《电工与电子学》课件：第8章功率电子电路第3版

1、8.1 8.1 低频功率放大电路低频功率放大电路8.2 8.2 直流稳压电路直流稳压电路8.3 8.3 功率半导体器件和变流电路功率半导体器件和变流电路第第8 8章章 功率电子电路功率电子电路功率电子电路的分类1. 将信号加以放大，使负载获得所需的信号功率，常称功率放大器；2. 进行交直流的电能变换，向负载提供直流功率或交流功率，即直流稳压电源及变流电路。功率电子电路一般可分为两种类型：8.1.1 概述8.1.2 基本功率放大电路8.1.3 集成功率放大器举例8.1 8.1 低频功率放大电路低频功率放大电路对功放电路的要求：对功放电路的要求：（1 1）输出功率尽可能大，即输出电流和输出电压都要

2、尽输出功率尽可能大，即输出电流和输出电压都要尽可能大，因此功率管通常工作在近于极限状态；可能大，因此功率管通常工作在近于极限状态；（2 2）非线性失真尽可能小，通常用负反馈等措施来实现；）非线性失真尽可能小，通常用负反馈等措施来实现；（3 3）效率要高。）效率要高。8.1.1 概述T T0 0C CCECEC Cdt dti iu uT T1 1P P100%S SO OP PP P 集电极功耗要尽可能小集电极功耗要尽可能小晶体管的工作状态晶体管的工作状态（a)a)甲类：波形好，但管耗大，甲类：波形好，但管耗大， 效率低。效率低。（b)b)乙类：乙类：I IC C为零，因此管耗小，为零，因此管

3、耗小， 但波形严重失真。但波形严重失真。（c)c)甲乙类：介于甲、乙类之甲乙类：介于甲、乙类之 间，可消除交越失真，功间，可消除交越失真，功 放电路常用的工作状态。放电路常用的工作状态。（1 1）OCLOCL电路（电路（Output CapacitorlessOutput Capacitorless) )8.1.2 基本功率放大电路（1)OCL1)OCL电路电路直流电源功率直流电源功率L L2 2CESCESCCCCL L2 2omomomaxomaxR R) )U U- -(U(U2 21 1R R) )2 2/ /(U(UP PL LCESCESCCCCCCCC 0 0cmcmCCCCS

4、SS SS SR R) )U U- -(U(UU U 2 2sinsin td(td( t) t)I IU U2 2 1 12 2P PP PP P100%100%U UU U- -U U4 4 100%100%P PP P CCCCCESCESCCCCS Somaxomaxmaxmax78.5%78.5%100%100%4 4 maxmax最大输出功率最大输出功率效率效率若忽略饱和压降若忽略饱和压降 其中：其中：(1)D(1)D1 1、D D2 2用来消除用来消除 交越失真；交越失真；1 12 2f fR RR R1 1A AOCLOCL功率放大电路功率放大电路(2)R(2)R1 1、R R

5、2 2引入电压引入电压 串联负反馈。串联负反馈。 电压放大倍数电压放大倍数: :特点：特点：（1 1）单电源供电，电容）单电源供电，电容 起到负电源的作用；起到负电源的作用；（2)OTL2)OTL电路（电路（Output TransformerlessOutput Transformerless) )（2 2）只能放大交流信号，）只能放大交流信号， 不能放大直流信号；不能放大直流信号；（3 3）静态时基极电位：）静态时基极电位： U UB B=U=UCCCC/2 /2 。（2)OTL2)OTL电路电路直流电源功率直流电源功率L L2 2CESCESCCCCL L2 2CESCESCCCComa

6、xomaxR R) )2U2U- -(U(U8 81 1R R) )2 2U U- -U U2 21 1( (P PL LCESCESCCCCCCCCL LCESCESCCCCCCCCcmcmCCCCS SR R) )2U2U- -(U(UU U2 2 1 1R R) )U U- -U U2 21 1( (U U 1 1I IU U 1 1P P78.5%78.5%CCCCCESCESCCCCS SomaxomaxmaxmaxU U2U2U- -U U4 4 P PP P 最大输出功率最大输出功率效率效率 其中：其中：(1)C(1)C1 1、C C2 2为隔直电为隔直电 容；容；R R3 3用

7、来增加用来增加 输入电阻；输入电阻；1 12 2R RR R1 1A AuOTLOTL功率放大电路功率放大电路(2)(2)动态时，电路的动态时，电路的 电压放大倍数电压放大倍数: :TDA2030TDA2030接成接成OCLOCL电路电路TDA2030TDA2030管脚图管脚图8.1.3 集成功率放大器举例TDA2030TDA2030接成接成OTLOTL电路电路8.2.1 单相桥式整流电路8.2.2 滤波电路8.2.3 串联型稳压电路8.2.4 开关型稳压电路8.2 8.2 直流稳压电源直流稳压电源直流稳压电路的原理框图直流稳压电路的原理框图（1 1）U U2 2在正半周时，在正半周时，D D

8、1 1、D D3 3导通而导通而D D2 2、D D4 4截止，电截止，电流如图中实线所示；流如图中实线所示；（2 2）U U2 2在负半周时，在负半周时，D D2 2、D D4 4导通而导通而D D1 1、D D3 3截止，电截止，电流如图中虚线所示。流如图中虚线所示。由此，由此，u u2 2是交变的，而是交变的，而u uL L是大小变化而方向不变。是大小变化而方向不变。8.2.1 单相桥式整流电路单相桥式整流电路的波形图单相桥式整流电路的波形图单相脉动电压的平均值单相脉动电压的平均值2 22 22 2 0 0L L0.9U0.9UU U 2 22 2sinsin td(td( t) t)U

9、 U2 2 1 1U UL L2 2L LL LL LR RU U0.90.9R RU UI IL LR RL LD D/R/R0.45U0.45U1/2I1/2II I负载电流的平均值负载电流的平均值每个二极管的电流平均值每个二极管的电流平均值 最大反向电压最大反向电压 2 2DRMDRMU U2 2U U例例8.2.1 某一负载需要某一负载需要18V，1A的直流电源供电，如采用单相的直流电源供电，如采用单相 桥式桥式 整流电路，试计算：整流电路，试计算： （1）变压器二次侧的电压和电流有效值及变压器容量；）变压器二次侧的电压和电流有效值及变压器容量； （2）流过整流二极管的平均电流和承受的

10、反向电压最大值）流过整流二极管的平均电流和承受的反向电压最大值解：（解：（1 1）变压器二次侧的电压和电流有效值）变压器二次侧的电压和电流有效值 U2= =UL / /0.9=1.11UL=1.111820 （V） I2=1.11IL=1.111=1.11 (A) 变压器容量变压器容量 SU2I2=201.11=22.2 (VA)（2）流过每个二极管大的电流平均值）流过每个二极管大的电流平均值 ID =IL /2= =0.51=0.5 (A) 每个二极管所承受的最大反向电压每个二极管所承受的最大反向电压 UDRM=2U2 =22028 （V） 当当u2为正半周且为正半周且u2uc时，时，D1、

11、D3导通，导通，C充电，达到最大充电，达到最大值值U2m后，后， u2开始下降，电容放电，当开始下降，电容放电，当ucu2， D1、D3截止，截止，uc按指数规律下降；当按指数规律下降；当u2为负半周时，情况类似。为负半周时，情况类似。由图可见，滤波后由图可见，滤波后 ，uL脉动减少，平均值提高。脉动减少，平均值提高。 UL1.2U2电容滤波电容滤波8.2.2 滤波电路电感滤波电感滤波其它形式的滤波电路其它形式的滤波电路除电容滤波外，还有电感滤波、除电容滤波外，还有电感滤波、RC滤波、滤波、LC滤波和滤波和型滤波等型滤波等多种形式。多种形式。电容滤波的特点是电路简单，电容滤波的特点是电路简单，

12、适用于输出电压高、负载电流适用于输出电压高、负载电流小且负载变化不大的场合。小且负载变化不大的场合。电感滤波的特点是带负载能力强，适用于大电流或负载变电感滤波的特点是带负载能力强，适用于大电流或负载变化大的场合，但电感体积大且笨重化大的场合，但电感体积大且笨重。8.2.3 串联型稳压电路常数LIIOOVRUUUUS/稳压电路的主要质量指标：1）稳压系数（电压调整率）Sv：2）输出电阻（动态电阻）RO：常数IOOUIURO基基准准电电压压源源取样取样网络网络调整管调整管比较放大器比较放大器8.2.3 串联型稳压电路1. 串联型稳压电路的工作原理串联型稳压电路的工作原理OCBBFOUIIUUU R

13、EFREF2 22 21 1O OU UR RR RR RU UO O2 21 12 2REFREFF FU UR RR RR RU UU U2. 集成稳压电路集成稳压电路 固定输出三端集成稳压器固定输出三端集成稳压器CW7800系列系列该系列输出正电压，其中符号该系列输出正电压，其中符号 “00”用数字代替，用数字代替，表示输出电压值。表示输出电压值。2. 集成稳压电路集成稳压电路 该系列输出负电压，其中符号该系列输出负电压，其中符号 “00”用数字代替，用数字代替，表示输出电压值。表示输出电压值。固定输出三端集成稳压器固定输出三端集成稳压器CW7900系列系列2. 集成稳压电路集成稳压电路

14、 该系列的输出端和调节端之间的电压为该系列的输出端和调节端之间的电压为1.25V，并在，并在1.2537V的范围内连续可调。的范围内连续可调。引脚图引脚图 1.25V固定输出的接法固定输出的接法 可调式三端集成稳压器可调式三端集成稳压器CW117和和CW137 CW117输出电压可调的基本电路输出电压可调的基本电路IIUU121R1 ，且1.25V1.25V）12RR1.25（11.25（1输出电压输出电压 2 21 1R1R1O OR RI IU UU U 例题例题8.2.2V25. 1R RU U，1.25V1.25V-UaRRRRPP1.251.25-)1.25(11.25(1a aP

15、PR RO OU U）R RR R（1（1U UU U 解：由图可知解：由图可知故故RP=0时，时，UO=OV；RP调到最大值时，调到最大值时，UO30V。按调制方式：脉宽调制型、脉频调制型及混合调制型；按调制方式：脉宽调制型、脉频调制型及混合调制型；按功率管和负载的连接方式：串联型和并联型。按功率管和负载的连接方式：串联型和并联型。8.2.4 开关型稳压电路工作原理工作原理 当当UO升高时，升高时，UP2下降，下降，从而使从而使UB 和和Ton 减小、减小、Toff 增增大，占空比变小。这样使调整大，占空比变小。这样使调整管管T的截止时间的截止时间Toff 变长，故变长，故输出电压随之减小，

16、使输出电压随之减小，使UO 趋趋于不变。于不变。offoffononononT TT TT Tq q 占空比占空比8.3.1 功率半导体器件8.3.2 可控整流电路8.3.3 交流调压和变频电路8.3.4 直流调压电路8.3 8.3 功率半导体器件和变流电路功率半导体器件和变流电路1. 晶闸管（可控硅）晶闸管（可控硅）结构示意图及图形符号结构示意图及图形符号阳极阳极阴极阴极门极门极晶闸管的导通条件：晶闸管的导通条件：1）UAK0；2）门极和阴极之间加一定）门极和阴极之间加一定 大小的正向触发电压。大小的正向触发电压。晶闸管维持导通必须：晶闸管维持导通必须： IAIH（维持电流）。（维持电流）。

17、8.3.1 功率半导体器件工作原理：工作原理：1）当）当UAK0、UGK0时，由于时，由于T2反偏，晶闸管处于正向阻断反偏，晶闸管处于正向阻断状态；状态；2）当）当UAK0、UGK0时，产时，产生电流生电流IG，又，又IC2=2IB2，IC2=IB1，IC1=12IB2， 使使T T1、T T2迅速饱和导通，即迅速饱和导通，即晶闸管全晶闸管全导通；此时若去掉导通；此时若去掉UGK，晶闸，晶闸管依然导通。管依然导通。 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 晶闸管的特性参数晶闸管的特性参数（1）正向转折电压）正向转折电压UBO；（2）正向阻断峰值电压）正向阻断峰值电压UDRM；（3）反向转折电压）反向

18、转折电压UBR；（4）反向阻断峰值电压）反向阻断峰值电压URRM ；（5）正向平均管压降）正向平均管压降UF；（6）额定正向平均电流）额定正向平均电流IF；（7）维持电流）维持电流IH 。2. 绝缘门极双极晶体管（绝缘门极双极晶体管（IGBT）原理示意图及图形符号原理示意图及图形符号 晶闸管属半控型器件，晶闸管属半控型器件，因为它只能控制其导通，而因为它只能控制其导通，而不能控制其关断；不能控制其关断； IGBT属全控型器件，属全控型器件，通过在门极加正向和反向电通过在门极加正向和反向电压来控制管子的导通和截止。压来控制管子的导通和截止。3. 集成门极换流晶闸管（集成门极换流晶闸管（IGCT）

19、 IGCT 是是20世纪世纪90年代开发的全控型半导体功率器件，年代开发的全控型半导体功率器件，正向导通时其机理与普通晶闸管相同；关断时，它能使正向导通时其机理与普通晶闸管相同；关断时，它能使阳极电流快速地由阴极转移至门极（故称为门极换流晶阳极电流快速地由阴极转移至门极（故称为门极换流晶闸管），瞬间地从导通状态转为阻断状态。闸管），瞬间地从导通状态转为阻断状态。 特点：主回路接线简单、门极控制方便、大电流、高特点：主回路接线简单、门极控制方便、大电流、高电压、工作频率高、开关速度快、开关能耗小等。比电压、工作频率高、开关速度快、开关能耗小等。比IGBT更适用于高电压、大容量的场合。更适用于高电

20、压、大容量的场合。 变流电路的四种基本类型：变流电路的四种基本类型：整流（整流（AC DC）、逆变（）、逆变（DC AC）、）、直流调压（直流调压（DC - DC）、交流调压及变频（）、交流调压及变频（AC - AC）可控整流电路的功能是将交流电能转换成电压大小可可控整流电路的功能是将交流电能转换成电压大小可 调的直流电能。调的直流电能。可控整流电路的结构形式：可控整流电路的结构形式： 单相半波、单相桥式、三相半波、三相桥式。单相半波、单相桥式、三相半波、三相桥式。8.3.2 可控整流电路单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 与与8.2.1中的单相桥中的单相桥式整流电路的区别在于式整流电路

21、的区别在于用用4个晶闸管代替二极管，个晶闸管代替二极管，从而实现可控整流，即从而实现可控整流，即当晶闸管处于正向偏置当晶闸管处于正向偏置时，还必须在其门极加时，还必须在其门极加正向触发脉冲，才能使正向触发脉冲，才能使其导通。其导通。单相桥式全控整流电路波形图单相桥式全控整流电路波形图控制角控制角导通角导通角 1）负载电压）负载电压UL的平均值的平均值2 2coscos 1 1R RU U0.90.9R RU U I IL L2 2L LL LL L2 2coscos 1 1U Usinsin td(td( t) t)U U2 2 1 1U U2 22 2 L L9 . 0 sin2sin2 2

22、 2 1 1R RU Ud( d( t) t)sinsin t) t)R RU U2 2（ 1 1 I IL L2 2 2 2L L2 22 23）变压器二次侧绕组）变压器二次侧绕组i2的平均值的平均值2）负载电流）负载电流iL的平均值的平均值UL的有效值：的有效值：*8.3.3 交流调压和变频电路 sin2sin2 2 2 1 1U Ud( d( t) t)sinsin t) t)U U2 2（ 1 1U U1 12 21 1 L L1. 交流调压交流调压1）相控式交流调压电路）相控式交流调压电路双向晶闸管的图形符号及伏安特性双向晶闸管的图形符号及伏安特性双向晶闸管双向晶闸管 双向晶闸管相当

23、于双向晶闸管相当于两只晶闸管反向并联，两只晶闸管反向并联，但同用一个门极，触发但同用一个门极，触发脉冲（可正可负）加在脉冲（可正可负）加在G和和A1之间。则根据外之间。则根据外加电压极性的不同，在加电压极性的不同，在触发脉冲的作用下，导触发脉冲的作用下，导通方向可从通方向可从A2到到A1，或，或反之。反之。例题例题8.3.1 调光台灯电路调光台灯电路触发二极管的伏安特性触发二极管的伏安特性2）斩控式交流调压电路）斩控式交流调压电路 右图为单相斩控右图为单相斩控式交流调压电路。其式交流调压电路。其中中S1、S2为全控型功为全控型功率器件（如率器件（如IGBT），），可以双向导通，并且可以双向导通，并且双向都可以控制开通双向都可以控制开通和关断。和关断。原理图原理图波形图波形图2. 交流变频交流变频 交流变频是指将一种频率（如工频）的交流电变换成另交流变频是指将一种频率（如工频）的交流电变换成另一种频率的交流电。一种频率的交流电。 常用于交流电动机的变频调速、中频电源、高频电源等。常用于交流电动机的变频调速