【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 正向偏置條件下，二極管可用一個(gè)結(jié)偏置壓降和連續(xù)變化的電阻來表示，這樣可畫出一條斜率為正的伏安特性曲線。導(dǎo)通壓降會(huì)引起導(dǎo)通損耗，必須用合適的吸熱設(shè)備對(duì)二極管進(jìn)行冷卻來限制結(jié)溫上升。在反向偏置條件下，由于少數(shù)載流子的存在，有很小的泄漏電流流過，泄漏電流隨電壓逐漸增加。如果反向電壓超過了臨界值，叫做擊穿電壓，二極管雪崩擊穿，雪崩擊穿指的是當(dāng)反向電流變大時(shí)由于結(jié)功率損耗過大造成的熱擊穿。電力二極管分類如下:標(biāo)準(zhǔn)或慢速恢復(fù)二極管快速恢復(fù)二極管肖特基二極管 晶閘管閘流管或可控硅一直是工業(yè)上用于大功率變換和控制的傳統(tǒng)設(shè)備。50年代后期，這種裝置的投入使用開辟了現(xiàn)代固態(tài)電力電子技術(shù)。術(shù)語“晶閘管”來自與其相應(yīng)的充氣管等效裝置，閘流管。通常，晶閘管是個(gè)系列產(chǎn)品的總稱，包括可控硅、雙向可控硅、門極可關(guān)斷晶閘管、金屬氧化物半導(dǎo)體控制的晶閘管、集成門極換向晶閘管。晶閘管可分成標(biāo)準(zhǔn)或慢速相控型，快速開關(guān)型，電壓回饋逆變器型。逆變器型現(xiàn)已淘汰。圖14A2給出了晶閘管符號(hào)和它的伏安特性曲線?；旧?，晶閘管是一個(gè)三結(jié)PNPN 器件，器件內(nèi)PNP 和NPN 兩個(gè)三極管按正反饋方式連接。晶閘管可阻斷正向和反向電壓（對(duì)稱阻斷）。當(dāng)陽(yáng)極為正時(shí)，晶閘管可由一個(gè)短暫的正門極電流脈沖觸發(fā)導(dǎo)通；但晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制晶閘管關(guān)斷的能力。晶閘管也可由陽(yáng)極過電壓、陽(yáng)極電壓的上升率（dv/dt）、結(jié)溫的上升、PN結(jié)上的光照等產(chǎn)生誤導(dǎo)通。在門電流IG = 0時(shí)，如果將正向電壓施加到晶閘管上，由于中間結(jié)的阻斷會(huì)產(chǎn)生漏電流；如果電壓超過臨界極限（轉(zhuǎn)折電壓），晶閘管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。隨著門極控制電流IG 的增加，正向轉(zhuǎn)折電壓隨之減少，最后，當(dāng)門極控制電流IG= IG3時(shí)，整個(gè)正向阻斷區(qū)消失，晶閘管的工作狀態(tài)就和二極管一樣了。在晶閘管的門極出現(xiàn)一個(gè)最小電流，即阻塞電流，晶閘管將成功導(dǎo)通。 在導(dǎo)通期間，如果門極電流是零并且陽(yáng)極電流降到臨界極限值以下，稱作維持電流，晶閘管轉(zhuǎn)換到正向阻斷狀態(tài)。相對(duì)反向電壓而言，晶閘管末端的PN 結(jié)處于反向偏置狀態(tài)?，F(xiàn)在的晶閘管具有大電壓（數(shù)千伏）、大電流（數(shù)千安）額定值。雙向可控硅雙向可控硅有復(fù)雜的復(fù)結(jié)結(jié)構(gòu)，但從功能上講，它是在同一芯片上一對(duì)反并聯(lián)的相控晶閘管。圖14A3給出了雙向可控硅的符號(hào)。在電源的正半周和負(fù)半周雙向可控硅通過施加門極觸發(fā)脈沖觸發(fā)導(dǎo)通。在Ⅰ+工作方式，T2端為正，雙向可控硅由正門極電流脈沖觸發(fā)導(dǎo)通。在Ⅲ工作方式，T1端為正，雙向可控硅由負(fù)門極電流脈沖觸發(fā)導(dǎo)通雙向可控硅比一對(duì)反并聯(lián)的晶閘管便宜和易于控制，但它的集成結(jié)構(gòu)有一些缺點(diǎn)。由于少數(shù)載流子效應(yīng)，雙向可控硅的門極電流敏感性較差，關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)。由于同樣的原因，重復(fù)施加的dv/dt 額定值較低，因此用于感性負(fù)載比較困難。雙向可控硅電路必須有精心設(shè)計(jì)的RC 沖器。雙向可控硅用于電燈的亮度調(diào)節(jié)、加熱控制、聯(lián)合型電機(jī)驅(qū)動(dòng)、50/60赫茲電源頻率的固態(tài)繼電器。門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管，顧名思義，是一種晶閘管類型的器件。同其他晶閘管一樣，它可以由一個(gè)小的正門極電流脈沖觸發(fā)，但除此之外，它還能被負(fù)門極電流脈沖關(guān)斷。GTO 的關(guān)斷能力來自由門極轉(zhuǎn)移PNP 集電極的電流，因此消除PNP／NPN 的正反饋效應(yīng)。GTO 有非對(duì)稱和對(duì)稱電壓阻斷兩種類型，分別用于電壓回饋和電流回饋?zhàn)儞Q器。 GTO 的阻斷電流增益定義為陽(yáng)極電流與阻斷所需的負(fù)門極電流之比，典型值為4或5，非常低。這意味著6000安培的GTO 需要1,500安培的門極電流脈沖。但是，脈沖化的門極電流和與其相關(guān)的能量非常小，用低壓電力MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管提供非常容易。GTO被用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、靜態(tài)無功補(bǔ)償器和大容量AC/DC 電源。大容量GTO的出現(xiàn)取代了強(qiáng)迫換流、電壓回饋的可控硅換流器。圖14A4給出了GTO的符號(hào)。電力MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管與以前討論的器件不同，電力MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種單極、多數(shù)載流子、“零結(jié)”、電壓控制器件。圖14A5給出了N型MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的符號(hào)如果柵極電壓為正并且超過它的門限值，N 型溝道將被感應(yīng)，允許在漏極和源極之間流過由多數(shù)載流子（電子）組成的電流。雖然柵極阻抗在穩(wěn)態(tài)非常高，有效的柵—源極電容在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖電流。MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管有不對(duì)稱電壓阻斷能力，如圖所示內(nèi)部集成一個(gè)通過所有的反向電流的二極管。二極管具有慢速恢復(fù)特性，在高頻應(yīng)用場(chǎng)合下通常被一個(gè)外部連接的快速恢復(fù)二極管旁路。 雖然對(duì)較高的電壓器件來說，MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管處于導(dǎo)通時(shí)損耗較大，但它的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間非常小，因而開關(guān)損耗小。它確實(shí)沒有與雙極性器件相關(guān)的少數(shù)載流子存儲(chǔ)延遲問題。雖然在靜態(tài)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管可由電壓源來控制，通常的做法是在動(dòng)態(tài)由電流源驅(qū)動(dòng)而后跟隨一個(gè)電壓源來減少開關(guān)延遲。 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管在低壓、小功率和高頻（數(shù)十萬赫茲）開關(guān)應(yīng)用等領(lǐng)域得到極其廣泛的應(yīng)用。譬如開關(guān)式電源、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和固態(tài)直流繼電器。絕緣柵雙極型晶體管在20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的絕緣柵雙極型晶體管是功率半導(dǎo)體器件發(fā)展歷史上的一個(gè)重要里程碑。它們?cè)谥械裙β剩〝?shù)千瓦到數(shù)兆瓦）的電力電子設(shè)備上處處可見，被廣泛用于直流/交流傳動(dòng)和電源系統(tǒng)。它們?cè)跀?shù)兆瓦功率級(jí)取代了雙極結(jié)型晶體管，在數(shù)千瓦功率級(jí)正在取代門極可關(guān)斷晶閘管。IGBT 基本上是混合的MOS 門控通斷雙極性晶體管，它綜合了MOSFET 和BJT 的優(yōu)點(diǎn)。它的結(jié)構(gòu)基本上與MOSFET 的結(jié)構(gòu)相似，只是在MOSFET 的N+漏極層上的集電極加了一個(gè)額外的P+層。 IGBT有MOSFET 的高輸入阻抗和像BJT 的導(dǎo)通特性。如果門極電壓相對(duì)于發(fā)射極為正，P 區(qū)的N 型溝道受到感應(yīng)。這個(gè)PNP 晶體管正向偏置的基極—發(fā)射極結(jié)使IGBT導(dǎo)通并引起 N－區(qū)傳導(dǎo)性調(diào)制，這使得導(dǎo)通壓降大大低于MOSFET 的導(dǎo)通壓降。在導(dǎo)通條件下，在IGBT 的等效電路中，驅(qū)動(dòng)器MOSFET 運(yùn)送大部分的端子電流。由寄生NPN 晶體管引起的與晶閘管相似的阻塞作用通過有效地減少P+層電阻系數(shù)和通過MOSFET 將大部分電流轉(zhuǎn)移而得到預(yù)防。IGBT通過減小門極電壓到零或負(fù)電壓來關(guān)斷，這樣就切斷了P 區(qū)的導(dǎo)通通道。IGBT比BJT 或MOSFET 有更高的電流密度。IGBT 的輸入電容(Ciss)比MOSFET 的要小得多。還有，IGBT的門極—集電極電容與門極—發(fā)射極電容之比更低，給出了改善的密勒反饋效應(yīng)。金屬氧化物半導(dǎo)體控制的晶閘管金屬氧化物半導(dǎo)體控制的晶閘管(MCT)，正像名字所說的那樣，是一種類似于晶閘管，通過觸發(fā)進(jìn)入導(dǎo)通的混合器件，它可以通過在MOS 門施加一個(gè)短暫的電壓脈沖來控制通斷。MCT 具有微單元結(jié)構(gòu)，在那里同一個(gè)芯片上數(shù)千個(gè)微器件并聯(lián)連接。單元結(jié)構(gòu)有點(diǎn)復(fù)雜。 圖14A7 給出了MCT 的符號(hào)。它由一個(gè)相對(duì)于陽(yáng)極的負(fù)電壓脈沖觸發(fā)導(dǎo)通，由一個(gè)相對(duì)于陽(yáng)極的正電壓脈沖控制關(guān)斷。MCT 具有類似晶閘管的PNPN 結(jié)構(gòu)，在那里PNP 和NPN 兩個(gè)晶體管部件連接成正反饋方式。但與晶閘管不同的是MCT只有單極（或不對(duì)稱）電壓阻斷能力。如果MCT 的門極電壓相對(duì)于陽(yáng)極為負(fù)，在P 型場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的P 溝道受到感應(yīng)，使NPN 晶體管正向偏置。這也使 PNP 晶體正向偏置，由正反饋效應(yīng)MCT進(jìn)入飽和狀態(tài)。在導(dǎo)通情況下，壓降為1伏左右（類似于晶閘管）如果MCT 的門極電壓相對(duì)于陽(yáng)極為正，N 型場(chǎng)效應(yīng)晶體管飽和并將PNP 晶體管的發(fā)射極基極短路。這將打破晶閘管工作的正反饋環(huán)，MCT關(guān)斷。關(guān)斷完全是由于再結(jié)合效應(yīng)因而MCT 的關(guān)斷時(shí)間有點(diǎn)長(zhǎng)。MCT 有限定的上升速率，因此在MCT 變換器中必須加緩沖器電路。最近，MCT 已用于“軟開關(guān)”變換器中，在那不用限定上升速率。盡管電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，MCT的電流卻比電力 MOSFET、BJT和IGBT的大，因此它需要有一個(gè)較小的死區(qū)。1992年在市場(chǎng)上可見到MCT，現(xiàn)在可買到中等功率的MCT。MCT的發(fā)展前景尚未可知。集成門極換向晶閘管集成門極換向晶閘管是當(dāng)前電力半導(dǎo)體家族的最新成員，由ABB 在1997年推出。圖14A8給出了IGCT 的符號(hào)。基本上，IGCT是一個(gè)具有單位關(guān)斷電流增益的高壓、大功率、硬驅(qū)動(dòng)不對(duì)稱阻塞的GTO。這表示具有可控3,000安培陽(yáng)極電流的4,500 V IGCT需要3,000安培負(fù)的門極關(guān)斷電流。這樣一個(gè)持續(xù)時(shí)間非常短、di/dt非常大、能量又較小的門極電流脈沖可以由多個(gè)并聯(lián)的MOSFET來提供，并且驅(qū)動(dòng)電路中的漏感要特別低。 門驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)置在IGCT模塊內(nèi)。IGCT內(nèi)有一對(duì)單片集成的反并聯(lián)二極管。導(dǎo)通壓降、導(dǎo)通時(shí)電流上升率di/dt 、門驅(qū)動(dòng)器損耗、少數(shù)載流子存儲(chǔ)時(shí)間、關(guān)斷時(shí)電壓上升率dv/dt 均優(yōu)于GTO 。IGCT更快速的通斷時(shí)間使它不用加緩沖器并具有比GTO 更高的開關(guān)頻率。多個(gè)IGCT可以串聯(lián)或并聯(lián)用于更大的功率場(chǎng)合。IGCT已用于電力系統(tǒng)連鎖電力網(wǎng)安裝（100兆伏安）和中等功率（最大5兆瓦）工業(yè)驅(qū)動(dòng)。B 電力電子變換器 電力電子變換器能將電力從交流轉(zhuǎn)換為直流（整流器），直流轉(zhuǎn)換為直流（斬波器），直流轉(zhuǎn)換為交流（逆變器），同頻率交流轉(zhuǎn)換為交流（交流控制器），變頻率交流轉(zhuǎn)換為交流（周波變換器）。它們是四種類型的電力電子變換器。變換器被廣泛用于加熱和燈光控制，交流和直流電源，電化學(xué)過程，直流和交流電極驅(qū)動(dòng)，靜態(tài)無功補(bǔ)償，有源諧波濾波等等。整流器 整流器可將交流轉(zhuǎn)換成直流。整流器可由二極管、可控硅、GTO、 IGBT、IGCT等組成。二極管和相控整流器是電力電子設(shè)備中份額最大的部分，它們的主要任務(wù)是與電力系統(tǒng)連接。由于器件開通時(shí)損耗低，且其開關(guān)損耗幾乎可忽略不計(jì)，故該類整流器的效率很高，典型值約為98％。但是，它們的缺點(diǎn)是在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波，對(duì)其他用戶產(chǎn)生供電質(zhì)量問題。此外，晶閘管變換器給電力系統(tǒng)提供了一個(gè)滯后的低功率因數(shù)負(fù)載。二極管整流器是最簡(jiǎn)單、可能也是最重要的電力電子電路。因?yàn)楣β手荒軓慕涣鱾?cè)流向直流側(cè)，所以它們是整流器。最重要的電路配置包括單相二極管橋和三相二極管橋。常用的負(fù)載包括電阻性負(fù)載、電阻電感性負(fù)載、電容電阻性負(fù)載。圖14B1給出了帶RC負(fù)載的三相二極管橋式整流器。逆變器逆變器是從一側(cè)接受直流電壓，在另一側(cè)將其轉(zhuǎn)換成交流電壓的裝置。根據(jù)應(yīng)用情況，交流電壓和頻率可以是可變的或常數(shù)。逆變器可分成電壓源型和電流源型兩種。電壓源型逆變器在輸入側(cè)應(yīng)有一個(gè)剛性的電壓源，即，電源的戴維南電路等效阻抗應(yīng)該為零。如果電源不是剛性的，再輸入側(cè)可接一個(gè)大電容。直流電壓可以是固定的或可變的，可從電網(wǎng)或交流發(fā)電機(jī)通過一個(gè)整流器和濾波器得到。電流注入或電流源型逆變器，像名字所表示的那樣，在輸入側(cè)有一個(gè)剛性的直流電流源，與電壓源型逆變器需要一個(gè)剛性的電壓源相對(duì)應(yīng)。通過串聯(lián)大電感，可變電壓源可以在電流反饋控制回路的控制下轉(zhuǎn)換為可變電流源。這兩種逆變器都有著廣泛的應(yīng)用。它們使用的半導(dǎo)體器件可以是IGBT、電力MOSFET和IGCT等等。圖14B2給出了一種三相橋式電壓源型逆變器的常見電路。 斬波器斬波器將直流電源轉(zhuǎn)換成另一個(gè)具有不同終端參數(shù)的直流電源。它們被廣泛用于開關(guān)式電源和直流電機(jī)啟動(dòng)。其中一些斬波器，尤其是電源中的斬波器，有一個(gè)隔離變壓器。斬波器經(jīng)常在不同電壓的直流系統(tǒng)中用作連接器。降壓和升壓斬波器是兩種基本的斬波器結(jié)構(gòu)。分別稱作Buck 斬波器和Boost 斬波器。但是，要清楚降壓斬波器也是升流斬波器，反之亦然，因?yàn)檩斎牍β室欢ǖ扔谳敵龉β?。降升壓斬波器既可降壓也可升壓。所有這些斬波器在電路結(jié)構(gòu)上可有一、二、四象限的變化。 圖14B3給出了降壓斬波器的電路結(jié)構(gòu)，它是一種電壓降、電流升斬波器。雙位開關(guān)由電路開關(guān)S和二極管組成。開關(guān)S以1/Ts 的頻率通斷，導(dǎo)通時(shí)間為τ。電壓波形如圖14B4所示。 因此平均輸出電壓為平均電流為 D為占空比，變化范圍是0~1。Is為直流電源輸出的平均電流。周波變換器周波變換器是一種變頻器，它將頻率固定的交流電轉(zhuǎn)換成不同頻率的交流電，具有一步變換過程。相控晶閘管變換器很容易被擴(kuò)展為周波變換器。自控式交流開關(guān)，通常由IGBT 組成，很容易被用作高頻鏈接周波變換器。晶閘管相控周波變換器被廣泛用于大功率工業(yè)應(yīng)用。圖14B5給出了周波變換器的框圖。對(duì)驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)的工業(yè)用周波變換器而言，輸入的50/60赫茲交流電在輸出側(cè)被轉(zhuǎn)換成可變頻、變壓的交流電來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。輸出頻率可從零（整流器工作）到一個(gè)上限值之間變化，上限值總是低于輸入頻率（降頻周波變換器），功率流可以是可逆的用于四象限電機(jī)速度控制。在變速恒頻系統(tǒng)中，輸入功率由與可調(diào)速渦輪機(jī)連接的同步發(fā)電機(jī)提供。如果同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁可調(diào)，則同步發(fā)電機(jī)電壓可調(diào)，但輸出頻率總是正比于渦輪機(jī)速度。周波變換器的作用是調(diào)解輸出頻率恒定（通常60或400赫茲）。圖14B5給出了變頻轉(zhuǎn)換框圖。圖14B5a 一般用于先將輸入交流整流，然后通過逆變器轉(zhuǎn)換成可變頻交流。圖14B5b，輸入交流先通過升頻周波變換器轉(zhuǎn)換成高頻交流，再由降頻周波變換器轉(zhuǎn)換成可變頻交流。UNIT5A 直流電機(jī)分類現(xiàn)在可以買到的直流電機(jī)基本上有四種：⑴永磁直流電機(jī)，⑵串勵(lì)直流電機(jī)，⑶并勵(lì)直流電機(jī)，⑷復(fù)勵(lì)直流電機(jī)。每種類型的電動(dòng)機(jī)由于其基本電路和物理特性的不同而具有不同的機(jī)械特性。永磁直流電機(jī)永磁直流電機(jī)，如圖15A1所示，是用與直流發(fā)電機(jī)同樣的方法建造的。永磁直流電機(jī)用于低轉(zhuǎn)矩場(chǎng)合。當(dāng)使用這種電機(jī)時(shí)，直流電源與電樞導(dǎo)體通過電刷/換向器裝置直接連接。磁場(chǎng)由安裝在定子上的永磁磁鐵產(chǎn)生。永磁磁鐵電機(jī)的轉(zhuǎn)子是繞線式電樞。 這種電機(jī)通常使用鋁鎳鈷永磁合金或陶瓷永磁磁鐵而不是勵(lì)磁線圈。鋁鎳鈷永磁合金用于大功率電機(jī)。陶瓷永磁磁鐵通常用于小功率、低速電機(jī)。陶瓷永磁磁鐵抗退磁性能高， 但它產(chǎn)生的磁通量較低。磁鐵通常安裝在電機(jī)外殼里邊，在安裝電樞前將其磁化。永磁電機(jī)相對(duì)于常規(guī)直流電機(jī)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)之一是減少了運(yùn)行損耗。永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性類似于并勵(lì)式直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性。永磁電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可通過將電源線反接來實(shí)現(xiàn)。串勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)直流電機(jī)電樞和激磁電路的連接方式確定了直流電機(jī)的基本特性。每一種直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與其對(duì)應(yīng)的直流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似。大部分情況下，二者的唯一區(qū)別在于發(fā)電機(jī)常作為電壓源，而電動(dòng)機(jī)常作為機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置。串勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)，如圖15A2所示，電樞和激磁電路串聯(lián)連接。僅有一個(gè)通路供電流從直流電壓源流出。因此，激磁繞組匝數(shù)相對(duì)少、導(dǎo)線直徑大，以使激磁繞組阻抗低。電機(jī)軸上負(fù)載的變化引起通過激磁繞組電流的變