【文章內容簡介】 正向偏置條件下，二極管可用一個結偏置壓降和連續(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。導通壓降會引起導通損耗，必須用合適的吸熱設備對二極管進行冷卻來限制結溫上升。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，雪崩擊穿指的是當反向電流變大時由于結功率損耗過大造成的熱擊穿。電力二極管分類如下:標準或慢速恢復二極管快速恢復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。術語“晶閘管”來自與其相應的充氣管等效裝置，閘流管。通常，晶閘管是個系列產(chǎn)品的總稱，包括可控硅、雙向可控硅、門極可關斷晶閘管、金屬氧化物半導體控制的晶閘管、集成門極換向晶閘管。晶閘管可分成標準或慢速相控型，快速開關型，電壓回饋逆變器型。逆變器型現(xiàn)已淘汰。圖14A2給出了晶閘管符號和它的伏安特性曲線。基本上，晶閘管是一個三結PNPN 器件，器件內PNP 和NPN 兩個三極管按正反饋方式連接。晶閘管可阻斷正向和反向電壓（對稱阻斷）。當陽極為正時，晶閘管可由一個短暫的正門極電流脈沖觸發(fā)導通；但晶閘管一旦導通，門極即失去控制晶閘管關斷的能力。晶閘管也可由陽極過電壓、陽極電壓的上升率（dv/dt）、結溫的上升、PN結上的光照等產(chǎn)生誤導通。在門電流IG = 0時，如果將正向電壓施加到晶閘管上，由于中間結的阻斷會產(chǎn)生漏電流；如果電壓超過臨界極限（轉折電壓），晶閘管進入導通狀態(tài)。隨著門極控制電流IG 的增加，正向轉折電壓隨之減少，最后，當門極控制電流IG= IG3時，整個正向阻斷區(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)一個最小電流，即阻塞電流，晶閘管將成功導通。 在導通期間，如果門極電流是零并且陽極電流降到臨界極限值以下，稱作維持電流，晶閘管轉換到正向阻斷狀態(tài)。相對反向電壓而言，晶閘管末端的PN 結處于反向偏置狀態(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雜的復結結構，但從功能上講，它是在同一芯片上一對反并聯(lián)的相控晶閘管。圖14A3給出了雙向可控硅的符號。在電源的正半周和負半周雙向可控硅通過施加門極觸發(fā)脈沖觸發(fā)導通。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)導通。在Ⅲ工作方式，T1端為正，雙向可控硅由負門極電流脈沖觸發(fā)導通雙向可控硅比一對反并聯(lián)的晶閘管便宜和易于控制，但它的集成結構有一些缺點。由于少數(shù)載流子效應，雙向可控硅的門極電流敏感性較差，關斷時間較長。由于同樣的原因，重復施加的dv/dt 額定值較低，因此用于感性負載比較困難。雙向可控硅電路必須有精心設計的RC 沖器。雙向可控硅用于電燈的亮度調節(jié)、加熱控制、聯(lián)合型電機驅動、50/60赫茲電源頻率的固態(tài)繼電器。門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管，顧名思義，是一種晶閘管類型的器件。同其他晶閘管一樣，它可以由一個小的正門極電流脈沖觸發(fā)，但除此之外，它還能被負門極電流脈沖關斷。GTO 的關斷能力來自由門極轉移PNP 集電極的電流，因此消除PNP／NPN 的正反饋效應。GTO 有非對稱和對稱電壓阻斷兩種類型，分別用于電壓回饋和電流回饋變換器。 GTO 的阻斷電流增益定義為陽極電流與阻斷所需的負門極電流之比，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的能量非常小，用低壓電力MOS場效應晶體管提供非常容易。GTO被用于電機驅動、靜態(tài)無功補償器和大容量AC/DC 電源。大容量GTO的出現(xiàn)取代了強迫換流、電壓回饋的可控硅換流器。圖14A4給出了GTO的符號。電力MOS場效應晶體管與以前討論的器件不同，電力MOS場效應晶體管是一種單極、多數(shù)載流子、“零結”、電壓控制器件。圖14A5給出了N型MOS場效應晶體管的符號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，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—源極電容在導通和關斷時會產(chǎn)生一個脈沖電流。MOS場效應晶體管有不對稱電壓阻斷能力，如圖所示內部集成一個通過所有的反向電流的二極管。二極管具有慢速恢復特性，在高頻應用場合下通常被一個外部連接的快速恢復二極管旁路。 雖然對較高的電壓器件來說，MOS場效應晶體管處于導通時損耗較大，但它的導通和關斷時間非常小，因而開關損耗小。它確實沒有與雙極性器件相關的少數(shù)載流子存儲延遲問題。雖然在靜態(tài)MOS場效應晶體管可由電壓源來控制，通常的做法是在動態(tài)由電流源驅動而后跟隨一個電壓源來減少開關延遲。 MOS場效應晶體管在低壓、小功率和高頻（數(shù)十萬赫茲）開關應用等領域得到極其廣泛的應用。譬如開關式電源、無刷直流電機、步進電機驅動和固態(tài)直流繼電器。絕緣柵雙極型晶體管在20世紀80年代中期出現(xiàn)的絕緣柵雙極型晶體管是功率半導體器件發(fā)展歷史上的一個重要里程碑。它們在中等功率（數(shù)千瓦到數(shù)兆瓦）的電力電子設備上處處可見，被廣泛用于直流/交流傳動和電源系統(tǒng)。它們在數(shù)兆瓦功率級取代了雙極結型晶體管，在數(shù)千瓦功率級正在取代門極可關斷晶閘管。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。它的結構基本上與MOSFET 的結構相似，只是在MOSFET 的N+漏極層上的集電極加了一個額外的P+層。 IGBT有MOSFET 的高輸入阻抗和像BJT 的導通特性。如果門極電壓相對于發(fā)射極為正，P 區(qū)的N 型溝道受到感應。這個PNP 晶體管正向偏置的基極—發(fā)射極結使IGBT導通并引起 N－區(qū)傳導性調制，這使得導通壓降大大低于MOSFET 的導通壓降。在導通條件下，在IGBT 的等效電路中，驅動器MOSFET 運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 將大部分電流轉移而得到預防。IGBT通過減小門極電壓到零或負電壓來關斷，這樣就切斷了P 區(qū)的導通通道。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。金屬氧化物半導體控制的晶閘管金屬氧化物半導體控制的晶閘管(MCT)，正像名字所說的那樣，是一種類似于晶閘管，通過觸發(fā)進入導通的混合器件，它可以通過在MOS 門施加一個短暫的電壓脈沖來控制通斷。MCT 具有微單元結構，在那里同一個芯片上數(shù)千個微器件并聯(lián)連接。單元結構有點復雜。 圖14A7 給出了MCT 的符號。它由一個相對于陽極的負電壓脈沖觸發(fā)導通，由一個相對于陽極的正電壓脈沖控制關斷。MCT 具有類似晶閘管的PNPN 結構，在那里PNP 和NPN 兩個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（或不對稱）電壓阻斷能力。如果MCT 的門極電壓相對于陽極為負，在P 型場效應晶體管中的P 溝道受到感應，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MCT進入飽和狀態(tài)。在導通情況下，壓降為1伏左右（類似于晶閘管）如果MCT 的門極電壓相對于陽極為正，N 型場效應晶體管飽和并將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關斷。關斷完全是由于再結合效應因而MCT 的關斷時間有點長。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”變換器中，在那不用限定上升速率。盡管電路結構復雜，MCT的電流卻比電力 MOSFET、BJT和IGBT的大，因此它需要有一個較小的死區(qū)。1992年在市場上可見到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前電力半導體家族的最新成員，由ABB 在1997年推出。圖14A8給出了IGCT 的符號?；旧希琁GCT是一個具有單位關斷電流增益的高壓、大功率、硬驅動不對稱阻塞的GTO。這表示具有可控3,000安培陽極電流的4,500 V IGCT需要3,000安培負的門極關斷電流。這樣一個持續(xù)時間非常短、di/dt非常大、能量又較小的門極電流脈沖可以由多個并聯(lián)的MOSFET來提供，并且驅動電路中的漏感要特別低。 門驅動電路內置在IGCT模塊內。IGCT內有一對單片集成的反并聯(lián)二極管。導通壓降、導通時電流上升率di/dt 、門驅動器損耗、少數(shù)載流子存儲時間、關斷時電壓上升率dv/dt 均優(yōu)于GTO 。IGCT更快速的通斷時間使它不用加緩沖器并具有比GTO 更高的開關頻率。多個IGCT可以串聯(lián)或并聯(lián)用于更大的功率場合。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)驅動。B 電力電子變換器 電力電子變換器能將電力從交流轉換為直流（整流器），直流轉換為直流（斬波器），直流轉換為交流（逆變器），同頻率交流轉換為交流（交流控制器），變頻率交流轉換為交流（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，電化學過程，直流和交流電極驅動，靜態(tài)無功補償，有源諧波濾波等等。整流器 整流器可將交流轉換成直流。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備中份額最大的部分，它們的主要任務是與電力系統(tǒng)連接。由于器件開通時損耗低，且其開關損耗幾乎可忽略不計，故該類整流器的效率很高，典型值約為98％。但是，它們的缺點是在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波，對其他用戶產(chǎn)生供電質量問題。此外，晶閘管變換器給電力系統(tǒng)提供了一個滯后的低功率因數(shù)負載。二極管整流器是最簡單、可能也是最重要的電力電子電路。因為功率只能從交流側流向直流側，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。常用的負載包括電阻性負載、電阻電感性負載、電容電阻性負載。圖14B1給出了帶RC負載的三相二極管橋式整流器。逆變器逆變器是從一側接受直流電壓，在另一側將其轉換成交流電壓的裝置。根據(jù)應用情況，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應有一個剛性的電壓源，即，電源的戴維南電路等效阻抗應該為零。如果電源不是剛性的，再輸入側可接一個大電容。直流電壓可以是固定的或可變的，可從電網(wǎng)或交流發(fā)電機通過一個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，在輸入側有一個剛性的直流電流源，與電壓源型逆變器需要一個剛性的電壓源相對應。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換為可變電流源。這兩種逆變器都有著廣泛的應用。它們使用的半導體器件可以是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換成另一個具有不同終端參數(shù)的直流電源。它們被廣泛用于開關式電源和直流電機啟動。其中一些斬波器，尤其是電源中的斬波器，有一個隔離變壓器。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構。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，因為輸入功率一定等于輸出功率。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構上可有一、二、四象限的變化。 圖14B3給出了降壓斬波器的電路結構，它是一種電壓降、電流升斬波器。雙位開關由電路開關S和二極管組成。開關S以1/Ts 的頻率通斷，導通時間為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展為周波變換器。自控式交流開關，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)應用。圖14B5給出了周波變換器的框圖。對驅動交流電機的工業(yè)用周波變換器而言，輸入的50/60赫茲交流電在輸出側被轉換成可變頻、變壓的交流電來驅動電機。輸出頻率可從零（整流器工作）到一個上限值之間變化，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速度控制。在變速恒頻系統(tǒng)中，輸入功率由與可調速渦輪機連接的同步發(fā)電機提供。如果同步發(fā)電機勵磁可調，則同步發(fā)電機電壓可調，但輸出頻率總是正比于渦輪機速度。周波變換器的作用是調解輸出頻率恒定（通常60或400赫茲）。圖14B5給出了變頻轉換框圖。圖14B5a 一般用于先將輸入交流整流，然后通過逆變器轉換成可變頻交流。圖14B5b，輸入交流先通過升頻周波變換器轉換成高頻交流，再由降頻周波變換器轉換成可變頻交流。UNIT5A 直流電機分類現(xiàn)在可以買到的直流電機基本上有四種：⑴永磁直流電機，⑵串勵直流電機，⑶并勵直流電機，⑷復勵直流電機。每種類型的電動機由于其基本電路和物理特性的不同而具有不同的機械特性。永磁直流電機永磁直流電機，如圖15A1所示，是用與直流發(fā)電機同樣的方法建造的。永磁直流電機用于低轉矩場合。當使用這種電機時，直流電源與電樞導體通過電刷/換向器裝置直接連接。磁場由安裝在定子上的永磁磁鐵產(chǎn)生。永磁磁鐵電機的轉子是繞線式電樞。 這種電機通常使用鋁鎳鈷永磁合金或陶瓷永磁磁鐵而不是勵磁線圈。鋁鎳鈷永磁合金用于大功率電機。陶瓷永磁磁鐵通常用于小功率、低速電機。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外殼里邊，在安裝電樞前將其磁化。永磁電機相對于常規(guī)直流電機有幾個優(yōu)點。優(yōu)點之一是減少了運行損耗。永磁電機的轉速特性類似于并勵式直流電機的轉速特性。永磁電機的旋轉方向可通過將電源線反接來實現(xiàn)。串勵式直流電動機直流電機電樞和激磁電路的連接方式確定了直流電機的基本特性。每一種直流電機的結構與其對應的直流發(fā)電機的結構類似。大部分情況下，二者的唯一區(qū)別在于發(fā)電機常作為電壓源，而電動機常作為機械能轉換裝置。串勵式直流電動機，如圖15A2所示，電樞和激磁電路串聯(lián)連接。僅有一個通路供電流從直流電壓源流出。因此，激磁繞組匝數(shù)相對少、導線直徑大，以使激磁繞組阻抗低。電機軸上負載的變化引起通過激磁繞組電流的變