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1、第 一 章,功率电子线路,1.1 概述功率电子线路是采用功率电子器件，高效率和安全得实现能量变换和控制功能的电子线路。功率电子线路分为功率放大电路和电源转换电路；功率放大电路是在输入信号作用下,把直流功率按照输入信号转换成交流输出功率的放大器；电源转换电路是把电源能量进行特定方式转换的电路器件。,1.1.1 功率放大器,功率放大器与小信号放大器的区别是小信号放大的 是电压或者电流,对输出功率没有要求;而功率放大器要求的就是放大输出功率。同时有大动态电压和电流，安全工作 功率放大器的性能指标:集电极效率和失真度；集电极效率 PO为信号输出功率，PD为直流功率，功耗为PC ， PO 相同，c越大，
2、PD越小，PC也越小.大信号运用电路，放大管特性非线性引起失真比小信号放大器大，减小非线性失真必须认真考虑。功率放大器是保证功率管安全工作下，实现高效率和保证失真在允许范围内输出信号功率的放大器。,按照功率管不同工作状态，分为甲类，乙类，甲乙类和丙类等。集电极效率甲类最低，丙类最高。,1.1.2 电源变换电路,将电源能量进行特定方式的变换整流器：把交流电变成直流电；斩波器：把一种数值的直流电变成另一种数值或者极性的直流电；逆变器：把直流电能变成不同幅值，频率的交流电；交流交流变换器：把50Hz交流电变成不同幅值，频率的交流电； 它们同样要求选择合适的功率器件，并具有很高的效率。,1.1.3 功
3、率器件,大功率器件结构和性能参数与小信号器件不同 比如功率晶体管发射极面积较大，较低，Icbo较 大，V(BR)CEO和ICM也较大。且集电极一般与管座相连，便于安装散热器。 一、散热 热阻与温度的关系T2-T1=RTH*P 集电极最大耗散功率Pcm =(TjM-Ta)/Rth 集电结与周围环境的热阻Rth= R(th)jc+ R(th)ca R(th)jc为结与底座的热阻， R(th)ca为管壳与周围环境的热阻 加散热器后的总电阻Rth= R(th)jc+ R(th)cs R(th)sa,加散热器后的总电阻Rth= R(th)jc+ R(th)cs R(th)sa,二、二次击穿 集电极电压超
4、过V(BR)CEO而引起的击穿，只要限制击穿电流，是可逆的。而如果不限制电流，集电极电压迅速减小，集电极电流急剧增大，这种由高压小电流迅速转移为低压大电流的现象就是二次击穿，而且不可逆。,1.2 功率放大器的电路组成和工作特性,1.2.1 从一个例子讲起功率放大器为大信号放大器，进行性能分析时，功率器件必须采用一般模型（大信号模型）。目前，在工程上，采用较多的是在特性曲线上作负载线的图解分析法。,iC = ICQ+ ic = ICQ + Icmsint vCE = VCEQ + vce = VCEQ Vcm sint,Vcm VCEQ VCC /2，Icm = Vcm /RL VCEQ / R
5、L,在上述表示式中，PL和PC均由直流和交流两部分合成。以PL为例，其中，直流功率 VCEQICQ =PD /2，交流功率Po = VcmIcm /2 =VCEQICQ / 2 = PD/4 ，相应的最大集电极效率,1.2.2 甲类、乙类功率放大器的电路组成及其功率性能,= n2RL,一、甲类变压器耦合功率放大电路,直流分析 直流负载方程：相应的直流负载线是自VCC出发的一条直线EF vCE = VCC直流负载线与静态基极电流iB=IBQ交点即为静态工作点Q。,交流分析 交流负载方程：,vce = ic,vCE =VCEQ vce ； iC =ICQic,vCEVCEQ=,-（ iCICQ）,
6、当 iC =ICQ时， vCE =VCEQ=VCC，而它在两座标轴上的截距为,相应画出的交流负载线是一条通过Q点的直线MN，它的斜率即为-1/ 。,性能分析 iC = ICQ+Icmsint vCE = VCEQ-Vcmsint， Vcm=Icm*RL 输出信号功率： PL=P0=()Icm*Vcm = ()Icm2 * RL= ()Vcm2 / RL 直流功率：PD= =VCCICQ 集电极管耗： PC= = PD-P0 集电极效率：,当PD一定时，要使输出信号功率最大，要使Q点正在好交流负载线的中点。Vcm=Vcc，Icm=ICQ。输出交流电压： Vcm = Vcc-VCE(sat)， 电
7、流Icm = ICQ-ICEO 此时 Pomax=1/2 VCCICQ cmax =50% 当Q点选定后，在允许的最大基极电流激励下，仅有一个交流负载值，能使高效率的输出最大信号功率，这个负载值所画出的交流负载线的中点应通过Q点。,进一步增大不失真信号功率，可以提高Q点，但最终受到管子安全工作条件的限制。加在集电极上最大电压为 vCEmax= 2VCCV (BR)CEO iCmax = 2ICQI CM PCmax= PDP CM 还应保证动态点不超过二次击穿限定的安全区。,甲类功放效率不高，理论不超过25，又需要变压器和大电容，输出功率由功率三角形决定，在集成功率放大器中几乎不用。而广泛使用
8、下面的乙类推挽功率放大器。 乙类推挽功放既解决了甲类功放效率不高的缺点，又较好的解决了乙类功放的失真问题，特别是交越失真的问题，因此，在工程上得到广泛运用。,二、乙类推挽功率放大电路,图（a）为变压器耦合电路，它由输入变压器Tr1、输出变压器Tr2和两个特性配对且相同导电类型的NPN功率管T1、T2组成。输入变压器Tr1利用次级绕组的中心抽头将输入信号电压 vi (t)分成两个幅值相等、极性相反的激励电压，分别加到两管基射极间，实现两管轮流导通。输出变压器Tr2的作用是隔断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。右图T 1和T
9、2是完全一致的互补功率管，接成共集组态。 T 1为NPN型管， T 2为PNP型管，输出端接公共负载RL,集电极正负电源供电。,工作原理： 未输入信号时，两管截止，输出电压为0。加信号vi = Vimsint后，两管轮流导通。 正半周期， T1导通， T2截止， iE1 iC1；负半周期， T1截止，T2导通， iE2 iC2。通过负载RL的电流iL = iE1-iE2, 为完整的正弦波。,性能分析：假设T1和T2完全配对，则ICEO和VBE(ON)均为零。在vi 正半周期， T1导通，交流负载为RL ，交流负载线为从Vcc出发，斜率为-1/RL的直线。而vi 负半周期， T1截止，T2导通，
10、导通电流在RL建立相应电压。说明T 1截止时交流负载线为与横轴重合的水平线段。对T2管同理交流负载线为从-Vcc出发，斜率为-1/RL的直线,截止时为与横轴重合的水平线段。,输入为正弦波信号的推挽式乙类功放，在最大不失真条件下的两管集电压电流为： ic1Icmsint 0 t 0 t 2 ic20 0 t -Icmsint t 2 vCE1 VCC-Vcmsint vCE2 -VCC-Vcmsint通过负载RL的电流 iL ic1-ic2= Icmsint相应产生的电压 vL Vcmsint = RLIcmsint,合成输出最大不失真信号功率： P L = ()VcmIcm = () Vcm2
11、/ RL电源电压利用系数：正负直流电源供电的总直流功率为 集电极效率cPL /PD (/4) 时集电极功耗 PC1= PC2=(PD-PL ) /2 =(2/-2/2)PLmax总耗散功率 PC = PC1PC2 = (4/- )PLmax 当=2/0.636时，PC 最大PCmax= 4PLmax/20.4PLmax,可见，在乙类推挽功率放大器中，Pc的最大值既不出现在=0即静止状态，也不出现在=1即最大输出状态。因为小时，虽然Po小，但PD也小，结果Pc小；反之， 接近于1时，虽然PD大，但由于 高。PD中大部分转化为PL，结果Pc也较小。乙类推挽管安全工作的条件： vCEmax2 VCC
12、 V(BR)CEO iCmax= ILm VCC/RL ICM P Cmax /2= 0.2 PLmax PCM 同时动态点不能超过二次击穿限定的安全区,1.2.3 乙类互补推挽放大器实际电路,一、交叉失真和偏置电路1.交叉失真 当输入信号很小，没有达到管子导通电压VBE（on)时，管子没有导通，正负周期交替过零时不能衔接，会有非线性失真，这就是交叉失真或者交越失真。如果输入信号电压振幅越小，交越失真就越严重。为了消除交越失真，必须在管子B-E间加合适的正向偏置电压，其值应该稍大于两管导通电压之和。,2. 二极管偏置电路 电流源激励二极管，提供正向管压降 VBB=2 VTIn(IR/IS),3
13、. VBE倍增偏置电路 VBE3 =VTIn(IC3/IS) VTIn(IR/IS) VBB=VBE3(1+R1/R2)通过改变R1和R2，可提供需要的 VBB,二、 单电源供电的互补推挽电路 如果使用单电源供电，必须 在公共负载端串接大容量电 容 CL。CL可以充当VCC /2的直流 电源作用。,三 准互补推挽电路 复合管取代互补管， T1为小 功率管， T2为大功率管，等 效一个NPN管。 复合管类型取决第一个管的 类型。这样他们的配对更容 易实现,四 保护电路分为过流，过压和过热保护三种。 过流保护电路如图T1,T2为保护管,五、输入激励电路 T3为激励级，甲类工作，（ R1 + R2 )为集电极电阻， T1， T2为互补功率管，单电源供电，C为自举电容。,14 高效率功率放大器,一个功率放大器，集电极效率cP0 /PD,其中PD POPC。要提高c，必须减小PC 。减小功耗的方法：减小导通时间，增大信号周期内瞬时功耗为零的时间。减小管子导通时间的瞬时功耗，比如开关工作。但是高效率带来的是高失真。,
