9.3 功率放大电路的安全运行

在功率放大电路中，功放管既要流过大电流，又要承受高电压。例如，在 OCL 电路中，只有功放管满足式（9.2.13）所示极限值的要求，电路才能正常工作。因此，所谓功率放大电路的安全运行，就是要保证功放管安全工作。在实用电路中，常加保护措施，以防止功放管过电压、过电流和过功耗。

一、功放管的二次击穿

从晶体管的输出特性可知，对于某一条输出特性曲线，当 c - e 之间电压增大到一定数值时，晶体管将产生击穿现象；而且，$I_B$ 愈大，击穿电压愈低，称这种击穿为 “一次击穿”。晶体管在一次击穿后，集电极电流会骤然增大，若不加以限制，则晶体管的工作点变化到临界点 $A$ 时，工作点将以毫秒甚至微秒级的高速度从 $A$ 点到 $B$ 点，此时电流猛增，而管压降却减小，如图9.3.1(a)所示，称为 “二次击穿”。晶体管经二次击穿后，性能将明显下降，甚至造成永久性损坏。

$I_B$ 不同时二次击穿的临界点不同，将它们连接起来，变得到二次击穿的临界区县，简称为 $\text{S/B}$ 曲线，如图（b）所画。从二次击穿产生的过程可知，防止晶体管的一次击穿，并限制其集电极电流，就可避免二次击穿。例如，在功放管的 c - e 间加稳压管，就可防止其一次击穿。

二、功放管的散热问题

功放管损坏的重要原因是其实际耗散功率超过额定数值 $P_{CM}$。而晶体管的耗散功率取决于管子内部的 $\text{PN}$ 结（主要是集电结）温度 $T_j$。当 $T_j$ 超过允许值后，集电极电流将急剧增大而烧坏管子。硅管的结温允许值为 $120\sim 180℃$，锗管的结温允许值为 $85℃$ 左右。耗散功率等于结温在允许值时集电极电流与管压降之积。管子的功耗愈大，结温愈高。因而改善功放管的散热条件，可以在同样的结温下提高集电极最大耗散功率 $P_{CM}$，也就可以提高输出功率。

1、热阻的概念

热在物体中传导时所受到的阻力用 “热阻” 来表示。当晶体管集电结消耗功率时，$\text{PN}$ 结产生温升，热量从管芯向外传递。设结温为 $T_j$，环境温度为 $T_a$，则温差 $\Delta T(=T_j-T_a)$ 与集电结耗散功率 $P_C$ 成正比，比例系数称为热阻 $R_T$，即$$\Delta T=T_j-T_a=P_C{R}_T(\mathrm{9.3.1})$$可见，热阻 $R_T$ 是传递单位功率时所产生的温差，单位为 $℃/\text{W}$。$R_T$ 愈大，表明相同温差下能够散发的热能愈小。换言之，$R_T$ 愈大，表明同样的功耗下结温升愈大。可见，热阻是衡量晶体管散热能力的一个重要参数。
当晶体管结温功耗达到最大允许值 $T_{jM}$ 时，集电结功耗也达到 $P_{CM}$，若环境温度为 $T_a$，则$$\Delta T=T_{jM}-T_a=P_{CM}{R}_T$$$$P_{CM}=\frac{T_{jM}-T_a}{R_T}(\mathrm{9.3.2})$$式（9.3.2）中，若管子型号确定，则 $T_{jM}$ 也就确定。$T_a$ 常以 $25℃$ 为基准，因而若要增大 $P_{CM}$，必须减小 $R_T$。

2、热阻的估算

以晶体管为例，管芯（J）向环境（A）散热的途径有两条：管芯（J）到外壳（C），再经外壳到环境；或者管芯（J）到外壳（C），再经散热片（S）到环境。即 $\text{J}\to \text{C}\to \text{A}$ 或 $\text{J}\to \text{C}\to \text{S}\to \text{A}$，如图9.3.2(a)所示。设 $\text{J - C}$ 间热阻为 $R_{jc}$，$\text{C - A}$ 间热阻为 $R_{ca}$，$\text{C - S}$ 间热阻为 $R_{cs}$，$\text{S - A}$ 间热阻为 $R_{sa}$，则反映晶体管散热情况的热阻模型如图（b）所示。

在小功率放大电路中，放大管一般不加散热器，故晶体管的等效热阻为$$R_T=R_{jc}+R_{ca}(\mathrm{9.3.3})$$在大功率放大电路中，功放管一般均要加散热器，且 $R_{cs}+R_{sa}<<R_{ca}$，故$$R_T\approx R_{jc}+R_{cs}+R_{sa}(\mathrm{9.3.4})$$不同型号的管子 $R_{jc}$ 不同，如 3AD30 的 $R_{jc}$ 为 $1℃/\text{W}$，而 3DG7 的 $R_{jc}$ 却大于 $150℃/\text{W}$，可见其差别很大。$R_{ca}$ 与外壳所用材料和几何尺寸有关，如大功率管 3AD30 的 $R_{ca}$ 为 $30℃/\text{W}$，而小功率管 3DG7 的 $R_{ca}$ 为 $150℃/\text{W}$。
式（9.3.4）中的 $R_{cs}$ 既取决于晶体管和散热器之间是否加绝缘层（如聚乙烯薄膜、$0.05\sim 0.1\text{mm}$ 的云母片），又取决于二者之间的接触面积和压紧程度。$R_{sa}$ 与散热器所用材料及其表面积大小、厚薄、颜色，和散热片的安装位置等因素紧密相关。

3、功放管的散热器

两种散热器如图9.3.3所示。经验表明，当散热器垂直或水平放置时，有利于通风，故散热效果较好。散热器表面钝化涂黑，有利于热辐射，从而可以减小热阻。在产品手册中给出的最大集电极耗散功率是在指定散热器（材料、尺寸等）及一定环境温度下的允许值；若改善散热条件，如加大散热器、用电风扇强制风冷，则可获得更大一些的散热功率。