功率變換電路

功率變換電路第1頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、主要特點(diǎn)2.7.1功率放大電路的特點(diǎn)和基本類(lèi)型由于輸出電壓或輸出電流的幅度較大，功率放大電路必須工作在大信號(hào)條件下，因而容易產(chǎn)生非線性失真。如何盡量減小輸出信號(hào)的失真是首先要考慮的問(wèn)題。輸出信號(hào)功率的能量來(lái)源于直流電源，應(yīng)該考慮轉(zhuǎn)換的效率。半導(dǎo)體器件在大信號(hào)條件下運(yùn)用時(shí)，電路中應(yīng)考慮器件的過(guò)熱、過(guò)流、過(guò)壓、散熱等一系列問(wèn)題，并要有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。

第2頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月甲類(lèi)單管功放級(jí)+VCCRLRb+-viCbVCC/RLVCC為了取得最大的動(dòng)態(tài)范圍，必須使靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于負(fù)載線的中點(diǎn)，靜態(tài)管壓降，靜態(tài)電流。在正弦輸入信號(hào)vi的驅(qū)動(dòng)下，晶體管的電壓和電流將在靜態(tài)值的基礎(chǔ)上分別疊加交流成分：第3頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月因?yàn)榧姌O交流電流也為正弦波，電源輸出的平均電流為ICQ，因而電源提供的功率不變負(fù)載上得到的輸出信號(hào)功率為由此可得該功率輸出級(jí)的效率為

當(dāng)晶體管處于最大不失真輸出時(shí)，如不考慮其飽和壓降VCES，則極限情況下該類(lèi)電路的理想效率為第4頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月可見(jiàn)這類(lèi)放大器的功率轉(zhuǎn)換效率很低（若采用變壓器耦合單管功放級(jí)，則理想效率可達(dá)50%），原因是電源VCC所提供的總功率中，大部分消耗在晶體管的管耗和負(fù)載電阻的直流功耗上了。這類(lèi)單管放大器由于不允許在一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)截止失真，所以必須取，這顯然是造成較大管耗和負(fù)載直流功耗的根源。為了提高功率輸出級(jí)的效率，人們?cè)O(shè)想能否使晶體管的靜態(tài)電流？若這樣，波形中將出現(xiàn)半個(gè)周期的截止區(qū)。但如果再用另一個(gè)同樣的電路，使之與前一個(gè)電路交替工作(即前一電路中晶體管截止時(shí)，后一電路晶體管工作），則負(fù)載上仍可得到完整的正弦波。我們把在一個(gè)周期內(nèi)，要求完整導(dǎo)通的放大器稱(chēng)為甲類(lèi)放大器，而對(duì)僅導(dǎo)通半個(gè)周期的放大器（）稱(chēng)為乙類(lèi)放大器。根據(jù)靜態(tài)工作點(diǎn)的不同設(shè)置，功率放大器可以工作在乙類(lèi)θ=180°，甲類(lèi)θ=360°和甲乙類(lèi)θ=180°～360°（θ為導(dǎo)通角）。第5頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月功率放大器的工作點(diǎn)設(shè)置乙類(lèi)θ=180°甲類(lèi)θ=360°甲乙類(lèi)θ=180°～360°乙類(lèi)放大甲類(lèi)放大甲乙類(lèi)放大ICQ略大于0第6頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月乙類(lèi)功率放大器主要有互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)式和變壓器耦合推挽式兩種類(lèi)型。二、基本類(lèi)型1。雙電源供電的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功放電路，又稱(chēng)OCL電路(OutputCapacitorless)靜態(tài)(vi＝0)時(shí)，T1、T2管均截止，VOQ＝0正半周(vi＞0)時(shí)，T1管導(dǎo)通，T2管截止，+VCC→T1→RL→GND負(fù)半周(vi＜0)時(shí)，T1管截止，T2管導(dǎo)通，GND→RL→T2→-VCC第7頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2。單電源供電的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功放電路，又稱(chēng)OTL電路(OutputTransformerless)OCLOTL大容量(幾百～幾千微法)的電解電容器OTL功率放大器由于靜態(tài)時(shí),所以要求輸入端(T1、T2基極)上的靜態(tài)電壓也為，即而OCL電路的輸入端上不需要靜態(tài)電壓。第8頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月單電源互補(bǔ)功放電路(OTL)的工作原理OTL功放電路與OCL功放電路的工作原理類(lèi)似，都由NPN和PNP管構(gòu)成，但增加了一只大容量(幾百～幾千微法)的電解電容器。靜態(tài)(vi＝0)時(shí)，T1、T2管均截止，vo＝VCC/2，所以電容C上充有VCC/2的電壓，VOQ＝0正半周(vi＞0)時(shí)，T1導(dǎo)通，T2截止，+VCC→T1→C

→RL→GND。電容充電。負(fù)半周(vi＜0)時(shí)，電容C上的電壓VCC/2作為電源，T1截止，T2導(dǎo)通，電容放電，RL→C

→T2→GND。負(fù)載上流過(guò)負(fù)半周信號(hào)電流。第9頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.變壓器耦合推挽式Tr1、Tr2為輸入和輸出變壓器；T1、T2為同極型對(duì)稱(chēng)推挽管；Rb1、Rb2提供靜態(tài)偏置，克服交越失真。正半周(vi＞0)時(shí)，v21為正，T１導(dǎo)通，v22為負(fù)，T２截止輸出正半周。負(fù)半周(vi＜0)時(shí)，v21為負(fù)，T1截止，v22為正，T2導(dǎo)通，輸出負(fù)半周。+__+第10頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月變壓器耦合的突出優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)改變變壓器的變比，能找到一個(gè)最佳的等效負(fù)載(此時(shí)輸出功率最大，且不失真)。并且，在不提高電源電壓的條件下，可以使輸出電壓幅度Vom超過(guò)電源電壓。+__+第11頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、功率放大電路的主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)輸入：則輸出：輸出功率：2.7.2功率放大電路的分析計(jì)算以雙電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)式（OCL）功率放大電路為例。輸出功率Po第12頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電源提供平均功率：輸出效率η輸出效率:

輸出效率是輸出功率與電源提供的平均功率之比。第13頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)輸入信號(hào)幅度達(dá)到理想的最大值時(shí)，輸出功率達(dá)到最大，此時(shí)輸出效率也最大?？紤]功放管的飽和壓降VCES時(shí)，Vom=VCC-VCES，實(shí)際效率將小于78.5%(一般為60～70%)。最大輸出功率及最大效率互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功放電路的工作波形

第14頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月管耗PTT1、T2二管的總管耗為：為求最大管耗PTM，對(duì)上式求導(dǎo)，并令dPT/dVom=0。所以每個(gè)功放管的最大功耗為：

此時(shí):(2)功放管的耐壓V

(BR)CEO＞2VCC。(3)功放管允許的最大集電極電流ICM＞VCC/RL。第15頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路中，功放管必須按以下幾點(diǎn)原則選?。?1)管子的功耗PCM＞0.2Pomax。(2)功放管的耐壓V

(BR)CEO＞2VCC。(3)功放管允許的最大集電極電流ICM＞VCC/RL。二、功率管的選取第16頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月單電源互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)式（OTL）功率放大電路設(shè)輸入：則輸出：輸出功率：輸出功率Po第17頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電源提供平均功率：輸出效率η輸出效率:

第18頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月最大輸出功率及最大效率當(dāng)輸入信號(hào)幅度達(dá)到理想的最大值時(shí)，輸出功率達(dá)到最大，此時(shí)輸出效率也最大。第19頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(1)功率管應(yīng)該嚴(yán)格配對(duì)，大小工作電流時(shí)的β一致。在大電流下飽和壓降小，且一致。(2)管子的散熱問(wèn)題。在大功率場(chǎng)合，必須給管子裝上一定尺寸的散熱板，或進(jìn)行風(fēng)冷和水冷。(3)功放管因在大電流、高電壓下工作，應(yīng)對(duì)其采取過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)措施。(4)消除低頻自激的有效方法是在前置放大電路的供電回路中加去耦濾波電容。三、功放電路實(shí)際應(yīng)用時(shí)需考慮的問(wèn)題第20頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月克服交越失真的功率輸出電路第21頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月A_+vi+15V-15VRLR1R3R2T1T2vo功率放大電路基本形式第22頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、集成運(yùn)放的擴(kuò)流集成運(yùn)放擴(kuò)流電路2.7.3集成功率放大器在集成運(yùn)放的輸出端再加一級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功放。利用T1、T2管子的電流放大作用，達(dá)到擴(kuò)大輸出電流的目的。第23頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、集成運(yùn)放的擴(kuò)壓當(dāng)vi＝0時(shí)，vO＝0。vB1=+15V，vB2=-15V，V+=+14.3V，V-=-14.3V。經(jīng)擴(kuò)壓后的輸出電壓可達(dá)±24V以上。當(dāng)加入信號(hào)vi后，第24頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一般通用型集成運(yùn)放的輸出功率是很小的，如μA741的輸出功率僅為100mW左右。在需要較大功率場(chǎng)合，可選用集成功率放大器。5W音頻放大器三、集成功率放大器第25頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月20W音頻放大器第26頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月直流穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)框圖一、整流與濾波電路2.7.4

整流、濾波、穩(wěn)壓電路整流電路的任務(wù)是利用二極管的單向?qū)щ娦?，把正、?fù)交變的50Hz電網(wǎng)電壓變成單方向脈動(dòng)的電壓。第27頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月全波整流第28頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月全波橋式整流輸出波形

在一個(gè)周期中，D1、D3和D2、D4各輪流導(dǎo)通一次。全波橋式整流電路第29頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月整流電路只是將交流電變換為單方向的脈動(dòng)電壓和電流，由于后者含有較大的交流成分，通常還需在整流電路的輸出端接入濾波電路，以濾除交流分量，從而得到平滑的直流電壓。濾波電路利用電容的儲(chǔ)能特性，將電容量足夠大的電容與負(fù)載并聯(lián)。當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，第30頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)開(kāi)關(guān)S合上時(shí)，在v2＜vC時(shí)，二極管均反偏截止，C對(duì)RL放電，vC緩慢下降。在v2＞vC時(shí)，D1、D3管導(dǎo)通，iD1,3一部分提供負(fù)載電流，另一部分對(duì)C充電，

vC上升較快。第31頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在RL=∞(空載)時(shí)，，輸出直流電壓VO為最大。(二極管允許的反向電壓)(二極管最大整流電流)為確保二極管安全工作，要求:輸出直流電壓平均值VO(AV)在RLC值很小時(shí)，相當(dāng)于無(wú)濾波電容的情況，一般情況下，可按下式估算：VO(AV)≈0.9V2VO(AV)≈1.2V2第32頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月濾波電路形式不同電子設(shè)備要求其電源電壓的平滑程度不同，為此可采用不同的濾波電路。電容濾波L型濾波器電感濾波負(fù)載特性曲線RC-π型濾波器LC-π型濾波器第33頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、交流市電波動(dòng)2、負(fù)載變化都要引起輸出電壓不穩(wěn)定穩(wěn)壓電路VIVO接整流濾波電路穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓系數(shù)內(nèi)阻IL第34頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月+VO-+VI-RRL+VO-+VI-RRL+VO-+VI-RRL(a)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路(b)加晶體管擴(kuò)大負(fù)載電流的變化范圍(b)的常見(jiàn)畫(huà)法VI（或RL）VOVBEIBVO第35頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路VI是輸入電壓，T為調(diào)整管，A為比較放大電路，VREF為基準(zhǔn)電壓，它由穩(wěn)壓管Dz與限流電阻R構(gòu)成。R1與R2組成反饋網(wǎng)絡(luò)，是用來(lái)反映輸出電壓變化的取樣環(huán)節(jié)。這種穩(wěn)壓電路的主回路由調(diào)整管T與負(fù)載相串聯(lián)構(gòu)成，且T工作在線性狀態(tài)，故稱(chēng)為線性串聯(lián)式穩(wěn)壓電路。+VO-+VI-RRL第36頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月VO=VI-VCE，VO由反饋網(wǎng)絡(luò)取樣，并經(jīng)放大電路(A)放大后去控制調(diào)整管T的基極電壓，從而改變調(diào)整管T的VCE。VI增加

(或Io減小)VF與VREF經(jīng)比較放大后使調(diào)節(jié)管的VB和IC減小，VO增加VF=R2VO/(R1+R2)=FvVO增加(Fv為反饋系數(shù))。VCE增大VO下降，從而維持VO基本恒定。顯然，這是電壓負(fù)反饋電路基本性能。第37頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如把串聯(lián)穩(wěn)壓電路看作反饋放大器(輸入為VREF，輸出為VO)，則這種電路屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋。在深度負(fù)反饋條件下

最大可能輸出電壓第38頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、三端固定式集成穩(wěn)壓器塑料封裝(TO-220)最大功耗為10W(加散熱器)VI為不穩(wěn)定電壓輸入端VO為穩(wěn)定電壓輸出端GND為公共接地端金屬殼封裝(TO-3)最大功耗為20W(加散熱器)2.7.5集成線性穩(wěn)壓電路7800系列第39頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月最大輸出電流為1.5A7800系列中輸出穩(wěn)定電壓分為5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V等多種輸出電壓允許有±5%的偏差最小的輸入-輸出壓差為2V，但為使工作可靠，一般壓差應(yīng)大于3~5V最高輸入電壓VI≤35V。第40頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7900系列使用7800與7900時(shí)需要注意，采用TO-3封裝的7800系列，其金屬外殼為地端；而同樣封裝的7900系列，金屬外殼是負(fù)壓輸入端。TO-220封裝TO-3封裝7900系列屬于負(fù)壓輸出外形、電壓系列、允許電流與7800系列完全相同但管腳排列順序不同第41頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三端穩(wěn)壓器原理框圖第42頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三端穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用Ci是穩(wěn)壓器的輸入電容，用于進(jìn)一步減小高頻紋波Co是穩(wěn)壓器的輸出電容，用于改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)第43頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、要防止浮地故障的發(fā)生，一旦GND端開(kāi)路，穩(wěn)壓器的輸出電壓就會(huì)接近于輸入電壓，即VO≈VI，可能損壞負(fù)載電路中的元器件。常見(jiàn)故障及防止方法2、VI端與VO端不得接反。3、當(dāng)穩(wěn)壓器輸出端接有大

容量負(fù)載電容CO時(shí)，應(yīng)在

VI與VO端之間接一只保護(hù)

二極管D。正常情況下D截

止，一旦輸入端發(fā)生短路，

CO上積存的電荷便經(jīng)過(guò)D對(duì)

地放電，起到保護(hù)作用，

防止因向調(diào)整管的發(fā)射結(jié)放電而損壞芯片。第44頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月許多電子設(shè)備以及運(yùn)算放大器等均需要正、負(fù)雙電源供電，將7800與7900搭配使用，即可構(gòu)成同時(shí)輸出正壓和負(fù)壓的穩(wěn)壓電源。該電路的特點(diǎn)是可公用一套整流濾波電路。由于負(fù)載與電源公共地未連通，需增加二極管D起保護(hù)作用。能同時(shí)輸出正負(fù)壓的穩(wěn)壓電源第45頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三個(gè)接線端稱(chēng)為輸入端VI、輸出端Vo和調(diào)整端adj。LM317的VREF=1.2V，Iadj=50μA，由于調(diào)整端電流Iadj<<I1，故可以忽略。二、三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器第46頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三端可調(diào)式穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路由LM117和LM137組成的正、負(fù)輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓器。電路中的VREF=V31(或V21)=1.2V，R1=R′1=(120～240)Ω，為保證空載情況下輸出電壓穩(wěn)定，R1和R′1不宜高于240Ω。R2和R′2的大小根據(jù)輸出電壓調(diào)節(jié)范圍確定。該電路輸入電壓VI分別為±25V，則輸出電壓可調(diào)范圍為±(1.2～20)V。1第47頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器的調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，調(diào)整管一般以(10～100)kHz的調(diào)制頻率快速轉(zhuǎn)工作于飽和區(qū)和截止區(qū)。當(dāng)管子截止時(shí)，盡管電壓較高，而電流為零；當(dāng)管子飽和時(shí)，盡管電流較大，而管壓降很小。此時(shí)主要考慮管子的高頻開(kāi)關(guān)損耗。因功耗很小，其效率可以提高到80％～90％以上。2.7.6開(kāi)關(guān)型直流穩(wěn)壓電路按調(diào)制方式分為脈寬調(diào)制式、脈頻調(diào)制式和混合調(diào)制式；按功率管與負(fù)載的連接方式分為串聯(lián)式和并聯(lián)式。第48頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月串聯(lián)開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路原理圖續(xù)流濾波環(huán)節(jié)的作用是將調(diào)整管輸出的開(kāi)關(guān)脈沖電壓波形加以平滑，變成平穩(wěn)的直流輸出電壓。同時(shí)通過(guò)輸出取樣，反饋控制調(diào)整