非线性电子线路ch1-1谢嘉奎东南大学

第1章功率电子线路1.1功率电子线路概述1.2

功率放大器的电路组成和工作特性1.3

乙类推挽功率放大电路1.4

功率合成技术1.5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：高效地实现能量变换和控制。

种类：

(1)功率放大电路

特点：放大用途：通信、音像等电子设备。

(2)电源变换电路

特点：能量变换用途：电源设备、电子系统、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，管子在极限条件下运用。

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，前者可以通过增加前置级祢补。二、功率管的运用特点1．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，功率管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乙类：功率管仅在半个周期内导通，c

=/2。

③甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通，

/2

c

。④丙类：功率管在小于半个周期内导通，c

/2。功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。功率管的运用状态根据下列曲线说出功率管的应用状态：图1–1–1各种运用状态下的输出电流波形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

方法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。

方法

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，管应用状态可取乙类、丙类或丁类。但集电极电流波形失真严重，电路需采取特定措施(见

1.2

节)。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

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，安全工作区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：图1–1–4

(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晶体管

热传导过程T2为热源温度，T1

为空气温度，P为传输的热功率，Rth

为热阻，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RjcRcsPcRCaRsaTjTa因为R(th)cs+R(th)sa<<R(th)ca

所以Rth

R(th)jc+R(th)cs+R(th)ca

晶体管手册中给出的PCM

是在指定散热器尺寸和环境温度(Ta=25℃)时给出的数据。具体数值可由下式确定二、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

时，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。如果发生上述击穿，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