电子线路,非线性部分2

第1章 功率电子线路

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：根据应用领域和处理对象不同

（1）功率放大电路：放大器的一类。用于通信、音像等电子设备。

（2）电源变换电路：对电源能量进行特定变换。用于电源设备、电子系统、工业控制。

1.1.1 功率放大器

与其它放大器相比

相同点：均在输入信号作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率。 不同点：性能要求和运用特性不同。 一、功率放大器的性能要求

1．安全。输出功率大，管子大信号极限条件下运用。 2．高效率。

用ηc 集电极效率（Collector Efficiency ）衡量转换效率：

C

o o

D o c P P P P P +==

η 式中，P o 一—输出信号功率（Output Signal Power ）；

P D 一—电源提供的功率； P C 一—管耗（Power Dissipation ）

P o 一定，ηc 高，P D 小，P C 小 → 可选P CM 小的管子，降低费用。

3．失真小。输出功率越大，相应的动态电压电流越大，器件特性非线性引起的非线性失真也越大。除采用反馈技术外，还必须限制输出功率。

作为放大器，功率增益是重要的性能指标，但与上述三个要求相比，安全、高效和小失真是第一位的。功率增益可用增加前置级的级数或提高相应的增益来弥补。

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。

功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。 甲类：功率管在一个周期内导通（如小信号放大电路）。

乙类：功率管仅在半个周期内导通。

甲乙类：功率管在大于半个周期小于一个周期内导通。 丙类：功率管小于半个周期内导通。 2．不同运用状态下的η

C

管子的运用状态不同，相应的η

Cmax 也不同。

C

o o

c P P P +=

η

减小P C 可提高ηC 。

假设集电极瞬时电流和电压分别为i C 和v CE ，则P C 为

⎰=π

2o CE C C d π

21t v i P ω 讨论：若减少P C ，则要减少i C ×v CE

途径1：由甲类→甲乙类→乙类→丙类，减小管子在信号周期内的导通时间，即增大i C

＝ 0的时间。

途径 2：使管子运用在开关状态（又称丁类）；管子在半个周期内饱和导通，另半个周期内截止。饱和导通时，v CE ≈v CE (sat)很小，因此导通的半个周期内，瞬时管耗i C ×v CE 处在很小的值上。截止时，不论v CE 为何值，i C 趋于0，i C ×v CE 也处在零值附近。结果P C 很小，η

C 显著增大。

总结：为提高集电极效率，管子的运用状态从甲类向乙类、丙类或开关工作的丁类转变。但随着效率的提高，集电极电流波形失真严重，为实现不失真放大，在电路中需采取特定措施。

1.1.2 电源变换电路 1.1.3 功率器件

功率管是功率放大电路的关键器件，如何选择功率管的运用状态，并保证它们安全工作是需要共同解决的问题。为此，必须首先了解功率器件的极限参数及安全工作区。

双极型功率晶体管的安全工作受到三个极限参数的限制： （1）集电极最大允许管耗P CM 。还与散热条件密切相关 （2）集电极击穿电压V （BR ）CEO （3）集电极最大允许电流I CM

以上与功率管的结构，工艺参数，封装形式有关。 一、功率管散热和相应的P CM

耗散在功率管中的功率P C 主要消耗在集电结上，造成集电结发热，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（T j）升高 → 集电极电流（ i C）增大 → P C增大 → T j随之升高 → i C增大 → P C增大 →T j 升高，如此反复，直至T j超过集电结最高允许温度T jM，导致管子被烧坏的一种恶性循环现象。

实践中，为了利于集电结的散热，以提高P CM，双极型功率管都采用集电极直接固定在金属底座上，金属底座又与管壳相连的结构。此外，金属底座还加装金属散热器（图1-1-4 (b)）

散热器：翼状结构，以增大散热面积。面积越大，厚度越厚，材料的导热率越高，散热效果越好。

二、二次击穿

要保证功率管安全工作，除满足由P CM、I CM和V（BR）CEO所规定的安全工作条件外，还要求不发生二次击穿。

二次击穿（Secondary Breakdown）：当集电极电压超过V（BR）CEO，会引起击穿，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。

二次击穿的后果：导致过热点的晶体熔化，要引起v CE下降，i C剧增，功率管尚未发烫就已损坏。是不可逆，破坏性的。

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P SB。

功率放大电路使用双极型功率晶体管外，还使用功率MOS 管，绝缘栅双极型功率管。

1.2 功率放大器的电路组成和工作特性

在放大原理上，功率放大器与其它放大器一样，都是能量转换器，但是，由于要求不同，因而在电路组成和运用特性上，功率放大器却有不同的特点。

1.2.1 从一个例子讲起

图(a)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。由此提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，进行分析时，功率器件必须采用一般模型（大信号模型）。工程上，采用较多的是特性曲线上作负载线的图解分析法。

1．静态工作点的选择：为了使电路在管子不出现饱和、截止失真的条件下，输出功率最大，即输出电压和电流均达到最大幅值，需要把工作点Q 选在负载线的中点。即

L

CC L CEQ CQ CC

CEQ 22R V R V I V V ≈=≈

,