电力电子器件
功率二極管
功率二極管又稱整流二極管，屬于不可控器件
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電氣符號
A端為陽極，K端為陰極
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外形
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伏安特性
正向特性：電壓小于門坎電壓時，二極管只流過很小的電流；電壓大于門坎電壓時，電流急劇增加，呈現低阻態，管壓降約0.6V。
反向特性：開始只有很小的漏電流，電壓增大，電流增大，呈現高阻態；電壓增加到超過Uro，漏電流擊穿管子，呈現短路或開路狀態。
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主要參數
正向平均電流Ivd（額定電流）：長期允許通過的最大工頻半波電流的平均值。
正向壓降Uvd（管壓降）：管子流過穩定正向電流時所對應的正向壓降。
反向不重復峰值電壓Ursm：器件反向伏安特性曲線的轉折處。
反向重復峰值電壓Urrm（額定電壓）：管子能夠重復施壓的反向最高電壓，Urrm = Ursm * 80%。
擊穿電壓Uro：反向擊穿電壓。
反向恢復時間：正向電流降至零起到恢復反向阻斷能力為止的時間。
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選型
額定電流原則：確定電路最大電流Ivdm，Ivd=(1.5~2)*(Ivdm/1.57)。
額定電壓原則：確定電路最大反向電壓Uvdm，Urrm = (2~3)*Uvdm。
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主要類型
普通功率二極管：又稱整流二極管，用于開關頻率不高的整流電路中。反向恢復時間長，但額定電壓和額定電流可以達到很高。
快恢復二極管：用于與可控開關配合的高頻電路中。反向恢復時間短，可以達到5us。
肖特基二極管：用于高頻、低壓方面，如高頻儀表和開關電源。優點是導通電壓小、開關損耗小、開關時間短；缺點是反向漏電流大、阻斷電壓低。
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仿真模型
路徑
電路模型
輸入輸出
a：陽極? ? k：陰極? ? m：測量電流和電壓[Iak， Vak]
參數
Ron：二極管器件內電阻。當內電感設為0時，內電阻不能設為0。
Lon：二極管器件內電感。當內電阻設為0時，內電感不能為0。
Vf：二極管器件的正向電壓。二極管的門檻電壓，只有當正向電壓大于門檻電壓，二極管才導通。
Ic：初始電流。設為非零時，內電感不能為0。
Rs：緩沖電阻（和緩沖電容串聯，與二極管并聯）。Rs為0，純電容。
Cs：緩沖電容（和緩沖電容串聯，與二極管并聯）。Cs為inf，純電阻。Rs為inf，Cs為0，消除緩沖。
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晶閘管
晶閘管又稱可控硅，屬于半控型器件。
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電器符號
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外形
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原理
導通：陽極-陰極加正向電壓，門極-陰極加合適的正向電壓。
關斷：陽極電流減小到一定數值以下。（晶閘管一旦導通，門極即失去控制作用）
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特性
在門極電流Ig1=0的情況下，逐漸加大正向陽極電壓，晶閘管處于斷態，只有很小的正向漏電流；增加正向陽極電壓，當達到轉折電壓Ubo時，漏電流突然劇增，自身壓降很小，晶閘管正向導通（門極電流越大，陽極電壓轉折點越低；正常情況下不允許把陽極電壓加到Ubo來使晶閘管導通）。正常情況下，通過門極輸入觸發電流Ig，使晶閘管導通。逐步減小陽極電流，當電流小于維持電流Ih時，晶閘管阻斷。
晶閘管承受反向陽極電壓，晶閘管阻斷；電壓增加到一定數值，漏電流增加較快；繼續增加晶閘管擊穿損壞。
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主要參數
正向重復峰值電壓Udrm：在門極斷開和晶閘管阻斷情況下，可重復加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。正向不重復峰值電壓Udsm，Udrm=Udsm*80%。
反向重復峰值電壓Urrm：在門極斷開的情況下，可重復加在晶閘管兩端的反向峰值電壓。反向不重復峰值電壓Ursm，Urrm=Ursm*80%。
額定電壓Uvtn：Udrm和Urrm的較小值并向下取整（百伏）。
額定電流Ivt：長期允許通過的最大工頻半波電流的平均值。
通態平均電壓Uvt：額定電流時，晶閘管陽極和陰極間電壓降的平均值。當晶閘管流過較大的恒定直流電流時，其通態平均電壓比廠家定義值要大，約1.5V。
維持電流Ih和擎住電流Il：門極開路時，能維持晶閘管繼續導通的最小電流稱為維持電流Ih；門極加上觸發晶閘管導通后立即撤除觸發電壓，此時器件維持導通所需電流稱為擎住電流Il。
門極觸發電流Igt：室溫、陽極電壓6V直流電壓時，晶體管從阻斷到完全開通所需的最小門極直流電流。
門極觸發電壓Ugt：對應于門極觸發電流時的電壓。
斷態電壓臨界上升率du/dt：門極斷路條件下，器件從斷態轉入通態的最低電壓上升率。
通態電流臨界上升率di/dt：由門極觸發晶閘管使其導通時，能夠承受而不導致損壞的通態電流的最大上升率。
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選型
額定電流原則：確定電路最大電流Ivtm，Ivt=(1.5~2)*(Ivdm/1.57)。
額定電壓原則：確定電路最大反向或反向電壓Uvtm，Uvt = (2~3)*Uvtm。
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派生器件
雙向晶閘管：把一對反并聯的普通晶閘管集成在同一硅片，只用一個門極觸發的組合器件。G端加+/-電壓，都可以導通晶閘管，但從觸發靈敏度上將1+ > 1- = 3- > 3+。
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快速晶閘管：工作頻率幾十~幾千Hz，開通時間1~2us，關斷時間幾~幾十us。
光控晶閘管：使用光信號觸發晶閘管導通。
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門極驅動
晶閘管觸發主要有移相觸發、過零觸發和脈沖列調制觸發等。對觸發脈沖得要求如下：
1.為減小門極損耗，廣泛采用脈沖觸發信號。
2.觸發脈沖應用足夠的功率，并留有一定的余量。
3.觸發脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿應盡可能陡，使器件在觸發導通后，陽極電流能迅速上升超過擎住電流而維持導通。對于電感性負載，由于電感會抵制電流上升，因而觸發脈沖的寬度應更大一些或采用雙窄脈沖；有些則需要強觸發脈沖。
4.觸發脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。
脈沖電路與晶閘管的連接方式：
1.直接連接：主電路和觸發電路采用導線直接連接。由于主電路電壓較高，采用直接連接易造成操作不安全，主電路又往往干擾觸發電路，所以這種連接常用在一些簡單設備中。
2.光耦合器連接：光耦合器是一種將電信號轉換為光信號，又將光信號轉換為電信號的半導體器件。它將發光和受光的元器件密封在同一管殼里，以光為媒介傳遞信號。光耦合器的發光源通常選砷化鎵發光二極管，而受光部分采用硅光敏二極管及光敏晶體管。光耦合器具有可實現輸入和輸出間電隔離、絕緣性好、抗干擾能力強的優點，在用微機組成的觸發電路中經常采用。
3.脈沖變壓器耦合連接：脈沖變壓器能很好地把一次側的脈沖信號傳輸到二次繞組，二次繞組與晶體管連接，主電路與控制電路具有良好的電器絕緣。
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仿真模型
路徑
電路模型
輸入輸出
a：陽極? ? k：陰極? ? g：門極? ? m：測量電流和電壓[Iak， Vak]
參數
Ron：晶閘管內電阻。當內電感設為0時，內電阻不能設為0。
Lon：晶閘管內電感。當內電阻設為0時，內電感不能為0。
Vf：晶閘管的正向管壓降。
Ic：晶閘管初始電流。設為非零時，內電感不能為0。
Rs：晶閘管緩沖電阻（和緩沖電容串聯，與二極管并聯）。Rs為0，純電容。
Cs：晶閘管緩沖電容（和緩沖電容串聯，與二極管并聯）。Cs為inf，純電阻。Rs為inf，Cs為0，消除緩沖。
Il：晶閘管擎住電流。
Tq：晶閘管關斷時間。
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門極關斷晶閘管
晶閘管的派生器件，屬于全控型器件。
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電氣符號
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特性
陽極加正向電壓，門極加正脈沖信號，GTO由斷態轉為通態，開通時間ton=td+tr。
GTO導通后，門極加負負脈沖信號，GTO關斷，關斷時間toff=ts+tf。
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主要參數
大多數和普通晶閘管相同。
最大可關斷陽極電流Iato：用門極電流可以重復關斷的陽極峰值電流
陽極尖峰電壓Up：下降時間的尾部出現的尖峰電壓。
關斷增益βoff：最大關斷陽極電流Iato與門極負電流最大值之比。
維持電流Ih：陽極電流減小到開始出現GTO元不能再維持導通的電流值。
擎住電流Il：門極觸發后，陽極電流上升到保持所有GTO元導通的最低值。
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門極驅動
1.門極開通電路。GTO的門極觸發特性與普通晶閘管基本相同，驅動電路設計也基本一致。要求門極開通控制電流信號具有前沿陡、振幅高、寬度大、后沿緩的脈沖波形。脈沖前沿陡有利于GTO的快速導通，一般為5~10A/us；脈沖幅度高可實現強觸發，有利于縮短開通時間，減少開通損耗；脈沖有足夠的寬度則可保證陽極電流可靠建立；后沿緩一些可防止產生振蕩。
2.門極關斷電路。已導通的GTO用門極反向電流來關斷，反向門極電流波形對GTO的安全運行有很大影響。要求關斷控制電流波形為前沿較陡、寬度足夠、幅度較高、后沿平緩。一般關斷脈沖電流的上升率10~50A/us，這樣可縮短關斷時間，減少關斷損耗，但電流上升率過大會使關斷增益下降，通常增益為3~5，可見關斷脈沖電流要達到陽極電流的1/5~1/3才能將GTO關斷。當關斷增益保持不變，增加關斷控制電流幅值可提高GTO陽極關斷能力。關斷脈沖的寬度一般為120us左右。
3.門極反偏電路。由于結構原因，GTO與普通晶閘管相比承受電壓上升率的能力較差，如陽極電壓上升率較高時可能會引起誤觸發。為此可設置反偏電路，在GTO正向阻斷期間于門極施加負偏壓，從而提高承受電壓上升率的能力。
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保護
快速熔斷器保護法；撬杠保護法；自關斷保護法。
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仿真模型
路徑
電路模型
輸入輸出
a：陽極? ? k：陰極? ? g：門極? ? m：測量電流和電壓[Iak， Vak]
參數
Ron：GTO內電阻。當內電感設為0時，內電阻不能設為0。
Lon：GTO內電感。當內電阻設為0時，內電感不能為0。
Vf：GTO的正向管壓降。
Ic：GTO初始電流。設為非零時，內電感不能為0。
Rs：GTO緩沖電阻（和緩沖電容串聯，與二極管并聯）。Rs為0，純電容。
Cs：GTO緩沖電容（和緩沖電容串聯，與二極管并聯）。Cs為inf，純電阻。Rs為inf，Cs為0，消除緩沖。
Tf：電流下降到10%的時間。
Tt：電流拖尾時間。
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大功率晶體管
GTR和BJT一樣是三極管的一種，屬于電流控制型自關斷器件。
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電氣符號
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外形
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特性
輸出特性（和BJT類似）：作為電力開關使用時，其斷態工作點必須在截止區，通態工作點必須在飽和區。
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主要參數
電壓參數：發射極開路時，集電極-基極反向擊穿電壓BUcbo；基極開路時，集電極-發射極擊穿電壓BUceo；發射極和基極用電阻連接時，集電極-發射極擊穿電壓BUcer；發射極和基極短路時，集電極-發射極擊穿電壓BUces；發射結反偏時，集電極-發射極擊穿電壓BUcex。BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>BUceo。
集電極電流額定值Icm：β值下降到額定值1/2~1/3時的Ic值定為Icm。實際使用過程中留有余量，一般只能用到Icm一半左右。
最大耗散功率Pcm：在最高允許結溫時對應的耗散功率。
直流電流增益hfe：直流工作時集電極和基極電流之比。
開關頻率：開通時間和關斷時間越小越好。
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基極驅動
1.控制開通GTR時，驅動電流前沿要陡，并且要有一定的過沖電流，以縮短開通時間，減小開通損耗。
2.GTR導通后，應相應減小驅動電流，使GTR處于準飽和導通狀態，且使之不進入放大區和深飽和區，以降低驅動功率，縮短存儲時間。
3.GTR關斷時，應迅速加上足夠大的反向基極電流，迅速抽取基區的剩余載流子，以確保GTR快速關斷，并減小關斷損耗。
4.GTR的驅動電路要具有自動保護功能，以便在故障狀態下能快速自動切除基極驅動信號，避免GTR遭到損壞。
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保護
電壓狀態識別保護；橋臂互鎖保護；欠飽和及過飽和保護。
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功率場效應晶體管
功率場效應管（P-MOSFET）屬于電壓全控型器件，門極靜態電阻極高、驅動功率小、工作頻率高、熱穩定性好；但是電流容量小、耐壓低、功率不易做大，常用于中小功率開關電路。
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電氣符號
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外形
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特性
輸出特性和轉移特性（和MOSFET類似）：作為電力開關使用時，導通時必須工作在線性導電區I，否則通態壓降太大，功耗也大。
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主要參數
通態電阻Ron：在確定Ugs下，由線性導電區進入飽和恒流區時的直流電阻，它是影響最大輸出功率的重要參數。
開啟電壓Ut：溝道形成所需的最低柵極電壓。開啟電壓一般為2~4V。
漏極擊穿電壓BUds：為避免器件進入雪崩擊穿區而設的極限參數。
柵源擊穿電壓BUgs：柵源所能承受的最高正反電壓。一般極限值為±20V。
極間電容：柵源電容Cgs、柵漏電容Cgd、漏源電容Cds。Cin=Cgs+Cgd，Cout=Cgd+Cds，Cf=Cgd。
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柵極驅動
1.觸發脈沖要有足夠快的上升和下降速度，即脈沖前、后沿要求陡峭。
2.為使P-MOSFET可靠觸發導通，觸發電壓應高于開啟電壓Ut，但不得超過最大觸發額定電壓BUgs。觸發脈沖電壓也不能過低，否則會使通態電阻增大，降低抗干擾能力。
3.驅動電路的輸出電阻應低，開通時以低電阻對柵極電容充電，關斷時為柵極電荷提供低電阻放電回路，以提高開關速度。
4.為防止誤導通，在截止時應能提供負的柵源電壓。
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保護
防靜電擊穿保護；柵源過壓保護；漏源過壓保護；短路、過流保護。
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仿真模型
路徑
電路模型
輸入輸出
d：漏極? ? s：源極? ? g：柵極? ? m：測量電流和電壓[Iak， Vak]
參數
Ron：內電阻。當內電感設為0時，內電阻不能設為0。
Lon：內電感。當內電阻設為0時，內電感不能為0。
Rd：內部二極管電阻。
Vf：內部二極管正向管壓降。
Ic：初始電流。設為非零時，初始狀態導通。
Rs：緩沖電阻（和緩沖電容串聯，與二極管并聯）。Rs為0，純電容。
Cs：緩沖電容（和緩沖電容串聯，與二極管并聯）。Cs為inf，純電阻。Rs為inf，Cs為0，消除緩沖。
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絕緣柵雙極型晶體管
IGBT由P-MOSFET和GTR混合組成的電壓控制型自關斷器件。它將P-MOSFET和GTR的優點集于一身，既具有P-MOSFET輸入阻抗高、開關速度快、工作頻率高、熱穩定性好、驅動電路簡單的長處，又有GTR通態電壓降低、耐高壓和承受電流大的優點。
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電氣符號
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外形
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原理
當Uce<0時，IGBT呈反向阻斷狀態。
當Uce>0時，若Uge<Ut（開啟電壓），IGBT成正向阻斷狀態；若Uge>Ut（開啟電壓），IGBT導通。
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特性
I區：可調電阻區，Uce增大，Ic增大。
II區：恒流飽和區，對于一定的Uge，Ic不再隨Uce變化。
III區：雪崩區
Uge<Ut時，IGBT截止；Uge>Ut，IGBT導通，且除靠近Ut這一小段，Ic和Uge呈線性關系。
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主要參數
集射極擊穿電壓BUces：IGBT的最高工作電壓。
開啟電壓Ut和最大柵射極電壓BUges：Ut是導通所需的最低柵射極電壓，一般在2~6V。BUges限制在±20V以內，最佳值在15V左右。
通態壓降Uce：導通狀態時集射極間的導通壓降，值越小管子功耗越小，一般為2.5~3.5V。
集電極連續電流Ic和峰值電流Icp：集電極允許流過的最大連續電流Ic的額定電流；最大集電極峰值Icp，為額定電流Ic的2倍左右。
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柵極驅動
1.驅動脈沖的上升沿和下降沿要陡：上升沿可使IGBT快速開通，減小開通損耗；下降沿陡，并在柵射極間加一適當的反向偏壓，有助于IGBT快速關斷，減少關斷損耗。
2.驅動功率足夠大：IGBT開通后，柵極驅動源應能提供足夠的功率及電壓、電流幅值，使IGBT總處于飽和狀態，不因退出飽和而損壞。
3.合適的負偏壓：為縮短關斷過程中的時間，需施加負偏壓-Uge，同時還可防止關斷瞬間因電壓上升率過高造成誤導通，并提高抗干擾能力。反偏壓-Uge一般取-2~-10V。
4.合理的柵極電阻Rg：在開關損耗不太大的情況下，應選擇較大的Rg。Rg的范圍為1~400Ω。
5.IGBT多用于高壓場合，故驅動電路與整個控制電路應嚴格隔離。
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保護
1.通過檢測出的過電流信號切斷柵極控制信號，實現過電流保護
2.利用緩沖電路抑制過電壓并限制電壓上升率
3.利用溫度傳感器檢測IGBT的殼溫，當超過允許溫度時主電路跳閘，實現過熱保護
4.靜電保護
5.短路保護
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仿真模型
路徑
電路模型
輸入輸出
c：集電極? ? e：發射極? ? g：柵極? ? m：測量電流和電壓[Iak， Vak]
參數
Ron：IGBT內電阻。當內電感設為0時，內電阻不能設為0。
Lon：IGBT內電感。當內電阻設為0時，內電感不能為0。
Vf：IGBT的正向管壓降。
Ic：IGBT初始電流。設為非零時，表示從導通開始。
Rs：IGBT緩沖電阻（和緩沖電容串聯，與二極管并聯）。Rs為0，純電容。
Cs：IGBT緩沖電容（和緩沖電容串聯，與二極管并聯）。Cs為inf，純電阻。Rs為inf，Cs為0，消除緩沖。
Tf：IGBT電流下降到10%的時間。
Tt：IGBT電流拖尾時間。
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理想開關
仿真模型
路徑
電路模型
輸入輸出
1/2：雙向端? ? g：門極? ? m：測量電流和電壓[Iak， Vak]
參數
Ron：內電阻。
Ic：初始電流。設為非零時，表示從導通開始。
Rs：緩沖電阻（和緩沖電容串聯，與二極管并聯）。Rs為0，純電容。
Cs：緩沖電容（和緩沖電容串聯，與二極管并聯）。Cs為inf，純電阻。Rs為inf，Cs為0，消除緩沖。
總結
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