電子線路非線性課件-第章功率

第

1

章

功率電子線路功率電子線路概述甲類功率放大器乙類功率放大器整流與穩(wěn)壓電路2第

1

章

功率電子線路1.1

功率電子線路概述功率放大器電源變換電路功率器件31.1

功率電子線路概述作用：高效率地實現(xiàn)能量變換和控制。種類：功率放大電路特點：功率放大用途：通信、音像等電子設(shè)備電源變換電路特點：對電源能量（50HzAC電能和DC電能）進(jìn)行變換用途：電源設(shè)備、電力系統(tǒng)、工業(yè)控制等1.1.1

功率放大器特點：工作在大信號狀態(tài)。率放大器的性能要求1．安全。輸出功率大，管子在接近極限條件下運用。保證管子不超過安全極限參數(shù)：PCmax

PCMCEmax(BR)CEOiCmax

ICMv

VPC

max

:實際消耗在集電極上的最大平均功率vCE

max:實際加在C、E之間的最大瞬時電壓iC

max

:實際流過在C極的最大瞬時電流42．高效率。C

——集電極效率(Collector

Efficiency)D

o

C5P

PoCP

P

Po

η

Po

——輸出信號功率；PD

——電源提供的功率；PC

——管耗(Power

Dissipation)/集電極耗散功率；Po

一定，C

越高，PD

越小

PC

小，既可選PCM小的管子，以降低費用，也節(jié)省能源。3．非線性失真小。6盡管功率增益也是重要的性能指標(biāo)，但安全、高效和小失真更重要，前者可增加前置級彌補。二、功率放大器的分類1．按匹配網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)不同(負(fù)載是否具有選頻作用)分：非諧振式功放：如：變壓器耦合；RC耦合（OTL）；直接耦合（OCL，BTL）諧振式功放：匹配網(wǎng)絡(luò)是諧振網(wǎng)絡(luò)。2．按工作頻率不同分：低頻功放：非諧振式，如：音頻功放。高頻功放：諧振式，如：廣播發(fā)射機。寬帶功放：工作在高頻，非諧振式，如電視發(fā)射機。73．按功率管的運用狀態(tài)根據(jù)功率管在一個信號周期內(nèi)導(dǎo)通時間的不同，功放運用狀態(tài)可分為甲（A）類、乙（B）類、甲乙（AB）類、丙類等多種。甲類：功率管在一個周期內(nèi)導(dǎo)通，c

=2。乙類：功率管僅在半個周期內(nèi)導(dǎo)通，c

=

。甲乙類：管子在大于半個周期小于一個周期內(nèi)導(dǎo)通

c

2

。丙類：功率管小于半個周期內(nèi)導(dǎo)通，c

。丁類：功率管工作在開關(guān)狀態(tài)（飽和

截止）。功率管運用狀態(tài)通?？窟x擇靜態(tài)工作點來實現(xiàn)。8根據(jù)下列曲線說出功率管的應(yīng)用狀態(tài)：4．不同運用狀態(tài)下的

C管子的運用狀態(tài)不同，相應(yīng)的Cmax

也不同。o

CPocP

Pη

C

C減小

P

可提高

。假設(shè)集電極瞬時電流和電壓分別為iC

和vCE，則PC

為20iCvCEdtC2P

1：若減少PC，則要減少iC

vCE法1：由甲類

甲乙類

乙類

丙類，即減小管子在信號周期內(nèi)的導(dǎo)通(增大iC

=0)的時間。法2：管子運用于開關(guān)狀態(tài)(又稱丁類)，即一周期內(nèi)半飽和半截止。飽和時，vCE

vCE

(sat)

很小

PC

很??；截止時，iC

很小，iC

vCE

也很小

PC

很小?？傊簽樘岣逤，管應(yīng)用狀態(tài)可取乙、丙、或丁類。但集電極電流波形失真嚴(yán)重，電路需采取特定措施。9101.1.2

電源變換電路按變換方式不同：整流器(Rectifier)：交流電—直流電。應(yīng)用：電子設(shè)備供電。直流-直流變換器(DC-DC

Converter)：直流電—直流電。應(yīng)用：開關(guān)電源。逆變器(Inverter)：直流電—交流電。應(yīng)用：不間斷電源、變頻電源。交流－交流變換器(AC-AC

Converter)：交流電—交流電。應(yīng)用：變壓等。1.1.3

功率器件功率管的種類：(1)雙極型功率晶體管*(2)功率MOS

管*(3)絕緣柵雙極型功率管（）功率管是功率放大電路的關(guān)鍵器件，為保證

，區(qū)。需了解其極限參數(shù)及以雙極型功率管為例，(1)最大允許管耗PCM受如下極限參數(shù)限制：與散熱條件密切相關(guān)?；鶚O開路集-射反向擊穿電壓V(BR)CEO集電極最大允許電流ICM以上參數(shù)與功率管的結(jié)構(gòu)，工藝參數(shù)，封裝形式有關(guān)。1112率管散熱和相應(yīng)的

PCM管耗PC

主要消耗在集電結(jié)上，使結(jié)溫升高。若集電極的散熱條件良好，集電結(jié)上的熱量很容易散發(fā)到周圍空氣中去，則集電結(jié)就會在某一較低溫度上達(dá)到熱平衡，此時集電結(jié)上產(chǎn)生的熱量等于散發(fā)到空氣中的熱量。反之，散熱條件不好，集電結(jié)就會在更高的溫度上達(dá)到熱平衡，甚至產(chǎn)生熱崩而燒壞管子。熱崩(Thermal

runaway)：集電結(jié)結(jié)溫(Tj)

iC

PC

Tj

如此反復(fù)，直至Tj

TjM(集電結(jié)最高允許溫度)而導(dǎo)致管子被燒壞的一種惡性循環(huán)現(xiàn)象。提高PCM

的辦法：13(a)、(b)功率管底座上加裝散熱器(c)相應(yīng)的熱等效電路(1)管子集電極直接固定在金屬底座上。(2)金屬底座與管殼相連。(3)金屬底座還加裝金屬散熱器。14各種散熱片15各種功率三極管16熱傳導(dǎo)過程T2

T1

Rth

PthCM

TaT2

熱源溫度，T1

空氣溫度，P

傳輸?shù)臒峁β蔙th

熱阻 單位℃/W當(dāng)熱源產(chǎn)生熱量時，熱源溫度T2

上升，向外部傳輸熱量，若產(chǎn)生的熱量和傳輸?shù)臒崃肯嗟?，達(dá)到熱平衡。

T2

不再變化。晶體管的熱量傳遞三極管手冊中給出的

PCM

是在指定散熱器尺寸和環(huán)境溫度(Ta

=25℃)R

TjM時給出的數(shù)據(jù)。P二、二次擊穿除PCM、ICM

和V(BR)CEO

滿足條件外，要保證功率管，還要求不發(fā)生二次擊穿。二次擊穿(Secondary

Breakdown)：當(dāng)集-射反向電壓超過V(BR)CEO，會引起擊穿，但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V(BR)CEO

后，管子可恢復(fù)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，集電極電流迅速增大的現(xiàn)象，即為二次擊穿。：過熱點的晶體熔化，集－射間形成低阻通道，引起vCE下降，iC

劇增，損壞功率管，且不可逆。發(fā)生條件：它在高壓低電流時發(fā)生，相應(yīng)的功率稱為二次擊穿耐量

PSB。

17計及二次擊穿時功率管的區(qū)功率管的區(qū)1819第

1

章

功率電子線路1.2

甲類功率放大器從一個例子講起變壓器耦合甲類功放分析1.2.1

從一個例子講起（定性）圖示為放大器的基本電路，現(xiàn)將其作為功率放大器來分析它的功率性能。由此揭示功率放大電路組成及其工作性能上的特點。功率放大器為大信號放大器，工程分析時，多采用特性曲線上作負(fù)載線的圖解分析法。20功率放大器為大信號放大器，工程分析時，多采用特性曲線上作負(fù)載線的圖解分析法。1．Q

點的選擇：為了使電路在管子不出現(xiàn)飽和與截止失真的條件下輸出功率最大，需把Q

選在交流負(fù)載線的中點。即LLCQCEQ22RR

VCC

VCC

VCEQV

VCC

，IVCE(sat)

0212．集電級輸出電壓和電流(假設(shè)VCE(sat)和ICEO

為0)iC

ICQ

ic

ICQ

IcmsintvCE

VCEQ

vce

VCEQ

Vcmsint其中，CQ22LLcmCEQcm2

VCC

,

IR

V

CEQR

VcmIV

V23CC

CQCC

C0DP2

13．PD

(直流功率)、PL

(負(fù)載功率)、PC

(管耗)2V

i

dt

V

Icm

cmCEQ

CQC

L202L2I

1

V

Ii

2

R

dt

V2P

1cm

cmCE

C

CEQ

CQ0C2I

1

V

Iv

i

dt

V2P

1。例如：PL

和PC

均由直流和交流兩部分PL中：直流功率CCCEQVCEQ

ICQ2

1

V

)2

PD

，

(V交流功率

PDocm

cm

omax2P

1

V

I

,

P2

VCEQ

ICQ4maxDηP

Pomax

25%4．

：電路組成上甲類功放Cmax

=25%PD

中，輸出的信號功率Po

最多僅占1/4，PD/2

消耗在RL的直流功率上（無用），其余消耗在管子中。提高Cmax

的辦法：①消除

RL

上的直流功率——改進(jìn)管外電路，使之不消耗直流功率。②

降低

Q

——

合理選擇管子的運用狀態(tài)(乙類或甲乙類)減小管子的靜態(tài)損耗。工作特性上VCC

一定、且

Q

在負(fù)載線中點時，欲提高輸出信號功率，需增大Icm(即減小RL)，但必須同時增大激勵電流ib。24RL

變化對功率性能的影響255．結(jié)論在電路組成上，須采用避免管外電路無謂消耗直流功率的結(jié)構(gòu)。在工作特性上，輸出負(fù)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，三者必須有一個最佳配置。1.2.2

變壓器耦合甲類功放分析一、電路形式輸入端RB

——偏置電阻；CB

——旁路電容；Tr1

——耦合變壓器。輸出端Tr2——

耦合變壓器，對交流Tr2

起阻抗變換作用。二、電路分析(靜態(tài)分析、動態(tài)分析、功率性能、管安全)261.靜態(tài)分析①畫直流通路②畫直流負(fù)載線直流負(fù)載線方程：VCE

=

VCC直流負(fù)載線：EF③求Q

點iB

=

IBQiC

=ICQvCE

=

VCEQ

=

VCC272.動態(tài)分析①畫交流通路②畫交流負(fù)載線交流負(fù)載線方程：vce

ic

RL2WR

n2

R

，

n

W1L

L過Q

點作交流負(fù)載線

MN，

斜率

1RL③求動態(tài)范圍甲類變壓器耦合功放圖解分析28293.功率性能當(dāng)Q

處在負(fù)載線中點時（稱最佳負(fù)載：RL’=VCC/ICQ），且設(shè)

VCE(sat)

=

0，ICEO

=

0（稱理想狀態(tài)），當(dāng)輸入充分激勵（最遠(yuǎn)瞬時點剛好到達(dá)橫軸和縱軸時），則iC

ICQ

Icmsint，vCE

VCEQ

Vcmsint其中：Vcm

VCEQ

VCC；Icm

ICQ

Vcm

/

RL

VCC

/

RL比較：基本放大器電路，Vcm

=VCC/2；變壓器耦合電路，Vcm

=VCC，若呈現(xiàn)在集電極上的負(fù)載相等，則輸出信號功率增大4

倍。30功率參數(shù)計算：

Vcm

Icm

/

2，Pomax①PD②Po③PC

VCC

ICQ

VCEQ

ICQ

/

2

PD

/

2

PD

Po

VCC

ICQVcm

Icm

/

2cmax

D

Pomax

/P

50%④η采用變壓器耦合，在最佳負(fù)載、理想狀態(tài)且充分激勵條件下，Cmax

將由0.25

增大到0.5，即PD

的一半轉(zhuǎn)換為

Po。（與Q有關(guān)，與Icm,vcm,Po無關(guān)。）314.安全考慮（1）電路已知（VCC、