功率電子線路剖析

1、功率電子線路剖析 第第 1 章章 功率電子線路功率電子線路 功率電子線路概述功率電子線路概述 1.2 功率放大器的電路組成和功率放大器的電路組成和 工作特性工作特性 1.3 乙類推挽功率放大電路乙類推挽功率放大電路 功率電子線路剖析 功率電子線路概述功率電子線路概述 作用：高效地實現(xiàn)能量變換和控制。作用：高效地實現(xiàn)能量變換和控制。 種類：種類： 根據(jù)應用領域和處理對象不同根據(jù)應用領域和處理對象不同 (1) 功率放大電路：功率放大電路： 放大器的一類。用于通信、音放大器的一類。用于通信、音 像等電子設備。像等電子設備。 (2) 電源變換電路：電源變換電路： 對電源能量進行特定變換。用對電源能量進

2、行特定變換。用 于電源設備、電子系統(tǒng)、工業(yè)控制。于電源設備、電子系統(tǒng)、工業(yè)控制。 功率電子線路剖析 1.1.1 功率放大器功率放大器 與其它放大器相比與其它放大器相比 相同點：相同點： 均在輸入信號作用下，將直流電源的直流均在輸入信號作用下，將直流電源的直流 功率轉換為輸出信號功率。功率轉換為輸出信號功率。 不同點：不同點： 性能要求和運用特性不同。性能要求和運用特性不同。 一、功率放大器的性能要求一、功率放大器的性能要求 1. 安全。安全。 輸出功率大，管子大信號極限條件下運用。輸出功率大，管子大信號極限條件下運用。 2. 高效率。高效率。 功率電子線路剖析 用用c 集電極效率集電極效率 (

3、Collector Efficiency) 衡量轉換效衡量轉換效 率：率： Co o D o c PP P P P Po 輸出信號功率輸出信號功率 (Output Signal Power)； 式中：式中： PD 電源提供的功率；電源提供的功率； PC 管耗管耗 (Power Dissipation) Po 一定，一定，c 高高PD 小小PC 小小 可選可選 PCM 小的小的 管子，以降低費用。管子，以降低費用。 功率電子線路剖析 3. 失真小。失真小。 輸出功率越大，相應的動態(tài)電壓電流越輸出功率越大，相應的動態(tài)電壓電流越 大，器件特性非線性引起的非線性失真也越大。除采用大，器件特性非線性引起

4、的非線性失真也越大。除采用 反饋技術外，還必須限制輸出功率。反饋技術外，還必須限制輸出功率。 作為放大器，功率增益是重要的性能指標，但與上作為放大器，功率增益是重要的性能指標，但與上 述三個要求相比，安全、高效和小失真是第一位的。功述三個要求相比，安全、高效和小失真是第一位的。功 率增益可用增加前置級的級數(shù)或提高相應的增益來彌補。率增益可用增加前置級的級數(shù)或提高相應的增益來彌補。 二、功率放大器的分類二、功率放大器的分類 1. 功率管的運用狀態(tài)功率管的運用狀態(tài) 根據(jù)功率管在一個信號周期內(nèi)導通時間的不同，根據(jù)功率管在一個信號周期內(nèi)導通時間的不同， 功率管運用狀態(tài)可分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等功

5、率管運用狀態(tài)可分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等 多種。多種。 功率電子線路剖析 功率管運用狀態(tài)通?？窟x擇靜態(tài)工作點來實現(xiàn)。功率管運用狀態(tài)通?？窟x擇靜態(tài)工作點來實現(xiàn)。 甲類：功率管在一個周期內(nèi)導通甲類：功率管在一個周期內(nèi)導通 (如小信號放大如小信號放大)。 乙類：功率管僅在半個周期內(nèi)導通。乙類：功率管僅在半個周期內(nèi)導通。 甲乙類：管子在大于半個周期小于一個周期內(nèi)導通。甲乙類：管子在大于半個周期小于一個周期內(nèi)導通。 丙類：功率管小于半個周期內(nèi)導通。丙類：功率管小于半個周期內(nèi)導通。 功率電子線路剖析 2. 不同運用狀態(tài)下的不同運用狀態(tài)下的C 管子的運用狀態(tài)不同，相應的管子的運用狀態(tài)不同，相應的Cmax

6、 也不同。也不同。 Co o c PP P 減小減小 PC 可提高可提高C。 假設集電極瞬時電流和電壓分別為假設集電極瞬時電流和電壓分別為 iC 和和 vCE，則，則 PC 為為 2 o CECC d 2 1 tviP 功率電子線路剖析 討論：若減少討論：若減少 PC，則要減少，則要減少 iC vCE 途徑途徑 1：由甲類：由甲類甲乙類甲乙類乙類乙類丙類，減小管子丙類，減小管子 在信號周期內(nèi)的導通時間，即增大在信號周期內(nèi)的導通時間，即增大 iC 0 的時間。的時間。 效率：效率：甲類甲類甲乙類甲乙類乙類乙類丙類丙類 功率電子線路剖析 途徑途徑 2：使管子運用在開關狀態(tài)：使管子運用在開關狀態(tài) (

7、 (又稱丁類又稱丁類) )；管子管子 在半個周期內(nèi)飽和導通，另半個周期內(nèi)截止。飽和導通在半個周期內(nèi)飽和導通，另半個周期內(nèi)截止。飽和導通 時，時，vCE vCE (sat) 很小，因此導通的半個周期內(nèi)，瞬時管很小，因此導通的半個周期內(nèi)，瞬時管 耗耗 iC vCE 處在很小的值上。截止時，不論處在很小的值上。截止時，不論 vCE 為何值，為何值， iC 趨于趨于 0，iC vCE 也處在零值附近。結果也處在零值附近。結果 PC 很小，很小，C 顯著增大。顯著增大。 功率電子線路剖析 總結：為提高集電極效率，管子的運用狀態(tài)從甲總結：為提高集電極效率，管子的運用狀態(tài)從甲 類向乙類、丙類或開關工作的丁類

8、轉變。但隨著效率類向乙類、丙類或開關工作的丁類轉變。但隨著效率 的提高，集電極電流波形失真嚴重，為實現(xiàn)不失真放的提高，集電極電流波形失真嚴重，為實現(xiàn)不失真放 大，在電路中需采取特定措施。大，在電路中需采取特定措施。 1.1.2 電源變換電路電源變換電路 1.1.3 功率器件功率器件 功率管是功率放大電路的關鍵器件，如何選擇功率功率管是功率放大電路的關鍵器件，如何選擇功率 管的運用狀態(tài)，并保證它們安全工作是需要共同解決的管的運用狀態(tài)，并保證它們安全工作是需要共同解決的 問題。為此，必須首先了解功率器件的極限參數(shù)及安全問題。為此，必須首先了解功率器件的極限參數(shù)及安全 工作區(qū)。工作區(qū)。 功率電子線路

9、剖析 雙極型功率晶體管的安全工作受到三個極限參數(shù)雙極型功率晶體管的安全工作受到三個極限參數(shù) 的限制：的限制： (1) 集電極最大允許管耗集電極最大允許管耗 PCM。還與散熱條件密切。還與散熱條件密切 相關相關 (2) 集電極擊穿電壓集電極擊穿電壓 V(BR)CEO (3) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流 ICM 以上與功率管的結構，工藝參數(shù)，封裝形式有關。以上與功率管的結構，工藝參數(shù)，封裝形式有關。 一、功率管散熱和相應的一、功率管散熱和相應的 PCM 耗散在功率管中的功率耗散在功率管中的功率 PC 主要消耗在集電結上，主要消耗在集電結上， 造成集電結發(fā)熱，結溫升高。造成集電結發(fā)熱，結溫

10、升高。 功率電子線路剖析 CM的關系 的關系 th R a T jM T CM P 功率電子線路剖析 金屬底座又金屬底座又 與管殼相連的與管殼相連的 結構。此外，結構。此外， 金屬底座還加金屬底座還加 裝金屬散熱器裝金屬散熱器 ( (如圖如圖) ) (a) (b) 功率管底座上加裝散熱器功率管底座上加裝散熱器 (c) 相應的熱等效電路相應的熱等效電路 實踐中，為了利于集電結的散實踐中，為了利于集電結的散 熱，以提高熱，以提高 PCM，雙極型功率管都，雙極型功率管都 采用集電極直接固定在金屬底座上，采用集電極直接固定在金屬底座上， 功率電子線路剖析 散熱器：翼狀結構，以增大散熱面積。面積越大，散

11、熱器：翼狀結構，以增大散熱面積。面積越大， 厚度越厚，材料的導熱率越高，散熱效果越好。厚度越厚，材料的導熱率越高，散熱效果越好。 二、二次擊穿二、二次擊穿 要保證功率管安全工作，除滿足由要保證功率管安全工作，除滿足由 PCM、ICM 和和 V(BR)CEO 所規(guī)定的安全工作條件外，還要求不發(fā)生二次所規(guī)定的安全工作條件外，還要求不發(fā)生二次 擊穿。擊穿。 二次擊穿二次擊穿 (Secondary Breakdown)：當集電極電壓：當集電極電壓 超過超過 V(BR)CEO，會引起擊穿，只要外電路限制擊穿后，會引起擊穿，只要外電路限制擊穿后 的電流，管子就不會損壞，待集電極電壓小于的電流，管子就不會損

12、壞，待集電極電壓小于 V(BR)CEO 后，管子恢復正常工作。如上述擊穿后，電后，管子恢復正常工作。如上述擊穿后，電 流不加限制，就會出現(xiàn)集電極電壓迅速減小，集電極流不加限制，就會出現(xiàn)集電極電壓迅速減小，集電極 電流迅速增大的現(xiàn)象，即為二次擊穿。電流迅速增大的現(xiàn)象，即為二次擊穿。 功率電子線路剖析 二次擊穿的后果：導致過熱點的晶體熔化，要引起二次擊穿的后果：導致過熱點的晶體熔化，要引起 vCE下降，下降，iC 劇增，功率管尚未發(fā)燙就已損壞。是不可逆，劇增，功率管尚未發(fā)燙就已損壞。是不可逆， 破壞性的。破壞性的。 發(fā)生條件：它在高壓低電流時發(fā)生，相應的功率稱發(fā)生條件：它在高壓低電流時發(fā)生，相應的

13、功率稱 為二次擊穿耐量為二次擊穿耐量 PSB。 功率放大電路使用雙功率放大電路使用雙 極型功率晶體管外，還極型功率晶體管外，還 使用功率使用功率 MOS 管，絕緣管，絕緣 柵雙極型功率管。柵雙極型功率管。 功率電子線路剖析 功率放大器的電路組成和工作特性功率放大器的電路組成和工作特性 在放大原理上，功率放大器與其它放大器一樣，都在放大原理上，功率放大器與其它放大器一樣，都 是能量轉換器，但是，由于要求不同，因而在電路組成是能量轉換器，但是，由于要求不同，因而在電路組成 和運用特性上，功率放大器卻有不同的特點。和運用特性上，功率放大器卻有不同的特點。 從一個例子講起從一個例子講起 圖圖 (a)

14、為放大器的基本電路，為放大器的基本電路， 現(xiàn)將其作為功率放大器來分析它現(xiàn)將其作為功率放大器來分析它 的功率性能。的功率性能。 功率電子線路剖析 功率放大器為大信號放大器，進行分析時，功率器功率放大器為大信號放大器，進行分析時，功率器 件必須采用一般模型件必須采用一般模型( (大信號模型大信號模型) )。工程上，采用較多。工程上，采用較多 的是特性曲線上作負載線的圖解分析法。的是特性曲線上作負載線的圖解分析法。 LCC RiVv CCE 功率電子線路剖析 1. 靜態(tài)工作點的選擇：為了使電路在管子不出現(xiàn)靜態(tài)工作點的選擇：為了使電路在管子不出現(xiàn) 飽和、截止失真的條件下，輸出功率最大，即輸出電飽和、截

15、止失真的條件下，輸出功率最大，即輸出電 壓和電流均達到最大幅值，需要把工作點壓和電流均達到最大幅值，需要把工作點 Q 選在負載選在負載 線的中點。即線的中點。即 L CC L CEQ CQ CC CEQ 2 , 2R V R V I V V 功率電子線路剖析 2. 集電級輸出電壓和電流集電級輸出電壓和電流 tVVvVv tIIiIi sin sin cmCEQceCEQCE cmCQcCQC 設設: VCE(sat) 和和 ICEO 為為0 CQ L CEQ L cm cm CC CEQcm 2 I R V R V I V VV , 功率電子線路剖析 cmcmCQCEQCCE 2 o C cm

16、cmCQCEQL 2 C 2 o L CQCCCC 2 o D 2 1 d 2 1 2 1 d 2 1 d 2 1 IVIVtivP IVIVtRiP IVtiVP C 3. 電源提供的直流功率電源提供的直流功率 PD、負載功率、負載功率 PL、集電極、集電極 耗散功率耗散功率 PC 功率電子線路剖析 PL 和和 PC 均由直流和交流兩部分合成。例如：均由直流和交流兩部分合成。例如： PL中直流功率中直流功率 422 1 D CQCEQ cmcmo PIV IVP ， 2 D CQCEQ P IV 交流功率交流功率 %25 D o max P P cmcmCQCEQCCE 2 o C cmcm

17、CQCEQL 2 C 2 o L CQCCCC 2 o D 2 1 d 2 1 2 1 d 2 1 d 2 1 IVIVtivP IVIVtRiP IVtiVP C 效率：效率： 功率電子線路剖析 4. 討論：討論： (1) 電路組成電路組成 甲類功放的甲類功放的Cmax 僅為僅為 25%，PD 中僅有中僅有 1/4 轉換為轉換為 有用的輸出信號功率，其余均被浪費。其中，一部分有用的輸出信號功率，其余均被浪費。其中，一部分 耗散在管子中，大部分耗散在管子中，大部分 ( PL 中直流功率中直流功率 PD/2 ) 消耗在消耗在 RL上。上。 提高提高Cmax 的辦法：的辦法： 合理選擇管子的運用狀

18、態(tài)合理選擇管子的運用狀態(tài)( (乙類或甲乙類乙類或甲乙類) )減小管減小管 子消耗功率。子消耗功率。 在管外電路中，采用不消耗直流功率的電路結構，在管外電路中，采用不消耗直流功率的電路結構， 消除消除 RL 上消耗的直流功率。上消耗的直流功率。 功率電子線路剖析 (2) 充分激勵的概念充分激勵的概念 否則，否則，RL 的減小的減小 不會增大輸出電流，不會增大輸出電流， 反而會因減小集電反而會因減小集電 極電壓振幅而使極電壓振幅而使 Po 減小，還會因減小，還會因 ICQ增增 大而使大而使 PD 增大，結增大，結 果使果使C 降低。降低。 當當 VCC 一定、一定、Q 在負載線中點時，在負載線中點

19、時，Vcm(VCC /2)被被 限定。要提高輸出信號功率，就必須減小限定。要提高輸出信號功率，就必須減小 RL，才能增，才能增 大大 Icm。但，在減小。但，在減小 RL 時，還必須同時增大激勵電流。時，還必須同時增大激勵電流。 充分激勵時充分激勵時RL變化對功率性能的影響變化對功率性能的影響 功率電子線路剖析 充分激勵：與充分激勵：與 RL 相匹配的輸入激勵相匹配的輸入激勵( (不出現(xiàn)飽和失不出現(xiàn)飽和失 真的最大激勵真的最大激勵) )。 匹配負載：相應的負載為匹配負載匹配負載：相應的負載為匹配負載( (能使能使 Q 處于交處于交 流負載線中點的負載流負載線中點的負載) )。 小結：小結： 在

20、工作特性上，輸出負載，輸入激勵和靜態(tài)在工作特性上，輸出負載，輸入激勵和靜態(tài) 工作點相互牽制，要高效率輸出所需信號功率，三者工作點相互牽制，要高效率輸出所需信號功率，三者 必須有一個最佳配置。必須有一個最佳配置。 功率電子線路剖析 1. 電路電路 (1) 輸入端：輸入端： RB偏置電阻偏置電阻 CB旁路電容旁路電容 Tr1耦合變壓器耦合變壓器 (2) 輸出端：輸出端： Tr2耦合變壓器，耦合變壓器， 對交流，對交流，Tr2起阻抗變換作起阻抗變換作 用，用， L 2 L RnR 甲類、乙類功放的電路組成及功率性能甲類、乙類功放的電路組成及功率性能 一、甲類變壓器耦合功放一、甲類變壓器耦合功放 功率

21、電子線路剖析 (1) 靜態(tài)分析靜態(tài)分析 CCCE Vv 2. 電路分析電路分析 根據(jù)直流通路，寫出直流負載方程：根據(jù)直流通路，寫出直流負載方程： 直流負載線：直流負載線：EF 功率電子線路剖析 (2) 動態(tài)分析動態(tài)分析 交流時：交流時： Lcce Riv 又：又： cCQC ceCEQCE iIi vVv 則：交流負載方程可改寫為則：交流負載方程可改寫為 )( CQCLCEQCE IiRVv 功率電子線路剖析 上式表明，當上式表明，當 CCCEQCECQC VVvIi 時時， ， 它在兩坐標軸上的截距：它在兩坐標軸上的截距： CQLCEQCE C LCEQCQC CE 0 / 0 IRVv i

22、 RVIi v 時，時， 時，時， )( CQCLCEQCE IiRVv 相應畫出交流負相應畫出交流負 載線是一條通過載線是一條通過 Q 點的直線點的直線 MN，斜，斜 率為率為 1/ 。 L R 功率電子線路剖析 (3) 功率性能功率性能 當輸入充分激勵，當輸入充分激勵，Q 處在負載線中點時，忽略非線處在負載線中點時，忽略非線 性失真，且設性失真，且設 00 CEOCE(sat) IV， ，則相應的集電極電，則相應的集電極電 壓和電流分別為：壓和電流分別為： tVVv tIIi sin sin cmCEQCE cmCQC ， 其中其中 LCCLcmCQcm CCCEQcm /RVRVII V

23、VV ； 功率電子線路剖析 與放大器的基本電路相比，在匹配負載時，電壓與放大器的基本電路相比，在匹配負載時，電壓 信號幅值信號幅值 Vcm 由由 VCC/2，增加到，增加到 VCC，若呈現(xiàn)在集電，若呈現(xiàn)在集電 極上的負載相等，則輸出信號功率增大四倍。極上的負載相等，則輸出信號功率增大四倍。 根據(jù)上述關系求得根據(jù)上述關系求得 50%/ /2 /2 /2/2 /2 D o cmax D cmcmCQCCC DCQCE cmcmoL CQCCD PP P IVIVP PIV IVPP IVP Q 功率電子線路剖析 (4) 管安全管安全 由圖可見，加在集電極上的最大電壓由圖可見，加在集電極上的最大電壓

24、 CCCEmax Vv 通過集電極的最大電流通過集電極的最大電流。 CQcmCQCmax 2IIIi ， CCcm 2VV 當當Po = 0時，時，PD全部消耗在管子中，因而消耗在集全部消耗在管子中，因而消耗在集 電極上的最大功率電極上的最大功率 。 DCmax PP 所以保證管子安全工作的條件為：所以保證管子安全工作的條件為： 采用變壓器耦合，采用變壓器耦合，Cmax 將由將由 增大到增大到 ，即，即 PD 的一的一 半轉換為半轉換為 Po。 功率電子線路剖析 CMDCmax CMCQCMCQCmax (BR)CEOCC(BR)CEOCCCEmax 2/2 2/2 PPP IIIIi VVV

25、VV 即即 即即 又因為：又因為： 2/2/2/ DCQCCcmcmomax PIVIVP ，上述，上述 安全工作條件又可用安全工作條件又可用 Pomax 表示為表示為 8/ 2/ CM(BR)CEOmaxo CMmaxo IVP PP Pomax 取較小的值。取較小的值。 此外，還需檢查動態(tài)點是否落在二次擊穿限定的安此外，還需檢查動態(tài)點是否落在二次擊穿限定的安 全區(qū)內(nèi)。全區(qū)內(nèi)。 功率電子線路剖析 二、乙類推挽功率放大器二、乙類推挽功率放大器 乙類工作時，為了在負載上合成完整的正弦波，乙類工作時，為了在負載上合成完整的正弦波， 必須采用兩管輪流導通的推挽必須采用兩管輪流導通的推挽 (Push-

26、Pull) 電路。可有電路?？捎?多種實現(xiàn)方案：多種實現(xiàn)方案： (1) 變壓器耦合乙類推挽功放變壓器耦合乙類推挽功放 (2) 互補推挽功放互補推挽功放 功率電子線路剖析 1. 變壓器耦合功放變壓器耦合功放 (1) 電路結構電路結構 Tr1輸入變壓器，利用次級繞組的中心抽頭輸入變壓器，利用次級繞組的中心抽頭 將將 vi (t) 分成兩個幅值相等，極性相反的激勵電壓分成兩個幅值相等，極性相反的激勵電壓 1ii2 vv ，分別加在兩管的基射極之間，實現(xiàn)兩，分別加在兩管的基射極之間，實現(xiàn)兩 管輪流導通。管輪流導通。 功率電子線路剖析 Tr2輸出變壓器，隔斷輸出變壓器，隔斷 iC1 和和 iC2 中的平

27、均分中的平均分 量，并利用初級繞組的中心抽頭將量，并利用初級繞組的中心抽頭將 iC1 和和 iC2 中的基波中的基波 分量在分量在 RL 中疊加，輸出正弦波。中疊加，輸出正弦波。 T1 和和 T2特性配對、相同導電類型的特性配對、相同導電類型的 NPN 功功 率管率管 功率電子線路剖析 (2) 工作原理工作原理 (忽略射結導通壓降忽略射結導通壓降) vi1(t) 0 時，時， vi2(t) 0，T1 管導通，管導通，T2 管截止，管截止， ic1 處于正半周的半個正弦波；處于正半周的半個正弦波； vi2(t) 0 時，時， vi1(t) 0，T2 管導通，管導通，T1 管截止，管截止， ic2

28、 處于負半周的半個正弦波。處于負半周的半個正弦波。iC1 和和 iC2 中的基波分量在中的基波分量在 RL 中疊加，輸出正弦波。中疊加，輸出正弦波。 功率電子線路剖析 2. 互補推挽電路互補推挽電路 (1) 電路特點電路特點 T1 與與 T2功率管互補配對功率管互補配對 (2) 工作原理工作原理( (忽略射結壓降忽略射結壓降) ) vi(t) 0 時，時，T1 管管 (NPN型型) 導通，導通， T2管管 (PNP型型) 截止，截止，iC1(iE1) 為正半周的半個正弦波；為正半周的半個正弦波； vi(t) 0 時，時，T2 管導通，管導通，T1 管截止，管截止，iC2(iE2)為處為處 于負

29、半周的半個正弦波。于負半周的半個正弦波。 通過通過 RL 的電流的電流 E21EL iii ，合成完整的正弦波。，合成完整的正弦波。 功率電子線路剖析 小結：上述功率放大器，為實現(xiàn)器件輪流導通：小結：上述功率放大器，為實現(xiàn)器件輪流導通： 乙類功放電路乙類功放電路 輸入激勵輸入激勵 信號信號 功率管管功率管管 型型 管外電路管外電路 變壓器耦合乙類變壓器耦合乙類 功率放大器功率放大器 極性相反極性相反 對管，管對管，管 型相同型相同 均避免了直均避免了直 流功率的損流功率的損 失失 互補推挽乙類功互補推挽乙類功 率放大器率放大器 極性相同極性相同 對管，管對管，管 型不同型不同 功率電子線路剖析

30、 (1) 性能分析性能分析( (忽略失真忽略失真) ) 一般性能分析一般性能分析 在在 0 t 時，時，tIii sin0 cmC1C2 t 2 時，時，iC1 0 iC2 Icmsint 相應的集射極間電壓：相應的集射極間電壓： VCE2 = VCC Vcmsint VCE1 = VCC Vcmsint 3. 乙類推挽功率放大器的性能分析乙類推挽功率放大器的性能分析 功率電子線路剖析 通過通過 RL 的電流：的電流：tIiiiii sin cmC2C12EE1L 相應產(chǎn)生的電壓：相應產(chǎn)生的電壓：tVv sin cmL RL 上的輸出功率：上的輸出功率：PL = Po = VcmIcm/2 =

31、 I2cmRL/2 正負電源總的直流功率：正負電源總的直流功率： PD = PD1 PD2 = 2VCCI平均 平均 = 2VCCIcm/ 功率電子線路剖析 令令VCE(sat) = 0，ICEO = 0，則，則Vcm = VCC，Icm = VCC/RL 若充分激勵若充分激勵 相應相應 Po 和和 PD 達到最大，即達到最大，即 L CC 2 omax 2R V P omax L CC 2 L CC 2 Dmax 4 ) 2 ( 4 2 P R V R V P %5 .78 4 Dmax omax Cmax P P 比甲類高比甲類高 功率電子線路剖析 若激勵不足若激勵不足 Vcm減小，引入電

32、源電壓利用系數(shù)減小，引入電源電壓利用系數(shù) (ksai)，表示，表示 Vcm的減小程度的減小程度 定義定義 = Vcm/VCC 4 4 2 2 2 1 2 1 D o omax L CC 2 cmCC D omax 2 L CC 2 2 L cm 2 o C P P P R VIV P P R V R V P 功率電子線路剖析 兩管集電極管耗相等，且為兩管集電極管耗相等，且為 omax 2 oDC2C1 ) 2 1 2 (2/ )(PPPPP 其值為其值為 omaxomax 2 max2Cmax1C 2 . 0 2 PP PP 分析：當輸入激勵由大減小，即分析：當輸入激勵由大減小，即 減小時，減

33、小時，Po、 PD、C 均單調(diào)減小，而均單調(diào)減小，而 PC1 和和 PC2 的變化非單調(diào)，的變化非單調(diào)， 636. 0 2 時最大，時最大， 功率電子線路剖析 結論：乙類工作時，結論：乙類工作時，PC 的最大值既不出現(xiàn)在的最大值既不出現(xiàn)在0 時，也不出現(xiàn)在時，也不出現(xiàn)在 1 時，時，PD 隨隨 ( (激勵激勵) )線性增大，線性增大， 與甲類與甲類( (不變不變) )不同。不同。 小時，小時，PD 小，小，Po 小，小，PC ?。恍?； 接近接近 1 時，時，PD 大，大， Po 也大，也大，PC 小。小。 PC 非單調(diào)變化非單調(diào)變化 功率電子線路剖析 (3) 管安全管安全 由 2 L CC 2

34、 o 2 R V P 增大增大 VCC，減小，減小 RL，且輸入充分激勵，輸出功率，且輸入充分激勵，輸出功率 將增大，但最后受到下列安全工作條件的限制：將增大，但最后受到下列安全工作條件的限制： CCCEmax 2Vv (BR)CEO V L CC cmCmax R V Ii CM I PC1max PC2max Pomax PCM CMmaxo 5PP CM(BR)CEOmaxo 4 1 IVP 或或 取其中的小值取其中的小值 功率電子線路剖析 1.3 乙類推挽功率放大電路乙類推挽功率放大電路 以上介紹了原理電路，若要構成實際電路還必須以上介紹了原理電路，若要構成實際電路還必須 解決一些有關

35、問題。解決一些有關問題。 1.3.1 乙類互補推挽功率放大電路乙類互補推挽功率放大電路 在構成乙類互補推挽功率放大器實際電路時，必在構成乙類互補推挽功率放大器實際電路時，必 須考慮偏置，功率配對和保護等問題。須考慮偏置，功率配對和保護等問題。 功率電子線路剖析 一、交越失真和偏置電路一、交越失真和偏置電路 1. 交越失真交越失真 (1) 定義定義 上節(jié)分析乙類上節(jié)分析乙類 推挽電路性能時，推挽電路性能時， 忽略了晶體管發(fā)射忽略了晶體管發(fā)射 結導通電壓的影響。結導通電壓的影響。 實際上，在零偏置情況下，考慮到導通電壓的影實際上，在零偏置情況下，考慮到導通電壓的影 響，輸出電壓波形在在銜接處出現(xiàn)嚴

36、重失真，稱交越響，輸出電壓波形在在銜接處出現(xiàn)嚴重失真，稱交越 失真。失真。 接成乙類推挽電路時，兩管的合成傳輸特性如圖接成乙類推挽電路時，兩管的合成傳輸特性如圖 所示。所示。 功率電子線路剖析 (2) 克服交越失真的基本途徑克服交越失真的基本途徑 在輸入端為兩管加合適的正偏電壓，使其工作在在輸入端為兩管加合適的正偏電壓，使其工作在 甲乙類。甲乙類。 由傳輸特性圖可見：只要由傳輸特性圖可見：只要 VBB 取值合適，上下兩路取值合適，上下兩路 傳輸特性起始段的彎曲部分就可相互補償，合成傳輸特傳輸特性起始段的彎曲部分就可相互補償，合成傳輸特 性趨近于直線，在輸入正弦電壓激勵下，得到不失真的性趨近于直

37、線，在輸入正弦電壓激勵下，得到不失真的 輸出電壓。輸出電壓。 功率電子線路剖析 (3) 常用電路常用電路 二極管偏置電路二極管偏置電路 vBE 倍增電路倍增電路 2. 二極管偏置電路二極管偏置電路 由于二極管的正向交流結電阻很小，可認為交流短由于二極管的正向交流結電阻很小，可認為交流短 路，因此偏置電路不影響輸入信號路，因此偏置電路不影響輸入信號 vi (t) 的傳輸。的傳輸。 集成電路中偏置二極管會由三極管取代，見圖集成電路中偏置二極管會由三極管取代，見圖 (b)、(c) 功率電子線路剖析 圖圖 (a) 中，中，D1，D2 由電流源由電流源 IR 激勵，產(chǎn)生正向電激勵，產(chǎn)生正向電 壓，即為所

38、需的偏置電壓壓，即為所需的偏置電壓 VBB。若。若 T1 和和 T2 的特性配對，的特性配對， 且其基極偏置電流很小，可忽略，則且其基極偏置電流很小，可忽略，則 )/(n2 2 SRTBB BB BEQ2BEQ1 IIVV V VV IS 為二極管為二極管 D1 和和 D2 的反向飽和電的反向飽和電 流，流，VT 為溫度電壓當量。為溫度電壓當量。 功率電子線路剖析 3. vBE 倍增電路倍增電路 (1) 電路電路 直流：由直流：由 T3、R1、R2 組成，組成， 且由電流源且由電流源 IR 激勵，為互補功率激勵，為互補功率 管管 T1、T2 提供偏置電壓提供偏置電壓 VBB。 交流：交流：T3

39、、R1 構成電壓并構成電壓并 聯(lián)負反饋電路，反饋電路的電阻聯(lián)負反饋電路，反饋電路的電阻 很小，幾乎不影響輸入信號的傳很小，幾乎不影響輸入信號的傳 輸。輸。 功率電子線路剖析 (2) 倍增原理倍增原理 由圖可見，若通過由圖可見，若通過 R1 的電流的電流 I1 遠小于遠小于 T3 管的集管的集 電極電流電極電流 IC3，且，且 T1 和和 T2 管的靜態(tài)基極電流又可忽管的靜態(tài)基極電流又可忽 略，則略，則 IC3 IR， VBE3 = VT ln(IE3 / IS) VT ln(IR / IS) 功率電子線路剖析 當當 IR 為定值時，為定值時，VBE3 也就唯也就唯 一確定了。若一確定了。若 T

40、3 管的管的 足夠大，足夠大， 基極電流基極電流 IB3 可忽略，則可忽略，則 VBE3 又又 是是 VBB 通過通過 R1 在在 R2 上的分壓值，上的分壓值， 即即 )1( 2 1 BE3BB 21 2 BBBE3 R R VV RR R VV 此式表明：偏置電路提供的偏置電壓此式表明：偏置電路提供的偏置電壓 VBB 是是 VBE3 的的 倍增值，且其值受倍增值，且其值受 R1 和和 R2 控制，故稱為控制，故稱為 VBE 倍增電路。倍增電路。 功率電子線路剖析 (3) 該電路具有溫度補償功能該電路具有溫度補償功能 溫度升高時，溫度升高時，VBE3 ，VBB , ,阻止了功率管阻止了功率管

41、 ICQ 的的 增加。是具有熱補償作用的高熱穩(wěn)定性偏置電路。增加。是具有熱補償作用的高熱穩(wěn)定性偏置電路。 功率電子線路剖析 二、單電源供電的互補推挽電路二、單電源供電的互補推挽電路(OTL) 1. 電路特點電路特點 (1) 單電源供電；單電源供電； (2) 負載串接大容量隔直電負載串接大容量隔直電 容容 CL。VCC 與兩管串接，若與兩管串接，若 兩管特性配對，則兩管特性配對，則 VO = VCC/2，CL 實際上等效為電實際上等效為電 壓等于壓等于 VCC/2 的直流電源。的直流電源。 功率電子線路剖析 2. 工作原理工作原理 T1 管的直流供電電壓：管的直流供電電壓：VCC VOVCC/2， T2 的供電電壓：的供電電壓： 0 VO VCC/2。 單電源供電電路等效為單電源供電電路等效為 VCC/2 和和 VCC/2 的雙電源供電電路。的雙電源供電電路。 功率電子線路剖析 三、準互補推挽電路三、準互補推挽電路 1. 問題的提出問題的提出 互補推挽電路要求兩只功率管互補推挽電路要求兩只功率管 特性配對，難以實現(xiàn)。特性配對，難以實現(xiàn)。 2. 解決辦法解決辦法 采用復合管取代互補管，構成準采用復合管取代互補管，構成準 互補推挽電路?；パa推挽電路。 3. 電路