功率電路及系統(tǒng)

第5章功率放大電路5—1功率放大器5—2整流器和直流穩(wěn)壓電源5—3功率器件5—4高精度基準(zhǔn)電壓源5—1功率放大器5—1—1功率放大器的特點(diǎn)及工作狀態(tài)分類一、特點(diǎn)(1)給負(fù)載提供足夠大的功率。(2)大信號(hào)工作。(3)分析方法以圖解法為主。(4)非線性失真矛盾突出。(5)提高效率成為重要的關(guān)注點(diǎn)。(6)功率器件的平安問題必須考慮。

二、工作狀態(tài)分類根據(jù)直流工作點(diǎn)的位置不同，放大器的工作狀態(tài)可分為A類(甲類)、B類(乙類)、C類(丙類)等，如圖5—1所示。圖(a)中，工作點(diǎn)Q較高(ICQ大)，信號(hào)在360°內(nèi)變化，管子均導(dǎo)通，稱之為A類工作狀態(tài)。圖(b)中，工作點(diǎn)Q選在截止點(diǎn)，管子只有半周導(dǎo)通，另外半周截止，稱之為B類工作狀態(tài)。而圖(c)中，工作點(diǎn)Q選在截止點(diǎn)下面，信號(hào)導(dǎo)通角小于180°，稱之為C類工作狀態(tài)。圖5—1放大器的工作狀態(tài)分類(a)A類(導(dǎo)通角為360°);(b)B類(導(dǎo)通角為180°);(c)C類(導(dǎo)通角＜180°)圖5—1放大器的工作狀態(tài)分類(a)A類(導(dǎo)通角為360°);(b)B類(導(dǎo)通角為180°);(c)C類(導(dǎo)通角＜180°)圖5—1放大器的工作狀態(tài)分類(a)A類(導(dǎo)通角為360°);(b)B類(導(dǎo)通角為180°);(c)C類(導(dǎo)通角＜180°)分析結(jié)果說明，A類工作時(shí)非線性失真雖小，但效率太低，且沒有收到信號(hào)時(shí)，電源仍供給功率(ICQ≠0)，這些功率將轉(zhuǎn)化為無用的管耗。B類工作時(shí)非線性失真雖大(波形只有半周)，但效率卻很高，只要我們?cè)陔娐方Y(jié)構(gòu)上加以彌補(bǔ)，非線性失真是可以減小的，所以，在功率放大器中大多采用B類工作。C類工作主要用于高頻功率放大器中，這里不予討論。5—1—2甲類(A類)功率放大器一、電路功率放大器的負(fù)載是各種各樣的。假設(shè)負(fù)載RL很小，那么負(fù)載線很陡，電流擺幅大，而電壓擺幅小，所得交流功率與電壓、電流振幅乘積有關(guān)，所以不可能使功率最大；反之，假設(shè)RL很大，那么電壓擺幅大，電流擺幅小，功率也不可能大。如圖5—2(a)所示。圖中，變壓器初級(jí)接到功率管集電極回路，次級(jí)接負(fù)載RL。假設(shè)變壓比為n，那么初級(jí)等效交流負(fù)載R′L為

式中，n=N1/N2。假設(shè)RL太小，那么要求R′L＞RL，n＞1，變壓器為降壓變壓器；反之，假設(shè)RL太大，而要求R′L＜RL,n＜1,那么采用升壓變壓器。RL和最正確R′L，即可確定變壓比n的值。圖5—2中RB為偏置電阻，其值決定了Q點(diǎn)的ICQ及IBQ。如果變壓器是理想的，那么直流工作點(diǎn)電壓UCEQ=UCC，直流負(fù)載線為一垂直線，而交流負(fù)載線通過Q點(diǎn)，其斜率為(-1/R′L)，如圖5—2(b)所示。(5—1)圖5—2甲類功放電路及交、直流負(fù)載線(a)電路；(b)交、直流負(fù)載線圖5—2甲類功放電路及交、直流負(fù)載線(a)電路；(b)交、直流負(fù)載線二、功率與效率的計(jì)算1.電源供出功率PE可見，PE是一個(gè)固定不變的值，與信號(hào)的有無或大小均無關(guān)。2.負(fù)載得到的交流功率PL設(shè)變壓器效率ηT=1,那么PL=PRL=PR′L，即(5—3)式中UC和IC分別為集電極交流電壓和電流的振幅，信號(hào)越大，UC、IC越大，輸出功率也將增大。在最正確負(fù)載和工作點(diǎn)的情況下，最大交流振幅為(5—4)3.管子功耗PC

當(dāng)信號(hào)為零時(shí)，PL=0，PCm=PE，電源功率全部變?yōu)楣芎模欢?dāng)信號(hào)增大時(shí)，局部電源直流功率轉(zhuǎn)換為有用的交流功率，管耗反而下降。此時(shí)，最大輸出功率PLm為(5—5)(5—6)

4.轉(zhuǎn)換能量的效率η(5—7)當(dāng)信號(hào)最強(qiáng)，UCm=UCC,ICm=ICQ時(shí)，效率到達(dá)最高：(5—8)可見，A類放大器無信號(hào)時(shí)，效率為零，而信號(hào)最強(qiáng)時(shí)最大效率也只有50%。這是A類放大器的致命弱點(diǎn)，也是晶體管功率放大器極少采用A類放大器的原因。

5—1—3互補(bǔ)跟隨乙類(B類)功率放大器

一、雙電源互補(bǔ)跟隨乙類功率放大器(OTL電路)1.電路此類功率放大器的電路如圖5—3所示，其電路形式和集成運(yùn)放的輸出級(jí)是相同的。其中二極管是為克服交越失真而設(shè)置的，ICO為前置級(jí)放大器有源集電極負(fù)載電流源。該電路由VD1、VD2和V1、V2構(gòu)成跨導(dǎo)線性環(huán)，是電流模電路。根據(jù)第八章的分析，當(dāng)負(fù)載電流ILICO時(shí)，輸出管V1、V2均工作在B類，它們輪流導(dǎo)，通以給負(fù)載提供電流。圖5—3互補(bǔ)跟隨乙類功率放大器(OTL電路)

2.功率與效率的計(jì)算在B類工作時(shí)，靜態(tài)工作點(diǎn)Q接近截止點(diǎn)，V1、V2都是半周導(dǎo)通，其電流iC1(或iC2)為半波正弦。畫出該電路的負(fù)載線和工作點(diǎn)位置如圖5—4所示。根據(jù)圖5—4的波形，我們可以計(jì)算該電路的功率和效率。圖5—4互補(bǔ)跟隨乙類功放負(fù)載線及工作點(diǎn)(a)單管負(fù)載線；(b)雙管負(fù)載線圖5—4互補(bǔ)跟隨乙類功放負(fù)載線及工作點(diǎn)(a)單管負(fù)載線；(b)雙管負(fù)載線1)輸出交流功率PL

V1、V2為半周工作，但負(fù)載電流卻是完整的正弦波。令，稱之為電壓利用系數(shù)，那么式(5---9)可改寫為(5—9)(5—10)信號(hào)越大，Uo增大，電壓利用率也增大。假設(shè)忽略集電極飽和電壓，那么最大ξ=1，故最大輸出功率PLm為(5—11)2)電源提供的功率當(dāng)信號(hào)為零時(shí)，工作點(diǎn)接近于截止點(diǎn)，ICQ=0，電源不提供功率；而隨著信號(hào)的增大，iC1增大，電源提供的功率也將隨之增大。這點(diǎn)與A類功放有本質(zhì)的差異。PE=UCC·(iC1的直流分量)+|UEE|·(iC2的直流分量)當(dāng)信號(hào)最大時(shí)，Uom≈UCC，所以電源輸出的最大功率為(5—13)(5—12)3)每管轉(zhuǎn)換能量的效率η(5—14)當(dāng)信號(hào)最大，ξ=1時(shí)，效率到達(dá)最高：可見，B類工作的效率遠(yuǎn)比A類的高。4)每個(gè)管子損耗PC可見，每個(gè)管子的損耗PC是輸出信號(hào)振幅的函數(shù)。將PC對(duì)Uo求導(dǎo)，可得出最大管耗PCm。令得出，當(dāng)時(shí)，每管的損耗最大：那么，我們可以得出一個(gè)重要結(jié)論，即PCm與最大輸出功率的關(guān)系為

(5—18)式(5—18)提供了選擇功率管功耗的依據(jù)。例如，負(fù)載要求的最大功率PLm=10W，那么只要選一個(gè)功耗PCm大于0.2PLm=2W的功率管就行了。3.選擇功率管為保證晶體功率管的平安和輸出功率的要求，電源及輸出功率管參數(shù)的選擇原那么如下：(1)PLm及RL，選UCC，那么(5—19)(2)PLm，選擇管子允許的最大功耗PCM。管子允許的最大功耗(5—20)

(3)管子的擊穿電壓U(BR)CEO。當(dāng)信號(hào)最大時(shí)，一管趨于飽和，而另一管趨于截止，截止管承受的最大反壓為UCC+|UEE|=2UCC，所以

(4)管子允許的最大電流ICM。(5—21)(5—22)二、單電源互補(bǔ)跟隨乙類功率放大器單電源互補(bǔ)跟隨乙類功率放大器電路如圖5—5所示。由圖可見，靜態(tài)時(shí)，a點(diǎn)電位，那么電容C的直流電位也為UCC/2，當(dāng)V1導(dǎo)通、V2截止時(shí)，V1給負(fù)載RL提供電流；而當(dāng)V1截止、V2導(dǎo)通時(shí)，電容C充當(dāng)V2的電源，只要C足夠大，在信號(hào)變化一周內(nèi)，電容電壓可以保持根本恒定UCC/2。負(fù)載得到的交流電壓振幅的最大值為

圖5-5單電源互補(bǔ)跟隨乙類功放電路故，該電路負(fù)載得到的最大交流功率PLm為為保證功率放大器良好的低頻響應(yīng)，電容C必須滿足(5—23)(5—24)式中fL為放大器所要求的下限頻率。有關(guān)放大器的其它指標(biāo)，請(qǐng)讀者自行分析。

三、復(fù)合管及準(zhǔn)互補(bǔ)乙類功率放大器(OCL電路)在功率放大器中，輸出功率大，輸出電流也大。如要求輸出功率PLm=10W，負(fù)載電阻為10Ω，那么，功率管的電流峰值ICm=1.414A。假設(shè)功率管的β=30，那么要求基極驅(qū)動(dòng)電流IBm=41.1mA。前級(jí)晶體管放大器或運(yùn)算放大器，假設(shè)輸不出這樣大的電流來驅(qū)動(dòng)后級(jí)功率管，那么需要引入復(fù)合管。復(fù)合管又稱達(dá)林頓電路。復(fù)合管的總β值為(5—25)等效β值的增大，意味著前級(jí)供給的電流可以減少。組成復(fù)合管的原那么有以下幾點(diǎn)：(1)電流流向要一致。(2)各極電壓必須保證所有管子工作在放大區(qū)，即保證e結(jié)正偏，c結(jié)反偏。(3)因?yàn)閺?fù)合管的基極電流iB等于第一個(gè)管子的iB1，所以復(fù)合管的性質(zhì)取決于第一個(gè)晶體管的性質(zhì)。假設(shè)第一個(gè)管子為PNP，那么復(fù)合管也為PNP,反之為NPN。正確的復(fù)合管連接方式有四種，如圖5—6所示。圖5—6復(fù)合管的組成(a)等效為NPN管；(b)等效為PNP管；(c)等效為PNP管；(d)等效為NPN管圖5—6復(fù)合管的組成(a)等效為NPN管；(b)等效為PNP管；(c)等效為PNP管；(d)等效為NPN管圖5—6復(fù)合管的組成(a)等效為NPN管；(b)等效為PNP管；(c)等效為PNP管；(d)等效為NPN管圖5—6復(fù)合管的組成(a)等效為NPN管；(b)等效為PNP管；(c)等效為PNP管；(d)等效為NPN管互補(bǔ)乙類功率放大器要求輸出管V1(NPN)和V2(PNP)性能對(duì)稱匹配。所以，用復(fù)合管構(gòu)成V1和V2管時(shí)，希望輸出管都用NPN管，因?yàn)镹PN管的性能一般比PNP管好。用復(fù)合管組成的互補(bǔ)跟隨乙類功放如圖5—7所示，其中NPN管采用圖5—6(a)電路，PNP管采用圖5—6(c)電路。這樣，承受大電流的管子均用大功率NPN管，此類電路稱之為準(zhǔn)互補(bǔ)乙類功率放大器，簡(jiǎn)稱OCL電路。圖中R1和R2是為了分流反向飽和電流而加的電阻，目的是提高功放的溫度穩(wěn)定性。圖5—7準(zhǔn)互補(bǔ)乙類功率放大器電路5—1—4集成功率放大器一、集成功率放大器1.SHM1150Ⅱ型雙極晶體管與MOS管混合的音頻集成功率放大器集成化是功率放大器的開展必然，目前集成功率放大器大都工作在音頻段。集成功率放大器的型號(hào)很多，在此僅舉例說明之。圖5—8(a)給出集成音頻功率放大器SHM1150Ⅱ型的內(nèi)部簡(jiǎn)化電路圖。這是一個(gè)由雙極型晶體管和VMOS組成的功率放大器，允許電源電壓為±12V~±50V，電路最大輸出功率可達(dá)150W，使用十分方便，其外部接線如圖5—8(b)所示。

圖5—8SHM1150Ⅱ型BiMOS集成功率放大器(a)內(nèi)部電路；(b)外部接線圖由圖5—8(a)可見，輸入級(jí)為帶恒流源的雙極型晶體管差分放大器(V1、V2)，雙端輸出。第二級(jí)為單端輸出的差分電路(由PNP管V4、V5組成)，恒流源I2為其有源負(fù)載電流。

2.橋式功率放大器由兩個(gè)功率放大器構(gòu)成的橋式功放可以增大輸出功率。如圖5—9所示.負(fù)載(揚(yáng)聲器)RL跨接在A1和A2的輸出端，故負(fù)載得到的交流輸出功率PL為

可見，橋式功放使輸出功率增大到單個(gè)功放的四倍。A1和A2的同相端都加2.5V的偏壓，以保證A1、A2正常工作。(5—26)圖5—9橋式集成功放LM4860及其外部電路

5—2整流器和直流穩(wěn)壓電源

流穩(wěn)壓電源是所有電子設(shè)備的重要組成局部，它的根本任務(wù)是將電力網(wǎng)交流電壓變換為電子設(shè)備所需要的穩(wěn)定的直流電源電壓。直流電源的一般組成如圖5—10所示。其中變壓器是將電網(wǎng)電壓(220V、50Hz)變換為所需的交流電壓；整流是將變壓器次級(jí)交流轉(zhuǎn)換為單向脈動(dòng)直流；濾波是將整流后的波紋濾除。圖5—10直流穩(wěn)壓電源的根本框圖

5—2—1整流濾波電路一、整流濾波電路利用二極管的單向?qū)щ娦阅芸蓪?shí)現(xiàn)整流。常用的整流電路有半波整流、全波整流、橋式整流和倍壓整流，如圖5—11所示。

圖5—11常用整流電路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)橋式整流；(d)倍壓整流

圖5—11常用整流電路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)橋式整流；(d)倍壓整流

圖5—11常用整流電路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)橋式整流；(d)倍壓整流

圖5—11常用整流電路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)橋式整流；(d)倍壓整流圖5—12常用濾波電路(a)電容濾波；(b)電感電容Γ型濾波；(c)電阻電容Π型濾波

二、整流濾波電路的工作原理及主要性能1.工作原理

如圖5—13所示，全波整流的變壓器有中心抽頭，且要求次級(jí)兩繞組十分對(duì)稱，整流管V1、V2接于變壓器次級(jí)兩端和負(fù)載之間，采用簡(jiǎn)單電容濾波。設(shè)濾波電容電壓初始值uC(0)=0,當(dāng)u″i為正半周時(shí)，V1導(dǎo)通，V２截止，u′i給C充電。由于二極管內(nèi)阻較小，充電時(shí)常數(shù)較小，uC上升快。當(dāng)uC上升到等于u′i(t1)時(shí)，V1、V2均截止，電容C通過負(fù)載RL放電，uo下降。圖5—13全波整流電路及電壓電流波形(a)電路；(b)管子流過的電流及輸入輸出電壓波形圖5—13全波整流電路及電壓電流波形(a)電路；(b)管子流過的電流及輸入輸出電壓波形圖5—13全波整流電路及電壓電流波形(c)計(jì)算機(jī)仿真波形(為看清輸出波紋，成心將濾波電容值取得很小，實(shí)際上要加幾百~幾千μF)2.主要性能1)輸出直流電壓Uo不接濾波電容(C=0)時(shí):

當(dāng)接入濾波電容(C≠0)，且負(fù)載RL=∞時(shí)，輸出電壓可充電至輸入電壓峰值：一般情況下(RL≠∞,C≠0)，Uo的估算值為(5—27)(5—28)(5—29)式中U′i為變壓器次級(jí)單邊交流電壓有效值，U′im為交流振幅。根據(jù)式(5—28)，可以由Uo算出U′i，從而算出變壓比2)濾波電容估算值濾波電容的選擇要滿足下式，即此時(shí)，波紋電壓峰峰值Urpp約為(5—30)(5—31)式中：T為交流電網(wǎng)信號(hào)周期；IL為負(fù)載電流。3)整流管的選擇(1)整流管最大允許電流(2)整流管反向擊穿電壓UBR＞2U′im。半波整流只有一個(gè)整流管，所以IM＞IL，且波紋大，所以一般用得不多。圖5—14用“硅橋〞實(shí)現(xiàn)正、負(fù)兩路直流輸出的全波整流電路5—2—2串聯(lián)反響型線性穩(wěn)壓電源的工作原理一、電路常用穩(wěn)壓電路有串聯(lián)反響型穩(wěn)壓電路和開關(guān)型穩(wěn)壓電路。首先，我們介紹最常用的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源。串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的框圖如圖5—15所示。圖中“調(diào)整環(huán)節(jié)〞就是一個(gè)射極輸出器。取樣環(huán)節(jié)是將輸出電壓的變化樣品取來，加到一個(gè)誤差比較放大器的反相輸入端，與同相輸入端的基準(zhǔn)電壓相比較。圖5—15串聯(lián)型穩(wěn)壓電源框圖

二、主要參數(shù)1.主要指標(biāo)1)穩(wěn)壓系數(shù)SS表示輸出電壓相對(duì)變化量與輸入電壓相對(duì)變化量之比，即(5—32)2)輸出電阻Ro

Ro表示負(fù)載變化(IL變化)對(duì)輸出電壓的影響，即(5—33)一般穩(wěn)壓器的Ro為mΩ數(shù)量級(jí)。3)溫度系數(shù)STST表示溫度變化對(duì)輸出電壓的影響，其表達(dá)式為(5—34)2.調(diào)整管參數(shù)(1)調(diào)整管最大允許電流ICM必須大于負(fù)載最大電流ILM。(2)調(diào)整管最大允許功耗PCM必須大于調(diào)整管的實(shí)際最大功耗。當(dāng)輸入電壓最大，而輸出電壓最小、負(fù)載電流最大時(shí)，調(diào)整管的實(shí)際功耗是最大的。(3)調(diào)整管必須工作在線性放大區(qū)，其管壓降一般不能小于3~4V。(4)如果單管基極電流不夠，那么采用復(fù)合管；假設(shè)單管輸出電流不能滿足負(fù)載電流的需要，那么可使用多管并聯(lián)。(5)電路必須具有過熱保護(hù)、過流保護(hù)等措施，以免調(diào)整管損壞。3.電路輸出電壓調(diào)節(jié)(1)大波段調(diào)節(jié)依靠改變整流器變壓器抽頭。(2)波段內(nèi)調(diào)節(jié)靠電位器RW，如圖5—15所示。對(duì)于誤差比較放大器，有(5—35)調(diào)節(jié)R1和R2的比例，即可調(diào)節(jié)輸出電壓值。

三、集成三端穩(wěn)壓器集成三端穩(wěn)壓器是集成串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，用途十分廣泛，而且非常方便。集成三端穩(wěn)壓器有78××系列(輸出正電壓)和79××系列(輸出負(fù)電壓)，后面兩位數(shù)表示輸出電壓值，如7812，即表示輸出直流電壓為+12V。圖中，C1可以防止由于輸入引線較長(zhǎng)而帶來的電感效應(yīng)而產(chǎn)生的自激。C2用來減小由于負(fù)載電流瞬時(shí)變化而引起的高頻干擾。C3為容量較大的電解電容，用來進(jìn)一步減小輸出脈動(dòng)和低頻干擾。圖5—16三端集成穩(wěn)壓電源的典型接法(a)78××系列典型接法；(b)79××系列典型接法；(c)三端穩(wěn)壓器外形圖圖5—16三端集成穩(wěn)壓電源的典型接法(a)78××系列典型接法；(b)79××系列典型接法；(c)三端穩(wěn)壓器外形圖三端穩(wěn)壓電源的功能可以擴(kuò)展。圖5—17給出幾個(gè)功能擴(kuò)展電路。圖5—17(a)是一個(gè)擴(kuò)流電路。圖中V為擴(kuò)流晶體管，輸出總電流Io=I′o+IC。圖5—17(b)電路是一個(gè)擴(kuò)大輸出電壓的電路，該電路輸出電壓。式中，IQ為穩(wěn)壓器靜態(tài)工作電流，通常比較?。籙R1是穩(wěn)壓器輸出電壓U′o。所以(5—36)圖5—17(c)電路是一個(gè)輸出電壓可調(diào)電路。只不過在三端穩(wěn)壓器和可調(diào)電位器之間加了隔離運(yùn)放電路。所以，輸出電壓表達(dá)式同式(5—36)。調(diào)節(jié)RW的中心抽頭位置即可調(diào)節(jié)輸出電壓Uo值。圖5—17三端穩(wěn)壓器功能的擴(kuò)展(a)擴(kuò)流電路；(b)擴(kuò)壓電路；(c)輸出電壓可調(diào)電路圖5—17三端穩(wěn)壓器功能的擴(kuò)展(a)擴(kuò)流電路；(b)擴(kuò)壓電路；(c)輸出電壓可調(diào)電路圖5—17三端穩(wěn)壓器功能的擴(kuò)展(a)擴(kuò)流電路；(b)擴(kuò)壓電路；(c)輸出電壓可調(diào)電路5—2—3開關(guān)型穩(wěn)壓電源串聯(lián)型反響式穩(wěn)壓電源用途廣泛，但存在以下兩個(gè)問題：(1)調(diào)整管總工作在線性放大狀態(tài)，管壓降大，流過的電流也大(大于負(fù)載電流)，所以功耗很大，效率較低(一般為40%~60%)，且需要龐大的散熱裝置。(2)電源變壓器的工作頻率為50Hz，頻率低而使得變壓器體積大、重量重。開關(guān)穩(wěn)壓電源正是基于上述改革思路而創(chuàng)造的新型穩(wěn)壓電源。目前，開關(guān)穩(wěn)壓電源已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電視機(jī)及其它電子設(shè)備中。開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路形式很多，我們僅以下面的例子對(duì)其工作原理加以簡(jiǎn)要說明。開關(guān)穩(wěn)壓電源的一般框圖如圖5—18所示。圖5—18開關(guān)穩(wěn)壓電源框圖

電網(wǎng)電壓不穩(wěn)使輸出直流電壓Uo增大，經(jīng)光耦合器隔離，誤差放大器反相輸入端電壓增大，其輸出減小。該電壓(UC+)與UC-的三角波比較結(jié)果，會(huì)使其輸出電壓(UG)的占空比減小，如圖5—19虛線所示，從而使VMOS導(dǎo)通時(shí)間減小，截止時(shí)間增加。經(jīng)二次整流后取出方波的平均值(Uo)將隨之減小。這就是開關(guān)電源穩(wěn)壓的原理。圖5—20給出一個(gè)實(shí)際的開關(guān)穩(wěn)壓電源的電原理圖。圖5—19脈寬調(diào)制器的各點(diǎn)波形

圖5—20一個(gè)實(shí)際的開關(guān)穩(wěn)壓電源電路圖5—20中，VMOS源極電阻R9為過流采樣電阻。當(dāng)過流時(shí)，UR9增大，經(jīng)R10送至UC3842的3端，以實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)的目的。C8、VD3、R11、R12、VD2和C9構(gòu)成兩級(jí)吸收回路，用以吸收尖峰干擾。VD1~VD3采用快恢復(fù)的二極管FR305。VD4為輸出整流管，采用D80-004型肖特基二極管，以滿足高頻、大電流整流的需要。該電路采用自饋繞組反響，而不是像圖5—18所示的從輸出電壓經(jīng)光耦合反響，一般用于固定負(fù)載的情況。

圖5—21脈寬調(diào)制器UC3842框圖5—3功率器件5—3—1雙極型大功率晶體管(BJT)在低頻功率放大器和串聯(lián)型穩(wěn)壓電源中，我們都曾提到，功率管的最大工作電流必須小于該功率管的最大允許電流ICM；最大工作反壓必須小于允許的擊穿電壓U(BR)CEO；功率管的功耗要小于允許的最大功耗PCM。這里有兩個(gè)問題還需加以說明：一是散熱與最大功耗的關(guān)系，二是有關(guān)二次擊穿和平安工作區(qū)。一、散熱與最大功耗PCM的關(guān)系我們知道，電源供給的功率，一局部轉(zhuǎn)換為負(fù)載的有用功率，另一局部那么消耗在功率管的集電結(jié)，變?yōu)闊崮芏构苄镜慕Y(jié)溫上升。如果晶體管管芯的溫度超過管芯材料的最大允許結(jié)溫TjM(鍺管TjM約為75℃~100℃,硅管TjM約為150℃~200℃)，那么晶體管將永久損壞。我們把這個(gè)界限稱為晶體管的最大允許功耗PCM。描述熱傳導(dǎo)阻力大小的物理量稱為熱阻RT。RT的量綱為℃/W，它表示每消耗1W功率結(jié)溫上升的度數(shù)。為減小散熱阻力，改善散熱條件，通常采用加散熱器的方法。圖5—22(a)給出一種鋁型材散熱器的示意圖。加散熱器后，熱傳導(dǎo)阻力等效通路如圖5—22(b)所示。圖中：

RTj——內(nèi)熱阻，表示管芯到管殼的熱阻；

RTfo——管殼到空間的熱交換阻力；

RTc——管殼到散熱器之間的接觸熱阻，與管殼和散熱器之間的接觸狀況有關(guān)；

RTf——散熱器到空間的熱交換阻力，與散熱器的形狀、材料以及面積有關(guān)。圖5—22散熱器和熱傳導(dǎo)阻力等效通路(a)鋁型材散熱器示意圖；(b)熱傳導(dǎo)阻力等效通路(熱阻計(jì)算)由圖5—22可見，不加散熱器時(shí)，總熱阻RTo為

由于管殼散熱面積很小，RTfo是很大的。加散熱器后，由于(RTc+RTf)≤RTfo，所以，總熱阻RT為顯然，RT<<RTo。功率管的最大允許功耗PCM與總熱阻RT、最高允許結(jié)溫TjM和環(huán)境溫度To有關(guān)，其關(guān)系式為(5—37)(5—38)(5—39)二、二次擊穿現(xiàn)象與平安工作區(qū)功率管在實(shí)際應(yīng)用中，常發(fā)現(xiàn)功耗并未超額，管子也不發(fā)燙，但卻突然失效。這種損壞不少是由于“二次擊穿〞所致。所謂二次擊穿現(xiàn)象可由圖5—23(a)來說明。當(dāng)集電極電壓uCE增大時(shí)，首先可能出現(xiàn)一次擊穿(圖中AB段)。這種擊穿是正常的雪崩擊穿。二次擊穿的起點(diǎn)與iB大小有關(guān)。通常將其起、始點(diǎn)連線稱為二次擊穿臨界線，如圖5—23(b)所示。圖5—23功率管的二次擊穿現(xiàn)象(a)二次擊穿現(xiàn)象；(b)二次擊穿臨界線為保證功率管平安可靠地工作，除保證電流小于ICM、功耗小于PCM、工作反壓小于一次擊穿電壓U(BR)CEO外，還應(yīng)防止進(jìn)入二次擊穿區(qū)。所以，功率管的平安工作區(qū)如圖5—24所示。圖5—24雙極型功率管的平安工作區(qū)

5—3—2功率MOS器件有許多適合大功率運(yùn)行的MOS器件，其中突出的代表是VMOS管和雙擴(kuò)散MOS管。VMOS管的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖5—25所示。圖5—25VMOS管的結(jié)構(gòu)剖面圖與BJT管比較，VMOS具有許多優(yōu)點(diǎn)：(1)輸入阻抗大，所需驅(qū)動(dòng)電流小，功率增益高。(2)溫度穩(wěn)定性好，漏極電阻為正溫度系數(shù)，當(dāng)器件溫度上升時(shí)，電流受到限制，不可能產(chǎn)生熱擊穿，也不可能產(chǎn)生二次擊穿。(3)沒有BJT管的少子存貯問題，加之極間電容小，所以開關(guān)速度快，適合高頻工作(工作頻率達(dá)幾百kHz甚至于幾MHz)。在VMOS根底上加以改進(jìn)，目前又出現(xiàn)了雙擴(kuò)散MOS管(簡(jiǎn)稱DMOS)。此類管子在承受高電壓、大電流，速度快等性能方面又有不少提高。

5—3—3絕緣柵—雙極型功率管(IGBT)及功率模塊

一、IGBT的等效電路及符號(hào)IGBT的等效電路和符號(hào)如圖5—26所示。它綜合了MOS管輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)電流小和雙極型管導(dǎo)通電阻小、高電壓、大電流的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)MOS管柵壓大于開啟電壓后，出現(xiàn)漏極電流。該電流就是雙極型晶體管的基極電流，從而使BJT管導(dǎo)通，且趨向飽和(管壓降很低，電位很大)。當(dāng)MOS管柵壓減小使溝道消失時(shí)，ID=0，IB=0,管子截止。IGBT具有許多優(yōu)點(diǎn)，但工作頻率不太高，一般小于50kHz左右。圖5—26絕緣柵—雙極型功率管(IGBT)(a)等效電路；(b)符號(hào)

二、功率模塊功率模塊有許多，有達(dá)林頓電路模塊、各種MOS管或BiFET組件等。圖5—27(a)給出一種高速大功率CMOS器件(TC4420/29系列)，其脈沖峰值電流高達(dá)6A，開關(guān)速度高達(dá)25ns，使用十分方便，而且能帶動(dòng)大電容負(fù)載(CL≥1000pF)。圖5—27(b)是由兩塊TC4420組成的橋式電路，驅(qū)動(dòng)電機(jī)或陀螺正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)。圖5—27高速大功率CMOS器件(a)內(nèi)部電路；(b)由TC4420組成的橋式功率電路目前，還出現(xiàn)了許多高速大功率運(yùn)算放大器(PowerOperationalAmplifiers)，如OPA2544、3583等。OPA2544的最大輸出電流為2A，電源電壓范圍±10V~±35V，壓擺率為8V/μs，其封裝和引腳圖如圖5—28所示。而OPA3583的電源電壓高達(dá)±70V~±150V，輸出電流為75mA，壓擺率達(dá)30V/μs。OPA2544和OPA3583的輸入級(jí)為場(chǎng)效應(yīng)管，輸出級(jí)為互補(bǔ)跟隨器。圖5—28功