2022-2023学年高二物理竞赛课件：按功率放大器的负载性质分类

按功率放大器的负载性质分类 ① 非谐振功放（纯电阻性负载） ② 谐振功放（电抗性负载） 按功率放大器的负载性质分类： 讨论：若减少 PC，则要减少 iC × vCE 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 iC ＝ 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，vCE ≈ vCE (sat) 很小，因此，导通时，半个周期内的瞬时管耗 iC × vCE 处在很小的值上。截止时，不论 vCE 为何值，iC 趋于 0，iC × vCE 也处在零值附近。结果 PC 很小，ηC 显著增大。 小结：为提高ηC ，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：AC、DC 按电能的变换方式，可分四种。 1、整流器。50Hz AC—DC，例：工业控制系统中用晶闸管（亦称硅可控元件SCR）构成可控整流器，其VO可调，作直流电机调速。 2、DC—DC变换器（斩波器）。VO变极性或大小。例：开关电源、工业控制的作直流电机调速 。 晶闸管（Thyristor)SCR，是一种大功率半导体器件，出现于70年代。由三个PN结构成的大功率半导体器件，多用于可控整流、逆变、调压、无触点开关电路中。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。 晶闸管特点：体积小、重量轻、无噪声、寿命长、 容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。 晶闸管SCR 晶闸管基本结构 A（阳极） 四 层 半 导 体 K（阴极） G（控制极） P1 P2 N1 三 个 PN 结 N2 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。 1.1.3 功率器件 3、DC—AC（VO的幅度和f不同）（逆变器）。 作变频电源、UPS、工业控制作交流电机的变频调速。 4、AC—AC（ 50Hz变VO的幅度或f不同）。 变幅度：交流调压器；变f：周波变换器。 作交流电机的调压、调速。 要求：1. 安全。 2. 高效率。 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 PCM。还与散热条件密切相关。 PCMaX ≤ (2) 集电极击穿电压 V(BR)CEO vCEmax≤ (3) 集电极最大允许电流 ICM ICMaX ≤ 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 PCM 耗散在功率管中的功率 PC 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，EB结上的热量很容易散发到周围空气中，则EB结就会在某一较低温度上达到热平衡，此时，EB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。 集电结结温 (Tj) 升高 → 集电极电流 (iC) 增大 → PC 增大 → Tj 随之升高 → iC 增大 → PC 增大 → Tj 升高，如此反复，直至 Tj 超过集电结最高允许温度 TjM，导致管子被烧坏的一种恶性循环现象。 热崩 (Thermal runaway)： 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) (a) (b) 功率管底座上加装散热器。 (c) 相应的热等效电路。 实践中，为有利EB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， 图1-1-4 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。 大量实践表明：要保证功率管安全工作，除满足由 PCM、ICM 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