非線性電子線路：第1章 功率電子線路-1

第1章功率電子線路1.1功率電子線路概述1.2甲類功率放大器1.3

乙類功率放大器1.4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：高效率地實(shí)現(xiàn)能量變換和控制。

種類：

(1)功率放大電路

特點(diǎn)：功率放大用途：通信、音像等電子設(shè)備

(2)電源變換電路

特點(diǎn)：對(duì)電源能量（50HzAC電能和DC電能）進(jìn)行變換用途：電源設(shè)備、電力系統(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，管子在接近極限條件下運(yùn)用。保證管子不超過(guò)安全極限參數(shù)：PC

max

:實(shí)際消耗在集電極上的最大平均功率vCEmax

:實(shí)際加在C、E之間的最大瞬時(shí)電壓iCmax

:實(shí)際流過(guò)在C極的最大瞬時(shí)電流

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．非線性失真小。

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，前者可增加前置級(jí)彌補(bǔ)。二、功率放大器的分類1．按匹配網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)不同分：(1)非諧振式功放：如：變壓器耦合；RC耦合（OTL）；直接耦合（OCL，BTL）(2)諧振式功放：匹配網(wǎng)絡(luò)是諧振網(wǎng)絡(luò)。

（1）低頻功放：非諧振式，如：音頻功放。2．按工作頻率不同分：（2）高頻功放：諧振式，如：廣播發(fā)射機(jī)。（3）寬帶功放：工作在高頻，非諧振式，如電視發(fā)射機(jī)。3．按功率管的運(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，功放運(yùn)用狀態(tài)可分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等多種。(1)甲類：功率管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，c

=2。(2)乙類：功率管僅在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，c

=

。

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

c

2

。(4)丙類：功率管小于半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，c

。功率管運(yùn)用狀態(tài)通常靠選擇靜態(tài)工作點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。(5)丁類：功率管工作在開關(guān)狀態(tài)（飽和截止）。根據(jù)下列曲線說(shuō)出功率管的應(yīng)用狀態(tài)：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

法1：由甲類甲乙類乙類丙類，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。

法

2：管子運(yùn)用于開關(guān)狀態(tài)(又稱丁類)，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、丙、或丁類。但集電極電流波形失真嚴(yán)重，電路需采取特定措施。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：(1)雙極型功率晶體管*(2)功率MOS管*(3)絕緣柵雙極型功率管（IGBT）

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)到周圍空氣中去，則集電結(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：(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三極管

熱傳導(dǎo)過(guò)程T2熱源溫度，T1空氣溫度，P

傳輸?shù)臒峁β蔙th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。晶體管的熱量傳遞三極管手冊(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)。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，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。如上述擊穿后，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，即為二次擊穿。

后果：過(guò)熱點(diǎn)的晶體熔化，集－射間形成低阻通道，引起vCE下降，iC

劇增，損壞功率管，且不可逆。

發(fā)生條件：它在高壓低電流時(shí)發(fā)生，相應(yīng)的功率稱為二次擊穿耐量PSB。計(jì)及二次擊穿時(shí)功率管的安全工作區(qū)功率管的安全工作區(qū)第

1章功率電子線路1.2

甲類功率放大器1.2.1從一個(gè)例子講起1.2.2

變壓器耦合甲類功放分析1.2.1從一個(gè)例子講起（定性）

圖示為放大器的基本電路，現(xiàn)將其作為功率放大器來(lái)分析它的功率性能。由此揭示功率放大電路組成及其工作性能上的特點(diǎn)。

功率放大器為大信號(hào)放大器，工程分析時(shí)，多采用特性曲線上作負(fù)載線的圖解分析法。

功率放大器為大信號(hào)放大器，工程分析時(shí)，多采用特性曲線上作負(fù)載線的圖解分析法。

1．Q點(diǎn)的選擇：為了使電路在管子不出現(xiàn)飽和與截止失真的條件下輸出功率最大，需把

Q選在交流負(fù)載線的中點(diǎn)。即VCE(sat)

0

2．集電級(jí)輸出電壓和電流(假設(shè)VCE(sat)和ICEO為0)其中，3．PD(直流功率)、PL(負(fù)載功率)

、PC

(管耗)PL

和PC

均由直流和交流兩部分合成。例如：

PL中：直流功率交流功率

4．討論：(1)

電路組成上甲類功放

Cmax=25%

PD

中，輸出的信號(hào)功率Po最多僅占1/4，PD/2消耗在RL的直流功率上（無(wú)用）。提高Cmax

的辦法：

①

降低

Q——合理選擇管子的運(yùn)用狀態(tài)(乙類或甲乙類)減小管子的靜態(tài)損耗。

②

消除RL

上的直流功率——改進(jìn)管外電路，使之不消耗直流功率。(2)

工作特性上

VCC

一定、且Q

在負(fù)載線中點(diǎn)時(shí)，欲提高輸出信號(hào)功率，需增大

Icm(即減小RL)，但必須同時(shí)增大激勵(lì)電流ib。RL

變化對(duì)功率性能的影響

5．結(jié)論

(1)在電路組成上，須采用避免管外電路無(wú)謂消耗直流功率的結(jié)構(gòu)。

(2)在工作特性上，輸出負(fù)載，輸入激勵(lì)和靜態(tài)工作點(diǎn)相互牽制，要高效率輸出所需信號(hào)功率，三者必須有一個(gè)最佳配置。1.2.2

變壓器耦合甲類功放分析

一、電路形式

1.輸入端

RB——

偏置電阻；CB——

旁路電容；Tr1——

耦合變壓器。2.輸出端

Tr2——耦合變壓器，對(duì)交流Tr2

起阻抗變換作用。二、電路分析(靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析、功率性能、管安全)1.靜態(tài)分析①畫直流通路②畫直流負(fù)載線直流負(fù)載線方程：

VCE=VCC直流負(fù)載線：EF③求Q點(diǎn)

iB=IBQiC=ICQvCE=VCEQ=VCC2.動(dòng)態(tài)分析①畫交流通路

②畫交流負(fù)載線交流負(fù)載線方程：

過(guò)Q點(diǎn)作交流負(fù)載線MN，

③求動(dòng)態(tài)范圍甲類變壓器耦合功放圖解分析3.功率性能

當(dāng)Q處在負(fù)載線中點(diǎn)時(shí)（稱最佳負(fù)載：RL’=VCC/ICQ），且設(shè)

VCE(sat)=0，ICEO=0（稱理想狀態(tài)），當(dāng)輸入充分激勵(lì)（最遠(yuǎn)瞬時(shí)點(diǎn)剛好到達(dá)橫軸和縱軸時(shí)），則其中：比較：

基本放大器電路，Vcm=VCC/2；變壓器耦合電路，Vcm=VCC，若呈現(xiàn)在集電極上的負(fù)載相等，則輸出信號(hào)功率增大4倍。功率參數(shù)計(jì)算：①②③④采用變壓器耦合，在最佳負(fù)載、理想狀態(tài)且充分激勵(lì)條件下，Cmax

將由0.25

增大到0.5，即PD

的一半轉(zhuǎn)換為Po。

（與Q有關(guān)，與Icm,vcm,Po無(wú)關(guān)。）

4.安全考慮（1）電路已知（V