电力电子技术功率 BJT 电路设计

BJT是所有电子元件之王，它改变了电子技术的进程。晶体管_也可以是一个功率元件，并允许重要的电流值通过。功率 BJT 虽然采用与信号晶体管不同的技术制造，但具有非常相似的工作特性。主要区别在于较高的耐受电压和电流值以及较低的电流增益。为此，需要以相当高的基极电流驱动功率晶体管。

功率晶体管的开关速度不是很高，因此，在最新一代的设计中，不再使用这些组件。功率 BJT 由三个端子组成：集电极 (C)、发射极 (E) 和基极 (B)。发射极-基极结远小于集电极-基极结。基极很薄，电子可以很容易地穿过它，到达集电极区，它携带更多的电荷。功率晶体管用于放大器、电源和开关电路。

当一个小信号被馈送到基极时，BJT 会传导大量电流。只要在底座上有控制信号，该组件就保持在 ON 状态。功率晶体管可以用作放大器、线性区域或开关。如果它用作放大器，那么小的输入电流会产生大的输出电流。相反，作为开关，它工作在遮断 (OFF) 或饱和 (ON) 状态，耗散更少的功率。图 5 显示了晶体管的一般操作。该方案包括辉煌的 2N3055 晶体管，具有以下特性的示例：

集电极-基极电压 (VCBO)：100 V;

集电极-发射极电压 (VCEO)：60 V;

发射极-基极电压 (VEBO)：7 V;

集电极电流 (Ic)：15 A;

基极电流 (Ib)：7 A;

总功耗(Pd，TC=25°C)：115 W;

直流电流增益 (hfe)：70。

示例电路的特点是直流电源电压为 48 V，灯为 3 A，基极电阻为 220 Ohm。在饱和条件下，约 200 mA 的基极电流足以使约 3 A 的电流通过集电极和负载，晶体管的总功耗约为 1.5 W。为确保良好的饱和度，它足以让比理论电流高 4-5 倍的电流通过基极，显然是考虑到组件的增益。图“a”显示了集电极电流随基极电流变化的趋势。在电路采用的配置中，比例集电极电流对应于 0 mA 和 200 mA 之间的基极电流。一旦超过这个门槛，晶体管处于饱和状态，基极电流的进一步增加不再影响集电极电流。下一个模拟涉及通过两种不同的技术以一半功率打开灯泡：

· 提供基极电流以使集电极达到 VCC / 2;

· PWM信号的使用

在第一种情况下，使用了一个 850 欧姆的电阻，以使仅 56 mA 的电流通过基极，使晶体管进入线性区域，并在集电极上流过 1.5 A 的电流。这种技术有效并且允许灯泡以一半的光亮起，但晶体管耗散(以及随之而来的功率损耗)太高(参见图表“b”的结果)。事实上，测量产生了以下结果：

IB：56毫安;

Ic：1.58 安;

Pd(电池)：75.8 W;

Pd(灯)：37.4 W;

Pd(BJT)：38.4 瓦;

Pd(R_base)：2.6W;

效率：只有49.3%。

超过 50% 的功率因晶体管不必要地因热量而损失，为了使其无危险地工作，必须使用良好的散热器对其进行充分冷却。然而，使用 PWM 技术，在获得与灯相同的照明时，耗散和功率损耗要低得多。该技术包括使晶体管的基极经受一系列适当宽度的开-关脉冲。负载由所有可用能量供电，并且半导体组件耗散非常低的功率。对 PWM 解决方案进行的测量返回以下结果：

信号：矩形 50 Hz，占空比 25 %;

Ib：53毫安(平均);

Ic：0.8 A(平均);

Pd(电池)：38.1 W;

Pd(灯)：37.7 W;

Pd(BJT)：385.6 毫瓦;

Pd(R_base)：2.54 W;

效率：99%。

您会立即注意到两种解决方案在效率和功耗方面的差异。图“c”显示了晶体管导通开始时的功率损耗。在这种仅持续几微秒的情况下，电流和电压不再彼此同相，并产生耗散功率的高峰值。在元件导通结束期间也会重复相同的峰值。所有电源设备都存在同样的问题。

结论

在本文中，我们研究了一些更常用的功率元件。

在一些解决方案中，它们仍然被使用。

其他功率元件类型将在下一篇文章中进行探讨;其中一些是近年来电子技术开发的设备，代表了该行业的未来。

在低噪声放大器的设计中，可能会花很多时间去考虑把噪声系数设计小，把带宽设计宽，把驻波设计好，但是可能对于偏置电路就没有那么关注。

主要可能是因为偏置电路的结构相对固定，而且射频微波放大器的管子，一般都给出了相应静态工作点下面的S参数，选好想用的S参数，选一个偏置电路，计算器件值就可以了。

但是，偏置电路就像人体中的一些小器官一样，纵使一般情况下想不起它，但是没有它，却是万万不能的。

一个好的偏置电路的设计，是选取一个合适的静态工作点，并且保证这个静态工作点尽可能的稳定。

怎么说呢?

管子想要放大，需要先进入到一定的工作区内，即设置一个合适的静态工作点，然后给一个小的电压变化输入，才能得到一个大的电流变化输出，配上负载，就是大的电压变化输出，才能有增益出来。

当然，你也得保持这个静态工作点尽可能的稳定，不要温度一变，静态工作点就飘出工作区了。

对于BJT放大器来说，经常用的两种无源偏置网络如下图所示。

计算可以参考文献[2]，如果想要电子版，可以加我微信。

那怎么选择偏置点呢?

如果是想要低噪声并且低功耗的话，那推荐选择偏置点A，此时静态工作电流比较低;如果想要低噪声，高增益的话，那推荐选择偏置点B;如果想要高输出功率，并且为A类线性放大的话，推荐选择偏置点C;如果想要高功率和高效率的话，则推荐偏置点D[1]。

不过，我以前设计低噪放的时候，压根就没考虑过这些。

比如说，厂家的器件手册上给了2V/10mA的S参数和噪声参数，然后看看，发现能够符合要求，然后就按这个偏置点来设计了。