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1、高频电子线路第一章第一页，本课件共有17页第第 1 章章 功率电子线路功率电子线路1.1功率电子线路概述功率电子线路概述1.1.1功率放大器功率放大器1.1.2电源变换电路电源变换电路1.1.3功率器件功率器件第二页，本课件共有17页1.1功率电子线路概述功率电子线路概述 作用：作用：高效地实现能量变换和控制。高效地实现能量变换和控制。种类：种类：(1)功率放大电路功率放大电路特点：放大特点：放大用途：通信、音像等电子设备。用途：通信、音像等电子设备。(2)电源变换电路电源变换电路特点：能量变换特点：能量变换用途：电源设备、电子系统、工业控制等。用途：电源设备、电子系统、工业控制等。第三页，本
2、课件共有17页1.1.1功率放大器功率放大器特点：特点：工作在大信号状态。工作在大信号状态。一、功率放大器的性能要求一、功率放大器的性能要求 安全安全。输出功率大，管子在极限条件下运用。输出功率大，管子在极限条件下运用。高效率高效率。C 集电极效率集电极效率(Collector Efficiency)Po 输出信号功率输出信号功率；PD 电源提供的功率；电源提供的功率；PC 管耗管耗(Power Dissipation)/集电极耗散功率；集电极耗散功率；Po 一定，一定，C 越高，越高，PD 越小越小 PC 小，小，既可选既可选 PCM 小的小的管子，以降低费用，也节省能源。管子，以降低费用，
3、也节省能源。失真小失真小。第四页，本课件共有17页尽尽管管功功率率增增益益也也是是重重要要的的性性能能指指标标，但但安安全全、高高效效和和小小失失真真更重要，前者可以通过增加前置级祢补。更重要，前者可以通过增加前置级祢补。二、功率管的运用特点二、功率管的运用特点1功率管的运用状态功率管的运用状态根根据据功功率率管管在在一一个个信信号号周周期期内内导导通通时时间间的的不不同同，功功率率管管运运用用状态状态可分为可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类甲类、乙类、甲乙类、丙类等多种。等多种。甲类：功率管在甲类：功率管在一个一个周期内导通周期内导通，c=。乙类：功率管仅在乙类：功率管仅在半个半个周期内导通，周
4、期内导通，c=/2。甲甲乙乙类类：管管子子在在大大于于半半个个周周期期小小于于一一个个周周期期内内导导通通，/2 c 。丙类：功率管在丙类：功率管在小于半个小于半个周期内导通，周期内导通，c /2。功率管运用状态功率管运用状态通常靠选择通常靠选择静态工作点静态工作点来实现。来实现。功率管的运用状态功率管的运用状态第五页，本课件共有17页根据下列曲线说出功率管的应用状态：根据下列曲线说出功率管的应用状态：图图 111各种运用状态下的输出电流波形各种运用状态下的输出电流波形2不同运用状态下的不同运用状态下的 C管子的运用状态不同，相应的管子的运用状态不同，相应的 Cmax 也不同。也不同。减小减小
5、 PC 可提高可提高 C。第六页，本课件共有17页假设假设集电极瞬时电流和电压集电极瞬时电流和电压分别为分别为 iC 和和 vCE，则，则 PC 为为 讨论：讨论：若减少若减少 PC，则要减少，则要减少 iC vCE 方方法法 1：由由甲甲类类 甲甲乙乙类类 乙乙类类 丙丙类类，即即减减小小管管子子在在信号周期内的导通信号周期内的导通(增大增大 iC=0)的时间。的时间。方方法法 2：管管子子运运用用于于开开关关状状态态(又又称称丁丁类类)，即即一一周周期期内内半半饱饱和半截止和半截止。饱和时，饱和时，vCE VCE(sat)很小很小 PC 很小；很小；截止时，截止时，iC 很小，很小，iC
6、vCE 也很小也很小 PC 很小。很小。总总之之：为为提提高高 C，管管应应用用状状态态可可取取乙乙类类、丙丙类类或或丁丁类类。但但集集电极电流波形失真严重，电路需采取特定措施电极电流波形失真严重，电路需采取特定措施(见见 1.2 节节)。第七页，本课件共有17页1.1.2电源变换电路电源变换电路按变换方式不同：按变换方式不同：(1)整流器整流器(Rectifier)：交流电交流电-直流电直流电。应用：电子设备供电。应用：电子设备供电。(2)直直流流-直直流流变变换换器器(DC-DC Converter)：直直流流电电-直直流流电电。应用：开关电源。应用：开关电源。(3)逆变器逆变器(Inve
7、rter)：直流电直流电-交流电交流电。应用：不间断电源。应用：不间断电源。(4)交流交流-交流变换器交流变换器(AC-AC Converter)：交流电交流电-交流电交流电。应用：调压器应用：调压器、变频电源等。变频电源等。第八页，本课件共有17页1.1.3功率器件功率器件功率管的种类：功率管的种类：(1)双极型功率晶体管双极型功率晶体管(2)功率功率 MOS 管管(3)绝缘栅双极型功率管绝缘栅双极型功率管 功功率率管管是是功功率率放放大大电电路路的的关关键键器器件件，为为保保证证安安全全工工作作，需了解其需了解其极限参数极限参数及及安全工作区。安全工作区。以以双极型双极型功率管为例，安全工
8、作区受如下功率管为例，安全工作区受如下极限参数极限参数限制：限制：最大允许管耗最大允许管耗 PCM。与散热条件密切相关。与散热条件密切相关。基极开路集基极开路集-射反向击穿电压射反向击穿电压 V(BR)CEO。集电极最大允许电流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。以上参数与功率管的结构、工艺参数、封装形式有关。第九页，本课件共有17页一、功率管散热和相应的一、功率管散热和相应的 PCM 管耗管耗 PC 主要消耗在集电结上，使结温升高。主要消耗在集电结上，使结温升高。若若集集电电极极的的散散热热条条件件良良好好，集集电电结结上上的的热热量量很很容容易易散散
9、发发到到周周围围空空气气中中去去，则则集集电电结结就就会会在在某某一一较较低低温温度度上上达达到到热热平平衡衡，此此时时集集电电结结上上产产生生的的热热量量等等于于散散发发到到空空气气中中的的热热量量。反反之之，散散热热条条件件不不好好，集集电电结结就就会会在在更更高高的的温温度度上上达达到到热热平平衡衡，甚甚至至产产生生热崩热崩而烧坏管子。而烧坏管子。热崩热崩(Thermal Runaway)：集集电电结结结结温温(Tj)iC PC Tj 如如此此反反复复，直直至至 Tj TjM(集集电电结结最最高高允允许许温温度度)而而导导致致管管子子被被烧烧坏坏的的一一种种恶恶性循环现象。性循环现象。提
10、高提高 PCM 的办法：的办法：第十页，本课件共有17页图图 114(a)、(b)功率管底座上加装散热器功率管底座上加装散热器(c)相应的热等效电路相应的热等效电路 管子集电极直接固定在金属底座上。管子集电极直接固定在金属底座上。金属底座与管壳相连。金属底座与管壳相连。金属底座还加装金属散热器。金属底座还加装金属散热器。第十一页，本课件共有17页各种散热片第十二页，本课件共有17页各种功率晶体管第十三页，本课件共有17页 热传导过程热传导过程T2 为为热热源源温温度度，T1 为为空空气气温温度度，P 为为传传输输的的热热功功率，率，Rth 为热阻，单位为热阻，单位/W当当热热源源产产生生热热量
11、量时时，热热源源温温度度 T2 上上升升，向向外外部部传传输输热热量量，若产生的热量和传输的热量相等，达到热平衡。若产生的热量和传输的热量相等，达到热平衡。T2 不再变化。不再变化。晶体管的热量传递晶体管的热量传递RjcRcsPcRCaRsaTjTa第十四页，本课件共有17页因为因为R(th)cs+R(th)sa R(th)ca 所以所以Rth R(th)jc+R(th)cs+R(th)ca 晶晶体体管管手手册册中中给给出出的的 PCM 是是在在指指定定散散热热器器尺尺寸寸和和环环境境温温度度(Ta=25)时给出的数据。具体数值可由下式确定时给出的数据。具体数值可由下式确定第十五页，本课件共有
12、17页二、二次击穿二、二次击穿除除 PCM、ICM 和和V(BR)CEO 满满足足安安全全工工作作条条件件外外，要要保保证证功功率管安全工作，还要求不发生率管安全工作，还要求不发生二次击穿二次击穿。二次击穿二次击穿(Secondary Breakdown)：当当集集-射射反反向向电电压压超超过过 V(BR)CEO 时时，会会引引起起击击穿穿，但但只只要要外外电电路路限限制制击击穿穿后后的的电电流流，管管子子就就不不会会损损坏坏，待待集集电电极极电电压压小小于于 V(BR)CEO 后，管子可恢复正常工作。后，管子可恢复正常工作。如如果果发发生生上上述述击击穿穿，电电流流不不加加限限制制，就就会会出出现现集集电电极极电压迅速减小，集电极电流迅速增大的现象，即为电压迅速减小，集电极电流迅速增大的现象，即为二次击穿二次击穿。后后果果：过过热热点点的的晶晶体体熔熔化化，集集-射射间间形形成成低低阻阻通通道道，引引起起vCE下降，下降，iC 剧增剧增，损坏功率管，且不可逆。，损坏功率管，且不可逆。发发生生条条件件：它它在在高高压压低低电电流流时时发发生生，相相应应的的功功率率称称为为二二次次击穿耐量击穿耐量 PSB。第十六页，本课件共有17页图图 115图计及二次击穿时功率管的安全工作区图计及二次击穿时功率管的安全工作区功率管的安全工作区功率管的安全工作区第十七页，本课件共有17页