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，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，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)的進步和新半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在功率器件的性能比過去好很多?？煽毓β屎烷_關(guān)速度特別提高。

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

從廣義上講，科學進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。實際上，它是一個可控硅二極管，由三個端子(陽極、陰極和柵極)組成。門是組件的控制元素。它由四個半導(dǎo)體層組成，其中兩個是 P 型，兩個是 N 型。在端子 A 和 K 之間施加直流電壓時，在柵極上沒有脈沖的情況下，它保持打開狀態(tài)。隨著柵極上的脈沖，可控硅進入導(dǎo)通狀態(tài)。在這個脈沖之后，即使在柵極上沒有電流的情況下，也可以保證電流通過。圖2中的示意圖顯示了 SCR 在直流狀態(tài)下的操作。一個 80 V 電池可確保負載 R1 的電壓為 200 歐姆，但在 SCR 的柵極沒有接收到脈沖之前，負載將保持未供電狀態(tài)。柵極上的一個短脈沖足以觸發(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。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 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 AK 導(dǎo)通，在負半周期保持關(guān)閉。這樣，一半的電源電壓到達負載。如果可控硅在交流電中使用，則在電流過零時發(fā)生關(guān)斷，使其缺乏保持觸發(fā)所需的維護電流。

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)，由三個端子組成：柵極、陽極 1 和陽極 2。只有在柵極上施加電流脈沖時，兩個陽極之間才能通過電流。如果三端雙向可控硅開關(guān)正在導(dǎo)通，即使柵極中沒有電流，電流也會繼續(xù)流動。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 的操作非常簡單所示。幾毫安的脈沖足以觸發(fā) TRIAC 并讓燈泡打開。如果脈沖處于活動狀態(tài)，即使交流電壓通過零并呈現(xiàn)負值，電流也會通過組件。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半波中是相同的。

大電流流經(jīng)電纜和高截面連接。需要能夠承受高電流強度而不會損壞自身或在極高溫度下運行的特殊電子元件，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以產(chǎn)生高輸出功率。