功率电子电路.

第一章功率电子线路1.1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1.3乙类推挽功率放大电路1.4功率合成技术1.5整流与稳压电路第1章.功率电子线路教案一.学时安排16学时授课4学时实验1．功率电子线路概述2学时2．率放大器的电路组成和工作特性2学时3．乙类推挽功率放大电路2学时4．功率合成技术5学时5．整流与稳压电路3学时6．习题课2学时7．实验仪器仪表介绍2学时8．低频功率放大器实验2学时二.授课方式:课堂教学、讨论课、实验课三.重点、难点1．甲类、乙类放大器的组成及其功率特性性能；2．乙类互补推挽功率放大电路；3．功率合成技术，整流与稳压电路。四．教学内容及要求要求学生掌握功率放大器的电路组成、工作原理、性能特点。重点讨论乙类推挽功率放大电路，基本掌握魔T混合网络实现功率合成及功率分配的原理，了解三种基本整流电路的工作原理，了解稳压器的工作原理。五．教学方法1．功率放大器部分首先介绍功率放大器的性能要求，功率管的运用特点以及功率器件的特殊问题，然后介绍功率放大器的电路组成和工作特性。重点讨论甲类变压器耦合功率放大器，乙类推挽放大器输出功率，集电极功率效率。难点：乙类互补推挽功率放大器的交叉失真问题。以LM380为例介绍集成功率放大器的内部简化电路及其外接电路。2．功率合成技术首先介绍输入变压器的工作原理及其功能，然后重点讨论用传输线变压器构成的魔T混合网络实现功率合成及功率分配的原理。3．整流及稳压电路在讨论三种基本整流电路：半波、全波、桥式整流电路的基础上，简单介绍半联型、开关型稳压器的工作原理及稳压性能。4．为了开设实验内容，首先进行相关实验仪器、仪表的介绍，并让学生初步学会使用及进行简单操作，然后安排2学时的实验课。1.1.1功率放大器（PowerAmplifier）一．分类1．直接藕荷功率放大电路2．变压器耦合功率放大电路3.其他类型的功率放大电路放大电路甲、乙类互补对称功率电路乙类互补对称功率放大甲类放大电路)()()(cba电路组成由两个差动输出的电路单电源加电藕合电路OCLBTLOTL,)(二．功率放大器的性能要求1．最主要的要求是：安全、高效率和不失真（失真可在允许的范围内）地输出信号功率。2．最重要的性能指标是：集成电极效率（1-1-1）式中：3．功率放大器的本质是：在输入信号作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率，所以用来评价这种转换能力。cCOODOcPPPPP.,,功率管的耗散功率输出信号功率直流电源功率CODPPPc三．功率管的运用特性1．甲类、功率管在一个周期内导通；图1-1-12．乙类、功率管在半个周期内导通；3．甲乙类、介于甲类乙类之间，大于半个周期小于一个周期内导通；4．丙类、小于半个周期内导通；5．丁类、半个周期饱和导通，半个周期截止，管子处于开关状态。目的：减小管耗，提高效率，带来的问题，非线形失真越来越严重，丁丙乙甲CCCC1.1.2电源变换电路一．整流器——将电网提供的50Hz的交流电能变换成直流电能。二．直流、直流变换器（斩波器）——将一种电压数值的直流电能另一种电压数值或极性的直流电能。三．逆变器——将直流电能变换成不同幅度和频率的交流电能。四．交流——交流变换器将一50Hz交流电能不同幅值或频率的交流电能。1.1.3.功率器件一．功率管散热和相应的。1．术语①热平衡——集电结产生的热量恰好等于散发到空气中的热增量，使结温在某一温度平衡的状态。②热崩——结温升高硅管CMP管子烧坏最高允许值结温结温结温jMCcCcTPiPiCTjM1751502.等效电路——热传导过程用电流传输过程模拟。（p15图1-1-2）(1-1-2)式中—热源温度—周围空气温度—热阻当为定值时，集电结与周围空气之间的温差直接取决于值，且随成正比地增大。PRTTth122TWCO1TthRthRCPCP当为定值时，集电结与周围空气之间的温差直接取决于值，且随成正比地增大。（1-1-4）—周围空气温度注：实际工作中，必须根据最高室温，确定功率管能够承受的最大允许管耗。thaJMCMRRTPCMPthRCPCPaT二．二次击穿11．什么叫二次击穿①可逆击穿：由于而引起的击穿，只要限制击穿电流，管子不会损坏，当后，管子恢复正常工作。②二次击穿：若电流不加以限制，则管子未发烫就已损坏，是不可逆的。CEOBRceVV)(CEOBRceVV)(cceiV,12．产生二次击穿的原因及过程①原因：管内结面不均匀，晶格缺陷等。②过程：结面某些薄弱点电流密度功率管尚未发烫就已损坏。二次击穿是在高压低电流时发生的，相应的功率用表示。cceiVceTiT间形成低阻通道在热点晶格熔化密度引起,SBP3．功率管的安全工作区。图1-1-5三．思考题：1．功率放大器分为那几类？2．如何计算集电极效率？3．画出功率管的安全工作区。c1-2功率放大器的功率组成和工作特性1.2.1基本放大电路极其分析图1-1-2一．静态工作点选在负载线的中点。设集电极饱和压降,反向饱和电流，0)(satCEVLCCLCEQCQCCCEQCQCCCEQRVRVIVVIVV2,2,0,20CEOI.图1-2-1图解分析二.输出集电极电流和电压式中,tIIiIicmCQCCQccostVVVVVcmCEQceCEQCEsinLCEQLcmcmCCCEQcmRVRVIVVV,2CQCCCCCDIVtdiVP2021cmcmCEQCEQLcmLCQLCLIVIVRIRItdRiP21212122220cmcmCQCECCIVIViP212120%254121maxCQCCcmcmDOCIVIVPP三.讨论1．集电极效率仅有25%，一部分消耗在管子上，大部分50%作为直流功率消耗在管子中。所以要提高效率；①选择管子的运行状态减少管耗；②力求避免管外电路中无谓地消耗直流功率；2．充分激励时变化对功率性能的影响。LR当一定，位于负载线中点时,,减小总之，充分激励相应的负载称为匹配负载。注意：匹配的含义与线形部分的区别。CCVQ被限定2CCCEQcmVVV不会提高。否则CbCLiQiR,,相匹配的输入称为将与到几十几必须LbLORiRP,)(.图1-2-2充分激励时变化对功率性能的影响结论：①功率放大器在电路组成上，必须采用避免管外电路无谓地消耗直流功率的电路结构。②在工作特性上，输出负载、输入激励和静态工作点是相互牵制的，要高效率地输出所需信号功率，二者必须有一最佳配置。1.2.2甲类、乙类功率放大器的电路组成及其功率性能。一.甲类变压器耦合功率放大器图1-2-31．原理电路设变压器变比为，等效负载电阻2．性能分析①静态分析图1-2-3（b）21WWnLLRnR2',CCCEQVV,BQBIi,CQCIiCCCEQCEVVV②交流动态分析交流负载线如图1-2-4若则有式中'LCceRiVceCEQCEVVVCCQCiIi)-('CQCLCEQCEIiRVV0(sat)CEV0CEOItIIicmCQCcostVVVcmCEQCEcos,CCCEQVVVcm''LCCLcmCQcmRVRVII③功率讨论（1-2-4）（1-2-5）（1-2-6）（1-2-7）CQCCDIVP222DCQCCcmcmoLPIVIVPP22DcmcmCQCCCPIVIVP%505.0DOCPP3.保证管子安全工作的条件在充分激励，且保持点处于交流负载中点的条件下，,但要在管子安全工作的范围内：因为当时，所以，即QOLCCPRV'或CCcmCCCEVVVV2maxCQcmCQCIIIi2max0oPDCmzxPP)CEO(max2BRCCCEVVV2)(CEOBRCCVV即又因为所以（1-2-8a）(1-2-8b)CMCQCIIi2max2CMCQIICMDCPPPmax222maxDCQCCcmcmCPIVIVP2'maxCMoPP8)(''maxCMBRoIVP注：①要同时满足上面两个条件，取其中的小值。②要保证管子安全工作，还应检查管子的动态点是否落在二次击穿的安全区内。maxCP二．乙类推挽功率放大电路图1-2-51．变压器耦合电路工作原理：输入变压器将输入信号变换成和和分别加到同类型管，是其轮流导通，输出变压器隔断中的平均分量,并利用初级绕组的中间抽头将的基波分量在中叠加,输出完整正弦波。iV1iV2iV1'CLLiRv0iv2'CLLiRv0iv.图1-2-5乙类推挽功率放大电路原理(a)变压器耦合（a）互补推挽2．互补推挽电路分析①原理：、为两个特性配对的互补功率管，两管轮流导通，合成完整正弦波。②性能分析a)静态分析：设：：1T2T21EELiii0CEOI01CQICCCEQVV11T2T01CQICCCEQVV2两管的负载线均为，因为,b)图解分析图1-2-6若不考虑失真：当时，LR1LLLCELRRRiiR'1t0tIicmCsin102Ci当时，（1-2-9）式中（1-2-10）2t01CitIicmCsin2tVVVcmCCCEcos1tVVVcmCCCEsin2tIiiiiRcmCCEELsin2121tVVcmLsinLcmcmRIV功率讨论（1-2-11）为半正弦波的分量。a)当为充分激励，且令222LcmcmcmoLRIIVPPLcmcmCCCOCCDDDRIIVIVPPP22122cmCOII,0)(satCEV0CEOICCcmVVLCCcmRVImaxooPPmaxDDPP（1-2-12）（1-2-13）（1-2-14）LCCoRVP2max21maxmax4)(2oLCCCCDPRVVP%5.784maxmaxmaxDoCPPb)若输入激励不足，则（1-2-15）称为电源电压利用系数。（1-2-16）CCcmVVmax22222121oLCCLcmoPRVRVPc)、、、随变化的特性当在0和1之间变化时，出现非单调的变化。（1-2-20）安全工作条件：oPDPCPDPCPmaxmax2max2max12.02ooCCPPPPCEOBRCCCEVVv)(2CMLCCcmCIRVIimaxCMoCCPPPPmaxmax2max12.0或（1-2-21a）(1-2-21b)注意：上式中取其中的小值，并检验动态点是否处在二次击穿限定的安全区。CMCEOBRoIVP)('max41CMoPP5''max1-3乙类推挽功率放大电路要点：讨论基本电路存在的问题，研究解决的办法，给出实用电路。一.交叉失真及偏置电路P291-1-3p301-3-2①产生的原因由射极输出器电路的传输特性。曲线其始段出现弯曲，将其接成乙类推挽电路时，两管合成的传输特性，在衔接处出现严重失真—交叉失真。BELCEBELCBEOiVRiVRiVVV②克服的办法图1-3-3为了克服交叉失真，必须在输入端为两管加合适的正偏电压，使他们工作在甲乙类状态。2.二极管偏置电路图1-3-4（1-3-1）式中:为二极管的反向饱和电流。0Bi)ln(222SRTBBBBBEQBEQIIVVVVVSI.图1-3-4二极管偏置电路3．倍增偏置电路（图1-3-5）——一种具有热补偿作用的高热稳定偏置电路。若足够大，（1-3-3）BEVRCII3)ln()ln(33SRTSCTBEIIVIIVV电流源电流RI303BI2123RRRVVBBBE)1(2