南京郵電學院《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》第9章功率電路及系統(tǒng)

1 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng)第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng)91 功 率 放 大 器92 整 流 器 和 直 流 穩(wěn) 壓 電 源93 功 率 器 件94 高 精 度 基 準 電 壓 源 2 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng)91 功 率 放 大 器 以 提 供 負 載 足 夠 大 的 功 率 為 主 要 目 的 的 放 大 器 ， 稱 為功 率 放 大 器 。 從 能 量 控 制 的 觀 點 來 看 ， 功 率 放 大 器 和 電 壓 放 大 器沒 有 本 質(zhì) 的 區(qū) 別 。 但 是 ， 兩 者 所 要 完 成 的 任 務 不 同 。 電壓 放 大 器 的 主 要 要 求 是 使 負 載 得 到 不 失 真 的 電 壓 信 號 ，討 論 的 主 要 指 標 是 電 壓 放 大 倍 數(shù) 、 輸 入 和 輸 出 電 阻 等 ，輸 出 功 率 并 不 一 定 大 。 而 功 率 放 大 器 則 不 同 ， 它 主 要 要求 獲 得 一 定 的 不 失 真 的 輸 出 功 率 ， 通 常 是 在 大 信 號 狀 態(tài)下 工 作 ， 因 此 ， 功 率 放 大 器 包 含 著 一 系 列 電 壓 放 大 器 中 沒 有 過 的 特 殊 問 題 。 3 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng)911功 率 放 大 器 的 特 點 及 工 作 狀 態(tài) 分 類 一 、 特 點 (1) 輸 出 功 率 盡 可 能 大 。 晶 體 管 常 常 在 接 近 極 限 運 用 狀 態(tài) 下 工 作 。 (2) 效 率 要 高 。 效 率 為 負 載 所 得 到 的 有 用 信 號 功 率 和 電 源 供 給 的 直流 功 率 的 比 值 。 一 般 輸 出 電 流 都 比 較 大 。 4 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng)(3)非 線 性 失 真 要 小 。 放 大 器 工 作 在 大 信 號 下 ， 不 可 避 免 地 會 產(chǎn) 生 非 線 性 失真 ， 而 且 對 同 一 功 放 管 輸 出 功 率 越 大 ， 則 非 線 性 失 真 越 嚴重 。 所 以 輸 出 功 率 和 非 線 性 失 真 成 為 一 對 主 要 矛 盾 。(4)晶 體 管 的 散 熱 問 題 。 (5)以 圖 解 法 為 主 要 的 分 析 方 法 。 注 意 ： 因 為 在 大 信 號 下 工 作 ， 所 以 小 信 號 等 效 電 路 模 型 不再 適 用 。 5 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 二 、 工 作 狀 態(tài) 分 類 根 據(jù) 直 流 工 作 點 的 位 置 不 同 ， 放 大 器 的 工 作 狀 態(tài) 可分 為 ： 甲 類 （ A類 ） ： Q點 較 高 ， 晶 體 管 始 終 導 通 。 如 圖 9-1(a) 乙 類 （ B類 ） ： Q點 在 截 止 點 ， 晶 體 管 只 有 半 周 導 通 。如 圖 9-1(b) 丙 類 （ C類 ） ： Q點 在 截 止 點 下 面 ， 晶 體 管 只 有 不 到 半周 導 通 （ 導 通 角 小 于 180 0） 。 如 圖 9-1(c) 6 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) iC t 0 iC uBE Q (a) 0圖 91放 大 器 的 工 作 狀 態(tài) 分 類(a)A類 (導 通 角 為 360 );(b)B類 (導 通 角 為 180 );(c)C類 (導 通 角 180 ) 7 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 圖 91放 大 器 的 工 作 狀 態(tài) 分 類(a)A類 (導 通 角 為 360 );(b)B類 (導 通 角 為 180 );(c)C類 (導 通 角 180 )iC t0 iC uBEQ(b) 2 0 8 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) iC t 0 iC uBE Q (c) 0圖 91放 大 器 的 工 作 狀 態(tài) 分 類(a)A類 (導 通 角 為 360 );(b)B類 (導 通 角 為 180 );(c)C類 (導 通 角 180 ) 9 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng)A類 ： 非 線 性 失 真 小 ， 但 效 率 低 。 且 ICQ0。B類 ： 非 線 性 失 真 大 ， 但 效 率 高 。C類 ： 主 要 用 于 高 頻 功 率 放 大 器 中 。 10 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 912甲 類 (A類 )功 率 放 大 器 一 、 電 路 如 圖 9-2所 示 ， 采 用 變 壓 器 耦 合 電 路 ， 充 分 利 用 管子 的 輸 出 功 率 能 力 ， 使 電 流 、 電 壓 的 擺 幅 都 大 。 （ RL小 電 流 擺 幅 大 ， 電 壓 擺 幅 小 ； RL大 ， 反 之 ） 式 中 ， n=N 1/N2。 若 RL太 小 ， 則 要 求 RL RL， n 1， 變 壓 器 為 降 壓 變 壓 器 ； 反 之 ， 若 RL太 大 ， 而 要求 RL RL,n 1,則 采 用 升 壓 變 壓 器 。 已 知 RL和 最 佳 RL，即 可 確 定 變 壓 比 n的 值 。 LL RnR 2 11 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) U CC RLRL N 1 N 2 RB V C B ui (a)圖 92甲 類 功 放 電 路 及 交 、 直 流 負 載 線 (a)電 路 ； (b)交 、 直 流 負 載 線 12 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 圖 92甲 類 功 放 電 路 及 交 、 直 流 負 載 線 (a)電 路 ； (b)交 、 直 流 負 載 線 iC t 0 ICQ ICQ ICQ uCE iC uCE t 0 0 UCEQ UC UCC (b) Q 直 流 負 載 線 交 流 負 載 線 iB 1 RL IC 13 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng)二 、 功 率 與 效 率 的 計 算1.電 源 供 出 功 率 PE CQCC CCQCCTE IU dttIIUTP )sin(1 0 可 見 ， PE是 一 個 固 定 不 變 的 值 ， 與 信 號 的 有 無 或大 小 均 無 關(guān) 。 14 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) LCCC CCTL RUIU tdtItUTP 20 2121 sinsin1 (93) 式 中 UC和 IC分 別 為 集 電 極 交 流 電 壓 和 電 流 的 振幅 ， 信 號 越 大 ， UC 、 IC越 大 ， 輸 出 功 率 也 將 增 大 。在 最 佳 負 載 和 工 作 點 的 情 況 下 ， 最 大 交 流 振 幅 為CQCmCCCm IIUU , (94) 2. 負 載 得 到 的 交 流 功 率 PL 設 變 壓 器 效 率 T=1,則 ， 即LL RRL PPP 15 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 此 時 ， 最 大 輸 出 功 率 PLm為CQCCLm IUP 21 (95) 3. 管 子 功 耗 PC 當 信 號 為 零 時 ， PL=0， PCm=PE， 電 源 功 率 全 部 變?yōu)?管 耗 ； 而 當 信 號 增 大 時 ， 部 分 電 源 直 流 功 率 轉(zhuǎn) 換 為有 用 的 交 流 功 率 ， 管 耗 反 而 下 降 。 LEC PPP 16 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 4. 轉(zhuǎn) 換 能 量 的 效 率 CQCC CCEL IU IUPP 21 (97) 當 信 號 最 強 ， UCm=UCC,ICm=ICQ時 ， 效 率 達 到 最 高 ：%5021 m (98) 可 見 ， A類 放 大 器 無 信 號 時 ， 效 率 為 零 ， 而 信 號最 強 時 最 大 效 率 也 只 有 50%。 這 是 A類 放 大 器 的 致 命弱 點 ， 也 是 晶 體 管 功 率 放 大 器 極 少 采 用 A類 放 大 器 的原 因 。 17 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 913 互 補 跟 隨 乙 類 (B類 )功 率 放 大 器 一 、 雙 電 源 互 補 跟 隨 乙 類 功 率 放 大 器 (OTL電 路 ) OTL（ Output TransformerLess） ： 無 輸 出 變 壓 器 的 功 率放 大 器 ， 也 簡 稱 為 互 補 對 稱 功 率 放 大 器 。 1.電 路 如 圖 9-3所 示 ， 其 電 路 形 式 和 集 成 運 放 的 輸 出 級 是相 同 的 。VD 1、 VD2： 克 服 交 越 失 真 ；ICO： 前 置 級 放 大 器 有 源 集 電 極 負 載 電 流 源 。 圖 中 ， V1、 V2均 工 作 在 B類 ， 它 們 輪 流 導 通 ， 為 負載 提 供 電 流 。 18 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) ui V1 V2 V0 VD1 VD2 ICO iC1 iC2 UCC uo UEE 0 uo RL iC1 iC2圖 93 互 補 跟 隨 乙 類 功 率 放 大 器 (OTL電 路 ) 19 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng)V1、 V2均 工 作 B類 的 分 析 ： (靜 態(tài) 時 Uo=0) 由 第 八 章 知 識 ： 因 為 ； V0的 集 電 極 電 流 為 正 半 周 時 ， iB10V1導 通 ； iB2=0V2截 止 。 iC1流 入 負 載 uo0。 V0的 集 電 極 電 流 為 負 半 周 時 ， iB1=0V1截 止 ； iB20V2導 通 。 i C2流 出 負 載 uo0。 COL II 20 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 2. 功 率 與 效 率 的 計 算 電 路 的 負 載 線 和 工 作 點 位 置 如 圖 94所 示 。 0 ICm uCE iC1 0 UCm(a) T 2 Q (0, UCC) UCC RL UC IC圖 94互 補 跟 隨 乙 類 功 放 負 載 線 及 工 作 點 (a)單 管 負 載 線 ； (b)雙 管 負 載 線 21 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 圖 94互 補 跟 隨 乙 類 功 放 負 載 線 及 工 作 點 (a)單 管 負 載 線 ； (b)雙 管 負 載 線 t0 iC1 iC2 0 iC1 iC2uCE1Q (0, UCC)uce1(b)iC 22 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 1)輸 出 交 流 功 率 PL V1、 V2為 半 周 工 作 ， 但 負 載 電 流 卻 是 完 整 的 正 弦 波 。令 ， 稱 之 為 電 壓 利 用 系 數(shù) ， 那 么 式 (9-9)可 改 寫為 CCoUU LoceCoLL RUUIUIP 2212121 (99) 信 號 越 大 ， Uo增 大 ， 電 壓 利 用 率 也 增 大 。 若 忽 略集 電 極 飽 和 電 壓 ， 則 最 大 =1， 故 最 大 輸 出 功 率 PLm為 LCCLm RUP 221 (911) (910) LCCL R UP 2221 23 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 2)電 源 提 供 的 功 率 當 信 號 為 零 時 ， 工 作 點 接 近 于 截 止 點 ， ICQ=0， 電源 不 提 供 功 率 ； 而 隨 著 信 號 的 增 大 ， iC1增 大 ， 電 源 提供 的 功 率 也 將 隨 之 增 大 。 這 點 與 A類 功 放 有 本 質(zhì) 的 差 別 。 PE=UCC(iC1的 直 流 分 量 )+|UEE|(iC2的 直 流 分 量 )當 信 號 最 大 時 ， U omUCC， 所 以 電 源 輸 出 的 最 大 功 率 為 LCCEm RUP 22 (913) L oCCCCC CEECCC RUUIU IUIU 22 21 (912) 24 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 3)每 管 轉(zhuǎn) 換 能 量 的 效 率 442122 2 CCo L oCC LoELEL UUR UU RUPPPP (914) 當 信 號 最 大 ， =1時 ， 效 率 達 到 最 高 ： %5.784 m可 見 ， B類 工 作 的 效 率 遠 比 A類 的 高 。 25 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng)4)每 個 管 子 損 耗 PC LoLoCCLEC RURUUPPP 24122 可 見 ， 每 個 管 子 的 損 耗 PC是 輸 出 信 號 振 幅 的 函數(shù) 。 將 PC對 Uo求 導 ， 可 得 出 最 大 管 耗 PCm。 令0)21(1 oCCLoC UURdUdP 得 出 ， 當 時 ， 每 管 的 損 耗 最 大 ： CCo UU 2 LCCCCCCCCLCm RUUUURP 222 1)2(4121 26 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 重 要 結(jié) 論 ， 即 PCm與 最 大 輸 出 功 率 的 關(guān) 系 為 2.02211 2222 LCCLCCLmCm RURUPP (918) 式 (918)提 供 了 選 擇 功 率 管 功 耗 的 依 據(jù) 。 例 如 ，負 載 要 求 的 最 大 功 率 PLm=10W， 那 么 只 要 選 一 個 功 耗PCm大 于 0.2PLm=2W的 功 率 管 就 行 了 。 27 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 3.選 擇 功 率 管 為 保 證 晶 體 功 率 管 的 安 全 和 輸 出 功 率 的 要 求 ， 電源 及 輸 出 功 率 管 參 數(shù) 的 選 擇 原 則 如 下 ： (1)已 知 PLm及 RL， 選 UCC， 則 LLmCC LCCLm RPU RUP 221 2 (919) (2)已 知 PLm， 選 擇 管 子 允 許 的 最 大 功 耗 PCM。管 子 允 許 的 最 大 功 耗 LmCmCM PPP 2.0 (920) 28 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) (3)管 子 的 擊 穿 電 壓 U(BR)CEO。 當 信 號 最 大 時 ， 一 管 趨 于 飽 和 ， 而 另 一 管 趨 于 截止 ， 截 止 管 承 受 的 最 大 反 壓 為 UCC+|UEE|=2UCC， 所 以(4)管 子 允 許 的 最 大 電 流 ICM。CCCEOBR UU 2)( (921) (922) LCCCmCM RUII 29 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 二 、 單 電 源 互 補 跟 隨 乙 類 功 率 放 大 器 單 電 源 互 補 跟 隨 乙 類 功 率 放 大 器 電 路 如 圖 95所 示 。 由 圖 可 見 ， 靜 態(tài) 時 ， a點 電 位 ， 那 么 電容 C的 直 流 電 位 也 為 UCC/2， 當 V1導 通 、 V2截 止 時 ， V1給 負 載 RL提 供 電 流 ； 而 當 V1截 止 、 V2導 通 時 ， 電 容 C充當 V2的 電 源 ， 只 要 C足 夠 大 ， 在 信 號 變 化 一 周 內(nèi) ， 電 容電 壓 可 以 保 持 基 本 恒 定 U CC/2。 負 載 得 到 的 交 流 電 壓 振 幅 的 最 大 值 為 2CCom UU CCa UU 21 30 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng)故 ， 該 電 路 負 載 得 到 的 最 大 交 流 功 率 PLm為 LL LCCLCCLomLm RfC RURURUP 2 1 81)2(2121 222 為 保 證 功 率 放 大 器 良 好 的 低 頻 響 應 ， 電 容 C必 須 滿 足 (923) (924) 式 中 fL為 放 大 器 所 要 求 的 下 限 頻 率 。 有 關(guān) 放 大器 的 其 它 指 標 ， 請 讀 者 自 行 分 析 。 31 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 三 、 復 合 管 及 準 互 補 乙 類 功 率 放 大 器 (OCL電 路 ) 在 功 率 放 大 器 中 ， 輸 出 功 率 大 ， 輸 出 電 流 也 大 。如 要 求 輸 出 功 率 PLm=10W， 負 載 電 阻 為 10， 那 么 ， 功率 管 的 電 流 峰 值 ICm=1.414A。 若 功 率 管 的 =30， 則 要求 基 極 驅(qū) 動 電 流 IBm=41.1mA。 前 級 晶 體 管 放 大 器 或 運算 放 大 器 ， 若 輸 不 出 這 樣 大 的 電 流 來 驅(qū) 動 后 級 功 率 管 ，則 需 要 引 入 復 合 管 。 復 合 管 又 稱 達 林 頓 電 路 。 復 合 管的 總 值 為 21 總 (925) 32 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 等 效 值 的 增 大 ， 意 味 著 前 級 供 給 的 電 流 可 以 減 少 。組 成 復 合 管 的 原 則 有 以 下 幾 點 ： (1)電 流 流 向 要 一 致 。 (2)各 極 電 壓 必 須 保 證 所 有 管 子 工 作 在 放 大 區(qū) ， 即保 證 e結(jié) 正 偏 ， c結(jié) 反 偏 。 (3)因 為 復 合 管 的 基 極 電 流 iB等 于 第 一 個 管 子 的 iB1，所 以 復 合 管 的 性 質(zhì) 取 決 于 第 一 個 晶 體 管 的 性 質(zhì) 。 若 第一 個 管 子 為 PNP， 則 復 合 管 也 為 PNP,反 之 為 NPN。 正確 的 復 合 管 連 接 方 式 有 四 種 ， 如 圖 96所 示 。 33 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) (a) c e b c e b Ib Ie Ic 圖 96復 合 管 的 組 成(a)等 效 為 NPN管 ； (b)等 效 為 PNP管 ；(c)等 效 為 PNP管 ； (d)等 效 為 NPN管 34 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 圖 96復 合 管 的 組 成(a)等 效 為 NPN管 ； (b)等 效 為 PNP管 ；(c)等 效 為 PNP管 ； (d)等 效 為 NPN管 (b) ceb ceb Ib IeIc 35 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 圖 96復 合 管 的 組 成(a)等 效 為 NPN管 ； (b)等 效 為 PNP管 ；(c)等 效 為 PNP管 ； (d)等 效 為 NPN管 (c) ecb ecb Ib IcIe 36 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 圖 96復 合 管 的 組 成(a)等 效 為 NPN管 ； (b)等 效 為 PNP管 ；(c)等 效 為 PNP管 ； (d)等 效 為 NPN管 (d) ecb ecb Ib IcIe 37 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 互 補 乙 類 功 率 放 大 器 要 求 輸 出 管 V1(NPN)和V2(PNP)性 能 對 稱 匹 配 。 所 以 ， 用 復 合 管 構(gòu) 成 V1和 V2管時 ， 希 望 輸 出 管 都 用 NPN管 ， 因 為 NPN管 的 性 能 一 般比 PNP管 好 。 用 復 合 管 組 成 的 互 補 跟 隨 乙 類 功 放 如 圖97所 示 ， 其 中 NPN管 采 用 圖 96(a)電 路 ， PNP管 采 用圖 96(c)電 路 。 這 樣 ， 承 受 大 電 流 的 管 子 均 用 大 功 率NPN管 ， 此 類 電 路 稱 之 為 準 互 補 乙 類 功 率 放 大 器 ， 簡稱 OCL電 路 。 圖 中 R 1和 R2是 為 了 分 流 反 向 飽 和 電 流 而加 的 電 阻 ， 目 的 是 提 高 功 放 的 溫 度 穩(wěn) 定 性 。 38 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) ui V1 V2 V0 UCC ICO R1 R2 RL V4 V3 UEE uo圖 97 準 互 補 乙 類 功 率 放 大 器 電 路 39 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 914集 成 功 率 放 大 器 一 、 集 成 功 率 放 大 器 1.SHM1150 型 雙 極 晶 體 管 與 MOS管 混 合 的 音 頻 集 成 功 率 放 大器 集 成 化 是 功 率 放 大 器 的 發(fā) 展 必 然 ， 目 前 集 成 功 率 放 大 器 大 都 工作 在 音 頻 段 。 集 成 功 率 放 大 器 的 型 號 很 多 ， 在 此 僅 舉 例 說 明 之 。 圖 98(a)給 出 集 成 音 頻 功 率 放 大 器 SHM1150 型 的 內(nèi) 部 簡 化 電路 圖 。 這 是 一 個 由 雙 極 型 晶 體 管 和 VMOS組 成 的 功 率 放 大 器 ， 允 許電 源 電 壓 為 12V 50V， 電 路 最 大 輸 出 功 率 可 達 150W， 使 用 十 分方 便 ， 其 外 部 接 線 如 圖 98(b)所 示 。 40 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) SHM1150 RL UCC UEE 6 10 8 3 1 + -ui (b) 1 V 1 V2 ui 3 R1 I1 R2e1 e2 (a) c1 R6 R7 R8 V4 R4 R10 C R9 V5 V6 I2 R 12 R11 R13 V8 V7 V10 V9 UCC 6 8 uo UEE 10 c2 uo圖 98SHM1150 型 BiMOS集 成 功 率 放 大 器 (a)內(nèi) 部 電 路 ； (b)外 部 接 線 圖 41 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 由 圖 98(a)可 見 ， 輸 入 級 為 帶 恒 流 源 的 雙 極 型 晶體 管 差 分 放 大 器 (V1、 V2)， 雙 端 輸 出 。 第 二 級 為 單 端 輸出 的 差 分 電 路 (由 PNP管 V4、 V5組 成 )， 恒 流 源 I2為 其 有源 負 載 電 流 。 42 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 2. 橋 式 功 率 放 大 器 由 兩 個 功 率 放 大 器 構(gòu) 成 的 橋 式 功 放 可 以 增 大 輸 出功 率 。 如 圖 99所 示 .負 載 (揚 聲 器 )RL跨 接 在 A1和 A2的 輸出 端 ， 故 負 載 得 到 的 交 流 輸 出 功 率 PL為 LoL ooL RURUUP 21211 )2(21)(21 可 見 ， 橋 式 功 放 使 輸 出 功 率 增 大 到 單 個 功 放 的四 倍 。 A1和 A2的 同 相 端 都 加 2.5V的 偏 壓 ， 以 保 證 A1 、 A2正 常 工 作 。 (926) 43 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) A1 A2ui R1 10k LM4860 R2 20k uo2 0.1 0.1 5V 30k UCC 30k R3 40k uo1 R4 40k RL(負 載 ) 圖 99 橋 式 集 成 功 放 LM4860及 其 外 部 電 路 44 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng)92 整 流 器 和 直 流 穩(wěn) 壓 電 源 流 穩(wěn) 壓 電 源 是 所 有 電 子 設 備 的 重 要 組 成 部 分 ， 它的 基 本 任 務 是 將 電 力 網(wǎng) 交 流 電 壓 變 換 為 電 子 設 備 所 需要 的 穩(wěn) 定 的 直 流 電 源 電 壓 。 直 流 電 源 的 一 般 組 成 如 圖910所 示 。 其 中 變 壓 器 是 將 電 網(wǎng) 電 壓 (220V、 50Hz)變換 為 所 需 的 交 流 電 壓 ； 整 流 是 將 變 壓 器 次 級 交 流 轉(zhuǎn) 換為 單 向 脈 動 直 流 ； 濾 波 是 將 整 流 后 的 波 紋 濾 除 。 45 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) t t t t 電 源 變 壓 器 整 流 電 路 濾 波 電 路 穩(wěn) 壓 器 220V 50Hz a b c uo ui ua t ub uc uo圖 910 直 流 穩(wěn) 壓 電 源 的 基 本 框 圖 46 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 921整 流 濾 波 電 路 一 、 整 流 濾 波 電 路 利 用 二 極 管 的 單 向 導 電 性 能 可 實 現(xiàn) 整 流 。 常 用 的整 流 電 路 有 半 波 整 流 、 全 波 整 流 、 橋 式 整 流 和 倍 壓 整流 ， 如 圖 911所 示 。 47 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 220V 50Hz (a) R L V 圖 911常 用 整 流 電 路 (a)半 波 整 流 ； (b)全 波 整 流 ； (c)橋 式 整 流 ； (d)倍 壓 整 流 48 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 圖 911常 用 整 流 電 路(a)半 波 整 流 ； (b)全 波 整 流 ； (c)橋 式 整 流 ； (d)倍 壓 整 流220V50Hz (b) RLV1V2 49 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 圖 911常 用 整 流 電 路(a)半 波 整 流 ； (b)全 波 整 流 ； (c)橋 式 整 流 ； (d)倍 壓 整 流220V50Hz (c)U2 V1V2V3V4 RL 50 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 圖 911常 用 整 流 電 路(a)半 波 整 流 ； (b)全 波 整 流 ； (c)橋 式 整 流 ； (d)倍 壓 整 流220V50Hz (d)U22 U2 V1 V2 V3 V4 V5 2 U2 2 U22 U22 2 U222 2 51 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) C (a) C L (b) C2 R (c) C1 圖 912 常 用 濾 波 電 路(a)電 容 濾 波 ； (b)電 感 電 容 型 濾 波 ； (c)電 阻 電 容 型 濾 波 52 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 二 、 整 流 濾 波 電 路 的 工 作 原 理 及 主 要 性 能 1. 工 作 原 理 如 圖 913所 示 ， 全 波 整 流 的 變 壓 器 有 中 心 抽 頭 ，且 要 求 次 級 兩 繞 組 十 分 對 稱 ， 整 流 管 V1、 V2接 于 變 壓器 次 級 兩 端 和 負 載 之 間 ， 采 用 簡 單 電 容 濾 波 。 設 濾 波 電 容 電 壓 初 始 值 uC(0)=0,當 ui為 正 半 周 時 ，V 1導 通 ， V 截 止 ， ui給 C充 電 。 由 于 二 極 管 內(nèi) 阻 較 小 ，充 電 時 常 數(shù) 較 小 ， uC上 升 快 。 當 uC上 升 到 等 于 ui(t1)時 ，V1、 V2均 截 止 ， 電 容 C通 過 負 載 RL放 電 ， uo下 降 。 53 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 220V 50Hz (a) R L V 1 V2 ui N 1 N 2 C i V1 i V2 u i ui u o 圖 913全 波 整 流 電 路 及 電 壓 電 流 波 形(a)電 路 ； (b)管 子 流 過 的 電 流 及 輸 入 輸 出 電 壓 波 形 54 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 圖 913全 波 整 流 電 路 及 電 壓 電 流 波 形(a)電 路 ； (b)管 子 流 過 的 電 流 及 輸 入 輸 出 電 壓 波 形 t ui ui 0 iV t0 iV1 iV2 iV1 (b) uo ui ui u o t1 t2 55 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 2 10k (c) 1N4449 1N4449 pq4-10 2 220V/50Hz /0 Deg 圖 913全 波 整 流 電 路 及 電 壓 電 流 波 形(c)計 算 機 仿 真 波 形 (為 看 清 輸 出 波 紋 ， 故 意 將 濾 波 電 容 值 取 得 很 小 ，實 際 上 要 加 幾 百 幾 千 F) 56 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng)2. 主 要 性 能1)輸 出 直 流 電 壓 Uo不 接 濾 波 電 容 (C=0)時 : io io imimo UU UU UUU 2.1414.1 9.02 當 接 入 濾 波 電 容 (C0)， 且 負 載 RL=時 ， 輸 出 電 壓可 充 電 至 輸 入 電 壓 峰 值 ： 一 般 情 況 下 (RL ,C0)， Uo的 估 算 值 為 (927) (928) (929) 57 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 式 中 Ui為 變 壓 器 次 級 單 邊 交 流 電 壓 有 效 值 ， Uim為 交 流 振 幅 。 根 據(jù) 式 (928)， 可 以 由 Uo算 出 Ui， 從 而算 出 變 壓 比 VUNNn 220212 2)濾 波 電 容 估 算 值 濾 波 電 容 的 選 擇 要 滿 足 下 式 ， 即 LLrpp LL CTIU TCR 2 2)53(此 時 ， 波 紋 電 壓 峰 峰 值 Urpp約 為 (930) (931)式 中 ： T為 交 流 電 網(wǎng) 信 號 周 期 ； IL為 負 載 電 流 。 58 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 3)整 流 管 的 選 擇 (1)整 流 管 最 大 允 許 電 流 (2)整 流 管 反 向 擊 穿 電 壓 UBR 2Uim。 半 波 整 流 只 有 一 個 整 流 管 ， 所 以 IM IL， 且 波 紋 大 ，所 以 一 般 用 得 不 多 。 2LM II 59 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 220V 50Hz U o1 U o2 正 電 壓 輸 出 負 電 壓 輸 出圖 914 用 “ 硅 橋 ” 實 現(xiàn) 正 、 負 兩 路 直 流 輸 出 的 全 波 整 流 電 路 60 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 922串 聯(lián) 反 饋 型 線 性 穩(wěn) 壓 電 源 的 工 作 原 理 一 、 電 路 常 用 穩(wěn) 壓 電 路 有 串 聯(lián) 反 饋 型 穩(wěn) 壓 電 路 和 開 關(guān) 型 穩(wěn) 壓電 路 。 首 先 ， 我 們 介 紹 最 常 用 的 串 聯(lián) 型 穩(wěn) 壓 電 源 。 串 聯(lián) 型 穩(wěn) 壓 電 源 的 框 圖 如 圖 915所 示 。 圖 中 “ 調(diào)整 環(huán) 節(jié) ” 就 是 一 個 射 極 輸 出 器 。 取 樣 環(huán) 節(jié) 是 將 輸 出 電壓 的 變 化 樣 品 取 來 ， 加 到 一 個 誤 差 比 較 放 大 器 的 反 相輸 入 端 ， 與 同 相 輸 入 端 的 基 準 電 壓 相 比 較 。 61 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) A UB 調(diào) 整 環(huán) 節(jié) 比 較 放 大 環(huán) 節(jié) US 基 準 環(huán) 節(jié) R1 R2 取 樣 環(huán) 節(jié) RL Uo 輸 出 直 流 電 壓 (穩(wěn) 定 )輸 入 直 流 電 壓 (不 穩(wěn) 定 ) Ui RW UREF圖 915 串 聯(lián) 型 穩(wěn) 壓 電 源 框 圖 62 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 二 、 主 要 參 數(shù) 1.主 要 指 標 1)穩(wěn) 壓 系 數(shù) S S表 示 輸 出 電 壓 相 對 變 化 量 與 輸 入 電 壓 相 對 變 化 量之 比 ， 即 負 載 不 變i iooUUUUS (932) 63 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 2)輸 出 電 阻 Ro Ro表 示 負 載 變 化 (IL變 化 )對 輸 出 電 壓 的 影 響 ， 即不 變 iULoo IUR (933) 一 般 穩(wěn) 壓 器 的 Ro為 m數(shù) 量 級 。 3)溫 度 系 數(shù) STST表 示 溫 度 變 化 對 輸 出 電 壓 的 影 響 ， 其 表 達 式 為 不 變不 變LiIUoT TUS (934) 64 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 2. 調(diào) 整 管 參 數(shù) (1)調(diào) 整 管 最 大 允 許 電 流 ICM必 須 大 于 負 載 最 大 電 流 ILM。 (2)調(diào) 整 管 最 大 允 許 功 耗 PCM必 須 大 于 調(diào) 整 管 的 實 際 最大 功 耗 。 當 輸 入 電 壓 最 大 ， 而 輸 出 電 壓 最 小 、 負 載 電 流 最大 時 ， 調(diào) 整 管 的 實 際 功 耗 是 最 大 的 。 (3)調(diào) 整 管 必 須 工 作 在 線 性 放 大 區(qū) ， 其 管 壓 降 一 般 不 能小 于 34V。 (4)如 果 單 管 基 極 電 流 不 夠 ， 則 采 用 復 合 管 ； 若 單 管 輸出 電 流 不 能 滿 足 負 載 電 流 的 需 要 ， 則 可 使 用 多 管 并 聯(lián) 。 (5)電 路 必 須 具 有 過 熱 保 護 、 過 流 保 護 等 措 施 ， 以 免 調(diào)整 管 損 壞 。 65 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 3.電 路 輸 出 電 壓 調(diào) 節(jié) (1)大 波 段 調(diào) 節(jié) 依 靠 改 變 整 流 器 變 壓 器 抽 頭 。 (2)波 段 內(nèi) 調(diào) 節(jié) 靠 電 位 器 RW， 如 圖 915所 示 。 對 于誤 差 比 較 放 大 器 ， 有 REFo REFoURRU UUURRU UU )1( )1( 2121 (935) 調(diào) 節(jié) R1和 R2的 比 例 ， 即 可 調(diào) 節(jié) 輸 出 電 壓 值 。 66 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 三 、 集 成 三 端 穩(wěn) 壓 器 集 成 三 端 穩(wěn) 壓 器 是 集 成 串 聯(lián) 型 穩(wěn) 壓 電 源 ， 用 途 十分 廣 泛 ， 而 且 非 常 方 便 。 集 成 三 端 穩(wěn) 壓 器 有 78 系列 (輸 出 正 電 壓 )和 79 系 列 (輸 出 負 電 壓 )， 后 面 兩 位數(shù) 表 示 輸 出 電 壓 值 ， 如 7812， 即 表 示 輸 出 直 流 電 壓 為+12V。 圖 中 ， C1可 以 防 止 由 于 輸 入 引 線 較 長 而 帶 來 的電 感 效 應 而 產(chǎn) 生 的 自 激 。 C2用 來 減 小 由 于 負 載 電 流 瞬時 變 化 而 引 起 的 高 頻 干 擾 。 C 3為 容 量 較 大 的 電 解 電 容 ，用 來 進 一 步 減 小 輸 出 脈 動 和 低 頻 干 擾 。 67 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) LM78 U o U i C 1 C 2 1 3 2 (a) 0.1 0.1 C 3 100圖 916三 端 集 成 穩(wěn) 壓 電 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 穩(wěn) 壓 器 外 形 圖 68 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 圖 916三 端 集 成 穩(wěn) 壓 電 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 穩(wěn) 壓 器 外 形 圖LM79 UoUi C1 C22 31(b)0.1 0.1 C3 100 (c)321 69 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 三 端 穩(wěn) 壓 電 源 的 功 能 可 以 擴 展 。 圖 917給 出 幾 個功 能 擴 展 電 路 。 圖 917(a)是 一 個 擴 流 電 路 。 圖 中 V為擴 流 晶 體 管 ， 輸 出 總 電 流 Io=Io+IC。 圖 917(b)電 路 是 一 個 擴 大 輸 出 電 壓 的 電 路 ， 該 電路 輸 出 電 壓 。 式 中 ， IQ為 穩(wěn) 壓 器 靜 態(tài)工 作 電 流 ， 通 常 比 較 小 ； UR1是 穩(wěn) 壓 器 輸 出 電 壓 Uo。 所以 2 121 )1( RIRRUU QRo oRo URRURRU )1()1( 12112 (936) 70 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 圖 917(c)電 路 是 一 個 輸 出 電 壓 可 調(diào) 電 路 。 只 不 過在 三 端 穩(wěn) 壓 器 和 可 調(diào) 電 位 器 之 間 加 了 隔 離 運 放 電 路 。所 以 ， 輸 出 電 壓 表 達 式 同 式 (936)。 調(diào) 節(jié) RW的 中 心 抽頭 位 置 即 可 調(diào) 節(jié) 輸 出 電 壓 Uo值 。 71 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) LM78U i U o I o I o I C C 2 2 1 3 I C I o C 1 R V (擴 流 管 ) (a)圖 917三 端 穩(wěn) 壓 器 功 能 的 擴 展(a)擴 流 電 路 ； (b)擴 壓 電 路 ；(c)輸 出 電 壓 可 調(diào) 電 路 72 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 圖 917三 端 穩(wěn) 壓 器 功 能 的 擴 展(a)擴 流 電 路 ； (b)擴 壓 電 路 ；(c)輸 出 電 壓 可 調(diào) 電 路LM78 UoUi C1 R21 32(b) C2R1IQ 73 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 圖 917三 端 穩(wěn) 壓 器 功 能 的 擴 展(a)擴 流 電 路 ； (b)擴 壓 電 路 ；(c)輸 出 電 壓 可 調(diào) 電 路LM78 UoUi C1 (c) C2A RW 74 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 923開 關(guān) 型 穩(wěn) 壓 電 源 串 聯(lián) 型 反 饋 式 穩(wěn) 壓 電 源 用 途 廣 泛 ， 但 存 在 以 下 兩個 問 題 ： (1)調(diào) 整 管 總 工 作 在 線 性 放 大 狀 態(tài) ， 管 壓 降 大 ， 流過 的 電 流 也 大 (大 于 負 載 電 流 )， 所 以 功 耗 很 大 ， 效 率 較低 (一 般 為 40%60%)， 且 需 要 龐 大 的 散 熱 裝 置 。 (2)電 源 變 壓 器 的 工 作 頻 率 為 50Hz， 頻 率 低 而 使 得變 壓 器 體 積 大 、 重 量 重 。 75 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 開 關(guān) 穩(wěn) 壓 電 源 正 是 基 于 上 述 改 革 思 路 而 發(fā) 明 的 新型 穩(wěn) 壓 電 源 。 目 前 ， 開 關(guān) 穩(wěn) 壓 電 源 已 廣 泛 應 用 于 計 算機 、 電 視 機 及 其 它 電 子 設 備 中 。 開 關(guān) 穩(wěn) 壓 電 源 的 電 路 形 式 很 多 ， 我 們 僅 以 下 面 的例 子 對 其 工 作 原 理 加 以 簡 要 說 明 。 開 關(guān) 穩(wěn) 壓 電 源 的 一 般 框 圖 如 圖 918所 示 。 76 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) UG R Uo 穩(wěn) 壓 輸 出 一 次 整 流 二 次 整 流 A C 三 角 波 發(fā) 生 器 基 準 UR 220V 50Hz VMOS (脈 寬 調(diào) 制 ) (誤 差 放 大 ) (取 樣 ) 光 耦 合 器 隔 離 (ACDC) (ACDC) (DCAC)逆 變 器 圖 918 開 關(guān) 穩(wěn) 壓 電 源 框 圖 77 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 電 網(wǎng) 電 壓 不 穩(wěn) 使 輸 出 直 流 電 壓 Uo增 大 ， 經(jīng) 光 耦 合器 隔 離 ， 誤 差 放 大 器 反 相 輸 入 端 電 壓 增 大 ， 其 輸 出 減小 。 該 電 壓 (UC+)與 UC-的 三 角 波 比 較 結(jié) 果 ， 會 使 其 輸 出電 壓 (UG)的 占 空 比 減 小 ， 如 圖 919虛 線 所 示 ， 從 而 使VMOS導 通 時 間 減 小 ， 截 止 時 間 增 加 。 經(jīng) 二 次 整 流 后取 出 方 波 的 平 均 值 (Uo)將 隨 之 減 小 。 這 就 是 開 關(guān) 電 源 穩(wěn)壓 的 原 理 。 圖 920給 出 一 個 實 際 的 開 關(guān) 穩(wěn) 壓 電 源 的 電原 理 圖 。 78 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) t0 UC U C UG 0 t U G 0 t UC,UC 圖 919 脈 寬 調(diào) 制 器 的 各 點 波 形 79 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) C9 0.01 FR305 N1 0.31 90匝 R12 4.7k VD1 VD2 FR305 N2 0.31 820p VD 3 R11 2.5 kFR30 5 C8 R9 0.33 1W R10 1k R8 20k R7 22 C2 10 R2 120k 1W C7 470p C1 220400V R1 電 源 噪 聲 濾 波 器 PNF 補 償 反 饋 UC3842 R4 150k 1 2 C4 UREFR 610k 8 4 R R/CT GND 電 流 檢 測 C6 4700p C5 0.01 5 R3 20k R4 3.6k FU 2A 220V 50Hz 600V/3A 300V N3 1.04 5V 7A(35W) 10V 2 2W 100p 3 6 U1 U0 TR VD4 D80004 C3 0.017 VMOS IRFPG407 C10 470011匝 4匝 圖 920 一 個 實 際 的 開 關(guān) 穩(wěn) 壓 電 源 電 路 80 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 圖 920中 ， VMOS源 極 電 阻 R9為 過 流 采 樣 電 阻 。 當過 流 時 ， UR9增 大 ， 經(jīng) R10送 至 UC3842的 3端 ， 以 實 現(xiàn) 過流 保 護 的 目 的 。 C8、 VD3、 R11、 R12、 VD2和 C9構(gòu) 成 兩 級吸 收 回 路 ， 用 以 吸 收 尖 峰 干 擾 。 VD1VD3采 用 快 恢 復 的二 極 管 FR305。 VD4為 輸 出 整 流 管 ， 采 用 D80-004型 肖 特基 二 極 管 ， 以 滿 足 高 頻 、 大 電 流 整 流 的 需 要 。 該 電 路 采 用 自 饋 繞 組 反 饋 ， 而 不 是 像 圖 918所 示 的從 輸 出 電 壓 經(jīng) 光 耦 合 反 饋 ， 一 般 用 于 固 定 負 載 的 情 況 。 81 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) UC3842 1 2 3 4 8 7 6 5 UREF 輸 入 U1 輸 出 U0 地RT/CT 電 流 檢 測 反 饋 補 償 (a) 8 參 考 電 壓 1 6 7 4 振 蕩 器 內(nèi) 部 基 準 2 1 3 S R Q 5 (b) 圖 921 脈 寬 調(diào) 制 器 UC3842框 圖 82 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 93 功 率 器 件 931雙 極 型 大 功 率 晶 體 管 (BJT) 在 低 頻 功 率 放 大 器 和 串 聯(lián) 型 穩(wěn) 壓 電 源 中 ， 我 們 都 曾提 到 ， 功 率 管 的 最 大 工 作 電 流 必 須 小 于 該 功 率 管 的 最大 允 許 電 流 I CM； 最 大 工 作 反 壓 必 須 小 于 允 許 的 擊 穿 電壓 U(BR)CEO； 功 率 管 的 功 耗 要 小 于 允 許 的 最 大 功 耗 PCM。這 里 有 兩 個 問 題 還 需 加 以 說 明 ： 一 是 散 熱 與 最 大 功 耗的 關(guān) 系 ， 二 是 有 關(guān) 二 次 擊 穿 和 安 全 工 作 區(qū) 。 83 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 一 、 散 熱 與 最 大 功 耗 PCM的 關(guān) 系 我 們 知 道 ， 電 源 供 給 的 功 率 ， 一 部 分 轉(zhuǎn) 換 為 負 載的 有 用 功 率 ， 另 一 部 分 則 消 耗 在 功 率 管 的 集 電 結(jié) ， 變?yōu)?熱 能 而 使 管 芯 的 結(jié) 溫 上 升 。 如 果 晶 體 管 管 芯 的 溫 度超 過 管 芯 材 料 的 最 大 允 許 結(jié) 溫 TjM(鍺 管 TjM約 為75 100 ,硅 管 TjM約 為 150 200 )， 則 晶 體 管 將 永久 損 壞 。 我 們 把 這 個 界 限 稱 為 晶 體 管 的 最 大 允 許 功 耗P CM。 84 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 描 述 熱 傳 導 阻 力 大 小 的 物 理 量 稱 為 熱 阻 RT。 RT的 量綱 為 /W， 它 表 示 每 消 耗 1W功 率 結(jié) 溫 上 升 的 度 數(shù) 。 為減 小 散 熱 阻 力 ， 改 善 散 熱 條 件 ， 通 常 采 用 加 散 熱 器 的 方法 。 圖 922(a)給 出 一 種 鋁 型 材 散 熱 器 的 示 意 圖 。 加 散 熱器 后 ， 熱 傳 導 阻 力 等 效 通 路 如 圖 922(b)所 示 。 圖 中 ： RTj內(nèi) 熱 阻 ， 表 示 管 芯 到 管 殼 的 熱 阻 ； RTfo管 殼 到 空 間 的 熱 交 換 阻 力 ； R Tc管 殼 到 散 熱 器 之 間 的 接 觸 熱 阻 ， 與 管 殼 和 散 熱器 之 間 的 接 觸 狀 況 有 關(guān) ； RTf散 熱 器 到 空 間 的 熱 交 換 阻 力 ， 與 散 熱 器 的 形 狀 、材 料 以 及 面 積 有 關(guān) 。 85 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 圖 922散 熱 器 和 熱 傳 導 阻 力 等 效 通 路(a)鋁 型 材 散 熱 器 示 意 圖 ；(b)熱 傳 導 阻 力 等 效 通 路 (熱 阻 計 算 ) 86 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 由 圖 922可 見 ， 不 加 散 熱 器 時 ， 總 熱 阻 RTo為 由 于 管 殼 散 熱 面 積 很 小 ， RTfo是 很 大 的 。 加 散 熱 器 后 ， 由 于 (RTc+RTf)RTfo， 所 以 ， 總 熱 阻 RT為 顯 然 ， R TRTo。 功 率 管 的 最 大 允 許 功 耗 PCM與 總 熱 阻 RT、 最 高 允 許結(jié) 溫 TjM和 環(huán) 境 溫 度 To有 關(guān) ， 其 關(guān) 系 式 為TfoTjTo RRR (937)TfTcTjT RRRR (938) T ojMCM R TTP (939) 87 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 二 、 二 次 擊 穿 現(xiàn) 象 與 安 全 工 作 區(qū) 功 率 管 在 實 際 應 用 中 ， 常 發(fā) 現(xiàn) 功 耗 并 未 超 額 ， 管子 也 不 發(fā) 燙 ， 但 卻 突 然 失 效 。 這 種 損 壞 不 少 是 由 于“ 二 次 擊 穿 ” 所 致 。 所 謂 二 次 擊 穿 現(xiàn) 象 可 由 圖 923(a)來 說 明 。 當 集 電極 電 壓 uCE增 大 時 ， 首 先 可 能 出 現(xiàn) 一 次 擊 穿 (圖 中 AB段 )。這 種 擊 穿 是 正 常 的 雪 崩 擊 穿 。 二 次 擊 穿 的 起 點 與 i B大 小有 關(guān) 。 通 常 將 其 起 、 始 點 連 線 稱 為 二 次 擊 穿 臨 界 線 ，如 圖 923(b)所 示 。 88 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 圖 923功 率 管 的 二 次 擊 穿 現(xiàn) 象(a)二 次 擊 穿 現(xiàn) 象 ； (b)二 次 擊 穿 臨 界 線 89 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 為 保 證 功 率 管 安 全 可 靠 地 工 作 ， 除 保 證 電 流 小 于ICM、 功 耗 小 于 PCM、 工 作 反 壓 小 于 一 次 擊 穿 電 壓U(BR)CEO外 ， 還 應 避 免 進 入 二 次 擊 穿 區(qū) 。 所 以 ， 功 率 管的 安 全 工 作 區(qū) 如 圖 924所 示 。 90 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 圖 924 雙 極 型 功 率 管 的 安 全 工 作 區(qū) 91 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 932 功 率 MOS器 件 有 許 多 適 合 大 功 率 運 行 的 MOS器 件 ， 其 中 突 出 的代 表 是 VMOS管 和 雙 擴 散 MOS管 。 VMOS管 的 結(jié) 構(gòu) 剖 面 圖 如 圖 925所 示 。 92 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 圖 925 VMOS管 的 結(jié) 構(gòu) 剖 面 圖 93 第 9章 功 率 電 路 及 系 統(tǒng) 與 BJT管 比 較 ， VMOS具 有 許 多 優(yōu) 點 ： (1)輸 入 阻 抗 大 ， 所 需 驅(qū) 動 電 流 小 ， 功 率 增 益 高 。 (2)溫 度 穩(wěn) 定 性 好 ， 漏 極 電 阻 為 正 溫 度 系 數(shù) ， 當 器件 溫 度 上 升 時 ， 電 流 受 到 限 制 ， 不 可 能 產(chǎn) 生 熱 擊 穿 ，也 不 可 能 產(chǎn) 生 二 次 擊 穿 。 (3)沒 有 BJT管 的 少 子 存 貯 問 題 ， 加 之 極 間 電 容 小 ，所 以 開 關(guān) 速 度 快 ， 適 合 高 頻 工 作 (工 作 頻 率 達 幾 百 kHz甚 至 于 幾 MHz)。 在 VMOS基 礎(chǔ) 上 加 以 改 進 ， 目 前 又 出現(xiàn) 了