容濾波外，還有電感濾波、RC濾波、LC濾波和型濾波等多種形式。電感濾波電感濾波的特點是帶負(fù)載能力強，適用于大電流或負(fù)載變化大的場合，但電感體積大且笨重。8.2.3串聯(lián)型穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路的主要質(zhì)量指標(biāo)：1）穩(wěn)壓系數(shù)（電壓調(diào)整率）Sv：= DUO /UOR= 常數(shù)SVLDU/UII2）輸出電阻（動態(tài)電阻）RO：= DUOU= 常數(shù)ROIDIO8.2.3串聯(lián)型穩(wěn)壓電路調(diào)整管取樣網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電壓源比較放大器1. 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理UO UF UB IB IC UO R2= R1 + R2UF=URE FUO=UUR1+ R2ORE FR22. 集成穩(wěn)壓電路固定輸出三端集成穩(wěn)壓器

9、CW7800系列該系列輸出正電壓，其中符號 “00”用數(shù)字代替，表示輸出電壓值。2. 集成穩(wěn)壓電路固定輸出三端集成穩(wěn)壓器CW7900系列該系列輸出負(fù)電壓，其中符號 “00”用數(shù)字代替，表示輸出電壓值。2. 集成穩(wěn)壓電路可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器CW117和CW1371.25V固定輸出的接法引腳圖該系列的輸出端和調(diào)節(jié)端之間的電壓為1.25V，并在1.2537V的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。CW117輸出電壓可調(diào)的基本電路Q U R1 = U21 = 1.25V，且I1 I= 1.25（1+ R2 ） 輸出電壓UU+ IROR112R1例題8.2.2Ua = -1.25V，U R =1.25V解：由圖可知R）+U=

10、 1.25(1+ RP ) -1.25 = 1.25 RPU=U（1 +PORaRRR故RP=0時，UO=0V；RP調(diào)到最大值時，UO30V。8.2.4開關(guān)型穩(wěn)壓電路按調(diào)制方式：脈寬調(diào)制型、脈頻調(diào)制型及混合調(diào)制型；按功率管和負(fù)載的連接方式：串聯(lián)型和并聯(lián)型。工作原理當(dāng)UO升高時，UP2下降，從而使UB 和Ton 減小、Toff 增大，占空比變小。這樣使調(diào)整管T的截止時間Toff 變長，故輸出電壓隨之減小，使UO 趨于不變。TonTon +Toff占空比 q =8.3 功率半導(dǎo)體器件和變流電路8.3.1功率半導(dǎo)體器件8.3.2可控整流電路8.3.3交流調(diào)壓和變頻電路8.3.4直流調(diào)壓電路8.3.1

11、功率半導(dǎo)體器件陽極1. 晶閘管（可控硅）晶閘管的導(dǎo)通條件：1） UAK0；2） 門極和陰極之間加一定門極大小的正向觸發(fā)電壓。陰極結(jié)構(gòu)示意圖及圖形符號晶閘管維持導(dǎo)通必須：IAIH（維持電流）。工作原理：1） 當(dāng)UAK0、UGK0時，由于T2反偏，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)；2） 當(dāng)UAK0、UGK0時， 產(chǎn)生電流IG，又IC2=2IB2，IC2=IB1，IC1=12IB2，使T1、T2迅速飽和導(dǎo)通，即晶閘管全導(dǎo)通；此時若去掉UGK，晶閘管依然導(dǎo)通。晶閘管的特性參數(shù)（1） 正向轉(zhuǎn)折電壓UBO；（2） 正向阻斷峰值電壓UDRM；（3） 反向轉(zhuǎn)折電壓UBR；（4） 反向阻斷峰值電壓URRM ；（5） 正向

12、平均管壓降UF；（6） 額定正向平均電流IF；（7） 維持電流IH 。晶閘管的伏安特性2. 絕緣門極雙極晶體管（IGBT）晶閘管屬半控型器件，因為它只能控制其導(dǎo)通，而不能控制其關(guān)斷；IGBT屬全控型器件，通過在門極加正向和反向電 壓來控制管子的導(dǎo)通和截止。原理示意圖及圖形符號2. 絕緣門極雙極晶體管（IGBT）(a) 輸出特性(b) 轉(zhuǎn)移特性3. 集成門極換流晶閘管（IGCT）IGCT 是20世紀(jì)90年發(fā)的全控型半導(dǎo)體功率器件，正向?qū)〞r其機理與普通晶閘管相同；關(guān)斷時，它能使陽極電流快速地由陰極轉(zhuǎn)移至門極（故稱為門極換流晶閘管），瞬間地從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)為阻斷狀態(tài)。特點：主回路接線簡單、門極控制方便

13、、大電流、高電壓、工作頻率高、開關(guān)速度快、開關(guān)能耗小等。比IGBT更適用于高電壓、大容量的場合。8.3.2可控整流電路 變流電路的四種基本類型：整流（AC DC）、逆變（DC AC）、直流調(diào)壓（DC - DC）、交流調(diào)壓及變頻（AC - AC） 可控整流電路的功能是將交流電能轉(zhuǎn)換成電壓大小可調(diào)的直流電能。 可控整流電路的結(jié)構(gòu)形式：單相半波、單相橋式、三相半波、三相橋式。單相橋式全控整流電路與8.2.1中的單相橋式整流電路的區(qū)別在于 用4個晶閘管代替二極管， 從而實現(xiàn)可控整流，即 當(dāng)晶閘管處于正向偏置 時，還必須在其門極加 正向觸發(fā)脈沖，才能使其導(dǎo)通。1）負(fù)載電壓UL的平均值控制角導(dǎo)通角= 1

14、aU2Usintd(tL21 + cos2= 0.9U22）負(fù)載電流iL的平均值= UL= 0.9 U 2 1 + cosILRLRL23）變壓器二次側(cè)繞組i2的有效值 1 2U 2sint)2 d(t)I（=2RL= U 2 1sin2 + - 單相橋式全控整流電路波形圖RL28.3.3交流調(diào)壓和變頻電路1. 交流調(diào)壓1）相控式交流調(diào)壓電路UL的有效值：U 1（ 1sin2 + - 2Usint)2 d(t) =U=L112雙向晶閘管雙向晶閘管相當(dāng)于兩只晶閘管反向并聯(lián)， 但同用一個門極，觸發(fā)脈沖（可正可負(fù)）加在G和A1之間。則根據(jù)外加電壓極性的不同，在觸發(fā)脈沖的作用下，導(dǎo)通方向可從A2到A1

15、，或反之。雙向晶閘管的圖形符號及伏安特性例題8.3.1下圖是用雙向晶閘管等原件構(gòu)成的調(diào)光臺燈電路，試分析其工作原理。觸發(fā)二極管的伏安特性調(diào)光臺燈電路2）斬控式交流調(diào)壓電路原理圖右圖為單相斬控式交流調(diào)壓電路。其中S1、S2為全控型功率器件（如IGBT）， 可以雙向?qū)?，并且雙向都可以控制開通和關(guān)斷。波形圖2. 交流變頻交流變頻是指將一種頻率（如工頻）的交流電變換成另一種頻率的交流電。常用于交流電動機的變頻調(diào)速、中頻電源、高頻電源等。正弦波脈寬調(diào)制方式（SPWM）單相SPWM調(diào)制原理框圖單相變頻電路輸出電壓正弦波脈寬調(diào)制信號的產(chǎn)生例題8.3.2下圖是一并聯(lián)逆變器原理圖，這種逆變器被廣泛地應(yīng)用于中頻感應(yīng)加熱電源上，試分析其工作原理。并聯(lián)逆變器原理圖例題8.3.3下圖是不間斷電源（UPS）的原理框圖，試說明其工作原理。基本UPS的原理框圖圖中市電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷骱?，分為兩路：一路通過逆變重新變?yōu)楣ゎl交流電供給負(fù)載；一路對蓄電池進行充電，使市電中斷時，UPS仍能保 證負(fù)載的供電。8.3.4直流調(diào)壓電路直流調(diào)壓電路也稱斬波調(diào)壓器，它利用半導(dǎo)體器件作直流開關(guān)，通過調(diào)節(jié)矩