1.1功率電子線路概述

1、第第 1 章功率電子線路章功率電子線路1.1功率電子線路概述功率電子線路概述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乙類推挽功率放大電路1.4功率合成技術(shù)功率合成技術(shù)1.5整流與穩(wěn)壓電路整流與穩(wěn)壓電路 第第 1 章章 功率電子線路功率電子線路1.1功率電子線路概述功率電子線路概述1.1.1功率放大器功率放大器1.1.2電源變換電路電源變換電路1.1.3功率器件功率器件1.1功率電子線路概述功率電子線路概述 作用：作用：高效高效地實(shí)現(xiàn)能量地實(shí)現(xiàn)能量變換變換和和控制控制。 種類：種類： ( (1) )功率放大電路功率放大電路特點(diǎn)：放大特點(diǎn)：放大用

2、途：通信、音像等電子設(shè)備。用途：通信、音像等電子設(shè)備。 ( (2) )電源變換電路電源變換電路特點(diǎn)：能量變換特點(diǎn)：能量變換用途：電源設(shè)備、電子系統(tǒng)、工業(yè)控制等。用途：電源設(shè)備、電子系統(tǒng)、工業(yè)控制等。1.1.1功率放大器功率放大器特點(diǎn)：特點(diǎn)：工作在工作在大信號(hào)大信號(hào)狀態(tài)。狀態(tài)。一、功率放大器的性能要求一、功率放大器的性能要求 安全安全。輸出功率大，管子。輸出功率大，管子在在極限條件下運(yùn)用。極限條件下運(yùn)用。 高效率高效率。 C 集電極效率集電極效率( (Collector Efficiency) ) C Co oo oD Do oC CPPPPP Po 輸出信號(hào)功率輸出信號(hào)功率 ；PD 電源提供的

3、功率；電源提供的功率； PC 管耗管耗 ( (Power Dissipation) )/集電極耗散功率；集電極耗散功率； Po 一定，一定， C 越高，越高，PD 越小越小 PC 小，小， 以降低費(fèi)用，以降低費(fèi)用，也節(jié)省能源。也節(jié)省能源。 失真小失真小。盡管盡管功率增益功率增益也是重要的性能指標(biāo)，但也是重要的性能指標(biāo)，但安全、高效安全、高效和和小失真小失真更重要，更重要，前者可以通過(guò)增加前置級(jí)禰補(bǔ)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)二、功率管的運(yùn)用特點(diǎn)1功率管的運(yùn)用狀態(tài)功率管的運(yùn)用狀態(tài)根據(jù)根據(jù)功率管功率管在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間的不同，在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間的不同，功率功率管運(yùn)

4、用狀態(tài)管運(yùn)用狀態(tài)可分為可分為甲類、乙類、甲乙類、丙類甲類、乙類、甲乙類、丙類等多種。等多種。 甲類：功率管在甲類：功率管在一個(gè)一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通周期內(nèi)導(dǎo)通 。 乙類：功率管僅在乙類：功率管僅在半個(gè)半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通周期內(nèi)導(dǎo)通。 甲乙類：管子在甲乙類：管子在大于半個(gè)大于半個(gè)周期小于一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通。周期小于一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通。 丙類：功率管在丙類：功率管在小于半個(gè)小于半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通。周期內(nèi)導(dǎo)通。 功率管運(yùn)用狀態(tài)功率管運(yùn)用狀態(tài)通?？窟x擇通?？窟x擇靜態(tài)工作點(diǎn)靜態(tài)工作點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。來(lái)實(shí)現(xiàn)。功率管的運(yùn)用狀態(tài)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)：根據(jù)下列曲線說(shuō)出功率管的應(yīng)用狀態(tài)：圖圖 111各種運(yùn)用狀態(tài)下的輸出

5、電流波形各種運(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)的管子的運(yùn)用狀態(tài)不同，相應(yīng)的 Cmax 也不同。也不同。 CooCPPP 減小減小 PC 可提高可提高 C。 假設(shè)假設(shè)集電極瞬時(shí)電流和電壓集電極瞬時(shí)電流和電壓分別為分別為 iC 和和 vCE，則，則 PC 為為 20CECCd21tviP 討論：討論：若減少若減少 PC，則要減少，則要減少 iC vCE 方法方法 1：由由甲類甲類 甲乙類甲乙類 乙類乙類 丙類丙類，即，即減小管子減小管子在信號(hào)周期內(nèi)的導(dǎo)通在信號(hào)周期內(nèi)的導(dǎo)通( (增大增大 iC = 0) )的時(shí)間。的時(shí)間。 方法方法 2：管子運(yùn)用于

6、開關(guān)狀態(tài)管子運(yùn)用于開關(guān)狀態(tài)( (又稱丁類又稱丁類) )，即一周期內(nèi)即一周期內(nèi)半飽和半截止半飽和半截止。飽和時(shí)，飽和時(shí)，vCE VCE (sat) 很小很小 PC 很小；很??；截止時(shí)，截止時(shí)，iC 很小，很小，iC vCE 也很小也很小 PC 很小。很小。 總之：總之：為提高為提高 C，管應(yīng)用狀態(tài)可取管應(yīng)用狀態(tài)可取乙類、丙類乙類、丙類或或丁類丁類。但集電極電流但集電極電流波形失真嚴(yán)重波形失真嚴(yán)重，電路需采取特定措施，電路需采取特定措施( (見見 1.2 節(jié)節(jié)) )。1.1.2電源變換電路電源變換電路按變換方式不同：按變換方式不同： ( (1) )整流器整流器( (Rectifier) )：交流電

7、交流電- -直流電直流電。應(yīng)用：電子設(shè)備供電。應(yīng)用：電子設(shè)備供電。 ( (2) )直流直流- -直流變換器直流變換器( (DC-DC Converter) )：直流電直流電- -直直流電流電。應(yīng)用：開關(guān)電源。應(yīng)用：開關(guān)電源。 ( (3) )逆變器逆變器( (Inverter) )：直流電直流電- -交流電交流電。應(yīng)用：不間斷電源、變頻電源。應(yīng)用：不間斷電源、變頻電源。 ( (4) ) 交流交流- -交流變換器交流變換器( (AC- -AC Converter) )：交流電交流電- -交交流電流電。應(yīng)用：變壓等。應(yīng)用：變壓等。 1.1.3功率器件功率器件功率管的種類：功率管的種類：( (1) )

8、雙極型功率晶體管雙極型功率晶體管( (2) )功率功率 MOS 管管( (3) )絕緣柵雙極型功率管絕緣柵雙極型功率管 功率管是功率放大電路的關(guān)鍵器件功率管是功率放大電路的關(guān)鍵器件，為保證安全工作，為保證安全工作，需了解其需了解其極限參數(shù)極限參數(shù)及及安全工作區(qū)。安全工作區(qū)。 以以雙極型雙極型功率管為例，安全工作區(qū)受如下功率管為例，安全工作區(qū)受如下極限參數(shù)極限參數(shù)限制：限制： 最大允許管耗最大允許管耗 PCM。與散熱條件密切相關(guān)。與散熱條件密切相關(guān)。 基極開路集基極開路集 - 射二次擊穿電壓射二次擊穿電壓 V(BR)CEO 。 集電極最大允許電流集電極最大允許電流 ICM 。以上以上參數(shù)與參數(shù)與

9、功率管的結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、封裝形式有關(guān)。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)的一、功率管散熱和相應(yīng)的 PCM 管耗管耗 PC 主要消耗在集電結(jié)上，使結(jié)溫升高。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，若集電極的散熱條件良好，集電結(jié)上的熱量很容易散集電結(jié)上的熱量很容易散發(fā)到周圍空氣中去，則發(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)到集電結(jié)就會(huì)在某一較低溫度上達(dá)到熱平衡熱平衡，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，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。量。反之，散熱條件不好，反之，散熱條件不好，集電結(jié)就會(huì)在更高的溫度上達(dá)集電結(jié)就會(huì)在更高的溫度上

10、達(dá)到熱平衡，甚至產(chǎn)生到熱平衡，甚至產(chǎn)生熱崩熱崩而燒壞管子。而燒壞管子。 熱崩熱崩( (Thermal Runaway) )： 集電結(jié)結(jié)溫集電結(jié)結(jié)溫( (Tj) ) iC PC Tj 如此反復(fù)，直如此反復(fù)，直至至 Tj TjM( (集電結(jié)最高允許溫度集電結(jié)最高允許溫度) )而導(dǎo)致管子被燒壞的一種而導(dǎo)致管子被燒壞的一種惡性循環(huán)現(xiàn)象。惡性循環(huán)現(xiàn)象。提高提高 PCM 的辦法：的辦法：圖圖 114( (a) )、( (b) ) 功率管底座上加裝散熱器功率管底座上加裝散熱器 ( (c) ) 相應(yīng)的熱等效電路相應(yīng)的熱等效電路 管子管子集電極集電極直接固定在金屬底座上。直接固定在金屬底座上。 金屬底座與管殼相

11、連。金屬底座與管殼相連。 金屬底座還加裝金屬散熱器。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、二次擊穿二、二次擊穿除除 PCM、ICM 和和V(BR)CEO 滿足安全工作條件外，要保證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)生功率管安全工作，還要求不發(fā)生二次擊穿二次擊穿。 二次擊穿二次擊穿( (Secondary Breakdown) )：當(dāng)集當(dāng)集 - - 射反向電壓超過(guò)射反向電壓超過(guò) V(BR)CEO 時(shí)，會(huì)引起擊穿，但時(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，待集電極電壓小于極電壓小于 V(BR)

12、CEO 后，管子可恢復(fù)正常工作。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，電壓迅速減小，集電極電流迅速增大的現(xiàn)象集電極電流迅速增大的現(xiàn)象，即為，即為二次擊二次擊穿穿。 后果：后果：過(guò)熱點(diǎn)的晶體熔化，集過(guò)熱點(diǎn)的晶體熔化，集 - - 射間形成低阻通道，射間形成低阻通道，引起引起vCE下降，下降，iC 劇增劇增，損壞功率管，且不可逆。，損壞功率管，且不可逆。 發(fā)生條件：發(fā)生條件：它在高壓低電流時(shí)發(fā)生它在高壓低電流時(shí)發(fā)生，相應(yīng)的功率稱為，相應(yīng)的功率稱為二次擊穿耐量二次擊穿耐量 PSB。圖圖 115圖計(jì)及二次擊穿時(shí)功

13、率管的安全工作區(qū)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)功率管的安全工作區(qū)三極管發(fā)射極發(fā)射極 E基極基極 BPNN+集電極集電極 C發(fā)射極發(fā)射極 E基極基極 BNPP+集電極集電極 CBCEBCE發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié) 輸入特性曲線輸入特性曲線VCE = 0IB / AVBE /VVBE(on)0.3V10 VOV(BR)BEOIEBO + ICBOq VCE 一定：一定：類似二極管伏安特性。類似二極管伏安特性。q VCE 增加：增加：正向特性曲線略右移。正向特性曲線略右移。注：注：VCE 0.3 V 后，曲線移動(dòng)可忽略不計(jì)。后，曲線移動(dòng)可忽略不計(jì)。 輸出特性曲線輸出特性曲線q

14、飽和區(qū)飽和區(qū)( (VBE 0.7 V，VCE 0.3 V) )IC /mAVCE /VOIB = 40 A30 A20 A10 A0特點(diǎn)特點(diǎn)條件條件發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏集電結(jié)反偏VCE曲線略上翹曲線略上翹具有正向受控作用具有正向受控作用滿足滿足 IC = IB + ICEOq 截止區(qū)截止區(qū)( (VBE 0.5 V， VCE 0.3 V) )IC /mAVCE /VOIB = 40 A30 A20 A10 A0特點(diǎn)：特點(diǎn)：條件：條件： 發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。IC 0，IB 0近似為近似為 IB 0 以下區(qū)域以下區(qū)域 q 擊穿區(qū)擊穿區(qū)特點(diǎn)：特點(diǎn)：VCE 增大到一

15、定值時(shí)，集電結(jié)反向擊穿，增大到一定值時(shí)，集電結(jié)反向擊穿，IC 急劇增大。急劇增大。V(BR)CEO集電結(jié)反向擊穿電壓，隨集電結(jié)反向擊穿電壓，隨 IB 的增大而減小。的增大而減小。注意：注意：IC /mAVCE /VOIB = 40 A30 A20 A10 A0IB = - -ICBO (IE = 0)V(BR)CBOMOS管+TVDSIG 0VGSID+- - -共源組態(tài)特性曲線：共源組態(tài)特性曲線：ID = f ( VGS )VDS = 常數(shù)常數(shù)轉(zhuǎn)移特性：轉(zhuǎn)移特性：ID = f ( VDS )VGS = 常數(shù)常數(shù)輸出特性：輸出特性： NEMOS 管輸出特性曲線管輸出特性曲線q 非飽和區(qū)非飽和區(qū)

16、特點(diǎn)：特點(diǎn)：ID 同時(shí)受同時(shí)受 VGS 與與 VDS 的控制。的控制。當(dāng)當(dāng) VGS為常數(shù)時(shí)，為常數(shù)時(shí)，VDSID 近似線性近似線性 ，表現(xiàn)為一種電阻特性；，表現(xiàn)為一種電阻特性； 當(dāng)當(dāng) VDS為常數(shù)時(shí)，為常數(shù)時(shí)，VGS ID ，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。，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)。溝道預(yù)夾斷前對(duì)應(yīng)的工作區(qū)。條件：條件：VGS VGS(th) V DS VGS(th) V DS VGS VGS(th)注意：飽和區(qū)注意：飽和區(qū)( (又稱有源區(qū)又稱有源區(qū)) )對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)三極管的放大區(qū)。三極管的放大區(qū)。2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCI q 截止區(qū)截止區(qū)特點(diǎn)：特點(diǎn)：相