1.1功率電子線路概述課件

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：

(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，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、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。②乙類：功率管僅在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通。

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。④丙類：功率管在小于半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通。

功率管運(yùn)用狀態(tài)通?？窟x擇靜態(tài)工作點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。功率管的運(yùn)用狀態(tài)根據(jù)下列曲線說出功率管的應(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

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。

方法

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)可取乙類、丙類或丁類。但集電極電流波形失真嚴(yán)重，電路需采取特定措施(見

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

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基極開路集-射二次擊穿電壓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：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，即為二次擊穿。

后果：過熱點(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。圖1–1–5

圖計(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)三極管發(fā)射極E基極BPNN+集電極C發(fā)射極E基極BNPP+集電極CBCEBCE發(fā)射結(jié)集電結(jié)輸入特性曲線VCE=0IB/

AVBE/VVBE(on)0.3V10VOV(BR)BEOIEBO+ICBO

VCE

一定：類似二極管伏安特性。

VCE

增加：正向特性曲線略右移。注：VCE>0.3V后，曲線移動(dòng)可忽略不計(jì)。輸出特性曲線

飽和區(qū)(VBE

0.7V，VCE

<0.3V)IC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0特點(diǎn)：條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。IC

不受IB

控制，而受VCE

影響。VCE

略增，IC

顯著增加。輸出特性曲線可劃分為四個(gè)區(qū)域：飽和區(qū)、放大區(qū)、截止區(qū)、擊穿區(qū)。

放大區(qū)(VBE

0.7V，

VCE

>0.3V)IC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0特點(diǎn)條件發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏VCE

曲線略上翹具有正向受控作用滿足IC=

IB+ICEO

截止區(qū)(VBE

0.5V，VCE

0.3V)IC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0特點(diǎn)：條件：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。IC0，IB0近似為

IB≤0以下區(qū)域

擊穿區(qū)特點(diǎn)：VCE增大到一定值時(shí)，集電結(jié)反向擊穿，IC

急劇增大。V(BR)CEO集電結(jié)反向擊穿電壓，隨IB

的增大而減小。注意：IC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0IB=-ICBO(IE=

0)V(BR)CBOMOS管+TVDSIG

0VGSID+--共源組態(tài)特性曲線：ID=f

(VGS)VDS=常數(shù)轉(zhuǎn)移特性：ID=f

(VDS)VGS=常數(shù)輸出特性：

NEMOS管輸出特性曲線非飽和區(qū)特點(diǎn)：ID

同時(shí)受VGS

與VDS

的控制。當(dāng)VGS為常數(shù)時(shí)，VDS

ID近似線性

，表現(xiàn)為一種電阻特性；當(dāng)VDS為常數(shù)時(shí)，VGS

ID

，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。溝道預(yù)夾斷前對(duì)應(yīng)的工作區(qū)。條件：VGS>VGS(th)V

DS<VGS–VGS(th)因此，非飽和區(qū)又稱為可變電阻區(qū)。

ID/mAVDS/VOVDS=VGS

–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V飽和區(qū)特點(diǎn)：

ID

只受VGS

控制，而與VDS

近似無關(guān)，表現(xiàn)出類似三極管的正向受控作用。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道預(yù)夾斷后對(duì)應(yīng)的工作區(qū)。條件：VGS>VGS(th)V

DS>VGS–VGS(th)注意：飽和區(qū)(又稱有源區(qū))對(duì)應(yīng)三極管的放大區(qū)。截止區(qū)特點(diǎn)：相當(dāng)于MOS管三個(gè)電極斷開。ID/mAVDS/VOV