《功率电子线路》PPT课件.ppt

,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（Power Amplifier）,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,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。,三功率管的运用特性 1 甲类、功率管在一个周期内导通； 图1-1-1 2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，,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 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。 热崩结温升高 硅管,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。,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 。,二二次击穿 11什么叫二次击穿 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。 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。,12产生二次击穿的原因及过程 原因：管内结面不均匀，晶格缺陷等。 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。,3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。,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 ，,. 图1-2-1 图解分析,二.输出集电极电流和电压 式中,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； 选择管子的运行状态减少管耗； 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。,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。,. 图1-2-2 充分激励时变化对功率性能的影响,结论： 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。 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 1-2-3 1原理电路 设变压器变比为 ，等效负载电阻 2性能分析 静态分析 图1-2-3（b）,交流动态分析 交流负载线如图1-2-4 若 则有 式中,功率讨论 （1-2-4） （1-2-5） （1-2-6） （1-2-7）,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,即 又因为 所以 （1-2-8a） (1-2-8b),注： 要同时满足上面两个条件， 取其中的小值。 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。,二乙类推挽功率放大电路 图1-2-5 1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。,. 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 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。 性能分析 a)静态分析： 设 ： ：,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，,当 时， （1-2-9） 式中 （1-2-10）,功率讨论 （1-2-11 ） 为半正弦波的分量。 a)当为充分激励，且令,（1-2-12） （1-2-13） （1-2-14）,b) 若输入激励不足，则 （1-2-15） 称为电源电压利用系数。 （1-2-16）,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：,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。,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 P29 1-1-3 p30 1-3-2 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。,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。,. 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）,是 的倍增值，且受 、 控制。 温度稳定性分析： 二单电源供电的互补推挽电路。 图1-3-6 单电源供电电路等效为 和 的双电源供电电路。,三准互补推挽电路 图1-3-7 四保护电路 图1-3-8 过流保护电路 保护管 、 过流取样电阻 原理分析；正常工作时， 上的电压不足以使 导通，异常情况下， 导致 导通 ，从而分 流 管电流，限制 管的输出电流，即起保护作 用， 的作用与此类似。,五输入激励电路 p34 图1-3-9 图(a)为基本电路，缺点：交流负载电阻小于直流负载电阻 ， 使电压振幅受到截止失真的限制。 图(a)为自举电路，其 ， 图中， , , 容量较大对交流近似短路。 ， 、 为 ， 射极跟随器的电阻，其值较大，一般大于直流电阻（ ）,132 集成功率放大器 一LM380集成功率放大器 LM380集成功率放大器的内部简化电路及其外接电路。 主要参数：电源电压范围1222V，当 =22V， 时， ,非线性失真参数 当 时 ， 时， V, W,二功率运算电路 图1-3-11 功率运算放大器 图1-3-10 集成功率放大器的内部简化电路 (a)内部简化电路（b）外接电路,. 图1-3-11 功率运算放大器,三、桥式功率放大器 p38图1-3-12 桥式功率放大器 （同相） （反相） 令 ，,14 功率合成技术 1.1.4功率合成电路的作用 p40 图 1-4-1 功率合成是实现多个功率放大器联合工作的技术。 1C端为同相功率合成端当AB两端输入等值同相功率时，C端负载上获得两输入功率的合成，而D端负 载上无功率输出。 2D为反向功率合成端当AB两端输入等值反向功率时，D端负载 上获得两输入功率的合成，而C端负载 上无功率输出。,3隔离特性当 和 之间满足特定关系时，AB两输入端彼此隔离，即任一端功率放大器的工作状态变化或损坏时，不会影响另一端功率放大器的工作状态，并维持原输出功率。 4功率分功能当 时，加在D端的功率放大器将其输入功率均等地分给 和 ，且为反相的，而C端无功率输出；加到C端的功率放大器将其输出功率均等地分配给 和 ，且为同相的，而D端无功率输出。 魔T混合网络由无源元件组成的功率合成电路。,1.4.2 传输线变压器 一变压器和传输线的工作频带 1变压器 上限频率达几十MHz,受绕组电感和匝间分布电容的限制；下限频率受到有限激磁电感量的限制，上、下频率的比值可达几百，所以由变压器构成的魔T混合网络不适宜宽频带工作。 2传输线连接信号源和负载的两根导线。图1-4-3 低频工作时， 导线长，特性为两普通导线，。 高频工作时， 时，在传输线是无损耗的，且它的端阻抗是匹配的，而,（ 为特性阻抗，理想无损耗的传输线，理想无损耗的传输线， 为纯电阻） (1-4-1) 在上限频率范围内，线上电压、电流处处相等，即： （1-4-2） 二传输线变压器的结构及性能分析。 1组成结构 传输线变压器是一种绕在磁环上的传输线。 传输线可采用：同轴电缆，双股线或带状线，磁环：镍锌高磁导率( )的铁氧体。,2为什么要采用磁环构成变压器结构？ 采用这种结构可使1、2间，3、4间的短路短线成为感抗较大的电感线圈，且 ，保证了传输线传输信号功率并实现了倒相作用。 3变压器工作对信号传输的影响 传输线的下限频率为零，而传输线变压器的下限频率受有限激磁电感量的限制。 输入信号除通过传输线从始端传送到终端的i外，还有输入端电压v直接在12端间初级绕组电感上产生的电流 ，即输入的信号源提供的电流为,分析:在上限频率附近 ， 可以忽略。 所以，变压器的初级电感限制了传输线变压器的下限频率。 结论：传输线变压器是依靠传输线传送信号的一种宽带匹配元件，它的上限频率取决于传输线的长度，下限频率取决于初级绕组电感量。 三传输线变压器功能 11:1倒相功能 图1-4-4（c） 对称 不对称变换 2对地对称的双端输入信号转换为对地不对称的单端输出信号。图1-4-6（a） 不对称 对称变换,. 图1-4-4 1:1倒相变压器 (a)结构 (b)传输线变压器 (c)等效为1:1倒相变压器,3对地不对称的单端输入信号转换为对地对称的双端输出信号。 图1-4-6 (b) 44:1和1:4阻抗变换器 （指） 图 1-4-7 4:1阻抗变换器：图(a) (1-4-3) 传输线的特性阻抗 （1-4-4） 1:4阻抗变换器 图（b）,所以， （1-4-5） 传输线的特性阻抗为： （1-4-6） 习题1-20 阻抗变换器 9:1 1:9 16:1 1:6,143 用传输线变压器构成的魔T混合网络 一功率合成 图1-4-8 1电路结构， 为魔T混合网络， 为对称不对称变换器。 2工作原理 由图 即 node A node B,解得 : (1-4-7) (1-4-8) node C (1-4-9) 分三种情况讨论： 端合成端无输出， （为反向端，反相功率合成）,当 时 由于A、B提供的功率反相，所以称为反相功率 合成。 此时，每个功率放大器的等效负载 （1-4-10）,C端合成，D端无输出（C端为同相功率合成端） 当 ， 时 两功率放大器提供等值同相功率。,每个功率放大器的等效负载 （1-4-11） 异常条件下的隔离条件 发生在异常时 ， 两功率放大器提供 不等值功率。 （1-4-12a） （1-4-12b）,若 ，则 仅与 有关，而 与无关； 仅与 有关，而与 无关；且每个功率放大器的 等效负载均为 或 。 称为A、 B端间的隔离条件。 二功率分配 1同相功率分配功率放大器接到C端 A、B端接负载电阻 , 。,当 时， ， D端无功 率输出，而A、B端获得等值同相功率。 又 ， ，A、B、C三端电位相同，接 在C 端的等效负载即为 和 的并联后， 2反相功率分配 图1-4-9（b） 功率放大器接到D 端, , A、B端接负载 电阻 和 。,. 图1-4-9 功率分配电路 (a)同相 （b）反相,当 时， ，C端无功 率输出，A、B 端获得等值同相功率,D 端等效 负载 ， 。 注意：不论哪种功率分配电路，当 时， 功率放大器的输出功率就不能均等地分配到 和 上，且另一端（C 端或D 端）也有功率 输出。,三另一种混合网络 p48 图1-4-10 四功率合成电路实例 图1-4-11 图1-4-12 图1-4-11 四个功率放大器组成的功率合成电路,. 图1-4-12 宽频带功率合成电路,1-5 整流与稳压电路 115 整流电路 分类：半波、全波和桥式三种类型 一、半波整流电路,图1-5-1 半波整流电路及其波形 (a)半波整流电路 （b）电压波形 （c）电流波形 1原理 电源变换器， 整流二极管， 输出负载， 输出滤波电容 ，当 时， 通， 经间充电（设 起始电荷为零） ，当 时， 截至 经 放电。 随充、放电进行逐渐增大 导通时间,截止时间 直到一个周期内。 动态平衡， 在 上、下接50Hz频率作锯齿波等振幅振动。 整流输出电压。 平衡 后是一串窄脉冲序列， 整流输出电流 ， 注：叠加在 上的各次谐波电流在 上产生的各次谐波电压的叠加即为 上、下的锯齿波电压。,2. 、 对纹波的影响 一定， 纹波 一定， 。 图1-5-3附加电源滤波器的半波整流电路。 3.极限参数 整流电路为功率电路，必须保证电路中各元件 的安全。 整流管反向电压,电源变压器的极限参数是伏安容量 的有效值。 二全波整流电路 原理： ， 交替导通， 正峰附近 导通 截止。 经 间 充电，经 放电。 即在一个周期内， 经历两次充放电， 出现两 个同极性电流脉冲，叠加在 上的锯齿波电压频率加倍(100Hz)。在同样 乘积值时，提,高了它的滤波能力，从而减小了滤波电压；同 时，在相同 时， 和 也比半波整流电流 大。 三桥式整流电路。 图 1-5-5 原理分析：桥式整流电路实际上是全波整流电 路的变形电路。达到动态平衡后， 正峰附近， 通 止， 经 向 充电。 负 峰附近， 通 止， 经 向 充 电，所以桥式电路中的 与全波整流电,. 1-5-4 全波整流电路及其电压和电流波形,路相同，不过，由于两个串接二极管同时截止，反 峰电压由两只二极管同时承担，降低了对二极管的 耐压要求，且通过 次级的电流 是正负交替的脉 冲电流，伏安量小。 小结：全波和桥式电路的性能比半波电路好，而桥式 电路与全波电路比较，前者的电源变压器无中心抽头， 结构简单，且伏安容量小，因而在中小功率整流器 中，桥式电路应用最广。,四. 倍压整流电路用于要求 大而 小的场合。 图1-5-9是二倍频整流电路。 152串联型稳压器 一. 串联型稳压器的工作原理 1. :调整管，接于输入和输出之间， 受基极电压控制，即受 比较放大器输出 电压的控制、工作于放大区。,比较放大器： 组成的有源负载差分放大 器。 为基准电压， 为取样电压， ， 比较放大器的输出电压反映了 和 的差值。组成框图及原理电路 。 2稳压分析 若 ，即 ， ， 为取样比。则比较放大器的差模电压为零，此时，输出仅是 管的集电极静态电压 管产生静态电压 ，且,. （1-5-4） 稳压过程：若因 增大或负载增大使 增加 增大使 加 小结：串联型稳压电路是根据 和 的比较 结果控制调整管的管压降来稳定输出电压的。,二稳压性能 一）参数 1电压调整率（稳压系数）稳压电路对输入电压变化的抑制能力。 (1-5-5) 2.负载调整率（电流调整率）对输出负载电流变化的抑制能力。 （1-5-6）,3输出电阻 （1-5-7） 注： 与负载调整率 有相同的含义，都是用 来评价 对 的影响，不过 为小信号参数， 是微小变量，而 是大信号参数， 一般 是指空载（ ）到满负载 时的变化量。 工程计算式为： （1-5-8）,4纹波抑制比 5输出电压温度系数 二)各部分电路对性能参数的影响 1基准电压 它的不稳定直接造成稳压器各性能参数恶,化，反馈环路是无法对它进行抑制的。要求其 值稳定且不受温度及电源电压变化的影响。 2环路增益： 增大环路增益，特别是比较放大器的增益，可 提高环路的自动调整作用，改善稳定性能。 3调整管 值 增大 值，可以用较小 产生较大 ,同时 可减小输出电阻（带负载能力强），采用复合 管可改善稳压性能。,三集成串联稳压电路 分类：多端式输出电压可调。 三端式输入、输出（固定）、接地 端。 图1-5-13 基准电源电压电路。,1-5-14 7800系列三端式集成稳压 器的外接电路及其内部组成电路。,153开关型稳压器 与串联稳压电路不同，在开关稳压电路中，调整管工作在开