【導(dǎo)讀】theseelements.iRu?whereu=voltage,V;i=current,A;R=resistance,Ω.dtdiLu?dqcu1(1-1A-3). idt. whereC=capacitance,F.armature.

　　

【正文】 電源連接的負(fù)載無(wú)關(guān)。雖然電流源在實(shí)際中不常見(jiàn)，但其概念的確在表示借助于等值電路的放大器件，比如晶體管中具有廣泛應(yīng)用。 分析電網(wǎng)絡(luò)的方法是網(wǎng)孔分析法或回路分析法。應(yīng)用于此方法的基本定律是基爾霍夫第一定律，基爾霍夫第一定律指出：一個(gè)閉合回路中的電壓代數(shù)和為 0，換句話(huà)說(shuō)，任一閉合回路中的電壓升等于電壓降。 網(wǎng)孔分析法指的是：假設(shè)有一個(gè)電流 — 即所謂的回路電流 — 流過(guò)電路中的每一個(gè)回路，求每一個(gè)回路電壓降的代數(shù)和，并令其為零。 功率半導(dǎo)體器件 功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成了現(xiàn)代電力電子設(shè)備的核心。他們以通 斷開(kāi)關(guān)矩陣的方式被用于電力電子轉(zhuǎn)換器中。開(kāi)關(guān)式功率變換的效率更高。 現(xiàn)今的功率半導(dǎo)體器件幾乎都是用硅材料制造，可分類(lèi)如下： * 二極管 * 晶閘管或可控硅 * 雙向可控硅 * 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 * 雙集結(jié)型晶體管 * 電力金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 * 靜電感應(yīng)晶體管 * 絕緣柵雙極性晶體管 * 金屬氧化物半導(dǎo)體控制的晶閘管 * 集成門(mén)極換向晶閘管 10 二極管 電力二極管提供不可控的整流電源，這些電源有很廣的應(yīng)用，如：電鍍、電極氧化、電池充電、焊接、交直流電源和變頻驅(qū)動(dòng)。它們也被應(yīng)用于變換器和緩沖器的回饋和慣性滑行功能。典型的功率二極管具有 PN 結(jié)構(gòu)，即它幾乎是純半導(dǎo)體層（本征層），位于 PN 結(jié)的中部以阻斷反向電壓。二極管在正向偏置的條件下，可用一個(gè)結(jié)偏置壓降和連續(xù)變化的電阻來(lái)表示。典型的正向?qū)▔航禐? 伏。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(lái)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，又很小的泄露電流流過(guò)，泄漏電流隨電壓逐漸增加。如果反向電壓超過(guò)了臨界值，叫做擊穿電壓，二極管的雪崩擊穿，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(guò)大造成的熱擊穿。 電力二極管分類(lèi)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 晶閘管或可控硅一直是工業(yè)上用于大功率和控制的傳統(tǒng)設(shè)備。 50 年代后期，這種裝置的投入使用開(kāi)辟了現(xiàn)代固態(tài)電力電子技術(shù)。術(shù)語(yǔ)“晶閘管”來(lái)自與其相應(yīng)的充氣管等效應(yīng)裝置，閘流管。通常，晶閘管是個(gè)系列產(chǎn)品的總稱(chēng)，包括可控硅、雙向可控硅、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管、金 對(duì) 屬氧化物半導(dǎo)體控制的晶閘管、集成門(mén)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(kāi)關(guān)型，電壓回饋逆變器型。逆變器型現(xiàn)已淘汰。 基本上，晶閘管是一個(gè)三結(jié) PNP 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(chēng)阻斷）。當(dāng)陽(yáng)極為正時(shí)，晶閘管可由一個(gè)短暫的正門(mén)極電流脈沖觸發(fā)導(dǎo)通；但晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)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(guò)電壓、陽(yáng)極電壓的上升率（ dv/dt）、結(jié)溫的上升、 PN 結(jié)上光照等產(chǎn)生誤導(dǎo)通。 11 在們電流 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(guò)臨界極限（轉(zhuǎn)折電壓），晶閘管進(jìn)入到通狀態(tài)。隨著門(mén)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(mén)極控制電流 IG=IG3 時(shí)，整個(gè)正向阻斷區(qū)域消失，晶閘管的工作狀態(tài)就和二極管一樣了。在晶閘管的門(mén) 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(mén)極電流是零并且陽(yáng)極電流降到臨界極限值以下，稱(chēng)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，它是同一芯片上一對(duì)反并聯(lián)的相控晶閘管。 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(mén)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 緩沖器。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(mén)極可關(guān)斷晶閘管 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管，顧名思義，是一種晶閘管類(lèi)型的器件。同其他晶閘管一樣，它可以由一個(gè)小的正門(mén)極電流脈沖觸發(fā)，但除此之外，它還能被負(fù)門(mén)極電流脈沖關(guān)斷。 GTO 的關(guān)斷能力來(lái)自由門(mén)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(chēng)和稱(chēng)電壓阻斷兩種類(lèi)型，分別用于電壓回饋 和電流回饋?zhàn)儔浩鳌?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(mén)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(mén)極電流脈沖。 但是，脈沖化的門(mén)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(wú)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。 12 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、多載流子、“零結(jié)”、電壓控制器件。 如果柵極電壓為正并且 超過(guò)它們的門(mén)限值， N 型溝道將被感應(yīng)，允許在漏極和源極之間流過(guò)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，有效地柵 — 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(chēng)的電壓阻斷能力，其內(nèi)部集成一個(gè)通過(guò)所有的反相電流的二極管。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)外部連接的快恢復(fù)二極管旁路。 雖然對(duì)較高的電壓器件來(lái)說(shuō)， MOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管處于導(dǎo)通時(shí)損耗較大，但他的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間非常小，因而開(kāi)關(guān)損耗小。它確實(shí)沒(méi)有與雙極性器件相關(guān)的少數(shù)載流子存儲(chǔ)延遲問(wèn)題。雖然在靜態(tài) MOS 場(chǎng) 效應(yīng)晶體管可由電壓源來(lái)控制，通常的做法是在動(dòng)態(tài)有電流源驅(qū)動(dòng)而后跟隨一個(gè)電壓源來(lái)減少開(kāi)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(wàn)赫茲）開(kāi)關(guān)應(yīng)用等領(lǐng)域得到極其廣泛的應(yīng)用。譬如開(kāi)關(guān)式電源、無(wú)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)重要的里程碑。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(jiàn)，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(mén) 極可關(guān)斷晶閘管。 IGBT 基本上是混合的 MOS門(mén)控通斷雙極型晶體管，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上了一個(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(mén)極電壓相對(duì)于發(fā)射極為正， P 區(qū)得 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 13 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(guò)有效地減少 P+層電阻系數(shù)和通過(guò) MOSFET 將大部分電流轉(zhuǎn)移而得到預(yù)防。 IGBT 通過(guò)減小門(mén)極電壓到零或負(fù)電壓來(lái)關(guān)斷，這樣就切斷了 P 區(qū)得導(dǎo)通通道。IGBT 比 BJT 或 MOSFET 有更高的電流密度。 IGBT 的輸入電容比 MOSFET 的要小得多。還有， IGBT 的門(mén)極 — 集電極電容與門(mén)極 — 發(fā)射極之比更低，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(shuō)那樣，是一種類(lèi)似于晶閘管，通過(guò)觸發(fā)進(jìn)入導(dǎo)通的 混合器件，它可以通過(guò)在 MOS 門(mén)施加一個(gè)短暫的電壓脈沖來(lái)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)起來(lái)，單元結(jié)構(gòu)有點(diǎn)復(fù)雜。 MCT 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。它具有類(lèi)似晶閘管的 PNP 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(chēng)）電壓阻斷能力。如果 MCT 的門(mén)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 晶體管正向偏置 ，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(lèi)似于晶閘管）。 如果 MCT 的門(mén)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。這將打破晶體管工作的正反饋環(huán)， MCT 關(guān)斷。關(guān)斷完全是由于再結(jié)合效應(yīng)，因而 MCT 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 以用于“軟開(kāi)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(jiàn)到 MCT，現(xiàn)在可買(mǎi)到中等功率的 MCT。 MCT 的發(fā)展前景尚未可知。 集成門(mén)極換向晶閘管 14 集成門(mén)極換向晶閘管是當(dāng)前電力半導(dǎo)體家族中的最新成員，有 ABB 在 1997 年推出?；旧希?IGCT 是一個(gè)具有單位關(guān)斷電流增益的高壓、大功率、應(yīng)驅(qū)動(dòng)不對(duì)稱(chēng)阻塞的 GTO。這表示具有可控 3,000 安培陽(yáng)極電流的 4,500VIGCT 需要 3,000 安培負(fù)的門(mén)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、能量又較小的們極電流脈沖可以由多個(gè)并聯(lián)的 MOSFET 來(lái)提供，并且驅(qū)動(dòng)電路中的漏感要特別低。 門(mén)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(mén)驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)頻率。多個(gè) IGCT 可以串聯(lián)或并聯(lián)用于更大功率的場(chǎng)合。 IGCT 以用于電力系統(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)。