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
1.4 功率合成技术
1.5 整流与稳压电路
第 1 章 功率电子线路
1.1 功率电子线路概述
1.1.1 功率放大器
1.1.2 电源变换电路
1.1.3 功率器件
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,
(1)功率放大电路
特点：放大
用途：通信、音像等电子设备。
(2)电源变换电路
特点：能量变换
用途：电源设备、电子系统、工业控制等。
1.1.1 功率放大器
特点,工作在大信号状态。
一、功率放大器的性能要求
① 安全 。输出功率大，管子在极限条件下运用。
② 高效率 。
?C —— 集电极效率 (Collector Efficiency)
Co
o
D
o
C PP
P
P
Pη
???
Po —— 输出信号功率 ； PD —— 电源提供的功率；
PC —— 管耗 (Power Dissipation)/集电极耗散功率；
Po 一定,?C 越高,PD 越小 ? PC 小,既可选 PCM
小的管子，以降低费用，也节省能源。
③ 失真小 。
尽管 功率增益 也是重要的性能指标, 但 安全, 高效 和
小失真 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
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 。
① 甲类：功率管在 一个 周期内导通, ?c = ?。
② 乙类：功率管仅在 半个 周期内导通,?c = ? /2。
③ 甲乙类：管子在 大于半个 周期小于一个周期内导通,
? /2 ? ?c ? ? 。
④ 丙类：功率管在 小于半个 周期内导通,?c ? ? /2。
功率管运用状态 通常靠选择 静态工作点 来实现。
功率管的运用状态
根据下列曲线说出功率管的应用状态,
图 1–1–1 各种运用状态下的输出电流波形
2．不同运用状态下的 ?C
管子的运用状态不同，相应的 ?Cmax 也不同。
Co
o
C PP
Pη
?
? 减小 P
C 可提高 ?C。
假设 集电极瞬时电流和电压 分别为 iC 和 vCE,则 PC 为
? ??? 20 CECC d21 tviP ?
讨论,若减少 PC,则要减少 iC vCE
方法 1,由 甲类 ? 甲乙类 ? 乙类 ? 丙类, 即减小管子
在信号周期内的导通 (增大 iC = 0)的时间 。
方法 2,管子运用于开关状态 (又称丁类 ),即一周期内
半饱和半截止 。
饱和时,vCE ? VCE (sat) 很小 ? PC 很小；
截止时,iC 很小,iC vCE 也很小 ? PC 很小。
总之,为提高 ?C,管应用状态可取 乙类, 丙类 或 丁类 。
但集电极电流波形失真严重, 电路需采取特定措施 (见 1.2
节 )。
1.1.2 电源变换电路
按变换方式不同,
(1)整流器 (Rectifier),交流电 -直流电 。
应用：电子设备供电 。
(2)直流 -直流变换器 (DC-DC Converter),直流电 -直
流电 。
应用：开关电源 。
(3)逆变器 (Inverter),直流电 -交流电 。
应用：不间断电源, 变频电源 。
(4) 交流 -交流变换器 (AC-AC Converter),交流电 -交
流电 。
应用：变压等 。
1.1.3 功率器件
功率管的种类,
(1)双极型功率晶体管
(2)功率 MOS 管
(3)绝缘栅双极型功率管
功率管是功率放大电路的关键器件, 为保证安全工作,
需了解其 极限参数 及 安全工作区 。
以 双极型 功率管为例, 安全工作区受如下 极限参数 限制,
① 最大允许管耗 PCM。 与散热条件密切相关 。
② 基极开路集 - 射反向击穿电压 V(BR)CEO 。
③ 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 。
一、功率管散热和相应的 PCM
管耗 PC 主要消耗在集电结上，使结温升高。
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 。
热崩 (Thermal Runaway),
集电结结温 (Tj) ? ? iC ? ? PC ? ? Tj ? 如此反复, 直
至 Tj ? TjM(集电结最高允许温度 )而导致管子被烧坏的一种
恶性循环现象 。
提高 PCM 的办法,
图 1–1–4 (a),(b) 功率管底座上加装散热器 (c) 相应的热等效电路
① 管子集电极直接固定在金属底座上 。
② 金属底座与管壳相连。
③ 金属底座还加装金属散热器。
各种散热片
各种功率晶体管
热传导过程
PRTT th12 ??
T2 为热源温度, T1 为空气温度, P 为传输的
热功率, Rth 为热阻, 单位 ℃ /W
当热源产生热量时, 热源温度 T2 上升, 向外部传输
热量, 若产生的热量和传输的热量相等, 达到热平衡 。
T2 不再变化 。
晶体管的热量传递
Rjc Rcs
Pc R
Ca
Rsa
Tj
Ta
因为 R(th)cs + R(th)sa << R(th)ca
所以 Rth ? R(th)jc + R(th)cs + R(th)ca
晶体管手册中给出的 PCM 是在指定散热器尺寸和环
境温度 (Ta = 25℃ )时给出的数据 。 具体数值可由下式确定
th
ajM
CM R
TT
P
?
?
二、二次击穿
除 PCM,ICM 和 V(BR)CEO 满足安全工作条件外, 要保证
功率管安全工作, 还要求不发生 二次击穿 。
二次击穿 (Secondary Breakdown),
当集 - 射反向电压超过 V(BR)CEO 时, 会引起击穿, 但
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, 管子可恢复正常工作 。
如果发生上述击穿, 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 。
后果,过热点的晶体熔化, 集 - 射间形成低阻通道,
引起 vCE下降, iC 剧增, 损坏功率管, 且不可逆 。
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。
图 1–1–5 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
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
1.4 功率合成技术
1.5 整流与稳压电路
第 1 章 功率电子线路
1.1 功率电子线路概述
1.1.1 功率放大器
1.1.2 电源变换电路
1.1.3 功率器件
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,
(1)功率放大电路
特点：放大
用途：通信、音像等电子设备。
(2)电源变换电路
特点：能量变换
用途：电源设备、电子系统、工业控制等。
1.1.1 功率放大器
特点,工作在大信号状态。
一、功率放大器的性能要求
① 安全 。输出功率大，管子在极限条件下运用。
② 高效率 。
?C —— 集电极效率 (Collector Efficiency)
Co
o
D
o
C PP
P
P
Pη
???
Po —— 输出信号功率 ； PD —— 电源提供的功率；
PC —— 管耗 (Power Dissipation)/集电极耗散功率；
Po 一定,?C 越高,PD 越小 ? PC 小,既可选 PCM
小的管子，以降低费用，也节省能源。
③ 失真小 。
尽管 功率增益 也是重要的性能指标, 但 安全, 高效 和
小失真 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
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 。
① 甲类：功率管在 一个 周期内导通, ?c = ?。
② 乙类：功率管仅在 半个 周期内导通,?c = ? /2。
③ 甲乙类：管子在 大于半个 周期小于一个周期内导通,
? /2 ? ?c ? ? 。
④ 丙类：功率管在 小于半个 周期内导通,?c ? ? /2。
功率管运用状态 通常靠选择 静态工作点 来实现。
功率管的运用状态
根据下列曲线说出功率管的应用状态,
图 1–1–1 各种运用状态下的输出电流波形
2．不同运用状态下的 ?C
管子的运用状态不同，相应的 ?Cmax 也不同。
Co
o
C PP
Pη
?
? 减小 P
C 可提高 ?C。
假设 集电极瞬时电流和电压 分别为 iC 和 vCE,则 PC 为
? ??? 20 CECC d21 tviP ?
讨论,若减少 PC,则要减少 iC vCE
方法 1,由 甲类 ? 甲乙类 ? 乙类 ? 丙类, 即减小管子
在信号周期内的导通 (增大 iC = 0)的时间 。
方法 2,管子运用于开关状态 (又称丁类 ),即一周期内
半饱和半截止 。
饱和时,vCE ? VCE (sat) 很小 ? PC 很小；
截止时,iC 很小,iC vCE 也很小 ? PC 很小。
总之,为提高 ?C,管应用状态可取 乙类, 丙类 或 丁类 。
但集电极电流波形失真严重, 电路需采取特定措施 (见 1.2
节 )。
1.1.2 电源变换电路
按变换方式不同,
(1)整流器 (Rectifier),交流电 -直流电 。
应用：电子设备供电 。
(2)直流 -直流变换器 (DC-DC Converter),直流电 -直
流电 。
应用：开关电源 。
(3)逆变器 (Inverter),直流电 -交流电 。
应用：不间断电源, 变频电源 。
(4) 交流 -交流变换器 (AC-AC Converter),交流电 -交
流电 。
应用：变压等 。
1.1.3 功率器件
功率管的种类,
(1)双极型功率晶体管
(2)功率 MOS 管
(3)绝缘栅双极型功率管
功率管是功率放大电路的关键器件, 为保证安全工作,
需了解其 极限参数 及 安全工作区 。
以 双极型 功率管为例, 安全工作区受如下 极限参数 限制,
① 最大允许管耗 PCM。 与散热条件密切相关 。
② 基极开路集 - 射反向击穿电压 V(BR)CEO 。
③ 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 。
一、功率管散热和相应的 PCM
管耗 PC 主要消耗在集电结上，使结温升高。
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 。
热崩 (Thermal Runaway),
集电结结温 (Tj) ? ? iC ? ? PC ? ? Tj ? 如此反复, 直
至 Tj ? TjM(集电结最高允许温度 )而导致管子被烧坏的一种
恶性循环现象 。
提高 PCM 的办法,
图 1–1–4 (a),(b) 功率管底座上加装散热器 (c) 相应的热等效电路
① 管子集电极直接固定在金属底座上 。
② 金属底座与管壳相连。
③ 金属底座还加装金属散热器。
各种散热片
各种功率晶体管
热传导过程
PRTT th12 ??
T2 为热源温度, T1 为空气温度, P 为传输的
热功率, Rth 为热阻, 单位 ℃ /W
当热源产生热量时, 热源温度 T2 上升, 向外部传输
热量, 若产生的热量和传输的热量相等, 达到热平衡 。
T2 不再变化 。
晶体管的热量传递
Rjc Rcs
Pc R
Ca
Rsa
Tj
Ta
因为 R(th)cs + R(th)sa << R(th)ca
所以 Rth ? R(th)jc + R(th)cs + R(th)ca
晶体管手册中给出的 PCM 是在指定散热器尺寸和环
境温度 (Ta = 25℃ )时给出的数据 。 具体数值可由下式确定
th
ajM
CM R
TT
P
?
?
二、二次击穿
除 PCM,ICM 和 V(BR)CEO 满足安全工作条件外, 要保证
功率管安全工作, 还要求不发生 二次击穿 。
二次击穿 (Secondary Breakdown),
当集 - 射反向电压超过 V(BR)CEO 时, 会引起击穿, 但
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, 管子可恢复正常工作 。
如果发生上述击穿, 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 。
后果,过热点的晶体熔化, 集 - 射间形成低阻通道,
引起 vCE下降, iC 剧增, 损坏功率管, 且不可逆 。
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。
图 1–1–5 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
