这一章内容多且杂，不过好在这些东西记不到也不影响之后几章的学习。故只记录自己认为有用的部分，期末备考则还是直接照着书背吧。。。

2.1 电力电子器件概述

认一认符号：从左到右依次是功率二极管（Power Diode）、晶闸管（SCR）、门极关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场效应管（Power MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）（IGBT反向并联的二极管并不是自带的，但一般会封装到一块去使用）。

• 相对于处理信息的电子器件，电力电子器件更专注于处理能量。
  • 因为处理的能量可能很大，一般电力电子器件更需要关注散热。
• 电力电子器件一般工作在开关状态。
  • 导通时有通泰压降，进而会造成通态损耗。
  • 关断时有漏电流，进而会造成关断损耗。
  • 开关过程也会有损耗，称为开关损耗。
  • 一般通态损耗占损耗的主要部分，但如果工作频率很高，开关损耗也可能超过通态损耗。
• 电力电子器件一般还会配套一些外围电路
  • 驱动电路将信息电子电路的信号转换为可以控制电力电子器件的信号。
  • 缓冲和保护电路可以减小开关过程中的电压、电流冲击。
• 分类
  • 按可控程度：在控制信号的作用下控制通断的能力
    • 不可控器件：功率二极管。
    • 半控型器件：控制信号只能控制导通，何时关断则由受控电路决定。
    • 全控型器件：导通和关断都可以控制。
  • 按控制信号种类
    • 电流驱动型器件：所需驱动功率较大。
    • 电压驱动型器件：所需驱动功率较小。
  • 按载流子种类
    • 单极型器件：开关频率高，比如功率场效应管。
    • 双极型器件：通态压降低、导通损耗小、阻断电压高、电流容量大，比如电力晶体管。
    • 复合型器件：兼具以上二者的优点，比如IGBT。

2.2 功率二极管

Power Diode

• PN结的击穿类型

  • 雪崩击穿：反向高压，链式反应，可逆。
  • 齐纳击穿：反向低压，需要高掺杂，可逆。
  • 热击穿：既反向过压，又没控制住电流，最终导致烧坏，不可逆。

• 动态工作特性

  • 导通时存在正向电压过冲，原因是电导调制效应（不了解）。
  • 关断时存在反向电流和反向电压过冲。

• 分类

  • 普通二极管
  • 快恢复二极管
  • 肖特基二极管：由半导体与金属接触制成的二极管，具有工作频率更高、外加电压较低时正向压降小、正向恢复无明显电压过充等优点。其中碳化硅肖特基二极管性能更好。

2.3 晶闸管

可控硅 / Silicon Control Rectifier (SCR) / Thyristor

• 工作原理

  • 内含正反馈。
  • 必须既有正向电压，又有正向触发电流才能导通。
  • 正向触发电流不需要维持，只需要一个一定宽度的电流脉冲就可以使晶闸管导通。

• 动态特性

  • 开通时存在延迟过程。
  • 关断时存在反向阻断恢复过程和正向阻断恢复过程
    • 反向阻断过程存在反向恢复电流和反向尖峰电压。
    • 正向阻断恢复过程电流归零，但仍有反向电压。

• 额定参数

  • 通态平均电流（额定电流）：注意是额定电流取的是平均值，而不是有效值，单向导通的元件一般都这样做。计算时往往还会根据波形计算一个波形系数\(k_f\)，定义如下
    \[k_f=\frac{I(电流有效值)}{I_d(电流平均值)} \]

• 派生晶闸管

  • 快速晶闸管：开关频率更高。
  • 双向晶闸管：类似于两个晶闸管反向并联，进而可以控制两个方向的导通。
  • 逆导晶闸管：一个晶闸管和一个反向的二极管并联而成，经常应用。
  • 光控晶闸管：光控制信号代替了电流控制信号。

2.4 门极关断晶闸管

Gate Turn-Off thyristor (GTO)

• 全控型器件，不过原理与晶闸管类似，施加正向电流脉冲即可导通。GTO通过调整工艺和等效三极管的放大倍数，使得其导通时是处于一种临界状态，需要关断时，只要施加一个反向的电流脉冲即可（相当于是抽走靠下的等效三极管的基极电流）。
• 缺点：如果要控制的电流很大，则关断时所需要的反向电流脉冲幅值也会很大。

2.5 电力晶体管

Giant Transistor (GTR)

• 为了用较小的电流控制较大的电流，一般GTR由多个三极管按达林顿结构组合而成。这也导致了正向导通压降上升、开关频率降低。
• 与晶闸管系的器件不同，GTR导通需要在基极施加持续的电流而非电流脉冲，不过关断时应该为了迅速关断（我猜的）还是使用了反向电流脉冲（之前模电没提过这个）。
• GTR二次击穿问题突出，安全工作区要满足功率同时小于二次击穿功率和最大耗散功率。

2.6 功率场效应管

Power MOSFET

• 因为结构原因，Power MOSFET的漏极和源极之间始终反向并联了一个二极管。
  • 该二极管不能承受太大的电流，有时候还需要额外再并联一个二极管。
  • 如果想要Power MOSFET承受反向电压，那么需要额外串联一个二极管。
• Power MOSFET的通态电阻具有正温度系数，这有利于多个Power MOSFET并联均流。
• 开关速度和极间电容关系很大，使用中通过调节栅极电阻阻值来提高开关频率。

2.7 绝缘栅双极型晶体管

Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)

• 以MOSFET为驱动原件，GTR为主导元件的达林顿结构器件。
  • 既有MOSFET开关频率低、开关频率高的优点，又有GTR电流电压容量大的优点。
  • 同时还克服了GTR二次击穿的缺点。
• 因为结构上的原因，IGBT内部有一个寄生晶闸管，其一旦导通则栅极将无法继续控制IGBT的通断。故使用时需要控制最大集电极电流、最大射极电压和最大电压允许上升率而避免该晶闸管导通。

2.8 其它新型电力电子器件

略略略，看书了解一下就好啦。

2.9 电力电子器件应用方法

驱动

再次略讲，只介绍了原理较简单的SCR驱动电路。

驱动电路一般要满足

• 保证电力电子器件的静态性能：即保证器件完全导通、关断，通态压降低，漏电流小。
• 保证电力电子器件的动态性能：即保证开关损耗小，同时电流、电压变化率满足性能要求。
• 电气隔离要求：如字面意思，常用变压器、光耦、电容隔直通交等方式。
• 抗干扰性能要求：即防止误导通、关断。
• 保护功能：当器件的电压电流超过耐受值时能迅速作出保护动作。

缓冲与吸收

再再次略讲，只介绍了原理较简单的耗能式缓冲电路驱动电路。大概思路就是通过电感去除导通时的电流过冲，通过电容去除关断时的电压过充。

缓冲电路的主要作用

• 抑制开关过程中的电压、电流尖峰，保证开关过程的电压、电流轨迹在安全工作范围内。
• 防止过大的\(\frac{\mathrm d u}{\mathrm d t}\)造成器件的误触发、过大的\(\frac{\mathrm d i}{\mathrm d t}\)造成器件的损坏。
• 减小开关过程中的电压、电流重叠区，从而减小开关损耗。

散热

略略略，不过书上提到的一个把热传导器件和热容看作电阻和电容的思路还蛮有意思的。

2.10 电力电子开关器件的基本控制方法

移相控制

晶闸管需要外电路电流降到接近0或反向才能关断，而在正弦交流电中每个周期都有负半周，刚好可以关断晶闸管。将晶闸管控制正弦交流电的正半周，即是移相控制。

这张图应该是双向晶闸管的，不同在于负半周也可以导通，下边的讨论还是按普通的来算。

从输入电压由零开始上升到导通的这段时间乘上角频率\(\omega\)就是导通角\(\alpha\)，可以计算输出的平均电压为

\[U_d=\frac{1}{2\pi}\int_\alpha^\pi\sqrt{2}U\sin(\omega t)\mathrm{d}(\omega t)=\frac{\sqrt{2}}{2\pi}U(1+\cos\alpha) \]

脉宽调制控制（Pulse-Width Modulation, PWM）

• 目的：把弱电中的复杂波形或者是软件计算得到的波形，通过开关电路放到强电中去（自己的理解）。

• 理论基础：冲量等效原理

  冲量（电压对时间的积分）相等而形状不同的在脉冲加载具有惯性（有积分环节）的环节上是，其效果基本相同（输出响应波形基本相同）。继而可以用脉宽变化的矩形波作用于带有惯性的负载而获得期望的波形。

• 分类：单极性和双极性，前者工作在三个电平，后者工作在两个电平。

• 生成方法

  • 计算法
    • 原理：提前将参考波分割成一定个数，然后算出面积相等的矩形波对应的脉宽并将数据写入固件，然后由单片机输出。
    • 适用场景：数字电路
  • 载波调制法（未作深入了解）
    • 概念
      • 载波：此处是用于比较的波形，一般是分段关于时间线性变化的三角波、锯齿波。
      • 信号波/调制波：即需要转到强电中的波形。
    • 原理：将载波与信号波进行比较，二者的交点作为输出的边沿。若要保证输出波形复制与信号波相等，需要保证载波的幅值等于输出的赋值。
    • 适用场景：数字电路、模拟电路

标签：02,电压,电力,导通,晶闸管,电子,反向,关断,电流
来源： https://www.cnblogs.com/harold-lu/p/15582766.html