1.1功率电子线路概述课件

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，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。②乙类：功率管仅在半个周期内导通。

③甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通。④丙类：功率管在小于半个周期内导通。

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-射二次击穿电压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。图1–1–5

图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三极管发射极E基极BPNN+集电极C发射极E基极BNPP+集电极CBCEBCE发射结集电结输入特性曲线VCE=0IB/

AVBE/VVBE(on)0.3V10VOV(BR)BEOIEBO+ICBO

VCE

一定：类似二极管伏安特性。

VCE

增加：正向特性曲线略右移。注：VCE>0.3V后，曲线移动可忽略不计。输出特性曲线

饱和区(VBE

0.7V，VCE

<0.3V)IC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0特点：条件：发射结正偏，集电结正偏。IC

不受IB

控制，而受VCE

影响。VCE

略增，IC

显著增加。输出特性曲线可划分为四个区域：饱和区、放大区、截止区、击穿区。

放大区(VBE

0.7V，

VCE

>0.3V)IC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0特点条件发射结正偏集电结反偏VCE

曲线略上翘具有正向受控作用满足IC=

IB+ICEO

截止区(VBE

0.5V，VCE

0.3V)IC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0特点：条件：发射结反偏，集电结反偏。IC0，IB0近似为

IB≤0以下区域

击穿区特点：VCE增大到一定值时，集电结反向击穿，IC

急剧增大。V(BR)CEO集电结反向击穿电压，随IB

的增大而减小。注意：IC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0IB=-ICBO(IE=

0)V(BR)CBOMOS管+TVDSIG

0VGSID+--共源组态特性曲线：ID=f

(VGS)VDS=常数转移特性：ID=f

(VDS)VGS=常数输出特性：

NEMOS管输出特性曲线非饱和区特点：ID

同时受VGS

与VDS

的控制。当VGS为常数时，VDS

ID近似线性

，表现为一种电阻特性；当VDS为常数时，VGS

ID

，表现出一种压控电阻的特性。沟道预夹断前对应的工作区。条件：VGS>VGS(th)V

DS<VGS–VGS(th)因此，非饱和区又称为可变电阻区。

ID/mAVDS/VOVDS=VGS

–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V饱和区特点：

ID

只受VGS

控制，而与VDS

近似无关，表现出类似三极管的正向受控作用。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V沟道预夹断后对应的工作区。条件：VGS>VGS(th)V

DS>VGS–VGS(th)注意：饱和区(又称有源区)对应三极管的放大区。截止区特点：相当于MOS管三个电极断开。ID/mAVDS/VOV