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    [導讀]如前幾篇文章所述,大電流流經電纜和高截面連接。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、控制或轉移該電流。電力電子元件是靜態半導體器件,可以控制微弱的控制信號以產生高輸出功率。

    如前幾篇文章所述,大電流流經電纜和高截面連接。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、控制或轉移該電流。電力電子元件是靜態半導體器件,可以控制微弱的控制信號以產生高輸出功率。

    介紹

    電力電子系統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,并且它產生的熱量必須由卓越的冷卻系統帶走。已經確定,為了實現高良率和低功耗,所有電力電子器件都用作開關(ON 和 OFF),更具體地說,是在高頻開關模式下。這將減小感應部件的尺寸,并最終減小系統的整體重量。由于技術的進步和新半導體的發現,現在功率器件的性能比過去好很多??煽毓β屎烷_關速度特別提高。

    圖 1 從廣義上顯示了技術在大約 80 年的學術和工業研究過程中發生了怎樣的變化。


    電力電子課程:第 5 部分 - 可控硅、雙向可控硅圖 1:功率器件——時間線

    從廣義上講,科學進步使以下功率器件的生產成為可能,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 - 反向導電晶閘管);

    TRIAC(1958 - 三極管交流開關);

    BJT(1960 - 雙極結型晶體管);

    GTO(1962 - 門極關斷晶閘管);

    Power Mosfet(1970 - 金屬氧化物半導體場效應晶體管);

    SIT(1975 - 靜態感應晶體管);

    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。隨著柵極上的脈沖,可控硅進入導通狀態。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。柵極上的一個短脈沖足以觸發晶閘管的導通。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

    Qnpn 4 6 5 Nfor 關閉

    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


    電力電子課程:第 5 部分 - 可控硅、雙向可控硅

    圖 2:在直流狀態下 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 導通,在負半周期保持關閉。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,則在電流過零時發生關斷,使其缺乏保持觸發所需的維護電流。


    電力電子課程:第 5 部分 - 可控硅、雙向可控硅圖 3:交流電狀態下 SCR 的操作

    雙向可控硅

    三端雙向可控硅開關用作大電流的雙向開關,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正在導通,即使柵極中沒有電流,電流也會繼續流動。但如果三端雙向可控硅開關連接到交流電路,則關斷發生在電流的過零處。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,如圖 4所示。幾毫安的脈沖足以觸發 TRIAC 并讓燈泡打開。如果脈沖處于活動狀態,即使交流電壓通過零并呈現負值,電流也會通過組件。如果門脈沖低,三端雙向可控硅開關不導通,打開,燈泡保持關閉。另一方面,如果脈沖很高,三端雙向可控硅開關導通并且燈泡打開。這種功能在正半波和負半波中是相同的。


    電力電子課程:第 5 部分 - 可控硅、雙向可控硅

    圖 4:TRIAC 用于交流電狀態

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