非線性電子線路ch1-1謝嘉奎東南大學(xué)

第1章功率電子線路1.1功率電子線路概述1.2

功率放大器的電路組成和工作特性1.3

乙類(lèi)推挽功率放大電路1.4

功率合成技術(shù)1.5整流與穩(wěn)壓電路第

1章功率電子線路1.1功率電子線路概述1.1.1

功率放大器1.1.2

電源變換電路1.1.3

功率器件1.1功率電子線路概述

作用：高效地實(shí)現(xiàn)能量變換和控制。

種類(lèi)：

(1)功率放大電路

特點(diǎn)：放大用途：通信、音像等電子設(shè)備。

(2)電源變換電路

特點(diǎn)：能量變換用途：電源設(shè)備、電子系統(tǒng)、工業(yè)控制等。1.1.1

功率放大器特點(diǎn)：工作在大信號(hào)狀態(tài)。一、功率放大器的性能要求

①安全。輸出功率大，管子在極限條件下運(yùn)用。

②高效率。

C

——集電極效率(CollectorEfficiency)

Po

——輸出信號(hào)功率；PD——電源提供的功率；

PC

——管耗

(PowerDissipation)/集電極耗散功率；

Po

一定，C越高，PD

越小PC

小，既可選PCM

小的管子，以降低費(fèi)用，也節(jié)省能源。

③失真小。盡管功率增益也是重要的性能指標(biāo)，但安全、高效和小失真更重要，前者可以通過(guò)增加前置級(jí)禰補(bǔ)。二、功率管的運(yùn)用特點(diǎn)1．功率管的運(yùn)用狀態(tài)

根據(jù)功率管在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間的不同，功率管運(yùn)用狀態(tài)可分為甲類(lèi)、乙類(lèi)、甲乙類(lèi)、丙類(lèi)等多種。①甲類(lèi)：功率管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，c

=。②乙類(lèi)：功率管僅在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，c

=/2。

③甲乙類(lèi)：管子在大于半個(gè)周期小于一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，

/2

c

。④丙類(lèi)：功率管在小于半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，c

/2。功率管運(yùn)用狀態(tài)通?？窟x擇靜態(tài)工作點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。功率管的運(yùn)用狀態(tài)根據(jù)下列曲線說(shuō)出功率管的應(yīng)用狀態(tài)：圖1–1–1各種運(yùn)用狀態(tài)下的輸出電流波形2．不同運(yùn)用狀態(tài)下的C管子的運(yùn)用狀態(tài)不同，相應(yīng)的

Cmax

也不同。

減小PC可提高

C。

假設(shè)集電極瞬時(shí)電流和電壓分別為iC

和

vCE，則PC為討論：若減少PC，則要減少iC

vCE

方法1：由甲類(lèi)甲乙類(lèi)乙類(lèi)丙類(lèi)，即減小管子在信號(hào)周期內(nèi)的導(dǎo)通(增大iC

=0)的時(shí)間。

方法

2：管子運(yùn)用于開(kāi)關(guān)狀態(tài)(又稱丁類(lèi))，即一周期內(nèi)半飽和半截止。

飽和時(shí)，vCE

VCE(sat)

很小

PC

很??；

截止時(shí)，iC

很小，iC

vCE

也很小

PC

很小。

總之：為提高

C，管應(yīng)用狀態(tài)可取乙類(lèi)、丙類(lèi)或丁類(lèi)。但集電極電流波形失真嚴(yán)重，電路需采取特定措施(見(jiàn)

1.2

節(jié))。1.1.2

電源變換電路按變換方式不同：

(1)整流器(Rectifier)：交流電-直流電。應(yīng)用：電子設(shè)備供電。

(2)直流-直流變換器(DC-DCConverter)：直流電-直流電。應(yīng)用：開(kāi)關(guān)電源。

(3)逆變器(Inverter)：直流電-交流電。應(yīng)用：不間斷電源、變頻電源。

(4)

交流-交流變換器(AC-ACConverter)：交流電-交流電。應(yīng)用：變壓等。

1.1.3

功率器件功率管的種類(lèi)：(1)雙極型功率晶體管(2)功率MOS管(3)絕緣柵雙極型功率管

功率管是功率放大電路的關(guān)鍵器件，為保證安全工作，需了解其極限參數(shù)及安全工作區(qū)。以雙極型功率管為例，安全工作區(qū)受如下極限參數(shù)限制：①最大允許管耗

PCM。與散熱條件密切相關(guān)。②基極開(kāi)路集-射反向擊穿電壓V(BR)CEO。③集電極最大允許電流

ICM。以上參數(shù)與功率管的結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、封裝形式有關(guān)。一、功率管散熱和相應(yīng)的PCM

管耗PC

主要消耗在集電結(jié)上，使結(jié)溫升高。若集電極的散熱條件良好，集電結(jié)上的熱量很容易散發(fā)到周?chē)諝庵腥ィ瑒t集電結(jié)就會(huì)在某一較低溫度上達(dá)到熱平衡，此時(shí)集電結(jié)上產(chǎn)生的熱量等于散發(fā)到空氣中的熱量。反之，散熱條件不好，集電結(jié)就會(huì)在更高的溫度上達(dá)到熱平衡，甚至產(chǎn)生熱崩而燒壞管子。熱崩(ThermalRunaway)：

集電結(jié)結(jié)溫(Tj)

iC

PC

Tj

如此反復(fù)，直至Tj

TjM(集電結(jié)最高允許溫度)而導(dǎo)致管子被燒壞的一種惡性循環(huán)現(xiàn)象。提高PCM

的辦法：圖1–1–4

(a)、(b)

功率管底座上加裝散熱器(c)

相應(yīng)的熱等效電路①管子集電極直接固定在金屬底座上。②金屬底座與管殼相連。③金屬底座還加裝金屬散熱器。各種散熱片各種功率晶體管

熱傳導(dǎo)過(guò)程T2為熱源溫度，T1

為空氣溫度，P為傳輸?shù)臒峁β?，Rth

為熱阻，單位℃/W當(dāng)熱源產(chǎn)生熱量時(shí)，熱源溫度T2上升，向外部傳輸熱量，若產(chǎn)生的熱量和傳輸?shù)臒崃肯嗟?，達(dá)到熱平衡。T2

不再變化。晶體管的熱量傳遞RjcRcsPcRCaRsaTjTa因?yàn)镽(th)cs+R(th)sa<<R(th)ca

所以Rth

R(th)jc+R(th)cs+R(th)ca

晶體管手冊(cè)中給出的PCM

是在指定散熱器尺寸和環(huán)境溫度(Ta=25℃)時(shí)給出的數(shù)據(jù)。具體數(shù)值可由下式確定二、二次擊穿除PCM、ICM

和V(BR)CEO

滿足安全工作條件外，要保證功率管安全工作，還要求不發(fā)生二次擊穿。

二次擊穿(SecondaryBreakdown)：當(dāng)集-

射反向電壓超過(guò)V(BR)CEO

時(shí)，會(huì)引起擊穿，但只要外電路限制擊穿后的電流，管子就不會(huì)損壞，待集電極電壓小于V(BR)CEO

后，管子可恢復(fù)正常工作。如果發(fā)生上述擊穿，電流不加限制，就會(huì)出現(xiàn)集電極電壓迅速減小，集電極電流迅速增大的現(xiàn)象，即為二次擊