第1章 功率電子線路

1、1.1 功率電子線路概述功率電子線路概述1.2 功率放大器的電路組成和工作特性功率放大器的電路組成和工作特性1.3 乙類推挽功率放大器乙類推挽功率放大器1.4 整流與直流穩(wěn)壓電路整流與直流穩(wěn)壓電路第第1章章 功率電子線路功率電子線路1.1 功率電子線路概述功率電子線路概述 功率電子線路是高效率地實(shí)現(xiàn)能量變換和控制的一功率電子線路是高效率地實(shí)現(xiàn)能量變換和控制的一類電子線路。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和處理對(duì)象不同，功率電子類電子線路。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和處理對(duì)象不同，功率電子線路可分為功率放大電路和電源變換電路兩大類。線路可分為功率放大電路和電源變換電路兩大類。調(diào)制音頻或視頻放大高頻功放高頻放大中頻放大混頻解調(diào)音頻

2、或視頻功放高頻放大倍頻高頻振蕩本地振蕩音頻或視頻信號(hào)1.1.1 功率放大器功率放大器功率放大器的特點(diǎn)： (1) 給負(fù)載提供足夠大的功率 (2) 大信號(hào)工作 (3) 分析方法以圖解法為主 (4) 非線性失真矛盾突出 (5) 提高效率成為重要的關(guān)注點(diǎn) (6) 功率器件的安全問題必須考慮oCDPP1. 功率放大器的主要指標(biāo)功率放大器的主要指標(biāo)(1) 輸出功率輸出功率 功率放大器應(yīng)輸出足夠大的輸出功率 以推動(dòng)負(fù)載工作。oPoP(2) 效率效率C 功率放大器的效率定義為功率放大器的輸出信號(hào)功率 與直流電源供給功率放大器功率 之比, 用 表示，即DPCoP直流電源供給的功率晶體管的管耗 結(jié)論：對(duì)于功率放大

3、器，提高效率是一個(gè)重要問題。DPCPCDoPPPoCoCoDPPPPP(3) 非線性失真非線性失真 功率放大器為了獲得足夠大的輸出功率，需要大信號(hào)激勵(lì)， 從而使信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍往往超出晶體管的線性區(qū)域，導(dǎo)致輸出信號(hào)失真。因此減小非線性失真，成為功率放大器的又一個(gè)重要問題。 概括起來說，要求功率放大器在保證晶體管安全運(yùn)用的情況下，獲得盡可能大的輸出功率、盡可能高的效率和盡可能小的非線性失真。2. 功率放大器的分類功率放大器的分類 功率放大器根據(jù)功放管導(dǎo)通時(shí)間的長短（或集電極電流流通時(shí)間的長短或?qū)ń堑拇笮。７譃?種工作狀態(tài)： 甲類(A)、乙類(B)、甲乙類(AB)、丙類(C)(1) 甲類工作狀態(tài)甲

4、類工作狀態(tài) 在整個(gè)周期內(nèi)晶體管集電極電流始終是流通的, 即導(dǎo)通角等于180。特點(diǎn)：特點(diǎn)： A類工作時(shí)非線性失真小，但注意：直流工作點(diǎn)Q的位置較高(ICQ大)，效率太低，且沒有收到信號(hào)時(shí)，電源仍供給功率(ICQ0)，這些功率將轉(zhuǎn)化為無用的管耗。(2) 乙類工作狀態(tài)乙類工作狀態(tài) 晶體管的發(fā)射結(jié)在輸入信號(hào)的半個(gè)周期正向運(yùn)用，在另外半個(gè)周期反向運(yùn)用，晶體管半周導(dǎo)電半周截止。集電極電流只在半周內(nèi)隨信號(hào)變化，而在另外半個(gè)周期截止, 即導(dǎo)通角等于90。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 非線性失真雖大(波形只有半周)，但工作點(diǎn)Q選在截止點(diǎn)，直流電流為零，效率很高，只要在電路結(jié)構(gòu)上加以彌補(bǔ)，非線性失真是可以減小的。(3) 甲乙類工

5、作狀態(tài)甲乙類工作狀態(tài) 它是介于甲類和乙類之間的工作狀態(tài)，靜態(tài)工作點(diǎn)Q較低，靠近截止區(qū)，即發(fā)射結(jié)處于正向運(yùn)用的時(shí)間略超過半個(gè)周期，小于一個(gè)周期，即導(dǎo)通角大于90小于180。 (4) 丙類工作狀態(tài)丙類工作狀態(tài) 工作點(diǎn)Q選在截止區(qū)內(nèi)，晶體管發(fā)射結(jié)處于正向運(yùn)用的時(shí)間小于半個(gè)周期，集電極電流流通的時(shí)間還不到半個(gè)周期，即導(dǎo)通角小于90。 主要用于高頻功率放大器中。飽和區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)截止區(qū)放大區(qū)放大區(qū)ICEO vCE iCCEcBEvifv常量BEcCEvifv常量BBVQQ090cBEvci0 180c丙丙(C)類類:090c轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線飽和區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)截止區(qū) 在相同激勵(lì)信號(hào)作用下，丙類功放

6、集電極電流的流通時(shí)間最短，一個(gè)周期平均功耗最低，而甲類功放的功耗最高。 甲甲乙乙丙 理想情況下，甲類功放的最高效率為50%，乙類功放的最高效率為78.5%，丙類功放的最高效率可達(dá)85%90%。但丙類功放要求特殊形式的負(fù)載，不適用于低頻。低頻功率放大器只使用前三種工作狀態(tài)。 提高效率是功率放大器的研究方向。另一種提高效率的途徑：管子開關(guān)工作。 丁類(D) 戊類(E) 半個(gè)周期飽和導(dǎo)通： 另半個(gè)周期截止： 管耗始終很小，效率很高。0)(satCECEVv0CiCECCviP 1.2 功率放大器的電路組成和工作特性功率放大器的電路組成和工作特性1.2.1 甲類甲類(A類類)功率放大器功率放大器1.

7、電路電路 圖中RB為偏置電阻，其值決定了Q點(diǎn)的ICQ及IBQ。如果變壓器是理想的，則直流工作點(diǎn)電壓VCEQ=VCC，直流負(fù)載線為一垂直線，而交流負(fù)載線通過Q點(diǎn)，其斜率為(-1/RL) 。 甲類變壓器耦合功放1.2.2 乙類推挽功率放大器的工作原理乙類推挽功率放大器的工作原理1.電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)0iC1t0iC2t0iLtLC1C2cmLLcmLcmLsinsinsinIiiiItvVitRRtviiC1iC22. 工作原理工作原理 靜態(tài)時(shí)，T1、T2都不可能導(dǎo)通，處于截止?fàn)顟B(tài)，靜態(tài)工作電流ICQ=0。 動(dòng)態(tài)時(shí)，當(dāng)輸入信號(hào)正半周，T1導(dǎo)通，T2截止，在RL上給出上半周信號(hào)；當(dāng)輸入信號(hào)負(fù)半周，T1

8、截止，T2導(dǎo)通，在RL上給出下半周信號(hào)。在輸入信號(hào)一個(gè)周期里，T1、T2交替工作，在負(fù)載RL上合成一個(gè)完整的輸出波形。 3.性能分析（圖解法）性能分析（圖解法）畫負(fù)載線： 充分激勵(lì)，盡限運(yùn)用時(shí)：cmCCCE(sat)CCVVVV2VCC0IcmVcmvCE1iC10(0, VCC)2TCCLVRDAQBiCE(sat)VvCE2iC20vCE1iC10tttIcmLitBiADQVCC-VCCQAIcmD2VCC-2VCC求性能指標(biāo)：,oDCCP PPoLPP盡限運(yùn)用時(shí)：2max12CCoLVPR1202DDDCCCPPPVI00sin21cmcmCIttdII2DCCcmPVI盡限運(yùn)用時(shí)：m

9、axmax24CCDCCoLVPVPR(1)(2)22cmcmIV12cmcmV I212cmLVR212cmLIR()(0)CE satV1224cmcmoDCCcmcmCCCV IPPVVVImax,78.5%4cmCCCVV盡限運(yùn)用時(shí)：電源電壓利用系數(shù)：,0,1cmCCVV非盡限運(yùn)用：2222max1122cmCCooLLVVPPRR2max224cmCCDCCoLLVVPVPRR(3)4C12CCCPPP求最大管耗：1220,0,0.636CdPd(4)212maxmax121()22CCDoooPPPPPP1max2maxmaxmax220.2CCooPPPPCmax(0.785)0

10、P0.636Dmaxomax(1.27)PPomaxP0PC1max0.4oPDPoPC功率管選擇：CMoCCCMLCCCCEOBRCCCEPPPPIRViVVvmaxmax2max1max)(max2 . 02（集電極擊穿電壓）（集電極擊穿電壓）（集電極最大允許電流）（集電極最大允許電流）（集電極最大允許管耗）（集電極最大允許管耗）1.3 乙類推挽功率放大電路乙類推挽功率放大電路一、交越失真（交叉失真）一、交越失真（交叉失真） 考慮到功率晶體管發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓的影響，在零偏置情況下，當(dāng)iC1與iC 2相互交替時(shí)，（iC1-iC2）的波形和正弦波形相差較大。結(jié)論：乙類推挽放大器所特有的失真結(jié)論：

11、乙類推挽放大器所特有的失真交越失真。交越失真。 0vBE2vBE1iC20vi0iL交越失真iC1ttvBE(on)消除交越失真消除交越失真 給兩只晶體管的發(fā)射結(jié)加很小的正偏壓，讓兩只晶體管各有一個(gè)很小的電流ICQ流過。既可以基本上消除交越失真，又不會(huì)對(duì)效率有很大的影響。加正偏壓后, 對(duì)應(yīng)負(fù)載電流（iC1-iC2）的波形iC1vBE2vBE1Q1Q2QiC20viiL= ic1- ic20ttBEQV甲乙類：由于正偏壓較小，靜態(tài)電流很小，所以一般其分析計(jì)算按乙類功率放大器對(duì)待。 二極管偏置電路：T0為推動(dòng)級(jí)（驅(qū)動(dòng)級(jí)、激勵(lì)級(jí)、前置級(jí)）甲類D1、D2兩端電壓為T1、T2所需的偏置電壓，克服交越失真

12、。D1D2viVCCT1T2voVCCRLiC1iC2ICOT0甲乙類推挽功率放大器加正向偏置的常用形式(a) R為T2、T3提供偏置電壓，C保證基極B1、B2交流等電位。(b) 在集成電路中，二極管由集基相連接的三極管取代。T4、T5為為功率管提供偏置 。(c) VBE倍增偏置電路：T1、R1、R2組成。B1B2(b)viVCCT1-VCCT5T4T3T2voRL-+viRbVCCRcRCT1T3T2RL-VCC(a)viVCC-VCCR1R2R3T4IR2IR1T1+-VBBT2RLvo(c)RT3 雙電源供電功放，當(dāng)無輸入信號(hào)時(shí)，靜態(tài)輸出電位為零，負(fù)載RL可直接連到功放電路輸出端，不需要

13、輸出耦合電容，因此這種電路又稱OCL（Output Capacitor Less）電路。 1112122()(1)BEBBBEVRVRRVRR優(yōu)點(diǎn)：(1) 調(diào)R1、R2比值調(diào)偏置 (2) R1引入電壓反饋，使“輸出電阻”很小，不影響交流傳輸。 (3) 具有熱補(bǔ)償作用。二、單電源供電的互補(bǔ)推挽電路（二、單電源供電的互補(bǔ)推挽電路（OTL）靜態(tài)：O點(diǎn)電位 ，電容C的直流電壓為VCC/2。動(dòng)態(tài)：當(dāng)T1導(dǎo)通、T2截止時(shí)，VCC給負(fù)載RL提供電流；當(dāng)T1截止、T2導(dǎo)通時(shí)，電容C充當(dāng)T2的電源。 C足夠大，電容電壓可以保持基本恒定VC C/2。 負(fù)載得到的交流電壓振幅的最大值為CCOVV212CComVV結(jié)

14、論：單電源供電電路等效為結(jié)論：單電源供電電路等效為VCC/2和和-VCC/2的雙電源供電電路的雙電源供電電路三、準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路三、準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路組成復(fù)合管的原則有以下幾點(diǎn)：(1) 電流流向要一致。(2) 各極電壓必須保證所有管子工作在放大區(qū)。(3) 因?yàn)閺?fù)合管的基極電流iB等于第一個(gè)管子的iB1，所以復(fù)合管的性質(zhì)取決于第一個(gè)晶體管的性質(zhì)。R1和R2作用： 分流反向飽和電流目的： 提高功放的溫度穩(wěn)定性。 準(zhǔn)互補(bǔ)功率放大器四、保護(hù)電路四、保護(hù)電路 管耗PC過大將導(dǎo)致功放管損壞，限制管耗可有效地保護(hù)功放管。限制管耗的常用方法是限制流過功效管集電極的電流（即輸出電流Io） 正常情況下，保護(hù)電路不起作用

15、。viVCCT1voD2D1R1T3RL-VCC(a)T2viVCCT1voD2D1RRL-VCC(b)T3T2IoD4D3Re2Re3Re3Re2T4T5 整流整流的任務(wù)是將電力網(wǎng)提供的頻率為50Hz的交流電壓變換為直流電壓（或電流）。 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源的基本任務(wù)是將電力網(wǎng)交流電壓變換為電子設(shè)備所需要的穩(wěn)定的直流電源電壓（或電流）。1.4 整流與直流穩(wěn)壓電路整流與直流穩(wěn)壓電路一、整流電路一、整流電路 利用二極管的單向?qū)щ娦阅芸蓪?shí)現(xiàn)整流。常用的整流電路有半波整流、全波整流、橋式整流和倍壓整流。1. 半波整流半波整流()2220122sin0.452O AVVVtd tVV()2()0.

16、45O AVO AVLLVVIRR加濾波電容的半波整流濾波電路ODii ，平均分量為輸出整流電流OI2OVV輸出整流電壓LLCR增大紋波電壓減小濾波能力提高LCABOIOVv2DRLvo+-T(a)+-+v20234V2mt0vot0iD(b)t1tRD2. 全波整流電路全波整流電路20.9OVV3. 橋式整流電路橋式整流電路加濾波電容的橋式整流電路LD1D3D2D4D3iD3iD4i21.2OVV三種整流電路性能比較三種整流電路性能比較1. 輸出整流電壓：全波、橋式比半波大2. 輸出整流電流：3. 紋波電壓：全波、橋式比半波小4. 二極管承受的最大反向電壓（二極管對(duì)耐壓的要求）： 半波：2V2m ； 全波：2V2m ； 橋式：V2m 流過二極管的平均電流（二極管最大整流電流）； 半波： 全波、橋式：221.11.2OVVVLOORVIODIIODII21結(jié)論：全波和橋式性能比半波電路好，而橋式比全波簡單，結(jié)論：全波和橋式性能比半波電路好，而橋式比全波簡單，應(yīng)用最廣。應(yīng)用最廣。二、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路二、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路目的： 輸出電壓不受輸入電壓和負(fù)載