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文檔簡介
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:高效地實現(xiàn)能量變換和控制。
種類:
(1)功率放大電路
特點:放大用途:通信、音像等電子設(shè)備。
(2)電源變換電路
特點: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:工作在大信號狀態(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禰補(bǔ)。二、功率管的運(yùn)用特點1.功率管的運(yùn)用狀態(tài)
根據(jù)功率管在一個信號周期內(nèi)導(dǎo)通時間的不同,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:功率管在一個周期內(nèi)導(dǎo)通。②乙類:功率管僅在半個周期內(nèi)導(dǎo)通。
③甲乙類:管子在大于半個周期小于一個周期內(nèi)導(dǎo)通。④丙類:功率管在小于半個周期內(nèi)導(dǎo)通。
功率管運(yùn)用狀態(tài)通常靠選擇靜態(tài)工作點來實現(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,即減小管子在信號周期內(nèi)的導(dǎo)通(增大iC
=0)的時間。
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,vCE
VCE(sat)
很小
PC
很?。?/p>
截止時,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)就會在某一較低溫度上達(dá)到熱平衡,此時集電結(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,會引起擊穿,但只要外電路限制擊穿后的電流,管子就不會損壞,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:它在高壓低電流時發(fā)生,相應(yīng)的功率稱為二次擊穿耐量PSB。圖1–1–5
圖計及二次擊穿時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,曲線移動可忽略不計。輸出特性曲線
飽和區(qū)(VBE
0.7V,VCE
<0.3V)IC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0特點: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: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:VCE增大到一定值時,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:ID
同時受VGS
與VDS
的控制。當(dāng)VGS為常數(shù)時,VDS
ID近似線性
,表現(xiàn)為一種電阻特性;當(dāng)VDS為常數(shù)時,VGS
ID
,表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。溝道預(yù)夾斷前對應(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:
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))對應(yīng)三極管的放大區(qū)。截止區(qū)特點:相當(dāng)于MOS管三個電極斷開。ID/mAVDS/VOV
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