第1章功率电子线路11优秀课件

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。
R(th)jc:集电极与金属底座之间的热阻 R(th)ca:管壳与周围空气之间的热阻 R(th)cs:金属底座与散热器之间的热阻 R(th)sa:散热器与周围空气之间的热阻
散热器的面积越大，厚度越厚， 材料的热导率越高， R(th)sa就越小。
③ 甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通，导
通角1800 3600 。 ④ 丙类：功率管在小于半个周期内导通，导通角 1800。
功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。
根据下列曲线说出功率管的应用状态：
甲类
甲类：理论上最 大效率为25%
甲乙类
甲乙类：理论上 25%<ηc<78.5%
第1章功率电子线路11
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。
为：PC
1
2
02iCvCEdt
c iC
b
+
vCE
e-
讨论：若减少 PC，则要减少 iC vCE
方法来自百度文库：由甲类 甲乙类 乙类 丙类，即减小管子在信号 一个周期内的导通(增大 iC = 0)时间。
方法2：管子运用于开关状态(又称丁类)，即一周期内一半饱和， 一半截止。 饱和时，vCE VCE (sat) 很小， iC VCE (sat)也很小 PC 很小； 截止时，iC 很小，iC vCE 也很小 PC 很小。
总之：为提高 C，管子的运用状态可取乙类、丙类或丁类。但集电
极电流波形失真严重，电路需采取特定的措施(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。
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(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；
G
(3)绝缘栅双极型功率管
N沟道IGBT的简化 电路和电气图形符号
C (D)
C
G
E E (S)
IGBT既吸收了功率晶体管饱和导通电阻小、且能承受高电压和大电流 的优点，又吸取MOS管输入激励电流小的优点。
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，安全工作区受到三个极限参数限制：
乙类
乙类：理论上最 大效率为78.5%
丙类
丙类：理论上效 率可大于78.5%
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。
ηC
Po
Po PC
减小（管耗） PC 可提高 C。
假设集电极瞬时电流和电压分别为 iC 和 vCE，
则集电极耗散功率PC
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
各种散热片
各种功率晶体管
热传导过程： T2T1RthP
Rth
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
PCM
TjMTa Rth
二、二次击穿 iC 除 PCM、ICM 和V(BR)CEO 满足安全工作条件外，要 ICM
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)：
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-AC Converter)：交流电→交流电
（不同幅值或频率）。 应用：变压等。
1.1.3 功率器件
C iC
D
功率管的种类：
B+
vCE
G
B
(1)双极型功率晶体管
E
S
(2)功率 MOS 管
热量相等，达到热平衡。T2 不再变化。
晶体管的热量传递
因为 所以总热阻
R(th)cs + R(th)sa << R(th)ca 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：
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(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。
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（A）类、乙（B）类、甲乙（AB）类、丙 （C）类等多种。 ① 甲类：功率管在一个周期内导通 ，导通角 = 3600。 ② 乙类：功率管仅在半个周期内导通，导通角 = 1800 。