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

　　

【正文】 電源連接的負載無關。雖然電流源在實際中不常見，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用。 分析電網(wǎng)絡的方法是網(wǎng)孔分析法或回路分析法。應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：一個閉合回路中的電壓代數(shù)和為 0，換句話說，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：假設有一個電流 — 即所謂的回路電流 — 流過電路中的每一個回路，求每一個回路電壓降的代數(shù)和，并令其為零。 功率半導體器件 功率半導體器件構成了現(xiàn)代電力電子設備的核心。他們以通 斷開關矩陣的方式被用于電力電子轉換器中。開關式功率變換的效率更高。 現(xiàn)今的功率半導體器件幾乎都是用硅材料制造，可分類如下： * 二極管 * 晶閘管或可控硅 * 雙向可控硅 * 門極可關斷晶閘管 * 雙集結型晶體管 * 電力金屬氧化物半導體場效應晶體管 * 靜電感應晶體管 * 絕緣柵雙極性晶體管 * 金屬氧化物半導體控制的晶閘管 * 集成門極換向晶閘管 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用，如：電鍍、電極氧化、電池充電、焊接、交直流電源和變頻驅動。它們也被應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 結構，即它幾乎是純半導體層（本征層），位于 PN 結的中部以阻斷反向電壓。二極管在正向偏置的條件下，可用一個結偏置壓降和連續(xù)變化的電阻來表示。典型的正向導通壓降為 伏。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，又很小的泄露電流流過，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，二極管的雪崩擊穿，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 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應裝置，閘流管。通常，晶閘管是個系列產品的總稱，包括可控硅、雙向可控硅、門極可關斷晶閘管、金 對 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。 基本上，晶閘管是一個三結 PNP 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 結上光照等產生誤導通。 11 在們電流 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生漏電流；如果電壓超過臨界極限（轉折電壓），晶閘管進入到通狀態(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)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 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，它是同一芯片上一對反并聯(lián)的相控晶閘管。 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 緩沖器。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 有非對稱和稱電壓阻斷兩種類型，分別用于電壓回饋 和電流回饋變壓器。 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。 12 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、多載流子、“零結”、電壓控制器件。 如果柵極電壓為正并且 超過它們的門限值， 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，有效地柵 — 源極電容在導通和關斷時會產生一個脈沖電流。 MOS 場效應晶體管有不對稱的電壓阻斷能力，其內部集成一個通過所有的反相電流的二極管。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，但他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)有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的里程碑。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門控通斷雙極型晶體管，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上了一個額外的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)得 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 13 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)得導通通道。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 的門極 — 集電極電容與門極 — 發(fā)射極之比更低，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)起來，單元結構有點復雜。 MCT 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。它具有類似晶閘管的 PNP 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 晶體管正向偏置 ，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。這將打破晶體管工作的正反饋環(huán)， MCT 關斷。關斷完全是由于再結合效應，因而 MCT 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 以用于“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 14 集成門極換向晶閘管是當前電力半導體家族中的最新成員，有 ABB 在 1997 年推出?；旧?， IGCT 是一個具有單位關斷電流增益的高壓、大功率、應驅動不對稱阻塞的 GTO。這表示具有可控 3,000 安培陽極電流的 4,500VIGCT 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、能量又較小的們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)用于更大功率的場合。 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)驅動。