第第 1 章功率电子线路章功率电子线路1.1功率电子线路概述功率电子线路概述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乙类推挽功率放大电路1.4功率合成技术功率合成技术1.5整流与稳压电路整流与稳压电路 第第 1 章章 功率电子线路功率电子线路1.1功率电子线路概述功率电子线路概述1.1.1功率放大器功率放大器1.1.2电源变换电路电源变换电路1.1.3功率器件功率器件1.1功率电子线路概述功率电子线路概述 作用：作用：高效高效地实现能量地实现能量变换变换和和控制控制。 种类：种类： ( (1) )功率放大电路功率放大电路特点：放大特点：放大用途：通信、音像等电子设备。用途：通信、音像等电子设备。 ( (2) )电源变换电路电源变换电路特点：能量变换特点：能量变换用途：电源设备、电子系统、工业控制等。用途：电源设备、电子系统、工业控制等。1.1.1功率放大器功率放大器特点：特点：工作在工作在大信号大信号状态。状态。一、功率放大器的性能要求一、功率放大器的性能要求 安全安全。输出功率大，管子。输出功率大，管子在在极限条件下运用。极限条件下运用。 高效率高效率。 C 集电极效率集电极效率( (Collector Efficiency) ) Po 输出信号功率输出信号功率 ；PD 电源提供的功率；电源提供的功率； PC 管耗管耗 ( (Power Dissipation) )/集电极耗散功率；集电极耗散功率； Po 一定，一定， C 越高，越高，PD 越小越小 PC 小，小， 以降低费用，以降低费用，也节省能源。也节省能源。 失真小失真小。尽尽管管功功率率增增益益也也是是重重要要的的性性能能指指标标，但但安安全全、高高效效和和小小失真失真更重要，更重要，前者可以通过增加前置级祢补前者可以通过增加前置级祢补。 二、功率管的运用特点二、功率管的运用特点1功率管的运用状态功率管的运用状态根根据据功功率率管管在在一一个个信信号号周周期期内内导导通通时时间间的的不不同同，功功率率管管运用状态运用状态可分为可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类甲类、乙类、甲乙类、丙类等多种。等多种。 甲类：功率管在甲类：功率管在一个一个周期内导通周期内导通 。 乙类：功率管仅在乙类：功率管仅在半个半个周期内导通周期内导通。 甲乙类：管子在甲乙类：管子在大于半个大于半个周期小于一个周期内导通周期小于一个周期内导通。 丙类：功率管在丙类：功率管在小于半个小于半个周期内导通周期内导通。 功率管运用状态功率管运用状态通常靠选择通常靠选择静态工作点静态工作点来实现。来实现。功率管的运用状态功率管的运用状态根据下列曲线说根据下列曲线说出出功率管的应用状态：功率管的应用状态：图图 111各种运用状态下的输出电流波形各种运用状态下的输出电流波形2不同运用状态下的不同运用状态下的 C管子的运用状态不同，相应的管子的运用状态不同，相应的 Cmax 也不同。也不同。 减小减小 PC 可提高可提高 C。 假设假设集电极瞬时电流和电压集电极瞬时电流和电压分别为分别为 iC 和和 vCE，则则 PC 为为 讨论：讨论：若减少若减少 PC，则要减少则要减少 iC vCE 方方法法 1：由由甲甲类类 甲甲乙乙类类 乙乙类类 丙丙类类，即即减减小小管管子子在信号周期内的导通在信号周期内的导通( (增大增大 iC = 0) )的时间。的时间。 方方法法 2：管管子子运运用用于于开开关关状状态态( (又又称称丁丁类类) )，即即一一周周期期内内半饱和半截止半饱和半截止。饱和时，饱和时，vCE VCE (sat) 很小很小 PC 很小；很小；截止时，截止时，iC 很小，很小，iC vCE 也很小也很小 PC 很小。很小。 总总之之：为为提提高高 C，管管应应用用状状态态可可取取乙乙类类、丙丙类类或或丁丁类类。但但集集电电极极电电流流波波形形失失真真严严重重，电电路路需需采采取取特特定定措措施施( (见见 1.2 节节) )。1.1.2电源变换电路电源变换电路按变换方式不同：按变换方式不同： ( (1) )整流器整流器( (Rectifier) )：交流电交流电- -直流电直流电。应用：电子设备供电。应用：电子设备供电。 ( (2) )直直流流- -直直流流变变换换器器( (DC-DC Converter) )：直直流流电电- -直直流流电电。应用：开关电源。应用：开关电源。 ( (3) )逆变器逆变器( (Inverter) )：直流电直流电- -交流电交流电。应用：不间断电源、变频电源。应用：不间断电源、变频电源。 ( (4) ) 交交流流- -交交流流变变换换器器( (AC- -AC Converter) )：交交流流电电- -交交流流电电。应用：变压等。应用：变压等。 1.1.3功率器件功率器件功率管的种类：功率管的种类：( (1) )双极型功率晶体管双极型功率晶体管( (2) )功率功率 MOS 管管( (3) )绝缘栅双极型功率管绝缘栅双极型功率管 功功率率管管是是功功率率放放大大电电路路的的关关键键器器件件，为为保保证证安安全全工工作作，需了解其需了解其极限参数极限参数及及安全工作区。安全工作区。 以以双极型双极型功率管为例，安全工作区受如下功率管为例，安全工作区受如下极限参数极限参数限制：限制： 最大允许管耗最大允许管耗 PCM。与散热条件密切相关。与散热条件密切相关。 基极开路集基极开路集 - 射二次击穿电压射二次击穿电压 V(BR)CEO 。 集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 。以上以上参数与参数与功率管的结构、工艺参数、封装形式有关。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一、功率管散热和相应的 PCM 管耗管耗 PC 主要消耗在集电结上，使结温升高。主要消耗在集电结上，使结温升高。若若集集电电极极的的散散热热条条件件良良好好，集集电电结结上上的的热热量量很很容容易易散散发发到到周周围围空空气气中中去去，则则集集电电结结就就会会在在某某一一较较低低温温度度上上达达到到热热平平衡衡，此此时时集集电电结结上上产产生生的的热热量量等等于于散散发发到到空空气气中中的的热热量量。反反之之，散散热热条条件件不不好好，集集电电结结就就会会在在更更高高的的温温度度上上达达到热平衡，甚至产生到热平衡，甚至产生热崩热崩而烧坏管子。而烧坏管子。 热崩热崩( (Thermal Runaway) )： 集集电电结结结结温温( (Tj) ) iC PC Tj 如如此此反反复复，直直至至 Tj TjM( (集集电电结结最最高高允允许许温温度度) )而而导导致致管管子子被被烧烧坏坏的的一一种种恶性循环现象。恶性循环现象。提高提高 PCM 的办法：的办法：图图 114( (a) )、( (b) ) 功率管底座上加装散热器功率管底座上加装散热器 ( (c) ) 相应的热等效电路相应的热等效电路 管子管子集电极集电极直接固定在金属底座上。直接固定在金属底座上。 金属底座与管壳相连。金属底座与管壳相连。 金属底座还加装金属散热器。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、二次击穿二、二次击穿除除 PCM、ICM 和和V(BR)CEO 满满足足安安全全工工作作条条件件外外，要要保保证证功率管安全工作，还要求不发生功率管安全工作，还要求不发生二次击穿二次击穿。 二次击穿二次击穿( (Secondary Breakdown) )：当当集集 - - 射射反反向向电电压压超超过过 V(BR)CEO 时时，会会引引起起击击穿穿，但但只只要要外外电电路路限限制制击击穿穿后后的的电电流流，管管子子就就不不会会损损坏坏，待待集集电电极极电压小于电压小于 V(BR)CEO 后，管子可恢复正常工作。后，管子可恢复正常工作。如如果果发发生生上上述述击击穿穿，电电流流不不加加限限制制，就就会会出出现现集集电电极极电电压压迅迅速速减减小小，集集电电极极电电流流迅迅速速增增大大的的现现象象，即即为为二二次次击击穿穿。 后后果果：过过热热点点的的晶晶体体熔熔化化，集集 - - 射射间间形形成成低低阻阻通通道道，引起引起vCE下降，下降，iC 剧增剧增，损坏功率管，且不可逆。，损坏功率管，且不可逆。 发发生生条条件件：它它在在高高压压低低电电流流时时发发生生，相相应应的的功功率率称称为为二次击穿耐量二次击穿耐量 PSB。图图 115图计及二次击穿时功率管的安全工作区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功率管的安全工作区三极管发射极发射极 E基极基极 BPNN+集电极集电极 C发射极发射极 E基极基极 BNPP+集电极集电极 CBCEBCE发射结发射结集电结集电结 输入特性曲线输入特性曲线VCE = 0IB / AVBE /VVBE(on)0.3V10 VOV(BR)BEOIEBO + ICBOq VCE 一定：一定：类似二极管伏安特性。类似二极管伏安特性。q VCE 增加：增加：正向特性曲线略右移。正向特性曲线略右移。注：注：VCE 0.3 V 后，曲线移动可忽略不计。后，曲线移动可忽略不计。 输出特性曲线输出特性曲线q 饱和区饱和区( (VBE 0.7 V，VCE 0.3 V) )IC /mAVCE /VOIB = 40 A30 A20 A10 A0特点特点条件条件发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏VCE曲线略上翘曲线略上翘具有正向受控作用具有正向受控作用满足满足 IC = IB + ICEOq 截止区截止区( (VBE 0.5 V， VCE 0.3 V) )IC /mAVCE /VOIB = 40 A30 A20 A10 A0特点：特点：条件：条件： 发射结反偏，集电结反偏。发射结反偏，集电结反偏。IC 0，IB 0近似为近似为 IB 0 以下区域以下区域 q 击穿区击穿区特点：特点：VCE 增大到一定值时，集电结反向击穿，增大到一定值时，集电结反向击穿，IC 急剧增大。急剧增大。V(BR)CEO集电结反向击穿电压，随集电结反向击穿电压，随 IB 的增大而减小。的增大而减小。注意：注意：IC /mAVCE /VOIB = 40 A30 A20 A10 A0IB = - -ICBO (IE = 0)V(BR)CBOMOS管+TVDSIG 0VGSID+- - -共源组态特性曲线：共源组态特性曲线：ID = f ( VGS )VDS = 常数常数转移特性：转移特性：ID = f ( VDS )VGS = 常数常数输出特性：输出特性： NEMOS 管输出特性曲线管输出特性曲线q 非饱和区非饱和区特点：特点：ID 同时受同时受 VGS 与与 VDS 的控制。的控制。当当 VGS为常数时，为常数时，VDSID 近似线性近似线性 ，表现为一种电阻特性；，表现为一种电阻特性； 当当 VDS为常数时，为常数时，VGS ID ，表现出一种压控电阻的特性。表现出一种压控电阻的特性。 沟道预夹断前对应的工作区。沟道预夹断前对应的工作区。条件：条件：VGS VGS(th) V DS VGS(th) V DS VGS VGS(th)注意：饱和区注意：饱和区( (又称有源区又称有源区) )对应对应三极管的放大区。三极管的放大区。q 截止区截止区特点：特点：相当于相当于 MOS 管三个电极断开。管三个电极断开。 ID/mAVDS /VOVDS = VGS VGS(th)VGS = 5 V3.5 V4 V4.5 V沟道未形成时的工作区沟道未形成时的工作区条件：条件：VGS VGS(th) ID = 0 以下的工作区域。以下的工作区域。IG 0，ID 0q 击穿区击穿区 VDS 增大增大到一定值时到一定值时漏衬漏衬 PN 结雪崩击穿结雪崩击穿 ID 剧增。剧增。 VDS 沟道沟道 l 对于对于 l 较小的较小的 MOS 管管 穿通击穿。穿通击穿。讨论1-4