fxx1_第1章_11.ppt

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1、 1.1 功率电子线路概述功率电子线路概述 作用：作用：高效地实现能量变换和控制高效地实现能量变换和控制 种类：种类：根据应用领域和处理对象不同根据应用领域和处理对象不同 (1)功率放大电路：功率放大电路：放大器的一类放大器的一类。用于通信、音像等电子设备用于通信、音像等电子设备 (2)电源变换电路：电源变换电路：对电源能量进行特定变换。用于电源设备、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。电子系统、工业控制。第第 1 章章 功率电子线路功率电子线路 1.1.1 功率放大器功率放大器与其它放大器相比与其它放大器相比 相同点：相同点：均在输入信号作用下，将直流电源的直均在输入信

2、号作用下，将直流电源的直 流功率转换为输出信号功率流功率转换为输出信号功率 不同点：不同点：性能要求和运用特性不同性能要求和运用特性不同 一、功率放大器的性能要求一、功率放大器的性能要求1.安全安全 输出功率大，管子大信号极限条件下运用输出功率大，管子大信号极限条件下运用.用用c 集电极效率集电极效率(Collector Efficiency)衡量转换效衡量转换效率：率：Po 输出信号功率输出信号功率(Output Signal Power)式中：式中：PD 电源提供的功率电源提供的功率 PC 管耗管耗(Power Dissipation)Po 一定一定，c 高高PD 小小PC 小小 可选可选

3、 PCM 小小的的管子，以降低体积、重量、制造成本。管子，以降低体积、重量、制造成本。2.高效率高效率 3.失真小失真小 输出功率越大，相应的动态电压、电流越大，器件输出功率越大，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外，还必须限制输出功率 作为作为放大器放大器，功率增益功率增益是重要的性能指标，但与上是重要的性能指标，但与上述三个要求相比，述三个要求相比，安全、高效安全、高效和和失真小失真小是是第一位第一位的。的。功功率增益率增益可用可用增加前置级的级数增加前置级的级数或或提高相应的

4、增益提高相应的增益来弥补来弥补 二、功率管的运用特点二、功率管的运用特点1.功率管的运用状态功率管的运用状态 根据根据功率管功率管在一个信号周期内导通时间的不同，在一个信号周期内导通时间的不同，功功率管运用状态率管运用状态分为分为甲类、乙类、甲乙类、丙类甲类、乙类、甲乙类、丙类等多种。等多种。功率管运用状态功率管运用状态通常靠通常靠选择静态工作点选择静态工作点来实现来实现 甲类：甲类：功率管在一个周期内导通功率管在一个周期内导通(如小信号放大如小信号放大)乙类：乙类：功率管仅在半个周期内导通功率管仅在半个周期内导通 甲乙类：甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通管子在大于半个周期小于一个

5、周期内导通丙类：丙类：功率管小于半个周期内导通。功率管小于半个周期内导通。2.不同运用状态下的不同运用状态下的C管子的运用状态不同，相应的管子的运用状态不同，相应的Cmax 也不同也不同:减小减小 PC 可提高可提高C 假设假设集电极瞬时电流和电压集电极瞬时电流和电压分别为分别为 iC 和和 vCE 则则 PC 为为:讨论：讨论：若要减小若要减小 PC 则要减小则要减小 iC vCE 途径途径 1：由由甲类甲类甲乙类甲乙类乙类乙类丙类丙类，减小管子，减小管子在信号周期内的导通时间，即增大在信号周期内的导通时间，即增大 iC 0 的时间的时间 途径途径 2：使管子运用在开关状态使管子运用在开关状

6、态(又称丁类又称丁类)管子在管子在半个周期内饱和导通半个周期内饱和导通，另半个周期内截止另半个周期内截止饱和导通时，饱和导通时，vCE vCE(sat)很小，因此导通的半个周期很小，因此导通的半个周期 内，瞬时管耗内，瞬时管耗 iC vCE 处在很小的值上处在很小的值上截止时，截止时，不论不论 vCE 为何值，为何值，iC 趋于趋于 0，iC vCE 也处在零也处在零值附近。值附近。结果结果 PC 很小，很小，C 显著提高。显著提高。总结：总结：为提高集电极效率，为提高集电极效率，管子的运用状态管子的运用状态从从甲类甲类向向乙类、丙类乙类、丙类或开关工作的或开关工作的丁类丁类转变。但随着效率的

7、提转变。但随着效率的提高，高，集电极电流波形失真严重集电极电流波形失真严重，为实现不失真放大，在，为实现不失真放大，在电路中需采取特定措施。电路中需采取特定措施。1.1.2 电源变换电路电源变换电路一整流器一整流器 电源变换电路分成以下四类电源变换电路分成以下四类将电网提供的将电网提供的50HZ交流电变换成直流电。在交流电变换成直流电。在实际应用中，往往在整流器后接稳压电路，构实际应用中，往往在整流器后接稳压电路，构成稳压电源，输出稳定的直流电压。成稳压电源，输出稳定的直流电压。二直流二直流-直流变换器直流变换器（DCDC变换器）变换器）在工业控制系统中，直流在工业控制系统中，直流-直流变换器

8、主要用作直流变换器主要用作直流电动机调速。直流电动机调速。这种电源是目前发展最快，应用最广，效率最这种电源是目前发展最快，应用最广，效率最高的一种稳压电源高的一种稳压电源将一种电压数值的直流电变换成另一种电压将一种电压数值的直流电变换成另一种电压数值或极性的直流电，又称数值或极性的直流电，又称斩波器斩波器 它广泛应用于开关电源它广泛应用于开关电源 VO Vi 称为称为升压型升压型DCDC变换器变换器 应用：各种类型的开关电源应用：各种类型的开关电源VO=Vi称为称为隔离型隔离型DCDC变换器变换器VO Vi称为称为降压型降压型DCDC变换器变换器三逆变器三逆变器 （DCAC变换器）变换器）例例

9、:应急灯应急灯,UPS电源。电源。将直流电变换成不同幅值或频率的交流电将直流电变换成不同幅值或频率的交流电广泛应用于各种变频电源和不间断电源。在工广泛应用于各种变频电源和不间断电源。在工业控制系统中，主要用作交流电动机的变频调业控制系统中，主要用作交流电动机的变频调速速四交流四交流-交流变换器交流变换器（ACAC变换器）变换器）它们主要用于交流电动机的调压调速。它们主要用于交流电动机的调压调速。仅改变频率的变换器称为仅改变频率的变换器称为周波变换器周波变换器仅改变电压幅值的变换器称为仅改变电压幅值的变换器称为交流调压器交流调压器将将50HZ交流电变换成不同幅值或频率的交流电交流电变换成不同幅值

10、或频率的交流电五五.对电源变换电路的性能要求对电源变换电路的性能要求采用开关工作是电源变换电路中提高效率的主要采用开关工作是电源变换电路中提高效率的主要途径途径。必须选择合适的功率器件，并保证其安全工作必须选择合适的功率器件，并保证其安全工作安全、高效率、大功率安全、高效率、大功率 1.1.3 功率器件功率器件功率管功率管是功率放大电路的关键器件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全工作是需要共同解决的问题为此，必须首先了解为此，必须首先了解功率器件的极限参数功率器件的极限参数及及安全工作区。安全工作区。

11、双极型功率晶体管的安全工作双极型功率晶体管的安全工作受到受到三个极限参数的限制：三个极限参数的限制：(1)集电极最大允许管耗集电极最大允许管耗 PCM 与散热条件密切相关与散热条件密切相关(2)集电极击穿电压集电极击穿电压 V(BR)CEO(3)集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 以上与以上与功率管的结构，工艺参数，封装形式功率管的结构，工艺参数，封装形式有关。有关。一、功率管散热和相应的一、功率管散热和相应的 PCM 耗散在功率管中的功率耗散在功率管中的功率 PC 主要消耗在集主要消耗在集电结上，造成集电结发热，结温升高电结上，造成集电结发热，结温升高若集电极的散热条件良好，若集电

12、极的散热条件良好，集电结上的热量很容易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的热量等于散发到空气中的热量反之，散热条件不好，反之，散热条件不好，集电结就会在更高的温度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。上达到热平衡，甚至产生热崩而烧坏管子。集电结结温集电结结温(Tj)升高升高 集电极电流集电极电流(iC)增大增大 PC 增大增大 Tj 随之升高随之升高 iC 增大增大 PC 增大增大 Tj 升升高高热崩热崩(

13、Thermal runaway)：实践中，为了利于集电结的散热，以提高实践中，为了利于集电结的散热，以提高 PCM双极型功率管都采用集电极直接固定在金属底座上双极型功率管都采用集电极直接固定在金属底座上如此反复，直至如此反复，直至 Tj 超过集电结最高允许温度超过集电结最高允许温度 TjM，导致管子被烧坏的一种，导致管子被烧坏的一种恶性循环现象恶性循环现象金属底座又与管壳相连的结构。此外，金属底座还金属底座又与管壳相连的结构。此外，金属底座还加装加装金属散热器。金属散热器。图图(a)(b)功率管底座上加装散热器功率管底座上加装散热器图图(c)相应的热等效电路相应的热等效电路。散热器：散热器：翼

14、状结构，以增大散热面积。面积越大，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，散热效果越好厚度越厚，材料的导热率越高，散热效果越好 工程上，将工程上，将热的传导过程热的传导过程用用电流传导过程电流传导过程来模拟来模拟RthT1T2 T2为热源的温度，为热源的温度，T1为周围空气的温度，它们之间为周围空气的温度，它们之间的温差（的温差（T2-T1）比作电位差（）比作电位差（V2-V1），传输的热功），传输的热功率率P比作电流比作电流I，热传导过程中受到的阻力用，热传导过程中受到的阻力用热阻热阻Rth表表示，单位为示，单位为 。C/W，相应比作电阻，相应比作电阻R，则它们之间的

15、，则它们之间的关系为关系为T2-T1=Rth P（类比：类比：V2-V1=R I）Rth越小，即热传导过程中受的阻力越小则散热越好。越小，即热传导过程中受的阻力越小则散热越好。则则 Tj Ta=Rth PC在功率晶体管中在功率晶体管中热源热源是集电结：是集电结：P=PC结温结温：T2=Tj周围周围空气温度空气温度：T1=Ta设集电结到周围空气的设集电结到周围空气的热阻热阻为：为：Rth当当Rth为定值时，集电结与周围空气之间的为定值时，集电结与周围空气之间的温差温差直接直接取决于取决于PC值，且随值，且随PC成正比例的增大。成正比例的增大。当当Tj=TjM时，（时，（最大结温最大结温）由：由：

16、Tj Ta=Rth PC最大耗散功率：最大耗散功率：PC达到最大允许值，即达到最大允许值，即PC=PCM集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率:Pcm(单位瓦单位瓦)。Rth=Rthjc+Rthca/(Rthcs+Rthsa)Rthjc+Rthcs+Rthsa 有散热器时热阻计算有散热器时热阻计算:Rthsa 散热器与空气间的热阻。散热器与空气间的热阻。Rthjc 管芯管芯(热源热源)与管壳间的热阻与管壳间的热阻Rthca 管壳与空气间的热阻管壳与空气间的热阻Rthcs 管壳与散热器间的热阻管壳与散热器间的热阻各种散热片各种功率晶体管二二.二次击穿二次击穿 要保证功率管安全工作，要保证功率管安全

17、工作，除满足由除满足由 PCM、ICM 和和V(BR)CEO 所规定的安全工作条件外，还要求所规定的安全工作条件外，还要求不发生二次不发生二次击穿击穿 二次击穿二次击穿(Secondary Breakdown)：当集电极电压当集电极电压超过超过 V(BR)CEO，会引起击穿，只要外电路限制击穿后，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，即为极电压

18、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。二次击穿的后果：二次击穿的后果：导致过热点的晶体熔化，要引起导致过热点的晶体熔化，要引起vCE下降下降，iC 剧增剧增，功率管尚未发烫就已损坏。是不可逆，功率管尚未发烫就已损坏。是不可逆，破坏性的破坏性的 发生条件：发生条件：它在高压低电流时发生，相应的功率称它在高压低电流时发生，相应的功率称为为二次击穿耐量二次击穿耐量 PSB 功率放大电路功率放大电路使用使用双双极型功率晶体管极型功率晶体管外，还使外，还使用用功率功率 MOS 管管，绝缘栅绝缘栅双极型功率管双极型功率管。三 功率MOS管目前广泛使用功率MOS管是：双扩散功率MOS管，它可承受的电流高达数百安，电压高达几百伏，甚至上千伏。如图1-1-6，P18原理：单元管并接而成。工艺上结构：沟道双扩散功率MOS管；漏区有较大散热面积 优点：输入激励电流小；不产生二次击穿；开关工作时开关速度高。（开关频率可达100500kHz。四、绝缘栅双极型功率管（IGBT）如图1-1-7 P19结构（与双扩散MOS功率管相比在）高掺杂N+区与金属漏极之间插入一层高掺杂P+区。优点：饱和导通电阻小（或饱和导通电压）；能承受高电压和大电流；输入激励电流小。