电子线路非线性课件-第章功率

第

1

章

功率电子线路功率电子线路概述甲类功率放大器乙类功率放大器整流与稳压电路2第

1

章

功率电子线路1.1

功率电子线路概述功率放大器电源变换电路功率器件31.1

功率电子线路概述作用：高效率地实现能量变换和控制。种类：功率放大电路特点：功率放大用途：通信、音像等电子设备电源变换电路特点：对电源能量（50HzAC电能和DC电能）进行变换用途：电源设备、电力系统、工业控制等1.1.1

功率放大器特点：工作在大信号状态。率放大器的性能要求1．安全。输出功率大，管子在接近极限条件下运用。保证管子不超过安全极限参数：PCmax

PCMCEmax(BR)CEOiCmax

ICMv

VPC

max

:实际消耗在集电极上的最大平均功率vCE

max:实际加在C、E之间的最大瞬时电压iC

max

:实际流过在C极的最大瞬时电流42．高效率。C

——集电极效率(Collector

Efficiency)D

o

C5P

PoCP

P

Po

η

Po

——输出信号功率；PD

——电源提供的功率；PC

——管耗(Power

Dissipation)/集电极耗散功率；Po

一定，C

越高，PD

越小

PC

小，既可选PCM小的管子，以降低费用，也节省能源。3．非线性失真小。6尽管功率增益也是重要的性能指标，但安全、高效和小失真更重要，前者可增加前置级弥补。二、功率放大器的分类1．按匹配网络性质不同(负载是否具有选频作用)分：非谐振式功放：如：变压器耦合；RC耦合（OTL）；直接耦合（OCL，BTL）谐振式功放：匹配网络是谐振网络。2．按工作频率不同分：低频功放：非谐振式，如：音频功放。高频功放：谐振式，如：广播发射机。宽带功放：工作在高频，非谐振式，如电视发射机。73．按功率管的运用状态根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同，功放运用状态可分为甲（A）类、乙（B）类、甲乙（AB）类、丙类等多种。甲类：功率管在一个周期内导通，c

=2。乙类：功率管仅在半个周期内导通，c

=

。甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通

c

2

。丙类：功率管小于半个周期内导通，c

。丁类：功率管工作在开关状态（饱和

截止）。功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。8根据下列曲线说出功率管的应用状态：4．不同运用状态下的

C管子的运用状态不同，相应的Cmax

也不同。o

CPocP

Pη

C

C减小

P

可提高

。假设集电极瞬时电流和电压分别为iC

和vCE，则PC

为20iCvCEdtC2P

1：若减少PC，则要减少iC

vCE法1：由甲类

甲乙类

乙类

丙类，即减小管子在信号周期内的导通(增大iC

=0)的时间。法2：管子运用于开关状态(又称丁类)，即一周期内半饱和半截止。饱和时，vCE

vCE

(sat)

很小

PC

很小；截止时，iC

很小，iC

vCE

也很小

PC

很小。总之：为提高C，管应用状态可取乙、丙、或丁类。但集电极电流波形失真严重，电路需采取特定措施。9101.1.2

电源变换电路按变换方式不同：整流器(Rectifier)：交流电—直流电。应用：电子设备供电。直流-直流变换器(DC-DC

Converter)：直流电—直流电。应用：开关电源。逆变器(Inverter)：直流电—交流电。应用：不间断电源、变频电源。交流－交流变换器(AC-AC

Converter)：交流电—交流电。应用：变压等。1.1.3

功率器件功率管的种类：(1)双极型功率晶体管*(2)功率MOS

管*(3)绝缘栅双极型功率管（）功率管是功率放大电路的关键器件，为保证

，区。需了解其极限参数及以双极型功率管为例，(1)最大允许管耗PCM受如下极限参数限制：与散热条件密切相关。基极开路集-射反向击穿电压V(BR)CEO集电极最大允许电流ICM以上参数与功率管的结构，工艺参数，封装形式有关。1112率管散热和相应的

PCM管耗PC

主要消耗在集电结上，使结温升高。若集电极的散热条件良好，集电结上的热量很容易散发到周围空气中去，则集电结就会在某一较低温度上达到热平衡，此时集电结上产生的热量等于散发到空气中的热量。反之，散热条件不好，集电结就会在更高的温度上达到热平衡，甚至产生热崩而烧坏管子。热崩(Thermal

runaway)：集电结结温(Tj)

iC

PC

Tj

如此反复，直至Tj

TjM(集电结最高允许温度)而导致管子被烧坏的一种恶性循环现象。提高PCM

的办法：13(a)、(b)功率管底座上加装散热器(c)相应的热等效电路(1)管子集电极直接固定在金属底座上。(2)金属底座与管壳相连。(3)金属底座还加装金属散热器。14各种散热片15各种功率三极管16热传导过程T2

T1

Rth

PthCM

TaT2

热源温度，T1

空气温度，P

传输的热功率Rth

热阻 单位℃/W当热源产生热量时，热源温度T2

上升，向外部传输热量，若产生的热量和传输的热量相等，达到热平衡。

T2

不再变化。晶体管的热量传递三极管手册中给出的

PCM

是在指定散热器尺寸和环境温度(Ta

=25℃)R

TjM时给出的数据。P二、二次击穿除PCM、ICM

和V(BR)CEO

满足条件外，要保证功率管，还要求不发生二次击穿。二次击穿(Secondary

Breakdown)：当集-射反向电压超过V(BR)CEO，会引起击穿，但只要外电路限制击穿后的电流，管子就不会损坏，待集电极电压小于V(BR)CEO

后，管子可恢复正常工作。如上述击穿后，电流不加限制，就会出现集电极电压迅速减小，集电极电流迅速增大的现象，即为二次击穿。：过热点的晶体熔化，集－射间形成低阻通道，引起vCE下降，iC

剧增，损坏功率管，且不可逆。发生条件：它在高压低电流时发生，相应的功率称为二次击穿耐量

PSB。

17计及二次击穿时功率管的区功率管的区1819第

1

章

功率电子线路1.2

甲类功率放大器从一个例子讲起变压器耦合甲类功放分析1.2.1

从一个例子讲起（定性）图示为放大器的基本电路，现将其作为功率放大器来分析它的功率性能。由此揭示功率放大电路组成及其工作性能上的特点。功率放大器为大信号放大器，工程分析时，多采用特性曲线上作负载线的图解分析法。20功率放大器为大信号放大器，工程分析时，多采用特性曲线上作负载线的图解分析法。1．Q

点的选择：为了使电路在管子不出现饱和与截止失真的条件下输出功率最大，需把Q

选在交流负载线的中点。即LLCQCEQ22RR

VCC

VCC

VCEQV

VCC

，IVCE(sat)

0212．集电级输出电压和电流(假设VCE(sat)和ICEO

为0)iC

ICQ

ic

ICQ

IcmsintvCE

VCEQ

vce

VCEQ

Vcmsint其中，CQ22LLcmCEQcm2

VCC

,

IR

V

CEQR

VcmIV

V23CC

CQCC

C0DP2

13．PD

(直流功率)、PL

(负载功率)、PC

(管耗)2V

i

dt

V

Icm

cmCEQ

CQC

L202L2I

1

V

Ii

2

R

dt

V2P

1cm

cmCE

C

CEQ

CQ0C2I

1

V

Iv

i

dt

V2P

1。例如：PL

和PC

均由直流和交流两部分PL中：直流功率CCCEQVCEQ

ICQ2

1

V

)2

PD

，

(V交流功率

PDocm

cm

omax2P

1

V

I

,

P2

VCEQ

ICQ4maxDηP

Pomax

25%4．

：电路组成上甲类功放Cmax

=25%PD

中，输出的信号功率Po

最多仅占1/4，PD/2

消耗在RL的直流功率上（无用），其余消耗在管子中。提高Cmax

的办法：①消除

RL

上的直流功率——改进管外电路，使之不消耗直流功率。②

降低

Q

——

合理选择管子的运用状态(乙类或甲乙类)减小管子的静态损耗。工作特性上VCC

一定、且

Q

在负载线中点时，欲提高输出信号功率，需增大Icm(即减小RL)，但必须同时增大激励电流ib。24RL

变化对功率性能的影响255．结论在电路组成上，须采用避免管外电路无谓消耗直流功率的结构。在工作特性上，输出负载，输入激励和静态工作点相互牵制，要高效率输出所需信号功率，三者必须有一个最佳配置。1.2.2

变压器耦合甲类功放分析一、电路形式输入端RB

——偏置电阻；CB

——旁路电容；Tr1

——耦合变压器。输出端Tr2——

耦合变压器，对交流Tr2

起阻抗变换作用。二、电路分析(静态分析、动态分析、功率性能、管安全)261.静态分析①画直流通路②画直流负载线直流负载线方程：VCE

=

VCC直流负载线：EF③求Q

点iB

=

IBQiC

=ICQvCE

=

VCEQ

=

VCC272.动态分析①画交流通路②画交流负载线交流负载线方程：vce

ic

RL2WR

n2

R

，

n

W1L

L过Q

点作交流负载线

MN，

斜率

1RL③求动态范围甲类变压器耦合功放图解分析28293.功率性能当Q

处在负载线中点时（称最佳负载：RL’=VCC/ICQ），且设

VCE(sat)

=

0，ICEO

=

0（称理想状态），当输入充分激励（最远瞬时点刚好到达横轴和纵轴时），则iC

ICQ

Icmsint，vCE

VCEQ

Vcmsint其中：Vcm

VCEQ

VCC；Icm

ICQ

Vcm

/

RL

VCC

/

RL比较：基本放大器电路，Vcm

=VCC/2；变压器耦合电路，Vcm

=VCC，若呈现在集电极上的负载相等，则输出信号功率增大4

倍。30功率参数计算：

Vcm

Icm

/

2，Pomax①PD②Po③PC

VCC

ICQ

VCEQ

ICQ

/

2

PD

/

2

PD

Po

VCC

ICQVcm

Icm

/

2cmax

D

Pomax

/P

50%④η采用变压器耦合，在最佳负载、理想状态且充分激励条件下，Cmax

将由0.25

增大到0.5，即PD

的一半转换为

Po。（与Q有关，与Icm,vcm,Po无关。）314.安全考虑（1）电路已知（VCC、