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1、第第9 9章章 功率电路及系统功率电路及系统91功率放大器功率放大器92整流器和直流稳压电源整流器和直流稳压电源93功率器件功率器件94高精度基准电压源高精度基准电压源南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统9191功率放大器功率放大器 以提供负载足够大的功率为主要目的的放大器，称为功率放大器。从能量控制的观点来看，功率放大器和电压放大器没有本质的区别。但是，两者所要完成的任务不同。电压放大器的主要要求是使负载得到不失真的电压信号，讨论的主要指标是电压放大倍数、输入和输出电阻等，输出功率并不一定大。而功率放大器则不同，它主要要求获得一定的不失真的输出功率，通常是在大信号状态下工作，因此
2、，功率放大器包含着一系列电压放大器中没有过的特殊问题。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统9 91 11 1功率放大器的特点及工作状态分类功率放大器的特点及工作状态分类 一、特点一、特点(1)输出功率尽可能大。晶体管常常在接近极限运用状态下工作。(2)效率要高。效率为负载所得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。一般输出电流都比较大。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统(3)非线性失真要小。放大器工作在大信号下，不可避免地会产生非线性失真，而且对同一功放管输出功率越大，则非线性失真越严重。所以输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。(4)晶体管的散热问题。(5)以图
3、解法为主要的分析方法。注意：因为在大信号下工作，所以小信号等效电路模型不再适用。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统二、工作状态分类根据直流工作点的位置不同，放大器的工作状态可分为：甲类（A类）：Q点较高，晶体管始终导通。如图9-1(a)乙类（B类）：Q点在截止点，晶体管只有半周导通。如图9-1(b)丙类（C类）：Q点在截止点下面，晶体管只有不到半周导通（导通角小于1800）。如图9-1(c)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图91放大器的工作状态分类(a)A类(导通角为360);(b)B类(导通角为180);(c)C类(导通角180)南京邮电学院模拟电子技术基础第9
4、章功率电路及系统图91放大器的工作状态分类(a)A类(导通角为360);(b)B类(导通角为180);(c)C类(导通角180)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图91放大器的工作状态分类(a)A类(导通角为360);(b)B类(导通角为180);(c)C类(导通角180)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统A类：非线性失真小，但效率低。且ICQ0。B类：非线性失真大，但效率高。C类：主要用于高频功率放大器中。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统912甲类(A类)功率放大器一、电路如图9-2所示，采用变压器耦合电路，充分利用管子的输出功率能力，使电流、电压
5、的摆幅都大。（RL小电流摆幅大，电压摆幅小；RL大，反之）式中，n=N1/N2。若RL太小，则要求RLRL，n1，变压器为降压变压器；反之，若RL太大，而要求RLRL,n1,则采用升压变压器。已知RL和最佳RL，即可确定变压比n的值。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图92甲类功放电路及交、直流负载线(a)电路；(b)交、直流负载线南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图92甲类功放电路及交、直流负载线(a)电路；(b)交、直流负载线南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统二、功率与效率的计算1.电源供出功率PE可见，PE是一个固定不变的值，与信号的有无或大小均
6、无关。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统(93)式中UC和IC分别为集电极交流电压和电流的振幅，信号越大，UC、IC越大，输出功率也将增大。在最佳负载和工作点的情况下，最大交流振幅为(94)2.2.负载得到的交流功率负载得到的交流功率P PL L设变压器效率T=1,则 ，即南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统此时，最大输出功率PLm为(95)3.3.管子功耗管子功耗P PC C当信号为零时，PL=0，PCm=PE，电源功率全部变为管耗；而当信号增大时，部分电源直流功率转换为有用的交流功率，管耗反而下降。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统4.转换能量的效率
7、(97)当信号最强，UCm=UCC,ICm=ICQ时，效率达到最高：(98)可见，A类放大器无信号时，效率为零，而信号最强时最大效率也只有50%。这是A类放大器的致命弱点，也是晶体管功率放大器极少采用A类放大器的原因。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统913互补跟随乙类(B类)功率放大器一、双电源互补跟随乙类功率放大器(OTL电路)OTL（OutputTransformerLess）：无输出变压器的功率放大器，也简称为互补对称功率放大器。1.电路如图9-3所示，其电路形式和集成运放的输出级是相同的。VD1、VD2：克服交越失真；ICO：前置级放大器有源集电极负载电流源。图中，V1
8、、V2均工作在B类，它们轮流导通，为负载提供电流。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图93互补跟随乙类功率放大器(OTL电路)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统V1、V2均工作B类的分析：(静态时Uo=0)由第八章知识：因为；V0的集电极电流为正半周时，iB10V1导通；iB2=0V2截止。iC1流入负载uo0。V0的集电极电流为负半周时，iB1=0V1截止；iB20V2导通。iC2流出负载uo0。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统2.功率与效率的计算电路的负载线和工作点位置如图94所示。图94互补跟随乙类功放负载线及工作点(a)单管负载线；(b)双管
9、负载线南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图94互补跟随乙类功放负载线及工作点(a)单管负载线；(b)双管负载线南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统1)输出交流功率PLV1、V2为半周工作，但负载电流却是完整的正弦波。令，称之为电压利用系数，那么式(9-9)可改写为(99)信号越大，Uo增大，电压利用率也增大。若忽略集电极饱和电压，则最大=1，故最大输出功率PLm为(911)(910)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统2)电源提供的功率当信号为零时，工作点接近于截止点，ICQ=0，电源不提供功率；而随着信号的增大，iC1增大，电源提供的功率也将随之增大。这
10、点与A类功放有本质的差别。PE=UCC(iC1的直流分量)+|UEE|(iC2的直流分量)当信号最大时，UomUCC，所以电源输出的最大功率为(913)(912)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统3)每管转换能量的效率(914)当信号最大，=1时，效率达到最高：可见，B类工作的效率远比A类的高。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统4)每个管子损耗PC可见，每个管子的损耗PC是输出信号振幅的函数。将PC对Uo求导，可得出最大管耗PCm。令得出，当时，每管的损耗最大：南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统重要结论，即PCm与最大输出功率的关系为(918)式(91
11、8)提供了选择功率管功耗的依据。例如，负载要求的最大功率PLm=10W，那么只要选一个功耗PCm大于0.2PLm=2W的功率管就行了。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统3.选择功率管为保证晶体功率管的安全和输出功率的要求，电源及输出功率管参数的选择原则如下：(1)已知PLm及RL，选UCC，则(919)(2)已知PLm，选择管子允许的最大功耗PCM。管子允许的最大功耗(920)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统(3)管子的击穿电压U(BR)CEO。当信号最大时，一管趋于饱和，而另一管趋于截止，截止管承受的最大反压为UCC+|UEE|=2UCC，所以(4)管子允许的最
12、大电流ICM。(921)(922)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统二、单电源互补跟随乙类功率放大器单电源互补跟随乙类功率放大器电路如图95所示。由图可见，静态时，a点电位，那么电容C的直流电位也为UCC/2，当V1导通、V2截止时，V1给负载RL提供电流；而当V1截止、V2导通时，电容C充当V2的电源，只要C足够大，在信号变化一周内，电容电压可以保持基本恒定UCC/2。负载得到的交流电压振幅的最大值为南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统故，该电路负载得到的最大交流功率PLm为为保证功率放大器良好的低频响应，电容C必须满足(923)(924)式中fL为放大器所要求的下
13、限频率。有关放大器的其它指标，请读者自行分析。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统三、复合管及准互补乙类功率放大器(OCL电路)在功率放大器中，输出功率大，输出电流也大。如要求输出功率PLm=10W，负载电阻为10，那么，功率管的电流峰值ICm=1.414A。若功率管的=30，则要求基极驱动电流IBm=41.1mA。前级晶体管放大器或运算放大器，若输不出这样大的电流来驱动后级功率管，则需要引入复合管。复合管又称达林顿电路。复合管的总值为(925)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统等效值的增大，意味着前级供给的电流可以减少。组成复合管的原则有以下几点：(1)电流流向要一
14、致。(2)各极电压必须保证所有管子工作在放大区，即保证e结正偏，c结反偏。(3)因为复合管的基极电流iB等于第一个管子的iB1，所以复合管的性质取决于第一个晶体管的性质。若第一个管子为PNP，则复合管也为PNP,反之为NPN。正确的复合管连接方式有四种，如图96所示。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图96复合管的组成(a)等效为NPN管；(b)等效为PNP管；(c)等效为PNP管；(d)等效为NPN管南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图96复合管的组成(a)等效为NPN管；(b)等效为PNP管；(c)等效为PNP管；(d)等效为NPN管南京邮电学院模拟电子技术基础
15、第9章功率电路及系统图96复合管的组成(a)等效为NPN管；(b)等效为PNP管；(c)等效为PNP管；(d)等效为NPN管南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图96复合管的组成(a)等效为NPN管；(b)等效为PNP管；(c)等效为PNP管；(d)等效为NPN管南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统互补乙类功率放大器要求输出管V1(NPN)和V2(PNP)性能对称匹配。所以，用复合管构成V1和V2管时，希望输出管都用NPN管，因为NPN管的性能一般比PNP管好。用复合管组成的互补跟随乙类功放如图97所示，其中NPN管采用图96(a)电路，PNP管采用图96(c)电路。这
16、样，承受大电流的管子均用大功率NPN管，此类电路称之为准互补乙类功率放大器，简称OCL电路。图中R1和R2是为了分流反向饱和电流而加的电阻，目的是提高功放的温度稳定性。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图97准互补乙类功率放大器电路南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统914集成功率放大器一、集成功率放大器1.SHM1150型双极晶体管与MOS管混合的音频集成功率放大器集成化是功率放大器的发展必然，目前集成功率放大器大都工作在音频段。集成功率放大器的型号很多，在此仅举例说明之。图98(a)给出集成音频功率放大器SHM1150型的内部简化电路图。这是一个由双极型晶体管和V
17、MOS组成的功率放大器，允许电源电压为12V50V，电路最大输出功率可达150W，使用十分方便，其外部接线如图98(b)所示。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图98SHM1150型BiMOS集成功率放大器(a)内部电路；(b)外部接线图南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统由图98(a)可见，输入级为带恒流源的双极型晶体管差分放大器(V1、V2)，双端输出。第二级为单端输出的差分电路(由PNP管V4、V5组成)，恒流源I2为其有源负载电流。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统2.桥式功率放大器由两个功率放大器构成的桥式功放可以增大输出功率。如图99所示.负
18、载(扬声器)RL跨接在A1和A2的输出端，故负载得到的交流输出功率PL为可见，桥式功放使输出功率增大到单个功放的四倍。A1和A2的同相端都加2.5V的偏压，以保证A1、A2正常工作。(926)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图99桥式集成功放LM4860及其外部电路南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统9 92 2整流器和直流稳压电源整流器和直流稳压电源流稳压电源是所有电子设备的重要组成部分，它的基本任务是将电力网交流电压变换为电子设备所需要的稳定的直流电源电压。直流电源的一般组成如图910所示。其中变压器是将电网电压(220V、50Hz)变换为所需的交流电压；整流是
19、将变压器次级交流转换为单向脉动直流；滤波是将整流后的波纹滤除。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图910直流稳压电源的基本框图南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统921整流滤波电路一、整流滤波电路利用二极管的单向导电性能可实现整流。常用的整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流和倍压整流，如图911所示。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图911常用整流电路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)桥式整流；(d)倍压整流南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图911常用整流电路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)桥式整流；(d)倍压整流南京邮电学
20、院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图911常用整流电路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)桥式整流；(d)倍压整流南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图911常用整流电路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)桥式整流；(d)倍压整流南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图912常用滤波电路(a)电容滤波；(b)电感电容型滤波；(c)电阻电容型滤波南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统二、整流滤波电路的工作原理及主要性能1.工作原理如图913所示，全波整流的变压器有中心抽头，且要求次级两绕组十分对称，整流管V1、V2接于变压器次级两端和负载之间，采用简单电容
21、滤波。设滤波电容电压初始值uC(0)=0,当ui为正半周时，V1导通，V截止，ui给C充电。由于二极管内阻较小，充电时常数较小，uC上升快。当uC上升到等于ui(t1)时，V1、V2均截止，电容C通过负载RL放电，uo下降。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图913全波整流电路及电压电流波形(a)电路；(b)管子流过的电流及输入输出电压波形南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图913全波整流电路及电压电流波形(a)电路；(b)管子流过的电流及输入输出电压波形南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图913全波整流电路及电压电流波形(c)计算机仿真波形(为看清输
22、出波纹，故意将滤波电容值取得很小，实际上要加几百几千F)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统2.主要性能1)输出直流电压Uo不接滤波电容(C=0)时:当接入滤波电容(C0)，且负载RL=时，输出电压可充电至输入电压峰值：一般情况下(RL,C0)，Uo的估算值为(927)(928)(929)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统式中Ui为变压器次级单边交流电压有效值，Uim为交流振幅。根据式(928)，可以由Uo算出Ui，从而算出变压比2)滤波电容估算值滤波电容的选择要满足下式，即此时，波纹电压峰峰值Urpp约为(930)(931)式中：T为交流电网信号周期；IL为负载电流
23、。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统3)整流管的选择(1)整流管最大允许电流(2)整流管反向击穿电压UBR2Uim。半波整流只有一个整流管，所以IMIL，且波纹大，所以一般用得不多。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图914用“硅桥”实现正、负两路直流输出的全波整流电路南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统922串联反馈型线性稳压电源的工作原理一、电路常用稳压电路有串联反馈型稳压电路和开关型稳压电路。首先，我们介绍最常用的串联型稳压电源。串联型稳压电源的框图如图915所示。图中“调整环节”就是一个射极输出器。取样环节是将输出电压的变化样品取来，加到一个误差
24、比较放大器的反相输入端，与同相输入端的基准电压相比较。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图915串联型稳压电源框图南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统二、主要参数1.主要指标1)稳压系数SS表示输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比，即(932)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统2)输出电阻RoRo表示负载变化(IL变化)对输出电压的影响，即(933)一般稳压器的Ro为m数量级。3)温度系数STST表示温度变化对输出电压的影响，其表达式为(934)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统2.调整管参数(1)调整管最大允许电流ICM必须大于负载
25、最大电流ILM。(2)调整管最大允许功耗PCM必须大于调整管的实际最大功耗。当输入电压最大，而输出电压最小、负载电流最大时，调整管的实际功耗是最大的。(3)调整管必须工作在线性放大区，其管压降一般不能小于34V。(4)如果单管基极电流不够，则采用复合管；若单管输出电流不能满足负载电流的需要，则可使用多管并联。(5)电路必须具有过热保护、过流保护等措施，以免调整管损坏。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统3.电路输出电压调节(1)大波段调节依靠改变整流器变压器抽头。(2)波段内调节靠电位器RW，如图915所示。对于误差比较放大器，有(935)调节R1和R2的比例，即可调节输出电压值。
26、南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统三、集成三端稳压器集成三端稳压器是集成串联型稳压电源，用途十分广泛，而且非常方便。集成三端稳压器有78系列(输出正电压)和79系列(输出负电压)，后面两位数表示输出电压值，如7812，即表示输出直流电压为+12V。图中，C1可以防止由于输入引线较长而带来的电感效应而产生的自激。C2用来减小由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。C3为容量较大的电解电容，用来进一步减小输出脉动和低频干扰。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图916三端集成稳压电源的典型接法(a)78系列典型接法；(b)79系列典型接法；(c)三端稳压器外形图南京邮电学院
27、模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图916三端集成稳压电源的典型接法(a)78系列典型接法；(b)79系列典型接法；(c)三端稳压器外形图南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统三端稳压电源的功能可以扩展。图917给出几个功能扩展电路。图917(a)是一个扩流电路。图中V为扩流晶体管，输出总电流Io=Io+IC。图917(b)电路是一个扩大输出电压的电路，该电路输出电压。式中，IQ为稳压器静态工作电流，通常比较小；UR1是稳压器输出电压Uo。所以(936)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图917(c)电路是一个输出电压可调电路。只不过在三端稳压器和可调电位器之间加了隔
28、离运放电路。所以，输出电压表达式同式(936)。调节RW的中心抽头位置即可调节输出电压Uo值。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图917三端稳压器功能的扩展(a)扩流电路；(b)扩压电路；(c)输出电压可调电路南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图917三端稳压器功能的扩展(a)扩流电路；(b)扩压电路；(c)输出电压可调电路南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图917三端稳压器功能的扩展(a)扩流电路；(b)扩压电路；(c)输出电压可调电路南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统923开关型稳压电源串联型反馈式稳压电源用途广泛，但存在以下两个问题
29、：(1)调整管总工作在线性放大状态，管压降大，流过的电流也大(大于负载电流)，所以功耗很大，效率较低(一般为40%60%)，且需要庞大的散热装置。(2)电源变压器的工作频率为50Hz，频率低而使得变压器体积大、重量重。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统开关稳压电源正是基于上述改革思路而发明的新型稳压电源。目前，开关稳压电源已广泛应用于计算机、电视机及其它电子设备中。开关稳压电源的电路形式很多，我们仅以下面的例子对其工作原理加以简要说明。开关稳压电源的一般框图如图918所示。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图918开关稳压电源框图南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功
30、率电路及系统电网电压不稳使输出直流电压Uo增大，经光耦合器隔离，误差放大器反相输入端电压增大，其输出减小。该电压(UC+)与UC-的三角波比较结果，会使其输出电压(UG)的占空比减小，如图919虚线所示，从而使VMOS导通时间减小，截止时间增加。经二次整流后取出方波的平均值(Uo)将随之减小。这就是开关电源稳压的原理。图920给出一个实际的开关稳压电源的电原理图。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图919脉宽调制器的各点波形南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图920一个实际的开关稳压电源电路南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图920中，VMOS源极电阻
31、R9为过流采样电阻。当过流时，UR9增大，经R10送至UC3842的3端，以实现过流保护的目的。C8、VD3、R11、R12、VD2和C9构成两级吸收回路，用以吸收尖峰干扰。VD1VD3采用快恢复的二极管FR305。VD4为输出整流管，采用D80-004型肖特基二极管，以满足高频、大电流整流的需要。该电路采用自馈绕组反馈，而不是像图918所示的从输出电压经光耦合反馈，一般用于固定负载的情况。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图921脉宽调制器UC3842框图南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统9393功率器件功率器件 931双极型大功率晶体管(BJT)在低频功率放大器
32、和串联型稳压电源中，我们都曾提到，功率管的最大工作电流必须小于该功率管的最大允许电流ICM；最大工作反压必须小于允许的击穿电压U(BR)CEO；功率管的功耗要小于允许的最大功耗PCM。这里有两个问题还需加以说明：一是散热与最大功耗的关系，二是有关二次击穿和安全工作区。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统一、散热与最大功耗PCM的关系我们知道，电源供给的功率，一部分转换为负载的有用功率，另一部分则消耗在功率管的集电结，变为热能而使管芯的结温上升。如果晶体管管芯的温度超 过 管 芯 材 料 的 最 大 允 许 结 温TjM(锗 管TjM约 为75100,硅管TjM约为150200)，则
33、晶体管将永久损坏。我们把这个界限称为晶体管的最大允许功耗PCM。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统描述热传导阻力大小的物理量称为热阻RT。RT的量纲为/W，它表示每消耗1W功率结温上升的度数。为减小散热阻力，改善散热条件，通常采用加散热器的方法。图922(a)给出一种铝型材散热器的示意图。加散热器后，热传导阻力等效通路如图922(b)所示。图中：RTj内热阻，表示管芯到管壳的热阻；RTfo管壳到空间的热交换阻力；RTc管壳到散热器之间的接触热阻，与管壳和散热器之间的接触状况有关；RTf散热器到空间的热交换阻力，与散热器的形状、材料以及面积有关。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功
34、率电路及系统图922散热器和热传导阻力等效通路(a)铝型材散热器示意图；(b)热传导阻力等效通路(热阻计算)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统由图922可见，不加散热器时，总热阻RTo为由于管壳散热面积很小，RTfo是很大的。加散热器后，由于(RTc+RTf)RTfo，所以，总热阻RT为显然，RTRTo。功率管的最大允许功耗PCM与总热阻RT、最高允许结温TjM和环境温度To有关，其关系式为(937)(938)(939)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统二、二次击穿现象与安全工作区功率管在实际应用中，常发现功耗并未超额，管子也不发烫，但却突然失效。这种损坏不少是由于
35、“二次击穿”所致。所谓二次击穿现象可由图923(a)来说明。当集电极电压uCE增大时，首先可能出现一次击穿(图中AB段)。这种击穿是正常的雪崩击穿。二次击穿的起点与iB大小有关。通常将其起、始点连线称为二次击穿临界线，如图923(b)所示。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图923功率管的二次击穿现象(a)二次击穿现象；(b)二次击穿临界线南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统为保证功率管安全可靠地工作，除保证电流小于ICM、功耗小于PCM、工作反压小于一次击穿电压U(BR)CEO外，还应避免进入二次击穿区。所以，功率管的安全工作区如图924所示。南京邮电学院模拟电子技
36、术基础第9章功率电路及系统图924双极型功率管的安全工作区南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统932功率MOS器件有许多适合大功率运行的MOS器件，其中突出的代表是VMOS管和双扩散MOS管。VMOS管的结构剖面图如图925所示。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图925VMOS管的结构剖面图南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统与BJT管比较，VMOS具有许多优点：(1)输入阻抗大，所需驱动电流小，功率增益高。(2)温度稳定性好，漏极电阻为正温度系数，当器件温度上升时，电流受到限制，不可能产生热击穿，也不可能产生二次击穿。(3)没有BJT管的少子存贮问题，
37、加之极间电容小，所以开关速度快，适合高频工作(工作频率达几百kHz甚至于几MHz)。在VMOS基础上加以改进，目前又出现了双扩散MOS管(简称DMOS)。此类管子在承受高电压、大电流，速度快等性能方面又有不少提高。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统933绝缘栅双极型功率管(IGBT)及功率模块一、IGBT的等效电路及符号IGBT的等效电路和符号如图926所示。它综合了MOS管输入阻抗大、驱动电流小和双极型管导通电阻小、高电压、大电流的优点。当MOS管栅压大于开启电压后，出现漏极电流。该电流就是双极型晶体管的基极电流，从而使BJT管导通，且趋向饱和(管压降很低，电位很大)。当MOS
38、管栅压减小使沟道消失时，ID=0，IB=0,管子截止。IGBT具有许多优点，但工作频率不太高，一般小于50kHz左右。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图926绝缘栅双极型功率管(IGBT)(a)等效电路；(b)符号南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统二、功率模块功率模块有许多，有达林顿电路模块、各种MOS管或BiFET组件等。图927(a)给出一种高速大功率CMOS器件(TC4420/29系列)，其脉冲峰值电流高达6A，开关速度高达25ns，使用十分方便，而且能带动大电容负载(CL1000pF)。图927(b)是由两块TC4420组成的桥式电路，驱动电机或陀螺正、反
39、向转动。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图927高速大功率CMOS器件(a)内部电路；(b)由TC4420组成的桥式功率电路南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统目前，还出现了许多高速大功率运算放大器(PowerOperationalAmplifiers)，如OPA2544、3583等。OPA2544的最大输出电流为2A，电源电压范围10V35V，压摆率为8V/s，其封装和引脚图如图928所示。而OPA3583的电源电压高达70V150V，输出电流为75mA，压摆率达30V/s。OPA2544和OPA3583的输入级为场效应管，输出级为互补跟随器。南京邮电学院模拟电子
40、技术基础第9章功率电路及系统图928功率运算放大器OPA2544的外形图及管脚图(a)外形图；(b)管脚图南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统934功率管的保护为保证功率管的正常运行，要附加一些保护电路，包括安全区保护、过流保护、过热保护等等。例如，在VMOS的栅极加限流、限压电阻和反接二极管，在感性负载上并联电容和二极管，以限制过压或过流。又如，在功率管的c、e间并联稳压二极管，以吸收瞬时过压等等。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统9494高精度基准电压源高精度基准电压源 在集成电路或电子设备中，常需要基准电压源(UREF)。该类基准电压源要求精度高，温度稳定性好(
41、0.210-62010-6左右)，噪声电压低，长期稳定度好等，但其输出电流并不大，一般为几毫安十几毫安。实现此类电压基准功能的电路和器件有两种，简要介绍如下。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统941能隙基准电压源一、能隙基准电压源的工作原理如图929所示，UBE为负温度系数，UT发生器乘以系数K为负温度系数，二者经相加器相加后得到基准电压UREF：又知，结电压U随温度上升而下降，即有(940)(941a)(941b)(942)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图929能隙基准电压源的工作原理南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统式中，Ug0为半导体材料在绝
42、对零度下(0K)的带隙(BandGap)电 压 ， 即 禁 带 宽 度 。 硅 材 料 的Ug0为1.205V，锗材料的Ug0为0.72V。该值是一个固定不变的电压值。如式(942)所示，若调整K值使第二项与第三项相抵消，则(943)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统二、能隙基准电压源电路图930给出一个能隙基准电压源的电路例子。设运算放大器是理想的，且RA=RB因此有(944)(945)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图930能隙基准电压源电路南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统运放输出电压即基准电压UREF为(946)式中，调节R1和R2的值，使K
43、UT=CT，那么(947)南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统若R4固定，则改变R3,即可得到不同的基准电压值。美国AD公司的AD580、AD581、AD584、AD680系列电压基准的原理电路与图930相同。例如，AD581的基准电压UREF=10V0.005V，温度系数ST为510-6/，长期稳定度为2510-6/1000h，输出噪声电压的峰峰值小于40V。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统942以埋层齐纳管为参考的超高精度基准电压源能隙基准电压源的ST310-6/，噪声电压UNpp20V。对于高分辨率的A/D、D/A(16位以上)，仍感不足。以埋层齐纳管为参考的基准电压源的精度和稳定度有望更高。普通齐纳管的击穿机理发生在硅晶体表面，如图931(a)所示，表面存在更多的杂质，易受机械压力和晶格错位等因素影响，导致击穿噪声大，长期稳定性不好。南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统图931普通齐纳管和埋层齐纳管的击穿部位(a)普通齐纳管；(b)埋层齐纳管南京邮电学院模拟电子技术基础第9章功率电路及系统
