非线性电子线路：第1章 功率电子线路-1

第1章功率电子线路1.1功率电子线路概述1.2甲类功率放大器1.3

乙类功率放大器1.4整流与稳压电路第

1章功率电子线路1.1功率电子线路概述1.1.1

功率放大器1.1.2

电源变换电路1.1.3

功率器件1.1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：

(1)功率放大电路

特点：功率放大用途：通信、音像等电子设备

(2)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。一、功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：PC

max

:实际消耗在集电极上的最大平均功率vCEmax

:实际加在C、E之间的最大瞬时电压iCmax

:实际流过在C极的最大瞬时电流

2．高效率。

C

——集电极效率(CollectorEfficiency)

Po

——

输出信号功率；PD——

电源提供的功率；

PC

——

管耗

(PowerDissipation)/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。

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分：(1)非谐振式功放：如：变压器耦合；RC耦合（OTL）；直接耦合（OCL，BTL）(2)谐振式功放：匹配网络是谐振网络。

（1）低频功放：非谐振式，如：音频功放。2．按工作频率不同分：（2）高频功放：谐振式，如：广播发射机。（3）宽带功放：工作在高频，非谐振式，如电视发射机。3．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类、乙类、甲乙类、丙类等多种。(1)甲类：功率管在一个周期内导通，c

=2。(2)乙类：功率管仅在半个周期内导通，c

=

。

(3)甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通，

c

2

。(4)丙类：功率管小于半个周期内导通，c

。功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。(5)丁类：功率管工作在开关状态（饱和截止）。根据下列曲线说出功率管的应用状态：2．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。

减小PC可提高

C。

假设集电极瞬时电流和电压分别为iC

和

vCE，则PC为讨论：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。1.1.2

电源变换电路按变换方式不同：

(1)整流器(Rectifier)：交流电—直流电。应用：电子设备供电。

(2)直流-直流变换器(DC-DCConverter)：直流电—直流电。应用：开关电源。

(3)逆变器(Inverter)：直流电—交流电。应用：不间断电源、变频电源。

(4)

交流－交流变换器(AC-ACConverter)：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（IGBT）

功率管是功率放大电路的关键器件，为保证安全工作，需了解其极限参数及安全工作区。以双极型功率管为例，安全工作受如下极限参数限制：(1)最大允许管耗

PCM。与散热条件密切相关。(2)基极开路集-射反向击穿电压V(BR)CEO(3)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。一、功率管散热和相应的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(Thermalrunaway)：

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：(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。各种散热片各种功率三极管

热传导过程T2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℃)时给出的数据。二、二次击穿除PCM、ICM

和V(BR)CEO

满足安全工作条件外，要保证功率管安全工作，还要求不发生二次击穿。

二次击穿(SecondaryBreakdown)：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。

后果：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。计及二次击穿时功率管的安全工作区功率管的安全工作区第

1章功率电子线路1.2

甲类功率放大器1.2.1从一个例子讲起1.2.2

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。

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VCE(sat)

0

2．集电级输出电压和电流(假设VCE(sat)和ICEO为0)其中，3．PD(直流功率)、PL(负载功率)

、PC

(管耗)PL

和PC

均由直流和交流两部分合成。例如：

PL中：直流功率交流功率

4．讨论：(1)

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）。提高Cmax

的办法：

①

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。

②

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)

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。RL

变化对功率性能的影响

5．结论

(1)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。

(2)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

1.输入端

RB——

偏置电阻；CB——

旁路电容；Tr1——

耦合变压器。2.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)1.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=VCC2.动态分析①画交流通路

②画交流负载线交流负载线方程：

过Q点作交流负载线MN，

③求动态范围甲类变压器耦合功放图解分析3.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），则其中：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。功率参数计算：①②③④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。）

4.安全考虑（1）电路已知（V