電力電子技術復習筆記1（簡要版）
按照《電力電子技術》-王兆安版章節順序整理,共八章。
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第一章：緒論
要求：掌握電力電子技術的含義：包括電力變換的種類、與信息電子的聯系和區別。
????電力電子技術也叫半導體變流技術。在過去，老一輩的電氣人喜歡叫晶閘管為可控矽，它的發明開啟電力電子技術時代的標誌。晶閘管由半導體材料制成，屬於半控型器件、相控方式。具體細節我們會在第二章電力電子元件中介紹，這裏可以簡單的把半控理解為只能通過門級使其導通而不能通過門級關斷，相控是通過相位控制晶閘管電路導通。
至於變流技術，現在更加精確的定義是：電力電子技術就是使用電力電子器件，對點能進行變換和控制的技術。電力變換共四種：
輸入 輸出 | 交流（AC） | 直流（DC） |
直流（DC） | 整流 | 直流斬波 |
交流（AC） | 交流電力控制 變頻、變相 | 逆變 |
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電力電子技術是連接強電與弱點的紐帶，由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的。可以簡單的說，電力電子技術是應用在電力（強電）領域的電子技術。註：信息電子器件有放大和開關兩個功能，電力電子器件通常只有開關功能，而且要控制開關能耗。開關技術在第八章涉及。
電力電子技術的發展脈絡是依據各種電力電子器件的誕生而來，剛開始的器件還不具備很強的可控性，以晶閘管為首的器件由於其優越的電氣性能和控制性能，應用範圍迅速擴大。隨後的器件具備越來越強的可控性，一大批全控型器件誕生了：門極可關斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場效應晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發展，下一章將會逐個講解。全控型器件主要控制方式為脈沖寬度調制(PWM)方式。相對於相位控制方式，可稱之為斬波控制方式，簡稱斬控方式，斬波技術和pwm都會在後面介紹。未來的主流元器件將會是絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復合型器件，它是MOSFET和BJT的復合，綜合了兩者的優點。
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第二章：電力電子器件
要求： 電力電子器件組成的典型系統器件的分類（單極/多級，電流驅動/電壓驅動）；
?掌握電力二極管/三極管、晶閘管、GTO、P-Mosfet、IGBT的定義、符號、基本特征（ 靜態、動態性能不要求）。
註：1） 關於"基本特征"，即最本質特征，包括開通關斷條件、承壓耐流能力、特殊性。例如：2.2 電力二極管的特性原因（單向導電、結構、摻雜）
2）主要參數僅了解，掌握有效值、平均值的計算公式
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????2.1電力電子器件的概念和分類
????概念：電力電子器件（Power Electronic Device）是指可直接用於處理電能的主電路中，實現電能的變換或控制的電子器件。
????所能處理電功率的大小（其承受電壓和電流的能力）一般都遠大於信息電子器件。為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關狀態。由信息電子電路來控制, 而且需要驅動電路。自身的功率損耗通常仍遠大於信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝散熱器。 電力電子器件的功率損耗主要有通態損耗（大電流、微壓降），斷態損耗（大壓降、漏電流），開關損耗（頻繁通斷）。
????分類：主要有三種分類方法——按照被控程度，按照驅動信號性質以及按照載流子參與導電情況。
????按照被控程度可以分為半控型：晶閘管，全控型：IGBT、Power MOSFET，不可控型：電力二極管。一般來說，全控型可以通過控制信號導通/關斷電路，不可控型只能通過所在電路的電流和電壓決定通斷。
????按照驅動信號類型可以分為電流驅動型和電壓驅動型，區別在於控制端是註入/抽出電流還是在控制端與公共端施加正/反向電壓控制通斷。也可以通過脈沖觸發/電平觸發來區分。
????按照載流子參與導電情況可以分為單極型器件：一種載流子參與導電，如肖特基二極管、電力MOSFET和SIT等；雙極型：電子和空穴都參與導電，如基於PN結的電力二極管、晶閘管、GTO和 GTR等；復合型：單極型和雙極型器件集成混合，如IGBT、SITH和MCT等。單極型和復合型屬於電壓驅動型器件輸入阻抗高，所需驅動功率小，驅動電路簡單，工作頻率高。雙極型器件 (如GTR)屬於電流驅動，通態壓降低，導通損耗小，但工作頻率較低，所需驅動功率大，驅動電路也比較復雜。
????接下來我們主要按照被控程度分類方法，從不可控器件，到半控器件再到全控型器件依此分析。
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????2.2不可控器件 —— 電力二極管
????電力二極管，我的理解就是用在強電環境下的二極管。電力二極管其結構和原理簡單，工作可靠，直到現在電力二極管仍然大量應用於許多電氣設備當中。在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的，特別是開通和關斷速度很快的快恢復二極管和肖特基二極管，具有不可替代的地位。
????電力二極管是以半導體PN結為基礎的,實際上是由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。老師上課的時候拿來了一個晶閘管，結構和螺栓型電力二極管非常相似，只是在AK兩端中間多了一個小"辮子"，那裏就是晶閘管的控制端。
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電力二極管和二極管原理都是PN結的單向導電性。兩者區別在於：電力二極管采用"垂直導電結構"（電流在矽片內的流動總體方向垂直於矽片表面）。而信息二極管一般是橫向導電結構。即：垂直導電結構使得矽片中通過電流的有效面積增大，可顯著提高二極管的通流能力。P區和N區之間加入了"低摻雜N區"，由近似純半導體材料組成，可承受很高電壓不被擊穿。越厚越承壓。這些都是為了應對大電流、高電壓的強電環境。
按照反向恢復特性（反向偏置，過渡時間）可分為普通二極管：多用於開關頻率不高（1kHz）的整流電路，反向恢復時間長，其正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高（kA和kV）；快恢復二極管：恢復過程很短，特別是反向恢復過程很短（一般在5?s以下） 。快恢復外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED） ，采用外延型P-i-N結構 ，其反向恢復時間更短（可低於50ns），正向壓降也很低（0.9V左右）。從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數百納秒或更長，後者則在100ns以下，甚至達到20~30ns。更進一步的是肖特基二極管（Schottky Barrier Diode——SBD）屬於多子器件(單極性)，優點在於：反向恢復時間很短（10~40ns），正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低於快恢復二極管；因此，其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高。弱點在於：當所能承受的反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用於200V以下的低壓場合；反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩態損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。
2.3 半控型器件——晶閘管
晶閘管又稱可控矽整流器（SCR），其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中"最高"的，而且工作可靠，因此在大容量的應用場合仍然具有比較重要的地位。晶閘管和GTO一樣屬於雙極型脈沖觸發電流驅動器件
從外形上看主要分為螺栓型和平板型，螺栓型比電力二極管多出來一個"小辮子"是門極G，使用開關電路連接G與K（陰極）就可以對其控制導通。其內部是PNPN四層半導體結構。
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晶閘管的工作原理可以將其等效成一個PNP三極管和一個NPN三極管的雙晶體管模型。如下圖，開關S閉合，對G施加正向電壓使V2導通，導通後形成V1的基極電流Ic2，此時V1導通並使集電流Ic1放大。放大了的Ic1流入Ig又使得V2基極電流增大，形成正反饋。當V1.V2完全飽和，整個晶閘管導通，此時不能通過向G門註入負電流使晶閘管關斷，想關斷只能通過去除陽極正向電壓或AK兩端施加反壓，這就半控器件。下圖式中a1和a2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。
除了使用門極觸發外，還有幾種意外情況導致晶閘管導通： 陽極電壓過高，造成雪崩效應 ；陽極電壓上升率du/dt過高 ；結溫較高；光觸發。
對於經典的單向晶閘管可以用經驗判斷其各極，螺栓型通常螺栓是A，細扣是K，辮子是G。平板型平放正面朝上，則從左到右K-A-G。若需進一步確認（如片子好壞），則借助萬用表：1）原則：G(門極)-K（陰極）之間僅有一個PN結，正向電阻幾百歐。2）中間A（陽極）已肯定。萬用表置於"R×100‘‘擋。用二極管極性判別法可判斷。
晶閘管的派生器件有快速晶閘管（開關時間以及du/dt和di/dt的耐量改善）和高頻晶閘管（關斷時間比快速晶閘管更短，10微秒），高頻晶閘管的不足在於其電壓和電流定額都不易做高。雙向晶閘管，一對反並聯連接的晶閘管。雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。逆導晶閘管，晶閘管反並聯一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。 具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優點，可用於不需要阻斷反向電壓的電路中。光控晶閘管（Light Triggered Thyristor——LTT） ，是利用一定波長的光照信號觸發導通的晶閘管。
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思考題：1.使晶閘管導通的條件是什麽：晶閘管承受正向陽極電壓，並在門極施加觸發電流（脈沖）。或：uAK>0且uGK>0 。
2. 維持晶閘管導通的條件是什麽？怎樣才能使晶閘管由導通變為關斷：維持晶閘管導通的條件：使晶閘管的電流大於能保持晶閘管導通的最小電流，即維持電流。要使晶閘管由導通變為關斷： 可利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近於零的某一數值以下，即降到維持電流以下，便可使導通的晶閘管關斷。 （或者在晶閘管兩端施加一個反偏壓 ）
3. 圖中陰影部分為晶閘管處於通態區間的電流波形，各波形的電流最大值均為Im，試計算各波形的電流平均值Id1、Id2、Id3與電流有效值I1、I2、I3。註："平均值=積分求平均"， "有效值=均方根"
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????2.4 典型的全控器件 —— GTO, GTR, Power Mosfet, IGBT
????剛才說到晶閘管是半控器件，只能開不能關，所以人們對其稍加改進就變成了新的派生器件：門極可關斷晶閘管（GTO）。GTO可以通過對門極施加負脈沖電流使其關斷，屬於全控器件。GTO也是PNPN四層半導體結構，是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出3個極，但內部則包含數十個甚至數百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門 極則在器件內部並聯在一起。GTO是脈沖觸發型電流驅動的雙極型器件。
????GTO門極可關斷晶閘管的工作原理依然可以通過雙晶體管模型分析。需要用到一個概念：V1、V2的共基極電流增益分別是a1、a2。a1+a2=1是器件臨界導通的條件，大於1導通，小於1則關斷。我們來分析一下為什麽GTO可以通過給門機抽出電流（施加負脈沖）而關斷：GTO工作在臨界飽和附近，將V2的共基極電流增益a2調整的較大，導通時a1+a2更接近1，導通時接近臨界飽和，飽和程度較淺有利門極控制關斷。當兩個晶體管發射極電流IA和IK減小使a1+a2<1時，器件退出飽和而關斷。所以GTO的關斷方式有兩個，一個是通過門機，一個是和SCR一樣通過AK。
????GTO的多元集成結構使得其比普通晶閘管開通過程更快，承受di/dt的能力增強，同時由於工作在臨界飽和狀態，最大可關斷陽極電流IATO與門極負脈沖電流最大值IGM之比boff一般很小，只有5左右，耐壓程度不如晶閘管，這是GTO的一個主要缺點。
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????電力晶體管（Giant Transistor——GTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管（Bipolar JunctionTransistor——BJT） (電力三極管)。GTR的工作原理和普通的晶體管是一樣的，主要特性是耐高壓，電流大、開關特性好(區別於信息三極管的放大、頻響特性)。
????GTR的結構和電力二極管類似，不過在PN結加入低摻雜區N-漂移區，采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結構，並采用集成電路工藝將許多這種單元並聯而成（多元）。 GTR是由三層半導體（分別引出集電極、基極和發射極）形成的兩個PN結（集電結和發射結）構成，多采用NPN結構。（達林頓接法：1）前面的發射極+後面的集極 2）放大倍數為兩者之積）。可以看到空穴和電子都參與導電，是雙極型電平觸發電流驅動器件，又由於和三極管結構類似，也是全控器件。
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????電力場效應晶體管：Power MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，它的特點有：驅動電路簡單，需要的驅動功率小。 開關速度快，工作頻率高。熱穩定性優於GTR。電流容量小，耐壓低，多用於功率不超過10kW的電力電子裝置。
MOSFET只有一種載流子導電，利用電場效應控制電流的三極管，是單極型電壓驅動器件，輸入電阻高，工藝簡單。是單極型晶體管（多子導電）。 結構上與小功率MOS管有較大區別，小功率MOS管是橫向導電器件，而目前電力MOSFET大都采用了垂直導電結構（P30頁最後一段解釋），所以又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET），這大大提高了MOSFET器件耐壓和耐電流能力。 按垂直導電結構的差異，分為利用V型槽實現垂直導電的VVMOSFET（Vertical V-groove MOSFET）和具有垂直導電雙擴散MOS結構的DMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 電力MOSFET也是多元集成結構。（類似於GTO）
????Power MOSFET的特點是單極性（只有多子導電），不存在少子儲存效應，因而其關斷過程是非常迅速的。開關時間在10~100ns之間，工作頻率達100kHz以上，為主流電力電子器件中最高。在開關過程中需要對輸入電容充放電，仍需要一定的驅動功率，開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。
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????絕緣柵雙晶體管（IGBT）
????IGBT可以說是現在電力電子器件中的主角，屬於復合型器件。剛才說的GTO和GTR都屬於雙極型電壓驅動器件，通流能力強但是開關速度低，而且驅動電路復雜。而單極型電流驅動的Power MOSFET的開關速度快，輸入阻抗高熱穩定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。所以IGBT綜合了GTR和Power MOSFET的優點。
????IGBT是三端器件，具有柵極G、集電極C和發射極E。由N溝道VDMOSFET與雙極型晶體管組合而成的IGBT比VDMOSFET多一層P+註入區，實現對漂移區電導率進行調制，使得IGBT具有很強的通流 能力。 簡化等效電路表明，IGBT是用GTR與MOSFET組成的達林頓結構，相當於一個由MOSFET驅動的厚基區PNP晶體管。 IGBT的驅動原理與電力MOSFET基本相同，是一種場控器件(Mosfet驅動BJT)，其開通和關斷是由柵極和發射極間的電壓UGE決定的。當UGE為正且大於開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，並為晶體管提供基極電流進而使IGBT導通。 當柵極與發射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關斷。電導調制效應使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態壓降。
????IGBT的特性和參數特點可以總結如下：開關速度高，開關損耗小。在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。通態壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區域。輸入阻抗，其輸入特性與電力MOSFET類似。 與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點。IGBT存在擎住效應，此時柵極失去對 集電極電流的控制作用，電流失控，也成為自鎖。引發擎住效應的原因，可能是集電極電流過大（靜態擎住效應），dUCE/dt過大（動態擎住效應），或溫度升高。
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電力電子技術復習筆記1（簡要版）