電力電子技術(shù)功率 BJT 電路設(shè)計(jì)

BJT是所有電子元件之王，它改變了電子技術(shù)的進(jìn)程。晶體管_也可以是一個(gè)功率元件，并允許重要的電流值通過。功率 BJT 雖然采用與信號(hào)晶體管不同的技術(shù)制造，但具有非常相似的工作特性。主要區(qū)別在于較高的耐受電壓和電流值以及較低的電流增益。為此，需要以相當(dāng)高的基極電流驅(qū)動(dòng)功率晶體管。

功率晶體管的開關(guān)速度不是很高，因此，在最新一代的設(shè)計(jì)中，不再使用這些組件。功率 BJT 由三個(gè)端子組成：集電極 (C)、發(fā)射極 (E) 和基極 (B)。發(fā)射極-基極結(jié)遠(yuǎn)小于集電極-基極結(jié)?；鶚O很薄，電子可以很容易地穿過它，到達(dá)集電極區(qū)，它攜帶更多的電荷。功率晶體管用于放大器、電源和開關(guān)電路。

當(dāng)一個(gè)小信號(hào)被饋送到基極時(shí)，BJT 會(huì)傳導(dǎo)大量電流。只要在底座上有控制信號(hào)，該組件就保持在 ON 狀態(tài)。功率晶體管可以用作放大器、線性區(qū)域或開關(guān)。如果它用作放大器，那么小的輸入電流會(huì)產(chǎn)生大的輸出電流。相反，作為開關(guān)，它工作在遮斷 (OFF) 或飽和 (ON) 狀態(tài)，耗散更少的功率。圖 5 顯示了晶體管的一般操作。該方案包括輝煌的 2N3055 晶體管，具有以下特性的示例：

集電極-基極電壓 (VCBO)：100 V;

集電極-發(fā)射極電壓 (VCEO)：60 V;

發(fā)射極-基極電壓 (VEBO)：7 V;

集電極電流 (Ic)：15 A;

基極電流 (Ib)：7 A;

總功耗(Pd，TC=25°C)：115 W;

直流電流增益 (hfe)：70。

示例電路的特點(diǎn)是直流電源電壓為 48 V，燈為 3 A，基極電阻為 220 Ohm。在飽和條件下，約 200 mA 的基極電流足以使約 3 A 的電流通過集電極和負(fù)載，晶體管的總功耗約為 1.5 W。為確保良好的飽和度，它足以讓比理論電流高 4-5 倍的電流通過基極，顯然是考慮到組件的增益。圖“a”顯示了集電極電流隨基極電流變化的趨勢(shì)。在電路采用的配置中，比例集電極電流對(duì)應(yīng)于 0 mA 和 200 mA 之間的基極電流。一旦超過這個(gè)門檻，晶體管處于飽和狀態(tài)，基極電流的進(jìn)一步增加不再影響集電極電流。下一個(gè)模擬涉及通過兩種不同的技術(shù)以一半功率打開燈泡：

· 提供基極電流以使集電極達(dá)到 VCC / 2;

· PWM信號(hào)的使用

在第一種情況下，使用了一個(gè) 850 歐姆的電阻，以使僅 56 mA 的電流通過基極，使晶體管進(jìn)入線性區(qū)域，并在集電極上流過 1.5 A 的電流。這種技術(shù)有效并且允許燈泡以一半的光亮起，但晶體管耗散(以及隨之而來的功率損耗)太高(參見圖表“b”的結(jié)果)。事實(shí)上，測(cè)量產(chǎn)生了以下結(jié)果：

IB：56毫安;

Ic：1.58 安;

Pd(電池)：75.8 W;

Pd(燈)：37.4 W;

Pd(BJT)：38.4 瓦;

Pd(R_base)：2.6W;

效率：只有49.3%。

超過 50% 的功率因晶體管不必要地因熱量而損失，為了使其無危險(xiǎn)地工作，必須使用良好的散熱器對(duì)其進(jìn)行充分冷卻。然而，使用 PWM 技術(shù)，在獲得與燈相同的照明時(shí)，耗散和功率損耗要低得多。該技術(shù)包括使晶體管的基極經(jīng)受一系列適當(dāng)寬度的開-關(guān)脈沖。負(fù)載由所有可用能量供電，并且半導(dǎo)體組件耗散非常低的功率。對(duì) PWM 解決方案進(jìn)行的測(cè)量返回以下結(jié)果：

信號(hào)：矩形 50 Hz，占空比 25 %;

Ib：53毫安(平均);

Ic：0.8 A(平均);

Pd(電池)：38.1 W;

Pd(燈)：37.7 W;

Pd(BJT)：385.6 毫瓦;

Pd(R_base)：2.54 W;

效率：99%。

您會(huì)立即注意到兩種解決方案在效率和功耗方面的差異。圖“c”顯示了晶體管導(dǎo)通開始時(shí)的功率損耗。在這種僅持續(xù)幾微秒的情況下，電流和電壓不再彼此同相，并產(chǎn)生耗散功率的高峰值。在元件導(dǎo)通結(jié)束期間也會(huì)重復(fù)相同的峰值。所有電源設(shè)備都存在同樣的問題。

結(jié)論

在本文中，我們研究了一些更常用的功率元件。

在一些解決方案中，它們?nèi)匀槐皇褂谩?

其他功率元件類型將在下一篇文章中進(jìn)行探討;其中一些是近年來電子技術(shù)開發(fā)的設(shè)備，代表了該行業(yè)的未來。

在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中，可能會(huì)花很多時(shí)間去考慮把噪聲系數(shù)設(shè)計(jì)小，把帶寬設(shè)計(jì)寬，把駐波設(shè)計(jì)好，但是可能對(duì)于偏置電路就沒有那么關(guān)注。

主要可能是因?yàn)槠秒娐返慕Y(jié)構(gòu)相對(duì)固定，而且射頻微波放大器的管子，一般都給出了相應(yīng)靜態(tài)工作點(diǎn)下面的S參數(shù)，選好想用的S參數(shù)，選一個(gè)偏置電路，計(jì)算器件值就可以了。

但是，偏置電路就像人體中的一些小器官一樣，縱使一般情況下想不起它，但是沒有它，卻是萬萬不能的。

一個(gè)好的偏置電路的設(shè)計(jì)，是選取一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，并且保證這個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)盡可能的穩(wěn)定。

怎么說呢?

管子想要放大，需要先進(jìn)入到一定的工作區(qū)內(nèi)，即設(shè)置一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，然后給一個(gè)小的電壓變化輸入，才能得到一個(gè)大的電流變化輸出，配上負(fù)載，就是大的電壓變化輸出，才能有增益出來。

當(dāng)然，你也得保持這個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)盡可能的穩(wěn)定，不要溫度一變，靜態(tài)工作點(diǎn)就飄出工作區(qū)了。

對(duì)于BJT放大器來說，經(jīng)常用的兩種無源偏置網(wǎng)絡(luò)如下圖所示。

計(jì)算可以參考文獻(xiàn)[2]，如果想要電子版，可以加我微信。

那怎么選擇偏置點(diǎn)呢?

如果是想要低噪聲并且低功耗的話，那推薦選擇偏置點(diǎn)A，此時(shí)靜態(tài)工作電流比較低;如果想要低噪聲，高增益的話，那推薦選擇偏置點(diǎn)B;如果想要高輸出功率，并且為A類線性放大的話，推薦選擇偏置點(diǎn)C;如果想要高功率和高效率的話，則推薦偏置點(diǎn)D[1]。

不過，我以前設(shè)計(jì)低噪放的時(shí)候，壓根就沒考慮過這些。

比如說，廠家的器件手冊(cè)上給了2V/10mA的S參數(shù)和噪聲參數(shù)，然后看看，發(fā)現(xiàn)能夠符合要求，然后就按這個(gè)偏置點(diǎn)來設(shè)計(jì)了。