第1章 功率电子线路

第一章功率电子线路中国人民公安大学安全防范系本章主要内容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整流与稳压电源中国人民公安大学安全防范系1-1功率电子线路概述高频功率放大器是一种能量转换器件它将电源供给的直流能量转换为高频交流输出分为窄带和宽带窄带高频功率放大（调谐功率放大器）通常以选频电路作为输出回路，宽带高频功率放大（非调谐功率放大器）输出电路是传输线变压器或其他宽带匹配电路中国人民公安大学安全防范系中国人民公安大学安全防范系1.1.1功率放大器工作原理：在输入信号的作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率大信号工作直流电源功率转换为信号的功率。高频功率放大器工作于大信号的非线性状态中国人民公安大学安全防范系一、功率放大器的特点•特点（任务）：•安全工作区内，稳定地，低失真地（在允许范围内）•高效率地提供尽可能大的信号输出功率。•比较电压放大器功率放大器•工作信号小大•管子工作范围线性区安全区，极限，非线性区•研究问题不失真放大高效率•分析方法微变等效电路图解法，近似分析同实验中国人民公安大学安全防范系功率放大器是能量转换器：直流功率PD：直流电源提供的一部分被转换为输出信号功率P0其余部分消耗在功率管中成为功率管得耗散功率，简称管耗Pc放大器的集电极效率CDPPPPP000中国人民公安大学安全防范系•分类非谐振功率放大器：电阻性负载（变压器）低频段谐振功率放大器：阻抗性负载（谐振系统）高频段•匹配网络：变换负载为匹配负载二、放大器工作状态甲类（A）：一个周期乙类（B）：半个周期丙类（C）：小于半个周期丁类：开关状态集电极电流波形严重失真，采取特定措施中国人民公安大学安全防范系中国人民公安大学安全防范系三、功率管的安全工作条件PCmax管耗最大值PCM最大集电极功耗VCEmax最大集电极电压V(BR)CEO共射级组态下集电极反向击穿电压iCmax最大集电极电流ICM集电极最大允许电流PcmaxPCM防止烧坏VCEmaxV(BR)CEO防止击穿iCmax≤ICM防止失真过大还需注意二次击穿的问题中国人民公安大学安全防范系中国人民公安大学安全防范系中国人民公安大学安全防范系四、功率放大器能量关系电源供给功率集电极输出功率集电极平均管耗集电极效率变压器传输效率放大器效率中国人民公安大学安全防范系1.1.2电源变换电路1、整流器（Rectifier）：将50Hz的交流电变换成直流电源2、直流—直流变换器（DC—DCConverter）：将一种电压数值的直流电能变换成另一种电压数值或极性的直流电能。又称斩波器。3、逆变器（Inverter）：将直流电能变换成不同幅值和频率的交流电能。4、交流—交流变换器（AC—ACConverter）：将50Hz交流电能变换成不同幅值和频率的交流电能1．2功率放大器的电路组成和工作特性1．2．1从一个例子讲起中国人民公安大学安全防范系中国人民公安大学安全防范系结论：1、功率浪费：集电极效率仅为25%a:耗散在管子中（选择运用状态）b:作为直流功率消耗在负载上（力求避免管外电路消耗直流功率）2、充分激励和匹配负载如图1-2-1所示电路要增大输出电流，提高输出信号的功率就必须减小负载RL如下图中国人民公安大学安全防范系中国人民公安大学安全防范系综上所述：功率放大器：电路组成：采用避免管外电路无谓消耗直流功率的电路结构工作特性：输出负载、输入激励和静态工作点是相互牵制的，要高效率输出所需信号功率，必须最佳配置中国人民公安大学安全防范系1．2．2甲类、乙类功率放大器（非谐振功放）一、变压器耦合的单管甲类功率放大器1．原理电路：中国人民公安大学安全防范系为什么选用上述电路：原因如下①RC小，则ICQ×RC小，管外电路耗散功率小②将不匹配负载变匹配，从而提高效率变压器即为匹配网络（阻抗变换）分析电路的性能：分别进行直流（静态）分析和交流（动态）分析如图1-2-3中国人民公安大学安全防范系分析步骤：图解法条件：输入、输出特性曲线已知①作直流负载线，确定静态工作点Q中国人民公安大学安全防范系交流分析：做交流负载线中国人民公安大学安全防范系2、性能分析：以上分析表明：（1）PD仅与Q点有关，与Po无关即无激励信号时,PD全部消耗在管子上发热（2）P0与Q点有关，与激励信号大小有关Po与电阻（匹配负载）有关（3）最佳负载和匹配负载，得到最高效率（4）RL`为匹配负载条件下，Po上升（5）安全工作条件中国人民公安大学安全防范系3、甲类存在的问题有信号时，直流电源供给的功率不到一半输出给负载没有信号时，直流电源供给的功率全部消耗在管子上原因：静态工作点较高；静态功耗大；效率和晶体管的利用率都很低。所以只适用于小功率放大器中国人民公安大学安全防范系二、乙类推挽功率放大器采用两个特性相同的功率管接成推挽电路一个在正半周导通，一个在负半周导通负载上合成电流，从而获得完整的波形注意：乙类必须有“两管交替工作”，“输出波形合成”两个功能即：乙类推挽电路的特点：两管交替工作输出波形在负载上合成中国人民公安大学安全防范系1、电路：中国人民公安大学安全防范系2、性能分析3、性能计算中国人民公安大学安全防范系4、结论乙类工作时，Pc的最大值不在静态状态，也不在最大输出功率状态原因：ξ很小时，PO和PD都很小，Pc小ξ很大时，PD最大，但η最大，Pc小互补电路比变压器耦合电路简单，易于集成电路中两管组成射随器，负反馈，有效改善非线性失真，应用广泛中国人民公安大学安全防范系中国人民公安大学安全防范系1．3乙类推挽功率放大电路效率是功率放大器的重要性能指标非线性失真是功率放大器的另一个重要指标它与输出功率和效率是相互矛盾的要减小非线性失真，就必须减小输出功率因此就造成效率降低中国人民公安大学安全防范系1．3．1乙类互补推挽功率放大电路一、交叉失真：中国人民公安大学安全防范系交叉（或交越）失真：在输入正弦波激励下，输出合成电压波形将在衔接处出现严重失真中国人民公安大学安全防范系为了克服这种失真必须在输入端为两管加合适的正偏电压使它们工作在甲乙类状态中国人民公安大学安全防范系只要VBB取值合适，上、下两电路传输特性可相互补偿，在输入正弦电压激励下，得到不失真的输出电压中国人民公安大学安全防范系二、乙类互补推挽功放实用电路时应考虑的问题：1、单电源供电：如图1-3-62、准互补推挽电路：3、加偏置电路克服交越失真：4、解决输入激励电压不足的问题：（1）采用自举电路：（2）采用有源负载的推动级5、保护电路：大功率放大器电路中必须施加流过压保护电路1．3．2集成功率放大器（自学）中国人民公安大学安全防范系目前广泛采用复合管取代互补管（1）组成复合管时，两管的电流流向一致；（2）第一管必须接在第二管的集基极间；（3）复合管的导电类型取决于第一管；中国人民公安大学安全防范系复合晶体管的连接：中国人民公安大学安全防范系1．4功率合成技术功率合成：实现多个功率放大器联合工作的技术一、传输线变压器的工作原理：传输线：连接信号源和负载的两个导线中国人民公安大学安全防范系传输线变压器是把传输线绕在磁环上构成的一种宽带器件其中：传输线可采用同轴电缆、双股线或带状线磁环一般由镍锌高磁导率的铁氧体制成变压器具有隔离、对称与不对称转换和阻抗变换作用4：1阻抗变换器：Ri对RL为4：1中国人民公安大学安全防范系二、功率合成电路：如果两个功率放大器输出相同的功率，则功率合成电路的输出为两功率放大器输出功率之和如图1-4-8即：任一个功率放大器的等效负载和相应的输出功率不受另一功率放大器工作状态变化的影响，它们之间是相互隔离的在许多情况下，还要求功率合成电路具有宽带特性中国人民公安大学安全防范系三、传输线变压器构成功率合成电路的特性：从功率合成和功率分配讨论1、原理电路：图1-4-82、工作特性：3、隔离条件中国人民公安大学安全防范系中国人民公安大学安全防范系中国人民公安大学安全防范系中国人民公安大学安全防范系1．5整流与稳压电路电源的基本组成部分是整流和稳压电路。整流电路：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）。稳压电路：可以克服输入电力网电压波动和输出负载变动等影响，输出稳定的直流电压（或电流）。只简单介绍稳压电路直流稳压电路分为：并联型、串联型和开关型中国人民公安大学安全防范系一、串联型稳压器：1、基准电压：稳压器的比较基准目前广泛应用的是能隙基准电压源电路和稳压管基准电压源电路2、调整管：必须工作在放大区，它的管压降VCE受到基极电压（或电流）的控制3、稳压器：是一个负反馈系统比较放大器将输出电压的取样值与基准电压值进行比较，并将比较结果进行放大产生控制调整管管压降的控制电压调整管管压降的变化阻止输出电压的变化，从而达到稳压目的中国人民公安大学安全防范系二、开关型稳压电路：相同点：开关型稳压电路同样是利用负反馈系统不同之处：1、开关型稳压电路中调整管处于开关工作状态在这种状态下，调整管的功耗小、效率高，功率管比较安全2、误差放大器的输出电压