1.1功率电子线路课件

IC /mA
IB = 40 A 30 A
具有正向受控作用
20 A
特点
满足 IC = IB + ICEO
VCE曲线略上翘 O
10 A 0
VCE /V
截止区(VBE 0.5 V， VCE 0.3 V)
IC /mA IB = 40 A
30 A
20 A
10 A 0
O
近似为 IB ≤ 0 以下区域
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。
极电压如小果于发生V(上BR)述CE击O 后穿，，管电子流可不恢加复限正制常，工就作会。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
类似二极管伏安特性。
VCE 增加：
V(BR)BEO
O VBE(on) VBE /V
正向特性曲线略右移。
IEBO + ICBO
注：VCE > 0.3 V 后，曲线移动可忽略不计。
输出特性曲线
输出特性曲线可 划分为四个区域：
饱和区、放大区、 截止区、击穿区。
IC /mG+-S
ID MOS管
+
T VDS
-
共源组态特性曲线：
输出特性： 转移特性：
ID = f ( VDS ) VGS = 常数 ID = f ( VGS ) VDS = 常数
NEMOS 管输出特性曲线 非饱和区
沟道预夹断前对应的工作区。
ID/mA VDS = VGS – VGS(th)
(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。
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 。 ② 乙类：功率管仅在半个周期内导通。
因此，非饱和区又称为可变电阻区。
饱和区
沟道预夹断后对应的工作区。
ID/mA VDS = VGS – VGS(th)
VGS = 5 V
条件： VGS > VGS(th)
4.5 V
V DS > VGS – VGS(th)
4V 3.5 V
特点：
O
VDS /V
ID 只受 VGS 控制，而与 VDS 近似无关，表现出类 似三极管的正向受控作用。
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
ID

nCOXW
2l
(VGS
VGS(th) )2
注意：饱和区(又称有源区)对应三极管的放大区。
截止区
ID = 0 以下的工作区域。 条件： VGS < VGS(th) 沟道未形成时的工作区
特点： IG 0，ID 0 相当于 MOS 管三个电极断开。
ID/mA VDS = VGS – VGS(th) VGS = 5 V
条件： 特点：
VGS > VGS(th) V DS < VGS – VGS(th)
VGS = 5 V
4.5 V 4V 3.5 V
ID 同时受 VGS 与 VDS 的控制。O
VDS /V
当 VGS为常数时，VDSID 近似线性，表现为一种电阻特性 ； 当 VDS为常数时，VGS ID ，表现出一种压控电阻的特性。
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 - 射二次击穿电压 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。
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
各种散热片
各种功率晶体管
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
③ 甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通。
④ 丙类：功率管在小于半个周期内导通。 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
iC
iC
Q
0
0
ωt
vBE
iC
iC
(a)
iC
iC
iC
Q
0
π 2π ωt 0
vBE
iC
(b)
Q
0
π 2π ωt 0
vBE
(c)
0
Q0
2π ωt
vBE
(d)
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
三极管
发射极 E N+ P N 集电极 C E
发射结
基极 B 集电结
发射极 E
P + N P 集电极 C E
基极 B
C B
C B
输入特性曲线 VCE 一定：
IB /A 0.3V
VCE = 0
10 V
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。
4.5 V
4V 3.5 V
O
击穿区
VDS /V
• VDS 增大到一定值时漏衬 PN 结雪崩击穿 ID 剧增。 • VDS 沟道 l 对于 l 较小的 MOS 管 穿通击穿。
• 1-4
讨论
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。
ηC

Po
Po PC
减小 PC 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
PC

1 2
2
0 iCvCEdt
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。
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：
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。
VCE /V
条件： 发射结反偏，集电结反偏。 特点： IC 0，IB 0
击穿区
IC /mA IB = 40 A
30 A
20 A 10 A
IB = -ICBO (IE = 0)
O
特点：
0
V(BR)CEO
V(BR)CBO VCE /V
VCE 增大到一定值时，集电结反向击穿，IC 急剧增大。 注意： 集电结反向击穿电压，随 IB 的增大而减小。
20 A
10 A 0
O
饱和区(VBE 0.7 V，VCE < 0.3 V)
条件： 发射结正偏，集电结正偏。
特点： IC 不受 IB 控制，而受 VCE 影响。 VCE 略增，IC 显著增加。
VCE /V
放大区(VBE 0.7 V， VCE > 0.3 V)