1、第6章 功率电路及功率器件,第1节 功率放大电路 第2节 直流电源 第3节 功率器件,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,第6章 功率电路及功率器件,实际放大电路的负载中，电压uO、电流 iO 和功率 PO 三者都是相互伴随而同时存在的，以给负载提供足够大功率为目的的放大器称为功率放大器。,功率电路除了传统意义上的功率放大器以外，在某种意义上讲直流稳压电源也可以看作是一个功率放大电路。功放管及电压调整晶体管就是功率器件的一种。,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,为了使负载获得大的输出功率Po，必须使输出信号电压 uo和输出信号电流i
2、o均有较大的不失真摆幅。,6.1 功率放大电路,功率放大电路概述,功率放大电路是一种以输出功率为目的的放大电路，通常作为多级放大电路的输出级。,6.1.1 功率放大电路中晶体管的工作状态,功率放大管的工作状态,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,一个性能优良的功率放大器必须考虑电源功率转换的效率、负载与额定输出功率的匹配、大功率器件的选择与散热等问题。所有这些与功放管的工作状态有直接的关系。,6.1.1 功率放大电路中晶体管的工作状态,甲类工况放大电路的组成及输出波形,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,6.1.1 功率放大电路中晶体
3、管的工作状态,甲类工况功率放大电路如图6.1.1(a)所示，根据电路的输出功率Po定义，为了得到大功率输出，电路的输出电流和输出电压均处于极限状态，即最大输出功率为,式中：UOM和IOM是输出电压、电流的最大 峰值；UCC是电源电压、UCES是管压降。,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,6.1.1 功率放大电路中晶体管的工作状态,电路输出最大功率时，直流电源提供的电源平均功率等于UCC 与晶体管集电极电流平均值IC(AV)之积,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,6.1.1 功率放大电路中晶体管的工作状态,直流电源提供的平均功率主要
4、为电路提供合适的静态工作点，此时电源能量的转换效率仅为25%。,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,6.1.1 功率放大电路中晶体管的工作状态,可以设想，如果输入和输出都为零时，直 流电源不再向放大电路提供能量，而在输入 信号的作用下，直流电源能有效的将能量转 换为输出信号提供给负载，从而使转换效率 大大提高。乙类互补功率放大就是基于这种思想。,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,怎样才能提高电源的转换效率呢？,6.1.2 互补功率放大电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,在互补功率放大电路中，用两只
5、不同类型的晶体管 （NPN型管与PNP型管或N沟道管与P沟道管）交替工作， 称为互补工作方式。,互补功率放大器有两种典型电路OCL电路和OTL电路。,6.1.2 互补功率放大电路,1. OCL电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,OCL电路是指双电源供电，而负载不需要输出电容，直接与输出负载RL相连的互补功率放大电路。发烧耳机功放中Q10、Q11、Q12、Q13四个三极管构成准乙类互补功放电路（其中Q10、Q12构成PNP复合管，Q11、Q13构成NPN复合管）。,6.1.2 互补功率放大电路,（1）乙类OCL电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作
6、？业,退 出,开 始,乙类互补功率放大器,我们可以通过动画演示理解一下乙类OCL电路的工作原理。,6.1.2 互补功率放大电路,例6.1.1 在图6.1.3（a）所示的OCL功放电路中，已知UCC=15V，输入电压为正弦波，晶体管饱和压降为|UCES|=3V，负载电阻RL=6。,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,（1）分析负载上可能获得的最大功率？,（2）若输入电压有效值为8 V，则负载上能够获得的功率是多少？,（3）若功放的额定输出功率为18W，则负载应多大？,6.1.2 互补功率放大电路,解：（1）,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,
7、开 始,（2）因为 ，所以 ，即,（3）所选较合适。,6.1.2 互补功率放大电路,由以上分析可知，功率放大电路的最大 输出功率除了决定于自身参数外，还与输 入电压是否足够大有关。功率放大电路的 额定输出功率与电源的额定功率和功率管 耗有关。功放能否工作在最佳状态，还与 负载是否与之匹配有关。,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,6.1.2 互补功率放大电路,（2）甲乙类OCL电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,乙类功率放大器中由于功放管发射结存在死区电压，因此在信号过零时会产生交越失真。,乙类互补交越失真及消除,6.1.2 互
8、补功率放大电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,甲乙类OCL电路为互补管提供的静态值极低，因此，对输出功率Pom和转换效率的估算可与乙类OCL电路相同。,甲乙类OCL电路的消除交越失真的原理是：让两只互补管在静态时处于临界导通或微导通状态，使得在信号电压很小时，两只管子能够同时导通，从而可消除交越失真的现象，如图6.1.6所示。,6.1.2 互补功率放大电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,6.1.2 互补功率放大电路,（3）功率管的选择,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,功率放大器的最大输出功
9、率不仅与电源电压、输入信号的大小有关，而且要受到功率管极限参数的限制。理想条件下，OCL电路中管子的极限参数可按下式选取,6.1.2 互补功率放大电路,例6.1.2 已知图6.1.3(a)所示的OCL功放电路，负载所需最大功率为16W，负载电阻RL=8，每个晶体管的饱和压降为|UCES|=2V。,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,（1）试分析电源电压至少应取多少？,（2）求功率管的极限参数？,6.1.2 互补功率放大电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,解：（1）因为 ，所以,（2）由功率管的极限参数可知,6.1.2 互补功率放
10、大电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,因为,根据功率管的极限参数可知,所以,6.1.2 互补功率放大电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,2. OTL电路,单电源互补功率放大电路,我们可以通过动画演示一下OTL电路及工作原理。,6.1.2 互补功率放大电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,3. BTL电路,而负载是以浮地的形式直接与两组对称互补电路的输出端相连，如图6.1.8所示，也称为桥式互补功率放大电路。,BTL电路是无需输出变压器和输出电容，,6.1.2 互补功率放大电路,主菜单,回
11、退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,三种常 见互补功 率放大电 路的性能 比较如表 6.1.1所示。,6.1.3 准互补功率放大电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,1. 复合管,复合管（又称为达林顿管）是用两只或两只以上放大器件适当地连接在一起，等效成一只放大器件，从而获得较理想的器件参数。发烧耳机功放中Q10、Q12构成PNP复合管，Q11、Q13构成NPN复合管）。,6.1.3 准互补功率放大电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,6.1.3 准互补功率放大电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作
12、 ？业,退 出,开 始,2. 准互补功率放大电路,6.2 直流电源,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,直流电源的框图如图6.2.1所示，它由电源变压器、整流电路、滤波器和稳压电路等四部分组成。,6.2 直流电源,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,下面让我们先来看一个实用的直流稳压电源电路原理图。,具有三组电压输出的直流稳压电源原理图,6.2.1 单相整流电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,1. 单相整流电路的分类,6.2.1 单相整流电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出
13、,开 始,2. 单相桥式全波整流电路的工作原理,我们可以通过动画演示一下单相桥式全波整流电路及工作原理。,6.2.1 单相整流电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,3. 单相桥式全波整流电路的主要性能指标,（1）输出直流电压UO(AV),输出直流电压UO(AV)是整流电路的输出电压（即负载上的电压）瞬时值uo在一个周期内的平均值。由傅里叶级数展开可得：,输出直流电压UO(AV)为,负载上的直流电流为,6.2.1 单相整流电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,（2）脉动系数,脉动系数用来衡量整流电路输出电压的平滑程度，S定义为输
14、出电压基波的最大值与输出直流电压UO(AV)之比。,由傅里叶级数展开可得基波频率最大值为 ，则脉动系数为,6.2.1 单相整流电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,（3）整流二极管的选择,在桥式整流电路中，流经每个二极管的平均电流为,当D1、D2导通时，截止管D3、D4所承受的最高反向电压均为u2的最大值，即,同理，当D3、D4 导通时，截止管D1、D2也承受到同样大小的反向电压。,6.2.1 单相整流电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,例：已知某单相全波整流电路的负载电阻RL=16，要求负载电压为24V。,（1）求出变压器
15、二次侧电压。,（2）选择合适的整流二极管。,解：（1）,（2）,6.2.1 单相整流电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,图6.2.5所示是例6.2.1整流电路的EWB仿真波形图，其结果完全与理论分析相吻合。,6.2.2 电容滤波电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,电容滤波电路是最简单也是最常用的滤波器，具有三路输出的直流稳压电源原理图中的电容C1、C5和C9均为滤波电容。它们是在整流电路的输出端与负载并联一个滤波器C。利用电容元件通交流、隔直流的特性实现滤除整流电压中的交流成分的目的。电容滤波电路的组成及其波形如图6.2.
16、6所示。,6.2.2 电容滤波电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,6.2.2 电容滤波电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,电容滤波有如下特点：,1）负载输出直流电压UO(AV)升高，脉动减小，且电容放电时间常数d=RLC越大，电容放电速率越慢，则负载直流电压越高，纹波越小，即滤波效果越好。,为了得到较好的滤波效果，一般取,式中，T为电源交流电压的周期。,6.2.2 电容滤波电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,2）整流二极管的导通时间缩短，由图6.2.6可知，二极管的导通角小于180，而且
17、电容放电时间常数越大，二极管的导通角越小。,3）负载输出直流电压UO(AV)与输出直流电流IO(AV)的关系曲线称为外特征，如图6.2.7所示。可以看出，直流电压UO(AV)随直流电流IO(AV)增加而降低。,6.2.2 电容滤波电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,若整流电路的内阻不大（几欧）和电容放电时间满足,负载输出直流电压UO(AV)可按下面的经验公式计算,6.2.2 电容滤波电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,例：电路如图6.2.6(a)所示，接入RL(开关S闭合)，已知交流电源频率 ，要求直流电压 ，负载电流 。
18、试选择整流二极管及滤波电容。,6.2.2 电容滤波电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,解: （1）选择整流二极管,根据参数计算整流二极管可选用2CZ51D，它的最大整流电流IF=50mA，最高反向电压URM=100V，完全满足工作需要。,6.2.2 电容滤波电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,若考虑电网电压10%的波动，则电容器承受的最高电压为,故可选定电容器为标称值为100F/50V的电解电容。,若考虑电网电压10%的波动，则电容器承受的最高电压为,6.2.2 电容滤波电路,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？
19、业,退 出,开 始,除了前面介绍的电容滤波电路外，还有其它几种常用的滤波电路，如图6.2.8所示。,6.2.3 直流稳压电源,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,1. 并联型直流稳压电路,（1）稳压二极管,稳压二极管是一种用特殊工艺制造的面接触型半导体硅二极管。由于它在电路中起到稳压的作用，故称为稳压二极管。,6.2.3 直流稳压电源,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,（2）并联型直流稳压电路,在图6.2.10所示电路中，稳压二极管处于反向接法，这样可以保证稳压二极管工作于反向击穿区。由于与负载并联，故称为并联型直流稳压电源。,6.
20、2.3 直流稳压电源,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,下面分析该电路的稳压过程：假设负载RL不变，则,6.2.3 直流稳压电源,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,假设输入电压 UI 保持不变，则,6.2.3 直流稳压电源,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,2. 串联型直流稳压电路,并联型直流稳压电路在小型的电子设备中经常被采用。当电网电压和负载电流变化较大时，稳压二极管稳压电路稳压效果并不理想，可采用串联型直流稳压电路。,6.2.3 直流稳压电源,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,
21、退 出,开 始,图6.2.11所示电路为简单串联型直流稳压电路。,下面分析该电路的稳压过程：,6.2.3 直流稳压电源,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,通过上面的分析可知，晶体管T 起着调整电压的作用，因此称为电压调整管，由于电压调整管与负载电阻RL串联，故此电路称为串联型直流稳压电路。,6.2.3 直流稳压电源,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,图6.2.12所示电路是具有放大环节的串联型直流稳压电路。,图6.2.12所示电路的稳压过程可表示为：,6.2.3 直流稳压电源,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退
22、出,开 始,改变采样电阻中电位器RP的滑动端位置，就可调节输出电压。假设比较放大电路C是理想运算放大器，且工作在线性区，可得,则,6.2.3 直流稳压电源,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,例：在图6.2.12所示电路中，设稳压二极管的稳压电压UZ=V，采样电阻R1=R2=RP。,（1）估算稳压电路输出电压UO的调节范围。,（2）若输入电压为24V，额定输出电流为2A，试计算电压调整管T的极限参数。,6.2.3 直流稳压电源,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,解: （1）,因此，该稳压电源可在918V之间调节。,（2）电压调整管T
23、的集电极最大电流约等于额定负载电流2A，承受的最高反向电压为（249）V=15V，额定工作时集电极功耗为215W=30W。所以电压调整管T的极限参数为,6.2.3 直流稳压电源,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,3. 三端集成稳压电路,6.2.3 直流稳压电源,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,具有三路输出的直流稳压电源原理图中的7805、7812和7905为三个三端集成稳压器。那么这些数字的含义是什么呢？,三端集成稳压器的命名： W78中：W表明该器件是稳压器；78表明该稳压器是正电压输出；表明该稳压器的输出电压值。,6.2.3
24、 直流稳压电源,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,下面分别介绍几种三端集成稳压器的应用电路。,（1）正、负电压同时输出的电路,6.2.3 直流稳压电源,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,（2）提高输出电压的电路,6.2.3 直流稳压电源,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,（3）扩大输出电流的电路,6.2.3 直流稳压电源,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,（4）输出电压可调的电路,6.3 功率器件,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,功率
25、电路在给负载输送功率的同时，管子本身也要消耗一定的功率。如功率放大器中的功放管、直流稳压电源中的电压调整管就是功率器件。管子消耗的功率直接表现在管子结温的升高。结温升高到一定程度后，就会使管子损坏。因此，在功率电路中，合理选用功率器件是很重要的。,6.3.1 双极型大功率晶体管（BJT）,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,功率管的散热条件好坏可以用表示热传导阻力大小的物理量（称为热阻RT）描述。功率管的最大允许功耗PCM与热阻RT 、最高允许结温tjM和环境温度to有如下关系,6.3.1 双极型大功率晶体管（BJT）,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作
26、？业,退 出,开 始,功率晶体管的散热,6.3.1 双极型大功率晶体管（BJT）,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,提高功率晶体管工作可靠性的途径是：,在最坏的条件下（包括冲击电压在内），工作电压不能超过极限值的80%。,在最坏的条件下（包括冲击电流在内），工作电流不能超过极限值的80%。,在最坏的条件下（包括冲击功率在内），工作功耗不能超过器件最大工作环境温度下的最大允许功耗的50%。,工作时，器件的结温不应超过器件允许的最大结温的70%80%。,6.3.2 功率MOS器件（VMOS）,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,6.3.
27、3 集成功率放大器,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,1. SM1150II型集成功率放大器,下面介绍几种典型集成功率放大器件,6.3.3 集成功率放大器,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,2. TDA1521集成OCL电路,6.3.3 集成功率放大器,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,3. LM386集成OTL电路,6.3.3 集成功率放大器,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,4. TDA1556集成BTL电路,第6章 功率电路及功率器件,作 ？业,退 出,主菜单,
28、开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,本章作业,1. 仿真具有三路输出的直流稳压电源。,2. 思考题：P142题6.1、6.2P143题6.10、6.12,作 业 讲 评,第6章 功率电路及功率器件,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,P141题6.1,解：(1) OCL电路测得输出电压有效值等于10V时，电路的输出功率为,直流电源供给功率为,第6章 功率电路及功率器件,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,两个功率管管耗（平均值）,功率的转换效率,每只功率管管耗（平均值）,第6章 功率电路及功率器件,主菜单,回 退,前 进,最 后,
29、返 回,作 ？业,退 出,开 始,（2）电路最大输出功率,电源提供的功率,每只功率管最大管耗（瞬时值）,第6章 功率电路及功率器件,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,两个功率管管耗（平均值）,功率的转换效率,每只功率管管耗（平均值）,第6章 功率电路及功率器件,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,P142题6.10,解：(1)将电路取样电阻中增加一个可变电阻器R，如下图。根据运放“虚短”的概念有,第6章 功率电路及功率器件,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,开 始,第6章 功率电路及功率器件,将已知条件代入上式，有,由Uomin式可得：R=200,由Uomax式可得：R=200,显然，应选用一个200的可变电阻器。,结束 END,第6章 功率电路及功率器件,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,
