第七章 功率电路
新能源发电技术-第七章 功率变换技术
过电流检测方法 ➢ 电流传感器检测法； ➢ 饱和电压检测法。
21
第6章 功率变换技术
缓冲电路: ➢ 作用：抑制电力电子器件的过电压和du/dt，或者抑制过电流和di/dt，
减小器件的开关损耗； ➢ 分关断缓冲电路和开通缓冲电路，两者结合在一起为复合缓冲电路。
➢ 优点：不怕桥臂直通和输出短路；电流输入波形好，电流响应快 ➢ 缺点：需要大电感，电源的体积和重量显著增大；需要反向隔离
二极管，造成主电路结构复杂且存在通态损耗
28
第6章 功率变换技术
DC－DC Converter
➢ 将一种直流电变换为另一种固定或可调电压的直流电，也称直流斩波器 （DC Chopper） 常用单开关器件直流变换器主要有6种：降压Buck型，升压Boost型， 降－升压Buck-Boost型，3种升－降/降－升压（Cuk、Sepic和Zeta )型
32
第6章 功率变换技术
di/dt抑制电路
Ri
VDi
Li
uCE iC
无du/dt抑制电路
无di/dt抑制电路
uCE
V
Rs
VDs
Cs
0
du/dt抑制电路
有di/dt抑制电路
有du/dt抑制电路
t
VD
L
22
第6章 功率变换技术
作业：请通过查找资料比较四种典型全控 型器件的优缺点等。
比较内容包括：
1. 容量
2. 开关频率（开通时间、关断时间）
第6章 功率变换技术 功率器件 电力晶体管（GTR）
电力晶体管GTR（巨型晶体管）
第6章 功率变换技术
电子设计中的功率电路设计原理
电子设计中的功率电路设计原理在电子设计领域中，功率电路设计是至关重要的一部分，因为功率电路直接影响到电子设备的性能、稳定性和效率。
在设计功率电路时，需要充分了解功率电路的设计原理，以确保电子设备能够正常运行并且高效工作。
首先要明确的是，功率电路主要用于将电能转换成各种形式的功率输出，例如将交流电转换成直流电、提高或降低电压、控制电流等。
因此，在功率电路设计中，需要考虑到电压、电流、功率、效率、稳定性等因素，同时结合具体的电子设备要求来进行设计。
在功率电路设计中，最常见的元件包括电源转换器、功率放大器、开关电源等。
电源转换器主要用于将输入电源转换成所需的输出电源，通常包括变压器、整流器、滤波器等部分。
功率放大器则主要用于放大信号的功率，常用于音频放大器、射频放大器等领域。
开关电源则利用开关器件的开关动作实现功率变换，具有高效率和可调节性的特点。
在设计功率电路时，需要充分考虑到功率电路的效率。
功率电路的效率指的是输出功率与输入功率的比值，通常用百分比表示。
高效率的功率电路能够减少能量损耗，提高设备的性能。
为了提高功率电路的效率，设计时需要选择合适的元件和拓扑结构，减小开关损耗、导通损耗、谐波损耗等。
另外，功率电路设计中还需要考虑稳定性的问题。
稳定性是指在各种工作条件下，电子设备能够稳定地输出所需的功率。
为了保证功率电路的稳定性，设计时需要考虑电路的抗干扰能力、稳压性能、负载适应能力等，同时要充分考虑环境温度、湿度等外部因素对电路性能的影响。
总的来说，功率电路设计是电子设计中至关重要的一部分，设计时需要考虑到电路的功率、效率、稳定性等因素，并结合具体的应用需求来选择合适的元件和拓扑结构。
只有通过深入理解功率电路的设计原理，才能设计出性能优越、稳定可靠的电子设备。
电路第七章习题解答
制作群
主
页
总目录
章目录
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退
出
P194页 图示电路中直流电压源的电压为24V，且 P194页7-16 图示电路中直流电压源的电压为 ， 电路原已达稳态， 时合上开关S， 电路原已达稳态，t = 0时合上开关 ，求：⑴电感电流 时合上开关 iL ；⑵直流电压源发出的功率。 直流电压源发出的功率。
12 解：uC (0+ ) = uC (0− ) = 3 3 ×103 = 6V 10 +10 uC (∞) =12V
+
1k
S(t = 0)
τ = RC = (1+1)×10 ×20×10 = 0.04s
3 −6
t −
12V iC - 20µF
− t 0.04
1k
uC (t ) = uC (∞) + [uC (0+ ) −uC (∞)]e τ =12 + (6 −12)×e
−25×2×10−3
(
)
制作群
主
页
总目录
章目录
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退
出
P195页 图示电路中开关合在位置1时已达稳定状态 时已达稳定状态， P195页7-20 图示电路中开关合在位置 时已达稳定状态， t = 0时开关由位置 合向位置 ，求t≥0时的电压 L。 时开关由位置1合向位置 时的电压u 时开关由位置 合向位置2， 时的电压
2Ω
+
3Ω
5Ω
(3+5)×iL (∞) = 2×[2 −iL (∞)] +10
iL (∞) =1.4A
2A
-
10V
S
电磁学第七章-交流电路
Z L l 2 π fL 1600 π 5.02k
ZC
1
C
1 2 π fC
106 105 π
3.18
若为直流， 则
ZL 0 ZC
1) 直流电压与电流都在负载RL 上
2) 交流电压降在 L 上（降压）
3) 交流电流主要通过 C（旁路）
10
§3 交流电路的分析方法
两元件：( Z1 , 1 ) , ( Z2 , 2 )
合成
a(t ) A cos(t )
其中：
tan
A1 sin1 A1 cos1
A2 sin 2 A2 cos 2
A2 A12 A22 2 A1 A2 cos( 2 1 )
11
二. 旋转振幅矢量法
—— 适用于同频、不同初相位交流电合成
a1 (t ) A1 cos(t 1 )
a2 (t ) A2 cos(t 2 )
（前左、后右）
5
§2 交流电路中的元件
一. 几点说明
1. 似稳条件
T l 或 l
c
2. 集中元件、集中参量
电容和电感元件分别把电场和磁场集中在自己内部很小的 范围内，称为集中元件，它们的电路参量（电容C 和电感L） 称为集中参量．
3. 线性电路
元件的参量R、L、C 为常数，由元件本身性质决定，与
)
π) 2
I m cos(t i )
u
0,
i
π 2
ZC
1
C
（容抗与频率成反比——高频短路、直流开路）
u i
π 2
（电流超前，电压滞后）
8
3. 电感 L
eL
L di dt
u L di dt
第七章 三相电路
g g g
对称时还有关系式：
I A 3 I AB 30 g g I B 3 I BC 30 g g I C 3 I C A 30
对称三相电路Y-Y联结时有以下特点：
1） 中线不起作用 。无论有无中线、中线阻抗为多大，N、N’两 点 均可用无阻抗的导线相连接，而不影响电路工作状态；
2）独立性。每相负载直接获得对称的电源相电压。各相电压、电
流只与本相的电源及阻抗有关，而与其它两相无关； 3）对称性。各相负载线电流、相电流均对称。可以只求一相，其 他两相由对称原则推出。
图7-3 三相电源的星形联接
电工基础
第二节 三相电源的连接
（３）对称电源星形连接时相电压与线电压间的关系：
& & U AB 3U A30 & 3U &30 U BC B & & U CA 3U C 30
图7-4
三相电源星形联接时的相量图
电工基础
第二节 三相电源的连接
& 2200 U & I A1 A 11 53.1o A Z1 12 j16 I& 11 173.1o A
B1 o I& 11 66 . 9 A C1
三角形连接负载Z2的相电压等于线电流为380V,ÙAB=380∠30oV,相电流为
& U 38030 & I AB AB 6.33 6.8o A Z AB 48 j 36 I& 6.33 126.8o A
第7章功率放大电路习题与解答
习题1. 选择题。
(1)功率放大电路的转换效率是指。
A．输出功率与晶体管所消耗的功率之比B．输出功率与电源提供的平均功率之比C．晶体管所消耗的功率与电源提供的平均功率之比(2)乙类功率放大电路的输出电压信号波形存在。
A．饱和失真B．交越失真C．截止失真(3)乙类双电源互补对称功率放大电路中，若最大输出功率为2W，则电路中功放管的集电极最大功耗约为。
A．0.1W B．0.4W C．0.2W(4)在选择功放电路中的晶体管时，应当特别注意的参数有。
A．βB．I CM C．I CBO D．U(BR)CEO E．P CM(5)乙类双电源互补对称功率放大电路的转换效率理论上最高可达到。
A．25% B．50% C．78.5%(6)乙类互补功放电路中的交越失真，实质上就是。
A. 线性失真B. 饱和失真C. 截止失真(7) 功放电路的能量转换效率主要与有关。
A. 电源供给的直流功率B. 电路输出信号最大功率C. 电路的类型解：(1)B (2)B (3)B (4)B D E (5)C (6)C (7)C2. 如图7.19所示电路中，设BJT的β=100，U BE=0.7V，U CES=0.5V，I CEO=0，电容C对交流可视为短路。
输入信号u i为正弦波。
(1)计算电路可能达到的最大不失真输出功率P om？(2)此时R B应调节到什么数值？(3)此时电路的效率η=？ou 12V+图7.19 题2图解：(1)先求输出信号的最大不失真幅值。
由解题2图可知：ωt sin om OQ O U U u += 由CC om OQ V U U ≤+与CES om OQ U U U ≥-可知：CES CC om 2U V U -≤即有2CESCC om U V U -≤因此，最大不失真输出功率P om 为：()W 07.2818122CES CC L2om om ≈⨯-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=U V R U P (2)当输出信号达到最大幅值时，电路静态值为：()CES CC CES CES CC OQ 212U V U U V U +=+-=所以 A 72.0825.0122L CES CC L OQ CCCQ ≈⨯-=-=-=R U V R U V I mA 2.7CQ BQ ==βIIk Ω57.12.77.012BQ BE CC B ≈-=-=I U V R (3) %24%10072.01207.2CQ CC om V om ≈⨯⨯===I V P P P η 甲类功率放大电路的效率很低。
第七章--正弦交流电路
φ＝（ωt＋φi1）－（ωt＋φi2）＝φi1－φi2 可见，相位差＝初相位之差。
若 φ＞0，φi1＞φi2，i1超前i2； φ＝0，φi1＝φi2，i1与i2同相位； φ<0，φi1＜φi2，i1滞后i2；
i1 i2
i2 i1
φi2 φi1
i1超前i2
φi2 φi1
i1滞后i2
7.2 周期交流电量的有效值
UR RIR
瞬时功率: p iRuR 2U R IR sin2 (t )
URIR[1 cos 2(t )]
平均功率
P 1 T
T URiRdt UI I 2R
0
P
it
u.
IR
.
.
UR
. IR R
UR
2）电感元件
时域表达式 iL 2IL sin ωt
uL
L
diL dt
iL UL
交流电路:电压或电流是时间的周期性函数,一周期内平均值为零. 正弦交流电路:电压或电流是时间的正弦函数.
1)正弦交流电流描述 (电流参考方向如图所示)
瞬时值 i
瞬时表达式 i＝Imsin(ωt＋i)
电流波形图
iR
i
瞬时表达式需规定参考方向!
Im
t
2)正弦交流电的三要素
瞬时表达式 i＝Imsin(ωt＋i)
IR
UL U sin θ 100 0.8 80V ,
UR UL cos θ 80 0.6 48V
XC
UR IC
48 3
16Ω
.
U
.
IC θ
R UR 48 12Ω IR 4
XL
UL IL
80 5
16Ω
电力系统【第七章：电力系统三相短路的分析与计算】
电⼒系统【第七章：电⼒系统三相短路的分析与计算】⼀.电⼒系统故障概述 1.短路 短路是指电⼒系统正常运⾏情况下以外的相与相或相与地【或中性线】之间的故障连接。
2.对称短路与不对称短路 三相短路时三相回路依旧是对称的，故称为对称短路。
其它⼏种短路均使三相回路不对称，故称为不对称短路，如下： 3.产⽣短路的主要原因是电⽓设备载流部分的相间绝缘或相对地绝缘被损坏。
4.系统中发⽣短路相当于改变了电⽹的结构，必然引起系统中功率分布的变化，⽽且发电机输出功率也相应发⽣变化。
5.为了减少短路对电⼒系统的危害，可以采⽤限制短路电流的措施，在线路上装设电抗器。
但是最主要的措施是迅速将发⽣短路的部分与系统其它部分进⾏隔离，这样发电机就可以照常向直接供电的负荷和配电所的负荷供电。
6.电⼒系统的短路故障有时也称为横向故障，因为它是相对相【或相对地】的故障。
还有⼀种故障称为纵向故障，即断线故障，指的是⼀相或多相断线使系统运⾏在⾮全相运⾏的情况。
在电⼒系统中的不同地点【两处以上】同时发⽣不对称故障的情况，称为复杂故障。
⼆.⽆限⼤功率电源供电的系统三相短路电流分析 1.电源功率⽆限⼤时外电路发⽣短路（⼀种扰动）引起的功率改变对电源来说微不⾜道，因⽽电源的电压和频率对应于同步发电机的转速保持恒定。
2.⽆限⼤电源可以看做由多个有限功率电源并联⽽成的，因其内阻抗为零，电源电压保持恒定。
实际上，真正的⽆限⼤电源是不存在的，只能是⼀种相对概念往往是以供电电源的内阻抗与短路回路总阻抗的相对⼤⼩来判断电源是否作为⽆限⼤功率电源。
若供电电源的内阻抗⼩于短路回路总阻抗的10%时，则可认为供电电源为⽆限⼤功率电源。
在这种情况下，外电路发⽣短路对电源影响较⼩，可近似认为电源电压幅值和频率保持恒定。
3.当短路点突然发⽣三相短路时，这个电路即被分成两个独⽴的回路。
及有电源连接的回路和⽆电源连接的回路。
在有电源连接的回路中，其每相阻抗减⼩，对应的稳态电流必将增⼤。
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2、晶体管的几种工作方式 放大器的工作状态通常有三种：甲类、乙类、甲乙类。 一、若工作点设在放大区的中部，在输入信号的整个周期内都 有电流流过晶体管，此种工作状态称为甲类工作状态。
iC
Q
0
VCC
vCE
甲类
二、若将静态工作点向下移，设在截止区边缘，只在输入信号 的半周晶体管才有电流流过的工作状态称为乙类工作状态。
+VCC
T1
工作原理
+
在有正向信号电压输入时，只 有T1管导通，T2管处于截止状态。
如果电压为负值时，T2管导通， T1管处于截止状态。
+-vi源自T2 RLvo-
-VEE
若输入信号为正弦波形，则T1管只放大正半周信号，T2 管放大负半周信号，在负载上合成一个完整的波形。所以称 为互补电路。
分析计算
第七章 功率电路
什么是功率放大器？ 电压放大与功率放大有什么区别？
什么是晶体管的甲类、乙类和甲乙类工作状态？ 什么是互补式功放电路？ 常用的功率电路有哪些？
§7.1 功率放大电路
在实际电路中，常要求放大器的末级输出一定的功率， 以驱动负载，能够向负载提供足够信号功率的放大电路称
为功率放大电路。简称功放。
若将静态工作点向下
移，设在截止区边缘，只 在输入信号的半周晶体管 才有电流流过的工作状态 称为乙类工作状态。
乙类
iC
Q
0
VCC
vCE
三、若将工作点设在放大区但接近截止区的位置，在输入信号 的大半周内，晶体管有电流流过，此工作状态称为甲乙类。
iC
Q
0
vCE VCC
甲乙类
3、互补对称功率放大器
一、乙类互补对称电路
从能量控制和转换的角度看，功率放大电路与其他放 大电路在本质上没有根本区别；功放是在电源电压确定的 情况下，输出尽可能大的功率。
1、功率放大器的特点 功率放大器主要是提供输出功率，与前面所述的放大电 路相比有以下特点。 一、输出功率是指交变电压和交变电流的乘积，即交流功率。 （直流成分产生的功率不是输出功率）。 二、输出信号不仅电压幅值大，电流幅值也大。（信号幅 值大易产生失真，所以我们讨论的交流功率是在输入为正 弦波、输出波形基本不失真时定义的。） 三、输出功率大，则消耗在电路内的能量和电源提供的能量 也大，因此在分析时还要考虑转换效率。
2 2 VCC 2 ×152 = 2 = 2 ≈ .7W 5 RL ×8
P 1 = P 2 ≈ .75W 2 T T
§7.2 小功率单相桥式整流电路
在电路中，小功率单相桥式整流电路的作用是将有效 值通常为220V，50赫兹的交流电压转换成幅值稳定的直流 电压（几伏或几十伏），同时能提供一定的直流电流。 这个转换一般分成几个部分来实现，由交流电压变换 部分、整流部分、滤波部分和稳压部分构成。如图所示，
二、甲乙类互补对称电路
乙类互补对称电路存在交越失真
乙类互补对称电路因为没有直流偏置，IC=0，晶体管的
输入特性存在门限电压，Vi低于V(th)晶体管截止，RL上无电流 流过，其波形图出现交越失真。
+VCC RC
T2 D1 D2 T3
甲乙类互补对称电路
电路如图。由图可知，两管合成的
转移特性克服了输入特性起始部分的非 线性影响，消除了交越的失真。
+
vo
-
RL
vi
-
+
T1
单电源互补对称功率放大电路。
-VEE
例： 电路如图所示，试计算最大不失真输出功率？效率？
管耗？（vcem=2V ) 1 1 2 解：∵ Pom = I cmVcem = Vcem / RL 2 2
+15V
R1
T1 D1 D2
Vcem = I cm RL = VCC - VCE ( sat )
管耗PT 消耗在晶体管上的功率：PT=PCC - Po 乙类互补对称功率放大器输出功率最大时，两管总管耗为：
PT = PT 1 + PT 2 = PCC - Pom
2 2 2 VCC VCC 4 = = Pom ( - 1) ≈ 0.27P om RL 2 RL
在实际使用电路中，最大管耗： PCM > 0.2Pom， V(BR)CEO > 2VCC， ICM > Iom。
D1 D2
RL
RL
D3
D4
2
1
无论v2为处于正半周还是负半周，都有电流分别流过两 对二极管，并以相同方向流过负载。其波形如图所示。 vi
2π 0 π 3π 4π
ωt
vo
0
ωt
电源滤波电路
§7.3 串联型集成稳压电路的 基本原理和组成
一、串联反馈式稳压电路的工作原理 二、集成稳压电路的主要参数
三、串联型集成稳压电路的工作原理
在理想情况下，忽略管子的饱和压降，则输出电压最大幅 值为： Vcem = I cm RL ≈ CC V
此时最大不失真输出功率为：
1 1 2 1 2 Pom = I cmVcem = Vcem / RL ≈ VCC / RL 2 2 2
效率η： 输出最大功率时，直流电源提供给电路的总功率为：
PCC 1 4 = VCC I cm = Pom 2
v4
0
t
稳 压 电 路
v5
0
t
v1
v2
0
t
0
t
全 波 整 流 电 路
v3
0
t
滤 波 电 路
滤 波 电 路
v4
0
t
稳 压 电 路
v5
0
t
RL
直流电源组成框图
单相桥式整流电路 电路组成：
1
+ +
iD1 iD3
v1 -
v2 2
D4 D1 D3 D2 RL
+
vo -
整流过程：
当v2为正半周时： 1 当v2为负半周时： 2
习题 乙类互补功率放大器如图所示，设VCC1=|VCC2|=9V， RL=8Ω，晶体管饱和压降VCE(srt)=1V，输入交流信号足 够大，使集电极电流、电压的动态范围充分利用，试 计算Pom、ηm、PT。
1 ( VCC - VCES )2 Pom = = 4W 2 RL 2VCC PCC = ( VCC - VCE ( sat ) ) = 5.73W RL
iC1
iL
Icm
Q
VCE(sat)
vCE1 2VCC
0
vCE2 VCE(sat) VCC
0
iC2
vo
Vcem t
输出功率Po
1 2 1 Po = I RL = I cm RL = I cmVcm 2 2
2 L
在输入信号足够大的情况下：
Vcem = I cm RL = VCC - VCE ( sat )
为直流电源组成框图。
在每部分的右方画出了经过处理后的波形，其中虚线 代表电源电压增加时的情况。
v1
v2
0
t
0
t
全 波 整 流 电 路
v3
0
t
滤 波 电 路
滤 波 电 路
v4
0
t
稳 压 电 路
v5
0
t
RL
直流电源组成框图
1、交流电压变换部分 由于所需的直流电压比起电网的交流电压在数值上相差 比较大，因此，常常利用变压器降压得到比较合适的交流电
0
v3
0
t
t
3、滤波部分 将脉动大的直流电处理成平滑的脉动小的直流电，需要 利用滤波电路将其中的交流成分滤掉，只留下直流成分。
在此需要利用截止频率低于整流输出电压基波频率的低 通滤波电路。
v3
0
t
滤 波 电 路
v4
0
t
4、稳压部分 一般地说，经过整流滤波电路后就得到了较平滑的直流 电，可以充当某些电子电路的电源。但由于此时电压值还受 电网电压的波动和负载的影响，所以电源不够稳定。增加稳 压电路以得到稳定地、不受影响的直流电流。
压在进行转换。
v1
v2
0
t
0
t
也有些电源利用其它方式进行降压，而不用变压器。
2、整流部分
经过变压器降压后的交流电通过整流电路变成单方向的 直流电，但这种直流电幅值变化很大，若作为电源去供给电
子电路时，电路的工作状态也会随之变化而影响性能。这种 直流电称之为脉动大的直流电。
全 波 整 流 电 路
v2
Pom m = = 69.8% PCC
+VCC
T1
+ -
+
vi
T2 RL
vo
-
-VEE
PT = PCC - Pom = 5.73 - 4 = 1.73W
习题 甲乙类互补对称功率放大器如图所示。设VCC1=12V， RL=8Ω，晶体管饱和压降VCE(srt)=1V，电容C的容量足够 大并假定工作点较低，计算电路参量时可视为乙类工作 状态。试计算Pom、ηm、PT。
在理想情况下，放大器输出最大功率效率为：
2 2 Pom 1 VCC 2 VCC 4 m = =( )/( ) = = 78.5% PCC 2 RL RL
在实际应用电路中，考虑到饱和压降及电路中电阻的功率 损耗，效率仅能达到55~65%。 若输入信号较小致使输出电流和电压的动态范围被充分利 用的话，则实际输出功率Po<Pom，效率η<ηom 。
四、为了得到尽可能大的输出功率，晶体管常工作在接近极 限状态。vCE最大时接近v(BR)CEO（基极开路时C-E间的反向击