第1章 功率电子线路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：根据应用领域和处理对象不同（1）功率放大电路：放大器的一类。

用于通信、音像等电子设备。

（2）电源变换电路：对电源能量进行特定变换。

用于电源设备、电子系统、工业控制。

1.1.1 功率放大器与其它放大器相比相同点：均在输入信号作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率。

不同点：性能要求和运用特性不同。

一、功率放大器的性能要求1．安全。

输出功率大，管子大信号极限条件下运用。

2．高效率。

用ηc 集电极效率（Collector Efficiency ）衡量转换效率：Co oD o c P P P P P +==η 式中，P o 一—输出信号功率（Output Signal Power ）；P D 一—电源提供的功率； P C 一—管耗（Power Dissipation ）P o 一定，ηc 高，P D 小，P C 小 → 可选P CM 小的管子，降低费用。

3．失真小。

输出功率越大，相应的动态电压电流越大，器件特性非线性引起的非线性失真也越大。

除采用反馈技术外，还必须限制输出功率。

作为放大器，功率增益是重要的性能指标，但与上述三个要求相比，安全、高效和小失真是第一位的。

功率增益可用增加前置级的级数或提高相应的增益来弥补。

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。

功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。

甲类：功率管在一个周期内导通（如小信号放大电路）。

乙类：功率管仅在半个周期内导通。

甲乙类：功率管在大于半个周期小于一个周期内导通。

丙类：功率管小于半个周期内导通。

2．不同运用状态下的ηC管子的运用状态不同，相应的ηCmax 也不同。

Co oc P P P +=η减小P C 可提高ηC 。

假设集电极瞬时电流和电压分别为i C 和v CE ，则P C 为⎰=π2o CE C C d π21t v i P ω 讨论：若减少P C ，则要减少i C ×v CE途径1：由甲类→甲乙类→乙类→丙类，减小管子在信号周期内的导通时间，即增大i C＝ 0的时间。

途径 2：使管子运用在开关状态（又称丁类）；管子在半个周期内饱和导通，另半个周期内截止。

饱和导通时，v CE ≈v CE (sat)很小，因此导通的半个周期内，瞬时管耗i C ×v CE 处在很小的值上。

截止时，不论v CE 为何值，i C 趋于0，i C ×v CE 也处在零值附近。

结果P C 很小，ηC 显著增大。

总结：为提高集电极效率，管子的运用状态从甲类向乙类、丙类或开关工作的丁类转变。

但随着效率的提高，集电极电流波形失真严重，为实现不失真放大，在电路中需采取特定措施。

1.1.2 电源变换电路 1.1.3 功率器件功率管是功率放大电路的关键器件，如何选择功率管的运用状态，并保证它们安全工作是需要共同解决的问题。

为此，必须首先了解功率器件的极限参数及安全工作区。

双极型功率晶体管的安全工作受到三个极限参数的限制： （1）集电极最大允许管耗P CM 。

还与散热条件密切相关 （2）集电极击穿电压V （BR ）CEO （3）集电极最大允许电流I CM以上与功率管的结构，工艺参数，封装形式有关。

一、功率管散热和相应的P CM耗散在功率管中的功率P C 主要消耗在集电结上，造成集电结发热，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（T j）升高 → 集电极电流（ i C）增大 → P C增大 → T j随之升高 → i C增大 → P C增大 →T j 升高，如此反复，直至T j超过集电结最高允许温度T jM，导致管子被烧坏的一种恶性循环现象。

实践中，为了利于集电结的散热，以提高P CM，双极型功率管都采用集电极直接固定在金属底座上，金属底座又与管壳相连的结构。

此外，金属底座还加装金属散热器（图1-1-4 (b)）散热器：翼状结构，以增大散热面积。

面积越大，厚度越厚，材料的导热率越高，散热效果越好。

二、二次击穿要保证功率管安全工作，除满足由P CM、I CM和V（BR）CEO所规定的安全工作条件外，还要求不发生二次击穿。

二次击穿（Secondary Breakdown）：当集电极电压超过V（BR）CEO，会引起击穿，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，管子恢复正常工作。

如上述击穿后，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。

二次击穿的后果：导致过热点的晶体熔化，要引起v CE下降，i C剧增，功率管尚未发烫就已损坏。

是不可逆，破坏性的。

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P SB。

功率放大电路使用双极型功率晶体管外，还使用功率MOS 管，绝缘栅双极型功率管。

1.2 功率放大器的电路组成和工作特性在放大原理上，功率放大器与其它放大器一样，都是能量转换器，但是，由于要求不同，因而在电路组成和运用特性上，功率放大器却有不同的特点。

1.2.1 从一个例子讲起图(a)为放大器的基本电路，现将其作为功率放大器来分析它的功率性能。

由此提示功率放大电路组成及其工作性能上的特点。

功率放大器为大信号放大器，进行分析时，功率器件必须采用一般模型（大信号模型）。

工程上，采用较多的是特性曲线上作负载线的图解分析法。

1．静态工作点的选择：为了使电路在管子不出现饱和、截止失真的条件下，输出功率最大，即输出电压和电流均达到最大幅值，需要把工作点Q 选在负载线的中点。

即LCC L CEQ CQ CCCEQ 22R V R V I V V ≈=≈,2．集电级输出电压和电流（假设V CE （sat ）和I CEO 为0）。

tV V v V v t I I i I i ωωsin sin cm CEQ ce CEQ CE cm CQ c CQ C -=+=+=+=其中，CQ LCEQL cm cm CC CEQcm 2I R V R V I V V V =≈=≈≈,，由此求得：3．电源提供的直流功率P D 、负载功率P L 、集电极耗散功率P CP L 和P C 均由直流和交流两部分合成。

P L 中直流功率2D CQ CEQ P I V =，交流功率4221D CQ CEQ cm cm o P I V I V P ===25Domax C ==∴P P η% 4．讨论：（1）电路组成 甲类功放的ηCmax 仅为25%，P D 中仅有1/4转换为有用的输出信号功率，其余均被浪费。

其中，一部分耗散在管子中，大部分（P L 中直流功率P D /2）消耗在R L 上。

提高ηCmax 的办法：①合理选择管子的运用状态（乙类或甲乙类）减小管子消耗功率。

②在管外电路中，采用不消耗直流功率的电路结构，消除R L 上消耗的直流功率。

（2）工作特性当V CC 一定、Q 在负载线中点时，V cm （≈V CC /2）被限定。

要提高输出信号功率，就必须减小R L ，才能增大I cm 。

但，在减小R L 时，还必须同时增大激励电流。

否则，R L 的减小不会增大输出电流，反而会因减小集电极电压振幅而使P O 减小，还会因I CQ 增大而使P D 增大，结果使ηC 降低。

cm cm CQCEQ C CE π2o C cm cm CQ CEQ L 2C π2o L CQCC C C 2πo D 21d π2121d π21d π21I V I V t i v P I V I V t R i P I V t i V P C -==+====⎰⎰⎰ωωω总之，在功率放大器中，要高效率地提升P o，必须减小R L，同时相应增大输入激励电流。

充分激励：与R L相匹配的输入激励（不出现饱和失真的最大激励）。

匹配负载：相应的负载为匹配负载（能使Q处于交流负载线中点的负载）。

5．结论（1）功放在电路组成上，必须采用避免管外电路中无谓消耗直流功率的电路结构。

（2）在工作特性上，输出负载，输入激励和静态工作点相互牵制，要高效率输出所需信号功率，三者必须有一个最佳配置。

作业：P70 1-2，1-3，1-61.2.2 甲类、乙类功率放大器的电路组成及其功率性能一、甲类变压器耦合功放1．电路 （1）输入端： R B ——偏置电阻 C B ——旁路电容 Tr 1——耦合变压器 （2）输出端：Tr 2——耦合变压器，对交流，Tr 2起阻抗变换作用，L 2LR n R ='2．电路分析 （1）静态分析根据直流通路，写出直流负载方程：CC CE V v =直流负载线：EF （2）动态分析交流负载线方程：'L c ce R i v -= 又：CCQ C ce CEQ CE i I i v V v +=+=则：交流负载方程可改写为)(CQ C L CEQ CE I i R V v --=-'（1-2-1）上式表明，当CC CEQ CE CQ C V V v I i ===,时，它在两坐标轴上的截距：CQL CEQ CE C L CEQ CQ C CE 00I R V v i R V I i v '',/,+==+==时时 （1-2-2）相应画出交流负载线是一条通过Q 点的直线MN ，斜率为－1/'L R 。

（3）功率性能当输入充分激励，Q 处在负载线中点时，忽略非线性失真，且设00CEO CE(sat)==I V ,，则相应的集电极电压和电流分别为：t V V v t I I i ωωsin sin cm CEQ CE cm CQ C -=+=,其中''//L CC L cm CQ cm CC CEQ cm ;R V R V I I V V V ===== （1-2-3）与1-2-1(a)所示电路相比，在匹配负载时，电压信号幅值V cm 由V CC /2增加到V CC ，若呈现在集电极上的负载相等，则输出信号功率增大四倍。

根据上述关系求得%//////5022222D o Cm ax D cm cm CQ CC C D CQ CEO cm cm o L CQCC D ===-======P P P I V I V P P I V I V P P I V P η （1-2-4～7）采用变压器耦合，ηCmax 将由0.25增大到0.5，即P D 的一半转换为P o 。