第1篇功率电子线路1

图 1–2–1 图解分析(a)
电子线路分析方法
分析法 等效电路法
图解法 幂级数法 时变参量法
应用 小信号 大信号 频率变换 混频
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
ηC
Po
Po PC
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
PC
1 2
2
0 iCvCEdt
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
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。
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
此外，还需检查动态点
是否落在二次击穿限定的安 全区内。
二、乙类推挽功率放大器
图 1–1–5
乙类工作时，为在负载上合成完整的正弦波，必
须采用两管轮流导通的推挽(Push-Pull)电路。
实现方案：
① 变压器耦合推挽功放；
② 乙类互补推挽功放。
1．变压器耦合功放 (1) 电路结构 Tr1：输入变压器，利用二次绕组的中心抽头将 vi (t) 分成两个幅值相等，极性相反的激励电压 vi1 = vi2 ， 分别加在两管的基 - 射极之间，实现两管轮流导通。 Tr2：输出变压器，隔断 iC1 和 iC2 到负载的平均分 量，并利用一次绕组的中心抽头将 iC1 和 iC2 中的基波 分量在 RL 中叠加，输出正弦波。 T1 和 T2：特性配对、相同导电类型的 NPN 功率管。
热崩(Thermal Runaway)： 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：
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。
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。
若 Q 处于交流负载线的中点，且充分激励的条
件下，增大 VCC，或减R小L
受安全工作条件的限制。
，Po 均将增大，但最后
(4)管安全 如图 1-2-4 所示，加在集电极上的最大电压 vCEmax = VCC + vcm 2VCC，通过集电极的最大电流 iCmax = ICQ + Icm 2ICQ 。
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。
线性失真，且设 VCE(sat) = 0，ICEO = 0，则相应的集电极 电压和电流分别为：
iC ICQ Icmsint，
其中：
vCE VCEQ Vcmsint Vcm = VCEQ = VCC
比较：
Icm ICQ Vcm / RL VCC / RL
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。
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。 图 1–2–2 RL 变化对功率性能的影响
1.2.2 甲类、乙类功率放大器的电路组成 及其功率性能
一、甲类变压器耦合功率放大器
1．电路
(1)输入端
RB —— 偏置电阻； CB —— 旁路电容； Tr1 —— 耦合变压器。
1 2
2 0
vCEiCdt
VCEQ
ICQ
1 2
Vcm Icm
PL 和 PC 均由直流和交流两部分合成。例如：
PL 中：
直流功率
VCEQ ICQ
PD ， 2
(VCEQ
1 2
VCC
)
交流功率 所以
Po
1 2 Vcm Icm
VCEQ ICQ 2
PD 4
max
Po PD
25%
4．讨论：
(甲1)类电功路放组成Cm上ax = 25%
C ——集电极效率(Collector Efficiency)
ηC
Po PD
Po Po PC
Po —— 输出信号功率 ；PD —— 电源提供的功率；
PC —— 管耗 (Power Dissipation)/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)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-AC Converter)：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。
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(Secondary Breakdown)： 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
Vcc/RL
VCE(SAT)
图 1–2–1 图解分析
VCEQ
VCC VCE(SAT) 2
VCC 2
I CQ
VCC VCEQ RL
VCC / 2 RL
VCC 2RL
VCE(sat) 0
2．集电极输出电压和电流(假设 VCE(sat) 和 ICEO 为 0)
iC ICQ ic ICQ Icmsint vCE VCEQ vce VCEQ Vcmsint
其中，
Vcm
VCEQ
VCC 2
,
I cm
Vcm RL
V CEQ RL
ICQ
图 1–2–1 图解分析(b)
3．PD (直流功率)、PL (负载功率) 、 PC (管耗)
PD
1 2
2
0 VCCiCdt VCC ICQ
PL
1 2
2 0
iC2 RLdt
VCEQ ICQ
1 2
Vcm
I
cm
PC
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-DC Converter)：直流电-直 流电。 应用：开关电源。
(2T)r输2—出—端耦 合变压器， 对交流，Tr2 起阻抗变换作 用。2．电路分析
图 1–2–3(a) 原理电路
(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：EF
③求Q点 iB = IBQ， iC = ICQ， vCE = VCEQ = VCC
功率参数计算： ① PD VCCICQ ② PL Po Vcm Icm/2 VCEQICQ/2 PD/2 ③ PC PD PL VCCICQ Vcm Icm/2 PD/2 ④ ηcmax Po/PD 50%
采用变压器耦合，Cmax 将由 0.25 增大到 0.5，即
PD 的一半转换为 Po。
弦波。
图 1–2–5(a) 变压器耦合
PD 中，输出的信号功率 Po 仅占 1/4，PD/2 消耗在 RL 上。
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，最大输出信号的 电压和电流的振幅受到了限制。
图 1–2–4 甲类变压器耦合功率放大器的图解分析
(2)动态分析
① 画交流通路 ② 画交流负载线 交流负载线方程：
vce ic RL
RL n2 RL，
n W1 W2
过 Q 点作交流负
载线 MN，斜率 1
RL
③ 求动态范围
甲类变压器耦合功放图解分析
(3)功率性能 当输入充分激励，Q 处在负载线中点时，忽略非
欲提高输出信号功率，需减小 RL，增大 Icm。 必须同时增大激励电流。
图 1–2–2 RL 变化对功率性能的影响
① RL 减小，负载线斜率改变，减小了集电极电压 振幅，使 Po 减小；
② ICQ 增大，使 PD 增大，C 降低。
5．结论 (1) 在 电 路 组 成上，必须采用避
免管外电路无谓消
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
第 1 章 功率电子线路
1.2 功率放大器的电路组成 和工作特性
1.2.1 从一个例子讲起
1.2.2 甲类、乙类功率放大器的电路组成 及其功率性能
1.2.1 从一个例子讲起
图 1-2-1 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。
(2) 工作原理 vi1(t) > 0 时， T1 导通(忽略射结压降)； vi2(t) < 0， T2 截止，iC1 处于正半周的半个正弦波。
vi2(t) > 0 时， T2 导通； vi1(t) < 0， T1 截止，iC2 处于的 正弦波的负半周。
iC1 和 iC2 中的 基波分量在 RL 中 叠加，输出完整正
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。
当 Po = 0 时，PD 全部消耗在管子中，因而消耗在 集电极上的最大功率 PCmax = PD 。
安全工作条件：
VCEmax 2VCC V(BR)CEO 即 VCC V(BR)CEO / 2 iCmax 2ICQ ICM 即 ICQ ICM / 2 PCmax PD PCM
图 1–2–4 图解分析
极电压如小果于发生V(上BR)述CE击O 后穿，，管电子流可不恢加复限正制常，工就作会。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
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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