如前幾篇文章所述，大電流流經(jīng)電纜和高截面連接。需要能夠承受高電流強(qiáng)度而不會(huì)損壞自身或在極高溫度下運(yùn)行的特殊電子元件，以便切換、控制或轉(zhuǎn)移該電流。電力電子元件是靜態(tài)半導(dǎo)體器件，可以控制微弱的控制信號(hào)以產(chǎn)生高輸出功率。

介紹

電力電子系統(tǒng)必須以極高的能效作為其首要要求。換句話說(shuō)，電源電路必須有效，并且它產(chǎn)生的熱量必須由卓越的冷卻系統(tǒng)帶走。已經(jīng)確定，為了實(shí)現(xiàn)高良率和低功耗，所有電力電子器件都用作開關(guān)(ON 和 OFF)，更具體地說(shuō)，是在高頻開關(guān)模式下。這將減小感應(yīng)部件的尺寸，并最終減小系統(tǒng)的整體重量。由于技術(shù)的進(jìn)步和新半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在功率器件的性能比過(guò)去好很多。可控功率和開關(guān)速度特別提高。

圖 1 從廣義上顯示了技術(shù)在大約 80 年的學(xué)術(shù)和工業(yè)研究過(guò)程中發(fā)生了怎樣的變化。

圖 1：功率器件——時(shí)間線

從廣義上講，科學(xué)進(jìn)步使以下功率器件的生產(chǎn)成為可能，它們的性能比它們各自以前的器件越來(lái)越高：

SCR(1957 - 可控硅整流器);

RCT(1957 - 反向?qū)щ娋чl管);

TRIAC(1958 - 三極管交流開關(guān));

BJT(1960 - 雙極結(jié)型晶體管);

GTO(1962 - 門極關(guān)斷晶閘管);

Power Mosfet(1970 - 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管);

SIT(1975 - 靜態(tài)感應(yīng)晶體管);

IGBT(1983 – 絕緣柵雙極晶體管);

MCT(1988 – MOS 控制晶閘管);

SiC Mosfet(2000 - 碳化硅 Mosfet);

GaN Mosfet(2010 - 氮化鎵 Mosfet)。

在以下段落中，將僅描述最重要的部分，并通過(guò)一些電子模擬突出主要特征。

SCR(或晶閘管)

電力電子隨著 SCR 的發(fā)明而誕生。實(shí)際上，它是一個(gè)可控硅二極管，由三個(gè)端子(陽(yáng)極、陰極和柵極)組成。門是組件的控制元素。它由四個(gè)半導(dǎo)體層組成，其中兩個(gè)是 P 型，兩個(gè)是 N 型。在端子 A 和 K 之間施加直流電壓時(shí)，在柵極上沒(méi)有脈沖的情況下，它保持打開狀態(tài)。隨著柵極上的脈沖，可控硅進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。在這個(gè)脈沖之后，即使在柵極上沒(méi)有電流的情況下，也可以保證電流通過(guò)。圖2中的示意圖顯示了 SCR 在直流狀態(tài)下的操作。一個(gè) 80 V 電池可確保負(fù)載 R1 的電壓為 200 歐姆，但在 SCR 的柵極沒(méi)有接收到脈沖之前，負(fù)載將保持未供電狀態(tài)。柵極上的一個(gè)短脈沖足以觸發(fā)晶閘管的導(dǎo)通。在直流電中，只有切斷電源才能取消電流的通過(guò)。使用的 SCR的SPICE 模型(S6S3)如下：

.SUBCKT S6S3 1 2 3

* 終端：AG K

Qpnp 6 4 1 Pfor 關(guān)

Qnpn 4 6 5 Nfor 關(guān)閉

Rfor 6 4 5G

版本 1 4 5G

Rshort 6 5 1MEG

拉特 2 6 9.09

羅恩 3 5 513.4m

Dfor 6 4 Zbrk

驅(qū)動(dòng) 1 4 Zbrk

D門6 5 Z門

.MODEL Zbrk D (IS=3.2E-16 IBV=100U BV=600)

.MODEL Zgate D (IS=1E-16 IBV=100U BV=10 VJ=0.3)

.MODEL Pfor PNP(IS=5E-15 BF=0.95 CJE=5p CJC=2p TF=0.3U)

.MODEL Nfor NPN(IS=1E-12 ISE=1E-9 BF=10.0 RC=0.45 CJE=30p CJC=2p TF=0.3U)

.ENDS

圖 2：在直流狀態(tài)下 SCR 的操作

如圖和圖 3的模擬所示，SCR 的操作始終是一致的。與普通二極管一樣，SCR 僅在正弦波的正半周期通過(guò) AK 導(dǎo)通，在負(fù)半周期保持關(guān)閉。這樣，一半的電源電壓到達(dá)負(fù)載。如果可控硅在交流電中使用，則在電流過(guò)零時(shí)發(fā)生關(guān)斷，使其缺乏保持觸發(fā)所需的維護(hù)電流。

圖 3：交流電狀態(tài)下 SCR 的操作

雙向可控硅

三端雙向可控硅開關(guān)用作大電流的雙向開關(guān)，由三個(gè)端子組成：柵極、陽(yáng)極 1 和陽(yáng)極 2。只有在柵極上施加電流脈沖時(shí)，兩個(gè)陽(yáng)極之間才能通過(guò)電流。如果三端雙向可控硅開關(guān)正在導(dǎo)通，即使柵極中沒(méi)有電流，電流也會(huì)繼續(xù)流動(dòng)。但如果三端雙向可控硅開關(guān)連接到交流電路，則關(guān)斷發(fā)生在電流的過(guò)零處。使用的 TRIAC (L0103DE) 的 SPICE 模型如下：

.SUBCKT L0103DE 1 2 3

* 端子：MT2 G MT1

Qnpn1 5 4 3 NoutF OFF

Qpnp1 4 5 7 PoutF OFF

Qnpn2 11 6 7 NoutR OFF

Qpnp2 6 11 3 PoutR OFF

Dfor 4 5 DZ OFF

Drev 6 11 DZ OFF

Rfor 4 6 12MEG

Ron 1 7 300m

Rhold 7 6 250

RGP 8 3 350

RG 2 8 150

RS 8 4 250

DN 9 2 DIN OFF

RN 9 3 6.0

GNN 6 7 9 3 0.2

GNP 4 5 9 3 2.0

DP 2 10 DIP OFF

RP 10 3 4.0

GP 7 6 10 3 0.5

.MODEL DIN D (IS=382F)

.MODEL DIP D (IS=382F N=1.19)

.MODEL DZ D (IS=382F N=1.5 IBV=50U BV=400)

.MODEL PoutF PNP (IS=382F BF=1 CJE=190p TF=0.3U)

.MODEL NoutF NPN (IS=382F BF=3 CJE=190p CJC=38p TF=0.3U)

.MODEL PoutR PNP ( IS=382F BF=5 CJE=190p TF=0.3U)

.MODEL NoutR NPN (IS=382F BF=0.5 CJE=190p CJC=38p TF=0.3U)

.ENDS

TRIAC 的操作非常簡(jiǎn)單，如圖 4所示。幾毫安的脈沖足以觸發(fā) TRIAC 并讓燈泡打開。如果脈沖處于活動(dòng)狀態(tài)，即使交流電壓通過(guò)零并呈現(xiàn)負(fù)值，電流也會(huì)通過(guò)組件。如果門脈沖低，三端雙向可控硅開關(guān)不導(dǎo)通，打開，燈泡保持關(guān)閉。另一方面，如果脈沖很高，三端雙向可控硅開關(guān)導(dǎo)通并且燈泡打開。這種功能在正半波和負(fù)半波中是相同的。

圖 4：TRIAC 用于交流電狀態(tài)