第1章功率電子線路1-1

第1章功率電子線路1.1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1.3

乙類推挽功率放大電路1.4

功率合成技術(shù)1.5整流與穩(wěn)壓電路第

1章功率電子線路1.1功率電子線路概述1.1.1

功率放大器1.1.2

電源變換電路1.1.3

功率器件1.1功率電子線路概述

作用：高效地實(shí)現(xiàn)能量變換和控制。

種類：

(1)功率放大電路

特點(diǎn)：放大用途：通信、音像等電子設(shè)備。(2)電源變換電路

特點(diǎn)：能量變換用途：電源設(shè)備、電子系統(tǒng)、工業(yè)控制等。1.1.1

功率放大器特點(diǎn)：工作在大信號(hào)狀態(tài)。一、功率放大器的性能要求①

安全輸出功率大，管子在極限條件下運(yùn)用。②

高效率C

——集電極效率(CollectorEfficiency)

Po

——輸出信號(hào)功率；PD——電源提供的功率；PC

——管耗

(PowerDissipation)/集電極耗散功率；

Po

一定，C越高，PD

越小

PC

小，既可選

PCM

小的管子，以降低費(fèi)用，也節(jié)省能源。③

失真小。盡管功率增益也是重要的性能指標(biāo)，但安全、高效和小失真更重要，前者可以通過(guò)增加前置級(jí)禰補(bǔ)。二、功率管的運(yùn)用特點(diǎn)1．功率管的運(yùn)用狀態(tài)

根據(jù)功率管在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間的不同，功率管運(yùn)用狀態(tài)可分為甲（A）類、乙（B）類、甲乙（AB）類、丙（C）類等多種。①甲類：功率管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，導(dǎo)通角

=3600。②乙類：功率管僅在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，導(dǎo)通角

=

1800

。

③

甲乙類：管子在大于半個(gè)周期小于一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，導(dǎo)通角1800

3600

。④丙類：功率管在小于半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，導(dǎo)通角

1800。功率管運(yùn)用狀態(tài)通?？窟x擇靜態(tài)工作點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)下列曲線說(shuō)出功率管的應(yīng)用狀態(tài)：2．不同運(yùn)用狀態(tài)下的C管子的運(yùn)用狀態(tài)不同，相應(yīng)的

Cmax

也不同。

減小（管耗）

PC可提高

C。

甲類：理論上最大效率為25%乙類：理論上最大效率為78.5%甲乙類：理論上25%<ηc<78.5%丙類：理論上效率可大于78.5%圖1–1–1各種運(yùn)用狀態(tài)下的輸出電流波形甲類乙類甲乙類丙類假設(shè)集電極瞬時(shí)電流和電壓分別為

iC

和

vCE，則集電極耗散功率PC為：

討論：若減少

PC，則要減少

iC

vCE

方法1：由甲類甲乙類乙類丙類，即減小管子在信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通(增大

iC

=0)時(shí)間。

方法2：管子運(yùn)用于開(kāi)關(guān)狀態(tài)(又稱丁類)，即一周期內(nèi)一半飽和，

一半截止。

飽和時(shí)，vCE

VCE(sat)

很小，iC

VCE

(sat)也很小

PC

很小；

截止時(shí)，iC

很小，iC

vCE

也很小

PC

很小。

總之：為提高

C，管子的運(yùn)用狀態(tài)可取乙類、丙類或丁類。但集電極電流波形失真嚴(yán)重，電路需采取特定的措施(見(jiàn)

1.2

節(jié))。cbe+-iCvCE1.1.2

電源變換電路按變換方式不同：

(1)整流器(Rectifier)：交流電→直流電。應(yīng)用：電子設(shè)備供電。

(2)直流-直流變換器(DC-DCConverter)：直流電→直流電。應(yīng)用：開(kāi)關(guān)電源。

(3)逆變器(Inverter)：直流電→交流電。應(yīng)用：不間斷電源、變頻電源。

(4)交流-交流變換器(AC-ACConverter)：交流電→交流電（不同幅值或頻率）。應(yīng)用：變壓等。

1.1.3

功率器件功率管的種類：(1)雙極型功率晶體管(2)功率

MOS管(3)絕緣柵雙極型功率管

功率管是功率放大電路的關(guān)鍵器件，為保證安全工作，需了解其極限參數(shù)及安全工作區(qū)。以雙極型功率管為例，安全工作區(qū)受到三個(gè)極限參數(shù)限制：①最大允許管耗

PCM。與散熱條件密切相關(guān)。②基極開(kāi)路集-射反向擊穿電壓

V(BR)CEO。③集電極最大允許電流

ICM。以上參數(shù)與功率管的結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、封裝形式有關(guān)。BC+-iCvCEBESGDBGC(D)E(S)GCE

N溝道IGBT的簡(jiǎn)化電路和電氣圖形符號(hào)

IGBT既吸收了功率晶體管飽和導(dǎo)通電阻小、且能承受高電壓和大電流的優(yōu)點(diǎn)，又吸取MOS管輸入激勵(lì)電流小的優(yōu)點(diǎn)。一、功率管散熱和相應(yīng)的

PCM

管耗

PC

主要消耗在集電結(jié)上，使結(jié)溫升高。若集電極的散熱條件良好，集電結(jié)上的熱量很容易散發(fā)到周圍空氣中去，則集電結(jié)就會(huì)在某一較低溫度上達(dá)到熱平衡，此時(shí)集電結(jié)上產(chǎn)生的熱量等于散發(fā)到空氣中的熱量。反之，散熱條件不好，集電結(jié)就會(huì)在更高的溫度上達(dá)到熱平衡，甚至產(chǎn)生熱崩而燒壞管子。熱崩(ThermalRunaway)：

集電結(jié)結(jié)溫(Tj)

iC

PC

Tj

如此反復(fù)，直至

Tj

TjM(集電結(jié)最高允許溫度)而導(dǎo)致管子被燒壞的一種惡性循環(huán)現(xiàn)象。圖1–1–4

(a)、(b)功率管底座上加裝散熱器(c)相應(yīng)的熱等效電路①管子集電極直接固定在金屬底座上。②金屬底座與管殼相連。③金屬底座還加裝金屬散熱器。提高

PCM

的辦法：R(th)jc:集電極與金屬底座之間的熱阻R(th)ca:管殼與周圍空氣之間的熱阻R(th)cs:金屬底座與散熱器之間的熱阻R(th)sa:散熱器與周圍空氣之間的熱阻散熱器的面積越大，厚度越厚，材料的熱導(dǎo)率越高，

R(th)sa就越小。各種散熱片各種功率晶體管

熱傳導(dǎo)過(guò)程：

T2為熱源溫度，T1

為空氣溫度，P為傳輸?shù)臒峁β?，Rth

為熱阻，單位℃/W，當(dāng)熱源產(chǎn)生熱量時(shí)，熱源溫度T2

上升，向外部傳輸熱量，若產(chǎn)生的熱量和傳輸?shù)臒崃肯嗟龋_(dá)到熱平衡。T2

不再變化。Rth因?yàn)?/p>

R(th)cs+R(th)sa<<R(th)ca

所以總熱阻

Rth

R(th)jc+R(th)cs+R(th)ca

晶體管手冊(cè)中給出的

PCM

是在指定散熱器尺寸和環(huán)境溫度(Ta=25℃)時(shí)給出的數(shù)據(jù)。具體數(shù)值可由下式確定：晶體管的熱量傳遞iCICMV(BR)CEOvCEPCMOICEO安全工作區(qū)二、二次擊穿

除

PCM、ICM

和V(BR)CEO

滿足安全工作條件外，要保證功率管安全工作，還要求不發(fā)生二次擊穿。

二次擊穿(SecondaryBreakdown)：

當(dāng)集-射反向電壓超過(guò)

V(BR)CEO

時(shí)，會(huì)引起擊穿，但只要外電路限制擊穿后的電流，管子就不會(huì)損壞，待集電極電壓小于

V(BR)CEO

后，管子也就恢復(fù)到正常工作。如果發(fā)生上述擊穿，電流不加限制，就會(huì)出現(xiàn)集電極電壓迅速減小，集電極電流迅速增大的現(xiàn)象，即為二次擊穿。

二次擊穿后果：導(dǎo)致過(guò)熱點(diǎn)（管內(nèi)結(jié)面不均勻、晶格缺陷等）的晶體熔化，集

-射間形成低阻通道，引起vCE下降，iC

劇增，損壞功率管，且不可逆。

二次擊穿發(fā)生的條件：它在高壓低電流時(shí)發(fā)生，相應(yīng)的功率稱為二次擊穿耐量

PSB。圖1–1–5

計(jì)及二次擊穿時(shí)功率管的安全工作區(qū)功率管的安全工作區(qū)1.2

功率放大器的電路組成和工作特性1.2.1

從一個(gè)例子講起1.2.2

甲類、乙類功率放大器的電路組成及其功率性能1.2.1

從一個(gè)例子講起圖1–2–1圖解分析(a)

圖1-2-1所示為放大器的基本電路，現(xiàn)將其作為功率放大器來(lái)分析它的功率性能。由此揭示功率放大電路組成及其工作性能上的特點(diǎn)。分析方法應(yīng)用等效電路法小信號(hào)圖解法大信號(hào)冪級(jí)數(shù)法頻率變換時(shí)變參量法混頻電子線路分析方法功率放大器為大信號(hào)放大器，工程分析時(shí)，多采用在特性曲線上作負(fù)載線的圖解分析法。

1．Q點(diǎn)的選擇：為了使電路在管子不出現(xiàn)飽和與截止失真的條件下輸出功率最大，需把

Q選在負(fù)載線的中點(diǎn)，即

假設(shè)集電極飽和壓降VCE(sat)0；反向飽和電流ICEO

0圖1–2–1圖解分析

2．集電極輸出電壓和電流(假設(shè)

VCE(sat)和

ICEO為0)其中，3．PD(直流功率)、PL(負(fù)載功率)

、

PC

(管耗)PL

和

PC

均由直流和交流兩部分合成。例如：

PL

中：直流功率交流功率

所以

4．討論：(1)電路組成上甲類功放

Cmax=25%

PD

中，輸出的信號(hào)功率

Po僅占

1/4，大部分（PD/2）以直流功率消耗在

RL上。提高

Cmax

的辦法：①

降低

Q點(diǎn)，

合理選擇管子的運(yùn)用狀態(tài)(乙類或甲乙類)，減小管子的靜態(tài)損耗。②

消除

RL

上的直流功率——改進(jìn)管外電路，使之不消耗直流功率。(2)工作特性上

VCC

一定且

Q在負(fù)載線中點(diǎn)時(shí)，最大輸出信號(hào)電壓就被限定了，Vcm≈VCEQ=VCC/2,欲提高輸出信號(hào)功率，需增大

Icm(即減小

RL)，但必須同時(shí)增大激勵(lì)電流。圖1–2–2

RL

變化對(duì)功率性能的影響①

RL

減小,從而使ic增大，同時(shí)要求增大輸入激勵(lì)電流ib增大到ib′，負(fù)載線斜率改變，否則會(huì)減小了集電極電壓振幅，使

Po

減??；②RL

減小，ICQ

增大（從Q′點(diǎn)移到Q〞點(diǎn)），使

PD

增大，C

降低。5．結(jié)論(1)在電路組成上，必須采用避免管外電路無(wú)謂消耗直流功率的結(jié)構(gòu)。(2)在工作特性上，輸出負(fù)載、輸入激勵(lì)和靜態(tài)工作點(diǎn)相互牽制，要高效率輸出所需信號(hào)功率，三者必須有一個(gè)最佳配置。1.2.2甲類、乙類功率放大器的電路組成及其功率性能

一、甲類變壓器耦合功率放大器圖1–2–3(a)

原理電路1．電路(1)輸入端

RB——偏置電阻；CB——旁路電容；Tr1——耦合變壓器。(2)輸出端

Tr2——耦合變壓器，對(duì)交流，

Tr2

起阻抗變換作用。2．電路分析(靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析、功率性能、管安全)(1)靜態(tài)分析②

畫(huà)直流負(fù)載線直流負(fù)載線方程：

vCE=VCC

直流負(fù)載線：EF③求

Q點(diǎn)

iB

=(VCC-

VBE)/RB=IBQ

iC

=βIBQ

=ICQ

vCE=VCEQ=VCC圖1–2–4甲類變壓器耦合功率放大器的圖解分析ICQVCEQICEO0.4mA0.3mA0.2mA0.1mAiB=0302520151050iC

/mAvCE

/V369VCE(sat)QiBFE①畫(huà)直流通路(2)動(dòng)態(tài)分析②

畫(huà)交流負(fù)載線，寫(xiě)出表示管外電路中交流電壓和電流之間關(guān)系的交流負(fù)載線方程：

③求動(dòng)態(tài)范圍甲類變壓器耦合功放圖解分析過(guò)Q點(diǎn)作交流負(fù)載線

MN，斜率=

(n2RL)①畫(huà)交流通路

(3)功率性能

當(dāng)輸入充分激勵(lì)，Q處在負(fù)載線中點(diǎn)時(shí)，忽略非線性失真，且設(shè)

VCE(sat)=0，ICEO=0，則相應(yīng)的集電極電流和電壓分別為：其中：Vcm=

VCEQ=VCC比較：

基本放大器電路，

Vcm=VCC/2；

變壓器耦合電路，

Vcm=VCC，若呈現(xiàn)在集電極上的負(fù)載相等，則輸出信號(hào)功率增大4倍。功率參數(shù)計(jì)算：（甲類變壓器耦合功率放大電路）①②③④

采用變壓器耦合，Cmax

將由

0.25（25%）

增大到

0.5（50%），即

PD

的一半轉(zhuǎn)換為

Po。

若Q處于交流負(fù)載線的中點(diǎn)，且充分激勵(lì)的條件下，增大

VCC，或減小，Po

均將增大，但最后受安全工作條件的限制。(4)管安全

如圖1-2-4所示，加在集電極上的最大電壓

vCEmax=VCC+Vcm

2VCC，通過(guò)集電極的最大電流

iCmax=ICQ+Icm

2ICQ

。

當(dāng)

Po=0時(shí)，PD

全部消耗在管子中，因而消耗在集電極上的最大功率

PCmax

=PD

。安全工作條件：圖1–2–4

圖解分析又∵如果用Pomax

表示安全工作條件，上述安全工作條件變?yōu)椋骸堋?/p>

PCM/2≤V(BR)CEOICM/8圖1–1–5Pomax

取二者較小的值。

此外，還需檢查動(dòng)態(tài)點(diǎn)是否落在二次擊穿限定的安全區(qū)內(nèi)。實(shí)現(xiàn)方案：①變壓器耦合推挽功放；②乙類互補(bǔ)推挽功放。1.變壓器耦合功放(1)

電路結(jié)構(gòu)

Tr1：輸入變壓器，利用二次繞組的中心抽頭將vi(t)

分成兩個(gè)幅值相等，極性相反的激勵(lì)電壓

vi1

=-vi2

，分別加在兩管的基-射極之間，實(shí)現(xiàn)兩管輪流導(dǎo)通。

Tr2：輸出變壓器，隔斷

iC1

和

iC2到負(fù)載的平均分量，并利用一次繞組的中心抽頭將

iC1

和

iC2

中的基波分量在

RL

中疊加，輸出完整的正弦波。

T1

和

T2：特性配對(duì)、相同導(dǎo)電類型的

NPN

功率管。上次課二、乙類推挽功率放大器

乙類工作時(shí)，為在負(fù)載上合成完整的正弦波，必須采用兩管輪流導(dǎo)通的推挽(Push-Pull)電路。

圖1–2–5(a)

變壓器耦合(2)

工作原理

vi1(t)>0

時(shí)，

T1

導(dǎo)通(忽略發(fā)射結(jié)壓降)；此時(shí)

vi2(t)<0，T2

截止，iC1

處于正半周的半個(gè)正弦波。

vi2(t)>0

時(shí)，

T2導(dǎo)通；此時(shí)vi1(t)<0，

T1

截止，iC2

處于的正弦波的負(fù)半周。

iC1和

iC2

中的基波分量在

RL

中疊加，輸出完整的正弦波。

2．互補(bǔ)推挽電路圖1–2–5(b)

互補(bǔ)推挽(1)電路特點(diǎn)T1

與

T2：功率管（互補(bǔ)配對(duì)）(2)工作原理

vi(t)>0

時(shí)，T1

管(NPN型)

導(dǎo)通(忽略發(fā)射結(jié)壓降)，此時(shí)T2

管(PNP型)截止，iC1(

iE1)為正弦波的正半周；

vi(t)<0

時(shí)，T2

管導(dǎo)通，此時(shí)T1

管截止，iC2(iE2)為處于正弦波的負(fù)半周。通過(guò)RL

的電流iL=iE1–iE2

，合成完整的正弦波。

小結(jié)：上述乙類功率放大器，為實(shí)現(xiàn)器件輪流導(dǎo)通：類型輸入激勵(lì)信號(hào)功率管管型管外電路變壓器耦合極性相反對(duì)管，管型相同均避免了直流功率的損失互補(bǔ)推挽極性相同對(duì)管，管型不同3．乙類推挽功率放大器的性能分析

圖1–2–6

互補(bǔ)推挽圖解分析(1)推挽電路的組合特性乙類推挽功率放大器的組合特性靜態(tài)工作點(diǎn)：當(dāng)vi>0，T1

導(dǎo)通，負(fù)載線

AQ過(guò)Q

點(diǎn)，斜率為

-

1/RL

；當(dāng)vi<0，T2導(dǎo)通，負(fù)載線

AQ

過(guò)

Q

點(diǎn)，斜率為

-1/RL

。圖1–2–5(b)

互補(bǔ)推挽(2)

性能分析(忽略失真)①一般性能分析當(dāng)0≤

t≤時(shí)（正半周），iC2=0iC1=Icmsin

t當(dāng)

≤

t≤2時(shí)（負(fù)半周），iC1=0iC2=Icmsin

t集

-射極間電壓：

VCE1=VCC

-Vcmsin

t；VCE2=-

VCC

Vcmsin

t通過(guò)RL的電流：相應(yīng)產(chǎn)生的電壓：RL上的輸出功率：

PL=

Po=VcmIcm/2=I2cmRL/2

正負(fù)電源總的直流功率：

PD=PD1+PD2=2VCCIC0

=2VCCIcm/對(duì)于幅度為Icm的半個(gè)正弦波，其平均分量Ic0=Icm/π圖1–2–5(b)

互補(bǔ)推挽②

若充分激勵(lì)：與

RL

相匹配的輸入激勵(lì)(不出現(xiàn)飽和失真的最大激勵(lì))。

令VCE(sat)=0，ICEO=0，則

Vcm=VCC，Icm=VCC/RL相應(yīng)

Po和

PD

達(dá)到最大，即

乙類功放的最大集電極效率比甲類功放高③若激勵(lì)不足

Vcm

減小，引入電源電壓利用系數(shù)

表示

Vcm的減小程度。

圖1–2–5(b)

互補(bǔ)推挽電源電壓利用系數(shù)定義：

=Vcm/VCC集電極管耗：分析：當(dāng)輸入激勵(lì)由大減小，即

減小時(shí)，Po、PD、C

均單調(diào)減小，而

PC1

和

PC2

的變化非單調(diào)，經(jīng)分析，當(dāng)時(shí)最大，其值為：PD,CCmax(0.785)C圖1–2–7功放性能隨

（電源電壓利用系數(shù)）

變化的特性：

當(dāng)

較小時(shí)，PD、Po、C

??；而當(dāng)

接近

1時(shí)，PD、Po、C

大。結(jié)論：①

PC

非單調(diào)變化，兩頭小，中間大。②

PD

隨(激勵(lì))線性增大，與甲類(PD不變)不同。(3)管安全由可知

增大

VCC，減小

RL，且輸入充分激勵(lì)，輸出功率將增大，但最后受到下列安全工作條件的限制：

PC1max=PC2max=0.2Pomax<PCM取Pomax、Pomax兩者中較小的值，并檢查是否發(fā)生二次擊穿。〞′1.3

乙類推挽功率放大電路從原理電路到實(shí)用電路，還需解決如下等問(wèn)題：①交越（叉）失真——加偏置電路；②雙電源——單電源供電；③互補(bǔ)管難配——準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路；④安全——過(guò)載保護(hù)；⑤充分激勵(lì)——增加輸入激勵(lì)電路。一、交越失真和偏置電路1．交越失真(CrossoverDistortion)

(1)定義

在零偏置條件下，考慮到導(dǎo)通電壓的影響，輸出電壓波形在銜接處出現(xiàn)的失真，稱交越失真。圖1–3–2圖解分析乙類推挽電路時(shí)，兩管的合成傳輸特性交越失真(2)

解決途徑圖1–3–3加偏置的互補(bǔ)推挽電路及其傳輸特性在輸入端為兩管加適當(dāng)正偏電壓，使其工作在甲乙類。

由傳輸特性可見(jiàn)：只要

VBB

取值合適，上下兩路傳輸特性起始段的彎曲部分就可相互補(bǔ)償，合成的傳輸特性趨近于直線，在輸入正弦電壓激勵(lì)下，得到不失真的輸出電壓。(3)常用電路①

二極管偏置電路②VBE

倍增電路2．二極管偏置電路

在集成電路中，偏置二極管通常由晶體管取代，如圖

1-3-4(b)所示?；蛘哂没パa(bǔ)管

T3、T4

取代，如圖1-3-4(c)所示。圖1-3-4二極管偏置電路

問(wèn)題：偏置電路是否影響輸入信號(hào)

vi(t)

的傳輸。

解答：二極管正向交流電阻很小，可認(rèn)為交流短路。

3．VBE

倍增電路圖1–3–5

VBE

倍增偏置電路(1)偏置電路

由

T3、R1、R2

組成，且由電流源

IR激勵(lì)，為互補(bǔ)功率管

T1、T2

提供偏置電壓

VBB，I1遠(yuǎn)小于IC3,T1、T2管的靜態(tài)基極電流可忽略，則IC3≈IR。

T3、R1

構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，反饋電路的電阻很小，幾乎不影響輸入信號(hào)的傳輸。上次課圖1–3–5

VBE

倍增偏置電路(2)倍增原理

上式表明：偏置電路提供的偏置電壓

VBB

是

VBE3

的倍增值，且其值受

R1

和

R2

控制，故稱為

VBE

倍增電路。(3)熱補(bǔ)償T↑→（功率管）

ICQ↑,又因?yàn)門↑

→VBE3→VBB

→

（功率管）

ICQ

，從而阻止了功率管ICQ的增加。所以VBE3=VTln(IE3/IS)

VT

ln(IC3

/IS)

VT

ln(IR/IS)ICIC二、單電源供電的互補(bǔ)推挽電路(OTL)

圖1–3–61．電路特點(diǎn)①

單電源供電②

負(fù)載串接大容量隔直電容

CL。

VCC與兩管串接，若兩管特性配對(duì)，則CL上的直流電壓便被充到VCL=VCC/2，CL

等效為

電壓等于

VCC/2的直流電源，

大容量CL對(duì)交流近似短路

。2．工作原理

T1

管的直流供電電壓：VCCVCL=VCC/2，T2

的供電電壓：0VCL=VCC/2。

單電源供電電路等效為

VCC/2

和VCC/2

的雙電源供電電路。三、準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路

1．問(wèn)題的提出：互補(bǔ)要求兩功率管特性配對(duì)，特別是大功率管難實(shí)現(xiàn)。2．解決辦法：采用復(fù)合管取代互補(bǔ)管，構(gòu)成準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路。

3．電路:

圖1–3–7準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路復(fù)合管

T1、T2

等效為

NPN

型管；T3與T4

等效為

PNP

型管。

其中，T1、T3

為小功率管，它們之間是互補(bǔ)的，T2、T4

為大功率管，它們是同型的（NPN型），便于特性配對(duì)，故稱為準(zhǔn)互補(bǔ)推挽電路。R1，R2(幾百歐姆)——減小復(fù)合管的反向飽和電流。

四、保護(hù)電路1．必要性：在設(shè)計(jì)合理的功率放大器中，正常情況下，功率管是安全的，但實(shí)際工作時(shí)可能發(fā)生負(fù)載短路，電流迅速增大等異常現(xiàn)象，造成功率管損壞。為了安全起見(jiàn)，應(yīng)有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱保護(hù)。

正常時(shí)，VR1不足以使

T1

導(dǎo)通，不起保護(hù)作用。異常時(shí)，VR1使

T1導(dǎo)通，分流

i1，從而限制

T3

管的輸出電流，起到了限流保護(hù)作用。T2

對(duì)

T4

的限流保護(hù)作用同上。2．過(guò)流保護(hù)電路

(1)電路圖1–3–8限流保護(hù)電路

T1、T2：保護(hù)管；R1、R2為取樣電阻。(2)原理以保護(hù)管

T1

為例。圖1–3–9(a)

未加自舉電容的電路(b)輸入激勵(lì)級(jí)圖解分析

五、輸入激勵(lì)電路1．必要性

互補(bǔ)功放,功率管為射極跟隨器，Av<

1。若要求輸出最大信號(hào)功率，則要求激勵(lì)級(jí)提供振幅接近電源電壓的推動(dòng)電壓(單電源供電時(shí)，接近VCC/2)。2．電路

T3：輸入激勵(lì)級(jí)，

T3的直流負(fù)載為

R(忽略

T1和

T2基極電流)，直流負(fù)載線為Ⅰ，過(guò)Q點(diǎn)，斜率為-1/R。3．輸出振幅

交流負(fù)載

r

R//ri

<R（直流負(fù)載）

,交流負(fù)載線如Ⅱ所示。故

T3

管最大輸出電壓振幅減小，小于

VCC/2。過(guò)Q點(diǎn)，斜率為-1/r。

若能使

交流負(fù)載r

>R（直流負(fù)載），則交流負(fù)載線如曲線

Ⅲ

所示，則它的輸出信號(hào)電壓振幅就不受截止失真的限制，其值可接近

VCC/2。圖1–3–9(a)

未加自舉電容的電路(b)輸入激勵(lì)級(jí)圖解分析4．改進(jìn)電路

①電流源構(gòu)成有源負(fù)載放大器，直流電阻小，交流電阻大。②

采用自舉電路

圖1–3–9(c)

加自舉電容的電路

用R1，R2

，

C2，取代

R

。特點(diǎn)：C2

對(duì)交流近似短路，將C

點(diǎn)的交流電位自舉到

O點(diǎn)的交流電位上，即

vC

vO。

工作原理：Av

1，故

vB

vO

vC，通過(guò)

R2的交流電流

i0，因而從

B點(diǎn)向虛線框看進(jìn)去的交流電阻(vb/i)很大，趨于無(wú)窮，T3的交流負(fù)載電阻便近似等于

T1(或

T2)電路的輸入電阻。第

1章功率電子線路1.4

功率合成技術(shù)

1.4.1功率合成電路的作用1.4.2傳輸線變壓器1.4.3用傳輸線變壓器構(gòu)成的魔T混合網(wǎng)絡(luò)1.4.1功率合成電路的作用功率合成技術(shù)就是將多個(gè)功率放大器的輸出功率疊加起來(lái)，給負(fù)載提供足夠大的輸出功率。一、功率合成①A，B兩端輸入等值同相功率，C

端負(fù)載

Rc獲得兩輸入功率的合成，而

D端負(fù)載

Rd

上無(wú)功率輸出。②A、B兩輸入端輸入等值反相功率，

D端負(fù)載Rd

獲得兩輸入功率的合成，而

C端負(fù)載

Rc

上無(wú)功率輸出。

二、彼此隔離

當(dāng)

Rd

和

Rc

之間滿足特定關(guān)系時(shí)，A、B兩輸入端彼此隔離，即任意一端功率放大器的工作狀態(tài)變化或損壞時(shí)，不會(huì)影響另一端功率放大器的工作狀態(tài)，并維持其原輸出功率。三、功率分配⑴當(dāng)

Ra=Rb

時(shí)，將功率放大器加在

D端，功率放大器的輸出功率均等地分配給Ra

和Rb

，且它們之間是反相的，而C端無(wú)功率輸出。⑵當(dāng)Ra=Rb

時(shí)，將功率放大器加C端，功率放大器的輸出功率均等地分配給Ra

和

Rb，且它們之間是同相的，而

D端無(wú)功率輸出。

一個(gè)理想的功率合成電路應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：

①N

個(gè)同類型的功率放大器，它們的輸出振幅相等，通過(guò)功率合成器輸出給負(fù)載的功率應(yīng)等于各功率放大器輸出功率的和。

②與功率合成器連接的各功率放大器彼此隔離，任何一個(gè)功率放大器發(fā)生故障時(shí)，不影響其他功率放大器的功率輸出。實(shí)現(xiàn)功率合成的電路種類很多，一般都由無(wú)源元件組成，統(tǒng)稱為魔T混合網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要功率合成電路具有寬帶特性，這種功率合成電路由傳輸線變壓器構(gòu)成。1.4.2

傳輸線變壓器一、變壓器和傳輸線的工作頻帶高頻變壓器：由于線圈的漏感和匝間分布電容的作用，其上限頻率只能工作在幾十兆赫，而下限頻率主要受有限激磁電感量（即初級(jí)繞組電感量）的限制。

傳輸線：傳輸線是指連接信號(hào)源和負(fù)載的兩根導(dǎo)線，它的上限頻率與導(dǎo)線長(zhǎng)度

l

有關(guān)，l越小，上限頻率

fH

越高。它的下限頻率為零。“變壓器電感”這個(gè)詞并不常用，因?yàn)殍F磁性材料的電感不是常數(shù)，是非線性的。它是指一次線圈的電感，也是激磁電感，就是二次空載時(shí)一次線圈表現(xiàn)出來(lái)的電感，L=ψ/I=W1φ/I，一次的電流（空載電流，即激磁電流）所產(chǎn)生的磁鏈（磁通與一次匝數(shù)的乘積）與一次電流之比。它的值越大，說(shuō)明比較小的一次電流能產(chǎn)生比較高的磁鏈，比較強(qiáng)的磁場(chǎng)，一般說(shuō)來(lái)，鐵心越大，一次的匝數(shù)越多，激磁電感就越大，需要的激磁電流就越小。

傳輸線變壓器如圖1–4–3

所示。圖1-4-3傳輸線變壓器

則可以近似認(rèn)為，在上限頻率范圍內(nèi)，線上電壓和電流處處相等，即v1=v2=v，i1=i2=i

可以證明，它的上限頻率

fH

與其長(zhǎng)度l有關(guān)，l越小，上限頻率

fH就越高。若設(shè)上限頻率fH所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為

min

（=3×108/

fH

m),且l

取為min

的十分之一到八分之一，即二、傳輸線變壓器的工作原理傳輸線變壓器原理圖如圖1–4–4(a)所示。將傳輸線繞于磁環(huán)上便構(gòu)成傳輸線變壓器。傳輸線可以是同軸電纜、雙絞線、或帶狀線，磁環(huán)一般是鎳鋅高磁導(dǎo)率的鐵氧體。13既然傳輸線變壓器是依靠傳輸線傳送信號(hào)能量的，為什么還要采用磁環(huán)，構(gòu)成變壓器的結(jié)構(gòu)呢？對(duì)于上述傳輸變壓器，為了實(shí)現(xiàn)倒相功能，3端和2端必須接地。如果傳輸線不饒?jiān)诖怒h(huán)上，傳輸線就相當(dāng)于兩根短導(dǎo)線，輸入信號(hào)就會(huì)被1端和2端的短導(dǎo)線所短接；負(fù)載也就會(huì)被4端和3端間的短導(dǎo)線所短接，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。綜上所述，輸線變壓器是依靠傳輸線傳送信號(hào)的一種寬帶匹配元件，它的上限頻率取決于傳輸線的長(zhǎng)度，下限頻率取決于初級(jí)繞組電感量。三、傳輸線變壓器功能1．對(duì)稱（信號(hào)）與不對(duì)稱（信號(hào)）的相互變換對(duì)稱→不對(duì)稱變換，將對(duì)地對(duì)稱的雙端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)地不對(duì)稱的單端輸出信號(hào)，如圖1–4–6(a)所示。圖1-4-6對(duì)稱與不對(duì)稱變壓器(a)對(duì)稱-不對(duì)稱(b)不對(duì)稱-對(duì)稱不對(duì)稱→對(duì)稱的變換，將對(duì)地不對(duì)稱的單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)地對(duì)稱的雙端輸出信號(hào)，如圖1–4–6(b)所示。參見(jiàn)圖1–

4–

4(b)（主意：2端和3端接地），在高頻時(shí)，傳輸線變壓器以電磁能交替變換的傳輸方式傳送能量。如圖

1–4–4(c)所示（主意：2端和3端接地），在低頻時(shí)，由于傳輸線繞在磁環(huán)上，1

端和2

端與3

端和4

端的短導(dǎo)線成為較大的電感線圈，工作頻率越高，感抗越大，避免了信號(hào)源和負(fù)載被短接，實(shí)現(xiàn)了倒相作用。能量通過(guò)傳輸線方式和磁耦合方式傳送。132．阻抗變換器

傳輸線變壓器可以構(gòu)成阻抗變換器，由于結(jié)構(gòu)的限制，通常只能實(shí)現(xiàn)特定的阻抗比的變換。

4:1

阻抗變換器如圖1–4–7(a)所示，圖中阻抗關(guān)系為實(shí)現(xiàn)4:1

的阻抗變換。傳輸線變壓器輸入端為1、3端；輸出端為2、4端傳輸線變壓器的特性阻抗為Ri

1:4

阻抗變換器如圖1–4–7(b)所示，圖中阻抗關(guān)系為實(shí)現(xiàn)1:4

的阻抗變換。傳輸線變壓器的輸入端為1、3端，輸出端為2、4端Ri傳輸線變壓器的特性阻抗為1.4.3

用傳輸線變壓器構(gòu)成的魔T混合網(wǎng)絡(luò)一、功率合成

如圖1-4-8

所示，Tr1

為魔

T混合網(wǎng)絡(luò)，Tr2

為對(duì)稱–不對(duì)稱變換器。

輸入信號(hào)接在

A端和

B端，根據(jù)節(jié)點(diǎn)方程：i=ia-id，i=id-ib

由①i=ia-id，②i=id-ib

②-①可得而ic=2i=ia-ib

1．輸入為等值反相信號(hào)ia=ib=Imsin

t，va=vb=Vmsin

t

因?yàn)?/p>

ic=0，所以C端無(wú)功率輸出。vd=va+vb=

2Vmsin

t，D端的輸出功率

輸出功率為

A端輸入功率與

B端輸入功率的和。每個(gè)功率放大器的等效負(fù)載②+①可得2．輸入為等值同相信號(hào)ia=-ib=Imsin

t，

va=-vb=Vmsin

t

所以

D端無(wú)功率輸出。

vc=va=-vb=Vmsin

t，

ic=ia+（-ib

）=2Imsin

tC端的輸出功率：C端輸出功率為

A端輸入功率與

B端輸入功率的和。每個(gè)功率放大器的等效負(fù)載Vd-d=va–(-

vb)=0；從而使Tr1兩繞組上的交流電壓

v=0，即va=-

vb=vc;同時(shí)

id=0兩功率放大器提供等值同相功率

3．異常輸入情況ia

ib，

va

vb

根據(jù)電路的約束條件將代入并整理，求解出若取ia

僅與

va

有關(guān)，ib

僅與

vb

有關(guān)。實(shí)現(xiàn)了

A端和

B端的隔離，稱為

A、B間的隔離條件。

由圖可見(jiàn)，v=vd/2,vd=idRd

,

vc=icRc,ic=2i二、功率分配1．同相功率分配同相功率分配電路如圖1–4–9(a)所示。功率放大器接在C端，A、B端接負(fù)載電阻Ra和Rb,由圖可見(jiàn)ic=2i

，ia=i

-

id

，ib=i+id，vd=idRd

=

va

-

vb

=iaRa

-ibRb經(jīng)整理得到在上式中，當(dāng)Ra=Rb=R時(shí)，

id=0

，ia=ib=ic/2。可見(jiàn)，D端沒(méi)有獲得功率，而A端和B端獲得等值同相功率。這時(shí)，由于vd

=0,即傳輸變壓器輸入端電壓為零，A端與B端交流電位相等，由于Tr1變壓器兩個(gè)繞組對(duì)稱，則C與A、B三端電位相同，接在C端的等效負(fù)載即為

Ra和Rb的并聯(lián)值，即R/2。圖1–4–9功率分配電路(b)反相2．反相功率分配反相功率分配電路如圖1–4–9(b)所示。將功率放大器接在D端，提供電流id=Imsinωt,A、B端接負(fù)載電阻Ra和Rb同理可以證明：當(dāng)

Ra=Rb=R時(shí)ic=2i=0ia=ib=id

因

ic=0C端無(wú)功率輸出。

A端和

B端獲得等值反相功率。D端的等效負(fù)載為

2R。

三另一種混合網(wǎng)絡(luò)如圖所示，它由兩個(gè)1:1傳輸線變壓器組成。（1）當(dāng)即等幅同相輸入激勵(lì)時(shí)，由于因而故則在C

端上的功率結(jié)論：兩輸入功率在C

端合成輸出，D

端無(wú)功率輸出。每個(gè)放大器的等效負(fù)載（2）當(dāng)即等幅反相輸入激勵(lì)時(shí)且當(dāng)?shù)确聪噍斎霑r(shí)，兩輸入功率在D端合成，C端無(wú)功率輸出。每個(gè)放大器的等效負(fù)載為：聯(lián)立求解當(dāng)時(shí)（3）當(dāng)時(shí)由圖可見(jiàn)，每個(gè)傳輸線變壓器的始端電壓均等于從上述分析可以看出，當(dāng)Rd=Rc時(shí)，ia僅與va有關(guān)，ib僅與vb有關(guān)；即A、B端隔離，且隔離條件為Rd=Rc

。

同理，該混合網(wǎng)絡(luò)可以作為功率分配網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)A、B端分別接電阻Ra和Rb時(shí)，可以證明當(dāng)Ra=Rb=R的條件下，當(dāng)C端加輸入功率時(shí)，它將均等且同相地分配到A和B端，而D端無(wú)功率輸出，呈現(xiàn)在C端的負(fù)載為R2。當(dāng)D端加輸入功率時(shí)，它將均等且反相地分配到AB端，而C端無(wú)功率輸出，呈現(xiàn)在D端的負(fù)載為R2。四功率合成電路實(shí)例p50圖為由四個(gè)功率放大器組成的功率合成電路。四個(gè)功率放大器組成的功率救合成電路4:1阻抗變換器同相分配網(wǎng)絡(luò)同相分配網(wǎng)絡(luò)同相分配網(wǎng)絡(luò)同相合成網(wǎng)絡(luò)同相合成網(wǎng)絡(luò)同相合成網(wǎng)絡(luò)1:4阻抗變換器

圖為工作頻段為（1.5～30)MHz、輸出功率為320W的寬帶功率放大器。(了解)圖1-4-12寬帶功率合成電路1.5整流與穩(wěn)壓這部分同學(xué)們自學(xué)以后內(nèi)容課堂上不作講授第

1章功率電子線路1.5

整流與穩(wěn)壓電路1.5.1整流電路1.5.2串聯(lián)型穩(wěn)壓器1.5.3開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器整流電路的功能是將電力網(wǎng)提供的交流電壓變換為直流電壓。穩(wěn)壓電路具有調(diào)節(jié)功能，將整流電路輸出的不穩(wěn)定直流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓。1.5.1整流電路整流電路有半波、全波、橋式三種基本形式。一、半波整流電路半波整流電路如圖1–5–1(a)所示。在圖1–5–1(a)中，Tr

—

電源變壓器；D—

整流二極管；RL

—

負(fù)載電阻；CL—濾波電容。設(shè)

v2=V2msin

t忽略二極管的導(dǎo)通電壓，并設(shè)導(dǎo)通電阻為

RD。

v2>vo

二極管導(dǎo)通，電容充電。

v2<vo

二極管截止，電容放電。

動(dòng)態(tài)平衡后，二極管電流

iD=iO

是一串窄脈沖序列。如圖1–5–2(a)所示，CL

一定時(shí)，RL

越小，紋波越大。如圖1–5–2(b)所示，RL

一定時(shí)，CL

越大，紋波越小。

參見(jiàn)圖1–5–1(b)和圖1–5–1(c)，經(jīng)過(guò)

RLCL

的濾波，輸出電壓是直流電壓

VO

和一個(gè)鋸齒狀波動(dòng)電壓的疊加。波動(dòng)電壓稱為紋波電壓。

直流電壓

VO

及紋波電壓的大小與

RL

和

CL

的數(shù)值有關(guān)。

二、全波和橋式整流電路1．全波整流電路

全波整流電路如圖1–5–4(a)所示。

當(dāng)

v2>vO

時(shí)，二極管導(dǎo)通，所以在

v2

的正負(fù)半周

D1

和

D2

輪流導(dǎo)通。

穩(wěn)態(tài)波形如圖1–5–4(b)所示。O

由于電流脈沖的頻率比半波整流提高一倍，輸出的直流電流

IO

和輸出電壓

VO

比半波整流電路大，RL

和

CL

的濾波作用提高，紋波電壓比半波整流電路小。

2．橋式整流電路圖1–5–5橋式整流電路及其電壓和電流波形

如圖1–5–5(a)所示，v2

正峰值附近

D1、D3

導(dǎo)通，D2、D4

截止。

v2

負(fù)峰值附近

D2、D4

導(dǎo)通，D1、D3

截止。

圖1-5-5橋式整流電路及其電壓和電流波形

IO

與

VO

與全波整流電路相同，但截止時(shí)的反向電壓由兩只二極管共同承擔(dān)。

電壓和電流的波形如圖1–5–5(d)、(e)、(f)所示。

三、三種整流電路的性能

1．半波整流電路

優(yōu)點(diǎn)：元件少，電路簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：VO

小，紋波大。

2．全波整流電路

優(yōu)點(diǎn)：VO

大，紋波小。缺點(diǎn)：二極管承受的反向電壓高。

3．橋式整流電路

優(yōu)點(diǎn)：VO

大，紋波小，輸出功率相同時(shí)，變壓器的伏安容量比全波整流小。

缺點(diǎn)：二極管數(shù)量多。四、倍壓整流電路

倍壓整流電路如圖1–5–9所示。適用于

VO

大，IO

小的場(chǎng)合。

動(dòng)態(tài)平衡后，v2

正峰值附近

D1

導(dǎo)通，向

CL1

充電，充電電壓

vO1，v2

負(fù)峰值附近

D2

導(dǎo)通，向

CL2

充電，充電電壓

vO2。負(fù)載

RL

上的電壓為半波整流電路的兩倍。

同樣原理可以構(gòu)成多次倍壓電路。1.5.2串聯(lián)型穩(wěn)壓器一、工作原理

1．組成串聯(lián)型穩(wěn)壓器的組成如圖1-5-12(a)所示。圖1-5-12(a)

串聯(lián)穩(wěn)壓電路的組成方框圖

串聯(lián)型穩(wěn)壓器組成：調(diào)整管、取樣電路、基準(zhǔn)電壓源和比較放大器。

調(diào)整管——功率管或復(fù)合管與負(fù)載串聯(lián)。比較放大器——單管放大器、差分放大器、集成運(yùn)放等。串聯(lián)型穩(wěn)壓器組成：調(diào)整管、取樣電路、基準(zhǔn)電壓源和比較放大器。調(diào)整管——功率管或復(fù)合管與負(fù)載串聯(lián)。比較放大器——單管放大器、差分放大器、集成運(yùn)放等。圖1-5-12(a)

串聯(lián)穩(wěn)壓電路的組成方框圖

基準(zhǔn)電壓源——溫度系數(shù)很小的電壓源電路。比較放大器——單管放大器、差分放大器、集成運(yùn)放等。串聯(lián)型穩(wěn)壓器的工作原理如圖1–5–12(b)所示。

T5

—調(diào)整管，工作在放大區(qū)。

VB5

VCE5

。

R1、R2

取樣電路。

取樣電壓

基準(zhǔn)電壓

VREF

由T1、T2

組成的差分放大器作為比較放大器，T3、T4

為有源負(fù)載。

當(dāng)VS=VREF

VO=VI-VCE5=VREF/n

若VI

或RL

變化使

VO

增加VO

VS

(VREF

不變)

VC2=VB5

VCES

VO

。

反之亦然。

二、穩(wěn)壓性能

1．穩(wěn)壓系數(shù)SV

輸入電壓變化

VI

時(shí)，輸出電壓的相對(duì)變化量稱為穩(wěn)壓系數(shù)

2．負(fù)載調(diào)整率

SI

輸入電壓

VI

不變，輸出電流變化時(shí)，輸出電壓的相對(duì)變化量稱為負(fù)載調(diào)整率

3．輸出電阻Ro

將穩(wěn)壓源等效為一個(gè)電壓源時(shí)的內(nèi)阻。除以上參數(shù)外，還有紋波抑制比

Srip

和輸出電壓溫度系數(shù)ST