1 / 61

第 1 章 功率电子线路

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. 1.1 功率电子线路概述. 作用： 高效地实现能量变换和控制。. 种类：. 根据应用领域和处理对象不同. 放大器的一类。用于通信、音像等电子设备。. (1) 功率放大电路：. 对电源能量进行特定变换。用于电源设备、电子系统、工业控制。. (2) 电源变换电路：. 1.1.1 功率放大器. 与其它放大器相比. 均在输入信号作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率。. 相同点：. 不同点：.

zubeda
Download Presentation

第 1 章 功率电子线路

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 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

  2. 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： 根据应用领域和处理对象不同 放大器的一类。用于通信、音像等电子设备。 (1) 功率放大电路： 对电源能量进行特定变换。用于电源设备、电子系统、工业控制。 (2) 电源变换电路：

  3. 1.1.1 功率放大器 与其它放大器相比 均在输入信号作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率。 相同点： 不同点： 性能要求和运用特性不同。 一、功率放大器的性能要求 1. 安全。 输出功率大，管子大信号极限条件下运用。 2. 高效率。

  4. 用ηc 集电极效率 (Collector Efficiency)衡量转换效率： 式中： Po ——输出信号功率 (Output Signal Power)； PD——电源提供的功率； PC ——管耗(Power Dissipation) →可选 PCM 小的管子，以降低费用。 Po一定，ηc 高→PD小→PC小

  5. 输出功率越大，相应的动态电压电流越大，器件特性非线性引起的非线性失真也越大。除采用反馈技术外，还必须限制输出功率。输出功率越大，相应的动态电压电流越大，器件特性非线性引起的非线性失真也越大。除采用反馈技术外，还必须限制输出功率。 3.失真小。 作为放大器，功率增益是重要的性能指标，但与上述三个要求相比，安全、高效和小失真是第一位的。功率增益可用增加前置级的级数或提高相应的增益来弥补。 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。

  6. 功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。 甲类：功率管在一个周期内导通(如小信号放大)。 乙类：功率管仅在半个周期内导通。 甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通。 丙类：功率管小于半个周期内导通。

  7. 2. 不同运用状态下的ηC 管子的运用状态不同，相应的ηCmax也不同。 减小 PC 可提高ηC。 假设集电极瞬时电流和电压分别为 iC和vCE，则 PC为

  8. 讨论：若减少 PC，则要减少 iC × vCE 途径 1：由甲类→甲乙类→乙类→丙类，减小管子在信号周期内的导通时间，即增大 iC ＝ 0的时间。 途径 2：使管子运用在开关状态 (又称丁类)；管子在半个周期内饱和导通，另半个周期内截止。饱和导通时，vCE ≈ vCE (sat)很小，因此导通的半个周期内，瞬时管耗 iC × vCE处在很小的值上。截止时，不论 vCE为何值，iC趋于0，iC × vCE也处在零值附近。结果 PC很小，ηC显著增大。

  9. 总结：为提高集电极效率，管子的运用状态从甲类向乙类、丙类或开关工作的丁类转变。但随着效率的提高，集电极电流波形失真严重，为实现不失真放大，在电路中需采取特定措施。总结：为提高集电极效率，管子的运用状态从甲类向乙类、丙类或开关工作的丁类转变。但随着效率的提高，集电极电流波形失真严重，为实现不失真放大，在电路中需采取特定措施。 1.1.2 电源变换电路 1.1.3 功率器件 功率管是功率放大电路的关键器件，如何选择功率管的运用状态，并保证它们安全工作是需要共同解决的问题。为此，必须首先了解功率器件的极限参数及安全工作区。

  10. 双极型功率晶体管的安全工作受到三个极限参数的限制：双极型功率晶体管的安全工作受到三个极限参数的限制： (1)集电极最大允许管耗 PCM。还与散热条件密切相关 (2)集电极击穿电压 V(BR)CEO (3)集电极最大允许电流 ICM 以上与功率管的结构，工艺参数，封装形式有关。 一、功率管散热和相应的 PCM 耗散在功率管中的功率 PC主要消耗在集电结上，造成集电结发热，结温升高。

  11. 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。 集电结结温(Tj)升高 → 集电极电流(iC)增大 → PC 增大 → Tj 随之升高 → iC增大 → PC增大 → Tj 升高，如此反复，直至 Tj超过集电结最高允许温度 TjM，导致管子被烧坏的一种恶性循环现象。 热崩 (Thermal runaway)：

  12. 实践中，为了利于集电结的散热，以提高 PCM，双极型功率管都采用集电极直接固定在金属底座上， 金属底座又与管壳相连的结构。此外，金属底座还加装金属散热器(如图) (a) (b) 功率管底座上加装散热器 (c) 相应的热等效电路

  13. 散热器：翼状结构，以增大散热面积。面积越大，厚度越厚，材料的导热率越高，散热效果越好。 二、二次击穿 要保证功率管安全工作，除满足由 PCM、ICM和V(BR)CEO 所规定的安全工作条件外，还要求不发生二次击穿。 二次击穿 (Secondary Breakdown)：当集电极电压超过 V(BR)CEO，会引起击穿，只要外电路限制击穿后的电流，管子就不会损坏，待集电极电压小于V(BR)CEO后，管子恢复正常工作。如上述击穿后，电流不加限制，就会出现集电极电压迅速减小，集电极电流迅速增大的现象，即为二次击穿。

  14. 二次击穿的后果：导致过热点的晶体熔化，要引起vCE下降，iC剧增，功率管尚未发烫就已损坏。是不可逆，破坏性的。二次击穿的后果：导致过热点的晶体熔化，要引起vCE下降，iC剧增，功率管尚未发烫就已损坏。是不可逆，破坏性的。 发生条件：它在高压低电流时发生，相应的功率称为二次击穿耐量 PSB。 功率放大电路使用双极型功率晶体管外，还使用功率 MOS 管，绝缘栅双极型功率管。

  15. 1.2功率放大器的电路组成和工作特性 在放大原理上，功率放大器与其它放大器一样，都是能量转换器，但是，由于要求不同，因而在电路组成和运用特性上，功率放大器却有不同的特点。 1.2.1从一个例子讲起 图 (a)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。由此提示功率放大电路组成及其工作性能上的特点。

  16. 功率放大器为大信号放大器，进行分析时，功率器件必须采用一般模型(大信号模型)。工程上，采用较多的是特性曲线上作负载线的图解分析法。 1. 静态工作点的选择：为了使电路在管子不出现饱和、截止失真的条件下，输出功率最大，即输出电压和电流均达到最大幅值，需要把工作点 Q 选在负载线的中点。即

  17. 2. 集电级输出电压和电流(假设 VCE(sat)和 ICEO为0) 其中，

  18. 3.电源提供的直流功率 PD、负载功率PL、集电极耗散功率 PC PL和 PC均由直流和交流两部分合成。例如： PL中直流功率 交流功率

  19. 4.讨论： (1) 电路组成 甲类功放的ηCmax仅为 25%，PD中仅有 1/4 转换为有用的输出信号功率，其余均被浪费。其中，一部分耗散在管子中，大部分( PL中直流功率 PD/2 )消耗在 RL上。 提高ηCmax的办法： ①合理选择管子的运用状态(乙类或甲乙类)减小管子消耗功率。 ②在管外电路中，采用不消耗直流功率的电路结构，消除 RL上消耗的直流功率。

  20. (2)工作特性 当 VCC一定、Q在负载线中点时，Vcm(≈VCC /2)被限定。要提高输出信号功率，就必须减小 RL，才能增大Icm。但，在减小 RL时，还必须同时增大激励电流。 否则，RL的减小不会增大输出电流，反而会因减小集电极电压振幅而使 Po减小，还会因 ICQ增大而使 PD增大，结果使ηC降低。 充分激励时RL变化对功率性能的影响

  21. 总之，在功率放大器中，要高效率地提升 Po，必须减小 RL，同时相应增大输入激励电流。 充分激励：与 RL相匹配的输入激励(不出现饱和失真的最大激励)。 匹配负载：相应的负载为匹配负载(能使 Q 处于交流负载线中点的负载)。 5. 结论 (1) 功放在电路组成上，必须采用避免管外电路中无谓消耗直流功率的电路结构。 (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。

  22. Tr2——耦合变压器，对交流，Tr2起阻抗变换作用，Tr2——耦合变压器，对交流，Tr2起阻抗变换作用， 1.2.2甲类、乙类功放的电路组成及功率性能 一、甲类变压器耦合功放 1.电路 (1)输入端： RB——偏置电阻 CB——旁路电容 Tr1——耦合变压器 (2)输出端：

  23. 2. 电路分析 (1)静态分析 根据直流通路，写出直流负载方程： 直流负载线：EF

  24. (2)动态分析 交流负载线方程： 又： 则：交流负载方程可改写为

  25. ，它在两坐标轴上的截距： 上式表明，当 相应画出交流负载线是一条通过 Q点的直线 MN，斜率为  1/ 。

  26. (3)功率性能 当输入充分激励，Q处在负载线中点时，忽略非线性失真，且设 ，则相应的集电极电压和电流分别为： 其中

  27. 与放大器的基本电路相比，在匹配负载时，电压信号幅值 Vcm由 VCC/2，增加到 VCC，若呈现在集电极上的负载相等，则输出信号功率增大四倍。 根据上述关系求得

  28. 由图可见，加在集电极上的最大电压 通过集电极的最大电流 采用变压器耦合，ηCmax将由 0.25增大到 0.5，即 PD的一半转换为 Po。 若Q 处于交流负载线的中点，且充分激励的条件下，增大 VCC，或减小R,L，Po均将增大，但最后受安全工作条件的限制。 (4) 管安全 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 。 所以保证管子安全工作的条件为：

  29. ，上述安全工作条件又可用 Pomax 表示为 又因为： Pomax取较小的值。 除外，还需检查动态点是否落在二次击穿限定的安全区内。

  30. 二、乙类推挽功率放大器 乙类工作时，为了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。可有多种实现方案： (1)变压器耦合乙类推挽功放 (2)互补推挽功放

  31. Tr1——输入变压器，利用次级绕组的中心抽头将 vi (t)分成两个幅值相等，极性相反的激励电压 ，分别加在两管的基射极之间，实现两管轮流导通。 1. 变压器耦合功放 (1) 电路结构

  32. Tr2——输出变压器，隔断 iC1和 iC2 中的平均分量，并利用初级绕组的中心抽头将 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

  33. (2)工作原理 (忽略射结导通压降) vi1(t) ＞ 0时， vi2(t) ＜ 0，T1管导通，T2管截止，ic1处于正半周的半个正弦波； vi2(t) ＞0时， vi1(t) ＜ 0，T2 管导通，T1管截止，ic2 处于负半周的半个正弦波。iC1 和 iC2中的基波分量在 RL中叠加，输出正弦波。

  34. 通过RL的电流 ，合成完整的正弦波。 2. 互补推挽电路 (1)电路特点 T1与 T2——功率管互补配对 (2)工作原理(忽略射结压降) vi(t) ＞0时，T1管 (NPN型)导通， T2管 (PNP型)截止，iC1(≈iE1)为正半周的半个正弦波； vi(t) ＜0时，T2管导通，T1管截止，iC2(≈iE2)为处于负半周的半个正弦波。

  35. 小结：上述功率放大器，为实现器件轮流导通：小结：上述功率放大器，为实现器件轮流导通：

  36. Vi 正半周，T1导通，负载线是自 Q点出发，斜率为 的直线 AQ； 3.乙类推挽功率放大器的性能分析 (1)推挽电路的组合特性 静态工作点：

  37. Vi 负半周，T2 导通，负载线是自 Q 点出发，斜率为 的直线 AQ。 虽然集电极电流是半个正弦波，但集射极交流电压是完整正弦波。

  38. (2)性能分析(忽略失真) ① 一般性能分析 在 0 ≤ωt ≤ 时， ≤ωt ≤ 2  时，iC1 = 0 iC2 = Icmsinωt 相应的集射极间电压： VCE1 = VCC-Vcmsinωt VCE2 = -VCC + Vcmsinωt

  39. 通过 RL的电流： 相应产生的电压： RL 上的输出功率：PL = Po = VcmIcm/2 = I2cmRL/2 正负电源总的直流功率： PD = PD1 ＋ PD2 = 2VCCI平均 = 2VCCIcm/

  40. ② 若充分激励 令VCE(sat) = 0，ICEO = 0，则Vcm = VCC，Icm = VCC/RL 相应 Po 和 PD 达到最大，即 比甲类高

  41. (ksai)，表示Vcm的减小程度 Vcm减小，引入电源电压利用系数 = Vcm/VCC ③ 若激励不足 定义

  42. 减小时，Po、PD、ηC 均单调减小，而 PC1 和 PC2 的变化非单调， 分析：当输入激励由大减小，即 时最大， 两管集电极管耗相等，且为 其值为

  43. 结论：乙类工作时，PC的最大值既不出现在 (激励)线性增大，与甲类(不变)不同。 时，也不出现在 时，PD 随 小时，PD 小，Po 小，PC 小； 接近 1时，PD大，Po也大，PC 小。 ∴PC非单调变化

  44. < < (3) 管安全 由 增大 VCC，减小RL，且输入充分激励，输出功率将增大，但最后受到下列安全工作条件的限制： PC1max = PC2max = 0.2Pomax < PCM 取其中的小值 或 作业：1-8，1-9

  45. 1.3 乙类推挽功率放大电路 以上介绍了原理电路，若要构成实际电路还必须解决一些有关问题。 1.3.1 乙类互补推挽功率放大电路 在构成乙类互补推挽功率放大器实际电路时，必须考虑偏置，功率配对和保护等问题。

  46. 一、交越失真和偏置电路 1. 交越失真 (1)定义 上节分析乙类推挽电路性能时，忽略了晶体管发射结导通电压的影响。 实际上，在零偏置情况下，考虑到导通电压的影响，输出电压波形在在衔接处出现严重失真，称交越失真。 接成乙类推挽电路时，两管的合成传输特性如图所示。

  47. (2)克服交越失真的基本途径 在输入端为两管加合适的正偏电压，使其工作在甲乙类。 由传输特性图可见：只要 VBB 取值合适，上下两路传输特性起始段的弯曲部分就可相互补偿，合成传输特性趋近于直线，在输入正弦电压激励下，得到不失真的输出电压。

  48. (3)常用电路 ① 二极管偏置电路 ② vBE倍增电路 2. 二极管偏置电路 由于二极管的正向交流结电阻很小，可认为交流短路，因此偏置电路不影响输入信号 vi (t)的传输。 在集成电路中偏置二极管会由三极管取代，见图 (b)、(c)

  49. 图 (a)中，D1，D2由电流源 IR激励，产生正向电压，即为所需的偏置电压VBB。若 T1和 T2的特性配对，且其基极偏置电流很小，可忽略，则 IS 为二极管 D1 和 D2 的反向饱和电流，VT 为温度电压当量。

  50. 3. vBE倍增电路 (1)电路 直流：由 T3、R1、R2组成，且由电流源IR激励，为互补功率管 T1、T2提供偏置电压 VBB。 交流：T3、R1构成电压并联负反馈电路，反馈电路的电阻很小，几乎不影响输入信号的传输。 (2)倍增原理 由图可见，若通过 R1的电流 I1远小于 T3管的集电极电流 IC3，且T1和 T2管的静态基极电流又可忽略，

More Related