功率变换电路

功率变换电路第一页，共五十二页，2022年，8月28日一、主要特点2.7.1功率放大电路的特点和基本类型由于输出电压或输出电流的幅度较大，功率放大电路必须工作在大信号条件下，因而容易产生非线性失真。如何尽量减小输出信号的失真是首先要考虑的问题。输出信号功率的能量来源于直流电源，应该考虑转换的效率。半导体器件在大信号条件下运用时，电路中应考虑器件的过热、过流、过压、散热等一系列问题，并要有适当的保护措施。

第二页，共五十二页，2022年，8月28日甲类单管功放级+VCCRLRb+-viCbVCC/RLVCC为了取得最大的动态范围，必须使静态工作点Q位于负载线的中点，静态管压降，静态电流。在正弦输入信号vi的驱动下，晶体管的电压和电流将在静态值的基础上分别叠加交流成分：第三页，共五十二页，2022年，8月28日因为集电极交流电流也为正弦波，电源输出的平均电流为ICQ，因而电源提供的功率不变负载上得到的输出信号功率为由此可得该功率输出级的效率为

当晶体管处于最大不失真输出时，如不考虑其饱和压降VCES，则极限情况下该类电路的理想效率为第四页，共五十二页，2022年，8月28日可见这类放大器的功率转换效率很低（若采用变压器耦合单管功放级，则理想效率可达50%），原因是电源VCC所提供的总功率中，大部分消耗在晶体管的管耗和负载电阻的直流功耗上了。这类单管放大器由于不允许在一个周期内出现截止失真，所以必须取，这显然是造成较大管耗和负载直流功耗的根源。为了提高功率输出级的效率，人们设想能否使晶体管的静态电流？若这样，波形中将出现半个周期的截止区。但如果再用另一个同样的电路，使之与前一个电路交替工作(即前一电路中晶体管截止时，后一电路晶体管工作），则负载上仍可得到完整的正弦波。我们把在一个周期内，要求完整导通的放大器称为甲类放大器，而对仅导通半个周期的放大器（）称为乙类放大器。根据静态工作点的不同设置，功率放大器可以工作在乙类θ=180°，甲类θ=360°和甲乙类θ=180°～360°（θ为导通角）。第五页，共五十二页，2022年，8月28日功率放大器的工作点设置乙类θ=180°甲类θ=360°甲乙类θ=180°～360°乙类放大甲类放大甲乙类放大ICQ略大于0第六页，共五十二页，2022年，8月28日乙类功率放大器主要有互补对称式和变压器耦合推挽式两种类型。二、基本类型1。双电源供电的互补对称功放电路，又称OCL电路(OutputCapacitorless)静态(vi＝0)时，T1、T2管均截止，VOQ＝0正半周(vi＞0)时，T1管导通，T2管截止，+VCC→T1→RL→GND负半周(vi＜0)时，T1管截止，T2管导通，GND→RL→T2→-VCC第七页，共五十二页，2022年，8月28日2。单电源供电的互补对称功放电路，又称OTL电路(OutputTransformerless)OCLOTL大容量(几百～几千微法)的电解电容器OTL功率放大器由于静态时,所以要求输入端(T1、T2基极)上的静态电压也为，即而OCL电路的输入端上不需要静态电压。第八页，共五十二页，2022年，8月28日单电源互补功放电路(OTL)的工作原理OTL功放电路与OCL功放电路的工作原理类似，都由NPN和PNP管构成，但增加了一只大容量(几百～几千微法)的电解电容器。静态(vi＝0)时，T1、T2管均截止，vo＝VCC/2，所以电容C上充有VCC/2的电压，VOQ＝0正半周(vi＞0)时，T1导通，T2截止，+VCC→T1→C

→RL→GND。电容充电。负半周(vi＜0)时，电容C上的电压VCC/2作为电源，T1截止，T2导通，电容放电，RL→C

→T2→GND。负载上流过负半周信号电流。第九页，共五十二页，2022年，8月28日2.变压器耦合推挽式Tr1、Tr2为输入和输出变压器；T1、T2为同极型对称推挽管；Rb1、Rb2提供静态偏置，克服交越失真。正半周(vi＞0)时，v21为正，T１导通，v22为负，T２截止输出正半周。负半周(vi＜0)时，v21为负，T1截止，v22为正，T2导通，输出负半周。+__+第十页，共五十二页，2022年，8月28日变压器耦合的突出优点是，通过改变变压器的变比，能找到一个最佳的等效负载(此时输出功率最大，且不失真)。并且，在不提高电源电压的条件下，可以使输出电压幅度Vom超过电源电压。+__+第十一页，共五十二页，2022年，8月28日一、功率放大电路的主要技术指标设输入：则输出：输出功率：2.7.2功率放大电路的分析计算以双电源互补对称式（OCL）功率放大电路为例。输出功率Po第十二页，共五十二页，2022年，8月28日电源提供平均功率：输出效率η输出效率:

输出效率是输出功率与电源提供的平均功率之比。第十三页，共五十二页，2022年，8月28日当输入信号幅度达到理想的最大值时，输出功率达到最大，此时输出效率也最大。考虑功放管的饱和压降VCES时，Vom=VCC-VCES，实际效率将小于78.5%(一般为60～70%)。最大输出功率及最大效率互补对称功放电路的工作波形

第十四页，共五十二页，2022年，8月28日管耗PTT1、T2二管的总管耗为：为求最大管耗PTM，对上式求导，并令dPT/dVom=0。所以每个功放管的最大功耗为：

此时:(2)功放管的耐压V

(BR)CEO＞2VCC。(3)功放管允许的最大集电极电流ICM＞VCC/RL。第十五页，共五十二页，2022年，8月28日在互补对称功率放大电路中，功放管必须按以下几点原则选取：(1)管子的功耗PCM＞0.2Pomax。(2)功放管的耐压V

(BR)CEO＞2VCC。(3)功放管允许的最大集电极电流ICM＞VCC/RL。二、功率管的选取第十六页，共五十二页，2022年，8月28日单电源互补对称式（OTL）功率放大电路设输入：则输出：输出功率：输出功率Po第十七页，共五十二页，2022年，8月28日电源提供平均功率：输出效率η输出效率:

第十八页，共五十二页，2022年，8月28日最大输出功率及最大效率当输入信号幅度达到理想的最大值时，输出功率达到最大，此时输出效率也最大。第十九页，共五十二页，2022年，8月28日(1)功率管应该严格配对，大小工作电流时的β一致。在大电流下饱和压降小，且一致。(2)管子的散热问题。在大功率场合，必须给管子装上一定尺寸的散热板，或进行风冷和水冷。(3)功放管因在大电流、高电压下工作，应对其采取过压和过流保护措施。(4)消除低频自激的有效方法是在前置放大电路的供电回路中加去耦滤波电容。三、功放电路实际应用时需考虑的问题第二十页，共五十二页，2022年，8月28日克服交越失真的功率输出电路第二十一页，共五十二页，2022年，8月28日A_+vi+15V-15VRLR1R3R2T1T2vo功率放大电路基本形式第二十二页，共五十二页，2022年，8月28日一、集成运放的扩流集成运放扩流电路2.7.3集成功率放大器在集成运放的输出端再加一级互补对称功放。利用T1、T2管子的电流放大作用，达到扩大输出电流的目的。第二十三页，共五十二页，2022年，8月28日二、集成运放的扩压当vi＝0时，vO＝0。vB1=+15V，vB2=-15V，V+=+14.3V，V-=-14.3V。经扩压后的输出电压可达±24V以上。当加入信号vi后，第二十四页，共五十二页，2022年，8月28日一般通用型集成运放的输出功率是很小的，如μA741的输出功率仅为100mW左右。在需要较大功率场合，可选用集成功率放大器。5W音频放大器三、集成功率放大器第二十五页，共五十二页，2022年，8月28日20W音频放大器第二十六页，共五十二页，2022年，8月28日直流稳压电源的结构框图一、整流与滤波电路2.7.4

整流、滤波、稳压电路整流电路的任务是利用二极管的单向导电性，把正、负交变的50Hz电网电压变成单方向脉动的电压。第二十七页，共五十二页，2022年，8月28日全波整流第二十八页，共五十二页，2022年，8月28日全波桥式整流输出波形

在一个周期中，D1、D3和D2、D4各轮流导通一次。全波桥式整流电路第二十九页，共五十二页，2022年，8月28日整流电路只是将交流电变换为单方向的脉动电压和电流，由于后者含有较大的交流成分，通常还需在整流电路的输出端接入滤波电路，以滤除交流分量，从而得到平滑的直流电压。滤波电路利用电容的储能特性，将电容量足够大的电容与负载并联。当开关S断开时，第三十页，共五十二页，2022年，8月28日当开关S合上时，在v2＜vC时，二极管均反偏截止，C对RL放电，vC缓慢下降。在v2＞vC时，D1、D3管导通，iD1,3一部分提供负载电流，另一部分对C充电，

vC上升较快。第三十一页，共五十二页，2022年，8月28日在RL=∞(空载)时，，输出直流电压VO为最大。(二极管允许的反向电压)(二极管最大整流电流)为确保二极管安全工作，要求:输出直流电压平均值VO(AV)在RLC值很小时，相当于无滤波电容的情况，一般情况下，可按下式估算：VO(AV)≈0.9V2VO(AV)≈1.2V2第三十二页，共五十二页，2022年，8月28日滤波电路形式不同电子设备要求其电源电压的平滑程度不同，为此可采用不同的滤波电路。电容滤波L型滤波器电感滤波负载特性曲线RC-π型滤波器LC-π型滤波器第三十三页，共五十二页，2022年，8月28日1、交流市电波动2、负载变化都要引起输出电压不稳定稳压电路VIVO接整流滤波电路稳压电路稳压系数内阻IL第三十四页，共五十二页，2022年，8月28日+VO-+VI-RRL+VO-+VI-RRL+VO-+VI-RRL(a)稳压管稳压电路(b)加晶体管扩大负载电流的变化范围(b)的常见画法VI（或RL）VOVBEIBVO第三十五页，共五十二页，2022年，8月28日二、线性串联型稳压电路VI是输入电压，T为调整管，A为比较放大电路，VREF为基准电压，它由稳压管Dz与限流电阻R构成。R1与R2组成反馈网络，是用来反映输出电压变化的取样环节。这种稳压电路的主回路由调整管T与负载相串联构成，且T工作在线性状态，故称为线性串联式稳压电路。+VO-+VI-RRL第三十六页，共五十二页，2022年，8月28日VO=VI-VCE，VO由反馈网络取样，并经放大电路(A)放大后去控制调整管T的基极电压，从而改变调整管T的VCE。VI增加

(或Io减小)VF与VREF经比较放大后使调节管的VB和IC减小，VO增加VF=R2VO/(R1+R2)=FvVO增加(Fv为反馈系数)。VCE增大VO下降，从而维持VO基本恒定。显然，这是电压负反馈电路基本性能。第三十七页，共五十二页，2022年，8月28日如把串联稳压电路看作反馈放大器(输入为VREF，输出为VO)，则这种电路属于电压串联负反馈。在深度负反馈条件下

最大可能输出电压第三十八页，共五十二页，2022年，8月28日一、三端固定式集成稳压器塑料封装(TO-220)最大功耗为10W(加散热器)VI为不稳定电压输入端VO为稳定电压输出端GND为公共接地端金属壳封装(TO-3)最大功耗为20W(加散热器)2.7.5集成线性稳压电路7800系列第三十九页，共五十二页，2022年，8月28日最大输出电流为1.5A7800系列中输出稳定电压分为5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V等多种输出电压允许有±5%的偏差最小的输入-输出压差为2V，但为使工作可靠，一般压差应大于3~5V最高输入电压VI≤35V。第四十页，共五十二页，2022年，8月28日7900系列使用7800与7900时需要注意，采用TO-3封装的7800系列，其金属外壳为地端；而同样封装的7900系列，金属外壳是负压输入端。TO-220封装TO-3封装7900系列属于负压输出外形、电压系列、允许电流与7800系列完全相同但管脚排列顺序不同第四十一页，共五十二页，2022年，8月28日三端稳压器原理框图第四十二页，共五十二页，2022年，8月28日三端稳压器的典型应用Ci是稳压器的输入电容，用于进一步减小高频纹波Co是稳压器的输出电容，用于改善负载的瞬态响应第四十三页，共五十二页，2022年，8月28日1、要防止浮地故障的发生，一旦GND端开路，稳压器的输出电压就会接近于输入电压，即VO≈VI，可能损坏负载电路中的元器件。常见故障及防止方法2、VI端与VO端不得接反。3、当稳压器输出端接有大

容量负载电容CO时，应在

VI与VO端之间接一只保护

二极管D。正常情况下D截

止，一旦输入端发生短路，

CO上积存的电荷便经过D对

地放电，起到保护作用，

防止因向调整管的发射结放电而损坏芯片。第四十四页，共五十二页，2022年，8月28日许多电子设备以及运算放大器等均需要正、负双电源供电，将7800与7900搭配使用，即可构成同时输出正压和负压的稳压电源。该电路的特点是可公用一套整流滤波电路。由于负载与电源公共地未连通，需增加二极管D起保护作用。能同时输出正负压的稳压电源第四十五页，共五十二页，2022年，8月28日三个接线端称为输入端VI、输出端Vo和调整端adj。LM317的VREF=1.2V，Iadj=50μA，由于调整端电流Iadj<<I1，故可以忽略。二、三端可调式集成稳压器第四十六页，共五十二页，2022年，8月28日三端可调式稳压器的典型应用电路由LM117和LM137组成的正、负输出电压可调的稳压器。电路中的VREF=V31(或V21)=1.2V，R1=R′1=(120～240)Ω，为保证空载情况下输出电压稳定，R1和R′1不宜高于240Ω。R2和R′2的大小根据输出电压调节范围确定。该电路输入电压VI分别为±25V，则输出电压可调范围为±(1.2～20)V。1第四十七页，共五十二页，2022年，8月28日开关型稳压器的调整管工作在开关状态，调整管一般以(10～100)kHz的调制频率快速转工作于饱和区和截止区。当管子截止时，尽管电压较高，而电流为零；当管子饱和时，尽管电流较大，而管压降很小。此时主要考虑管子的高频开关损耗。因功耗很小，其效率可以提高到80％～90％以上。2.7.6开关型直流稳压电路按调制方式分为脉宽调制式、脉频调制式和混合调制式；按功率管与负载的连接方式分为串联式和并联式。第四十八页，共五十二页，2022年，8月28日串联开关型稳压电路原理图续流滤波环节的作用是将调整管输出的开关脉冲电压波形加以平滑，变成平稳的直流输出电压。同时通过输出取样，反馈控制调整