本节介绍电子电力技术的基本概念
本节介绍PD、SCR、GTR、MOSFET、IGBT等电子电力器件
本节介绍功率放大器的基本概念和线性功率放大器

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电力电子技术概述

电子电力技术是电力、电子和控制三者之间的交叉学科。

电子电力技术是一种电能处理技术，即采用电子电力器件（功率半导体器件和线路），对电能进行变换和控制的技术。

电能变换

电能变换是指变换幅值、频率、相位、相数中的一项或多项
电能变换的四大类型：

• AC->DC：整流
  通过开关电路，将交流转变为直流。控制开关导通的时间，进而控制直流电压（均值）
  

• DC->DC：直流斩波
  通过开关电路，控制输出的直流电压或电流
  

• DC->AC：逆变
  通过开关电路，控制输出电压正负交变。同时可以控制交变频率
  

• AC->AC：交-交变换
  

电子电力器件

电子电力器件专指电力半导体器件，是指可以直接承担电能的变换或控制任务的电子器件。
与信息电子器件相比：耐压高、通流大、功率大、体积大

开关过程：起开关作用的器件，在开通与关断之间切换并不是瞬间完成的，需要一定的时间。这个过程就是开关过程。开关过程不仅与器件本身的参数有关，还与负载的性质有关。在这里默认负载为纯电阻。

研究电子电力器件，重点关注四大特征：

• 电功率：是最重要的参数，有求耐压和通流的能力大
• 开关状态：希望减小本身的损耗，提高效率
• 驱动电路：希望使用弱点控制强电
• 功率损耗：远大于信息电子器件，需要安装散热器
  

根据电力电子器件的被控程度，可以分为：

• 不控型：如电力二极管。不能用控制信号来控制其通断
• 半控型：如晶闸管及其大部分派生器件。可以控制开通，但不能控制关断
• 全控型：IGBT和MOSFET。导通和关断都可以控制

根据参与导电的载流子类型可以分为：

• 单极型：如MOSFET。载流子为自由电子
• 双极型：如二极管、晶体管、晶闸管。载流子为自由电子和空穴
• 混合型：如IGBT

根据驱动信号可以分为：

• 电流型：如GTR
• 电压型：如IGBT、MOSFET

理想开关器件

1. 关断状态时能承受高的端电压，且漏电流为0
2. 导通状态时能流过大电流，且端电压为0
3. 导通、关断切换时所需开关时间为0
4. 寿命长，长期反复开关不发生损坏

功率二极管PD

PD：Power Diode
与普通二极管的区别在于：

1. 垂直导电结构，增大电流通过的有效面积，提高通流能力
   电流流动方向与硅片表面垂直。普通二极管为平行导电结构。
2. 存在低掺杂区，提高反向耐压，电导调制效应解决高电阻率
   二极管分为三个区：P、N⁺、N^-
   
   由于低掺杂区的存在，使得空间电荷区比普通二极管更宽。如果P和N⁺区掺杂浓度足够高，可以认为空间电荷区局限于N^-区，该区可以承受很高的反向电压，避免被击穿。
   
   低掺杂带来的电阻率高的问题被电导调制效应解决。电流增大，N⁺和P注入低掺杂区的载流子就增加，且保持电中性，相当于掺杂浓度增加，多子增多，电阻率下降，降低正向导通压降。
   而之所以存在电导调制效应，是因为低掺杂区的载流子存储效应，两边注入的载流子并没有进一步扩散而是被存储到了N^-区域中。

功率二极管的等效模型：

• 静态特性
  

• 动态特性

  • 开通过程：由零偏置->正向偏置
    
    开通时间：正向电压从0开始经过峰值，再降至稳态电压所需的时间
    过冲产生的原因：（1）阻性机制：电流小，电导调制效应尚未建立，压降大。（2）感性机制：电流增大，在器件内部的电感上产生压降
  • 关断过程：由正向偏置->反向偏置
    
    二极管经过一个反向恢复时间$t_{rr}$才能进入关断状态

• 不同类型的功率二极管
  

晶闸管SCR

又称可控硅整流器：Silicon Controlled Rectifier
用于高压大容量开关使用，但开关频率受限

结构如图，可以视作两个三极管连接而成：

不加控制信号时，无论加正向电压还是反向电压，都阻断。电压过大会发生击穿，分别称为正向击穿和反向击穿。

导通条件：

1. 阳极和阴极之间接正向电压（$U_{AK}>0$）
2. 门极和阴极之间接正向电压（$U_{GK}>0$）
3. 门极存在触发电流（$I_G>0$）
   
   
   T1和T2的导通形成正反馈，使得晶闸管可以迅速导通。且导通后，即使撤去G极输入的电流，依然可以保持导通。因此晶闸管是一种半控型器件，只能控制其开通而不能控制关断。

晶闸管有这样的特性：

• 晶闸管承受反向电压，不导通
• 晶闸管承受正向电压，仅在门极有触发电流时导通
• 导通后门极失去控制作用

按照晶体管的模型进行分析：

上式只适用于（晶体管的）放大区。
${\alpha }_1+{\alpha }_2>1$：饱和导通（普通晶闸管${\alpha }_1+{\alpha }_2=1.5$）
${\alpha }_1+{\alpha }_2=1$：临界饱和
${\alpha }_1+{\alpha }_2<1$：退出饱和

关断条件：
当阳极电流减小到接近于0的维持电流$I_H$时才会关断。可以通过撤去阳极正偏电压或反偏来完成。

• 静态特性
  即$I_G$一定时，$I_A$随$U_{AK}$的变化规律，从右至左分为正向阻断、导通、反向阻断、反向击穿四个部分
  
  实际上，即使触发电流$I_G=0$，当$I_A$足够大时同样可以触发正反馈使晶闸管导通。称这个阈值为擎住电流$I_L$。

• 动态特性

  • 开通过程
    
    开通时有一个电流逐步上升，管压降逐步下降的过程。原因有：（1）正反馈的形成需要时间；（2）外部电感限制电流上升
  • 关断过程
    
    G极反偏后A极电流开始减小。由于外部电感影响，A极电流衰减到0需要一定时间，且与二极管类似，存在反方向的反向恢复电流。
    从正向电流降为0开始，到反向电流衰减为0，这段时间称为反向阻断恢复时间
    从反向电流衰减为0开始，到恢复正向电压阻断能力，这段时间称为正向阻断恢复时间，在这段时间内，如果AK正偏，晶闸管可能误导通

• 晶闸管的派生器件
  

功率晶体管GTR

Giant Transistor
与功率二极管相似，垂直导电结构，通流能力强。有一个低掺杂区，提高反向耐压能力，利用电导调制效应，降低正向导通压降。

单管GTR的$\beta =10\sim 15$，为了提高电流放大倍数，常采用复合管（达林顿管）

制造时用重掺杂的N型半导体作为衬底，利用外延生长法制作N^-层，再高温扩散形成P区，最后扩散N区作为发射区。

• 静态特性
  
  GTR作开关用，工作在截止区与饱和区。更细分是准饱和区，因为准饱和区容易退出饱和而能够迅速关断，且电流增益高，可以扩大输出容量。
  在开关的转换过程中会经过放大区，为避免功率过大导致损坏，应快速通过。
  工作状态下，增大$U_{CE}$到击穿电压，$i_C$急剧增大而端电压$U_{CE}$无明显跌落，发生雪崩击穿，称为一次击穿。一次击穿时，如果控制$i_C$不再继续增大，一般不会损坏
  发生一次击穿后，继续增大$U_{CE}$，且不控制$i_C$，则当$i_C$上升到临界值时，端电压$U_{CE}$突然下降，而电流继续增大，称为二次击穿。二次击穿持续时间很短，GTR内部出现明显的电流集中和过热点，会永久损坏器件。

• 动态特性

  • 开通过程
    给基极加正向偏置$u_B$和驱动电流$i_B$
    
    延迟时间是由集电极势垒电容和发射极势垒电容造成的。（可忽略）
    上升时间与基极驱动电流有关。增大基极驱动电流的幅值及其变化率，可以缩短开通时间。
  • 关断过程
    截止信号一般是将基极反偏。
    
    关断时间总是大于开通时间的。

• 总结
  1.电流驱动型器件。驱动功率大，掌握合理的驱动方法较困难
  2.存在载流子存储效应和电导调制效应
  3.存在二次击穿
  4.额定电压大多不超过1200V，额定电流不超过800A，开关频率不超过10kHz

功率场效应晶体管PowerMOSFET

与普通MOSFET相比，增加了低掺杂 N区，耐压大。采用垂直导电结构，通流大。
栅极绝缘，没有电导调制效应，通态电阻大。

• 导电机理：
  当栅源电压大于某一值（开启电压$U_T$）时，栅极下的电场排斥空穴，使P型半导体反型成N型，形成导电沟道，连通N^-和N⁺源极。
  
  栅源电压越大、沟道越宽，导电能力越强，漏极电流越大

• 静态特性

  • 转移特性
    漏极电流与栅源电压的关系
    
    跨导g越大，栅源电压对漏极的控制能力越强
  • 输出特性
    漏极电流与漏源电压的关系
    
    工作区为非饱和区（调阻区）和截止区。
    在非饱和区，漏极电流随漏源电压增加而增加，而饱和是指漏源电压增加，漏极电流不再增加。
    截止区内栅源电压小于开启电压，没有导电沟道。
    雪崩区内发生雪崩击穿，随漏源电压增加，漏极电流急剧增加，直至器件损坏。

• 动态特性

  • 开通过程
    
    在开通延迟时间内，由于MOSFET存在输入电容，所以输入脉冲$U_p$，栅源电压$U_{GS}$呈指数曲线上升
    在电流上升时间内，MOSFET工作在饱和区，栅源电压上升，漏极电流随之上升
    在电压下降时间内，栅源电压上升到$U_{GSP}$，MOSFET进入调阻区，漏源电压开始下降，而栅源电压近似保持不变，形成密勒平台

  • 关断过程
    
    在关断延迟时间内，栅源电容和栅漏电容放电，栅极电压按照指数规律下降。当$U_{GS}=U_{GSP}$时，漏源电压开始上升
    在电压上升时间内，漏源电压上升，栅漏电容充电，使栅源电压近似保持不变，出现平台波形
    在电流下降时间内，栅源电压小于阈值电压，器件关断，输入电容放电，直到沟道消失，完全关断

• 总结
  1.单极型器件，载流子为自由电子
  2.电压控制型，存在输入电容，需要驱动功率
  3.没有少子存储效应，关断迅速
  4.开关时间短，工作频率可达500kHz以上
  没有电导调制效应，通态压降高

绝缘栅双极晶体管IGBT

IGBT：Insulated-gate Bipolar Transistor

其结构相当于MOSFET驱动PNP晶体管。

• 导电机理
  加正向栅极电压，高于阈值电压$U_{GE(th)}$时形成导电沟道，MOSFET导通，电子由发射极注入$N^{-}$区，给晶体管提供基极电流，若$U_{CE}>0$，则晶体管产生导通电流，进而IGBT导通。
  
  对于$N^{-}$区，沟道向其注入电子，$P^{+}$区向其注入空穴，有电导调制效应，减小导通电阻，降低通态压降
  加反向栅极电压，MOSFET截止，IGBT截止
• 静态特性
  • 转移特性
    集电极电流$I_C$与栅极驱动电压$U_{GE}$的关系
    
    栅极驱动电压小于阈值电压，IGBT关断
    最高栅极驱动电压受最大漏极电流控制，其最佳值一般取15V左右
    在大电流区域，栅极驱动电压一定，温度上升，集电极电流下降
  • 输出特性
    通态电流与$U_{CE}$的关系
    
    $U_{CE}$一定，驱动电压$U_{GE}$越大，$I_C$越大
    IGBT导通时工作在饱和区，关断时工作在正向阻断区（即$U_{CE}$不能反向）。
• 动态特性
  IGBT的开通和关断都是MOSFET和晶体管共同开通、关断的过程
  • 开通过程
    
  • 关断过程
    
• 总结
  1.IGBT为电压驱动型器件，等效为MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管
  2.IGBT存在电导调制效应，容易实现高耐压，但也引入了少子存贮效应，有拖尾电流，导致其开关频率比MOSFET低
  3.最大电流容量达3600A，最高电压等级6500V，工作频率150kHz

功率放大环节概述

控制信号不能直接驱动执行元件（一般是电动机），因此需要功率放大元件来起放大、驱动的作用。

功率放大器将输出的电压或电流随控制信号变化而变化，属于伺服控制系统，因此又称为伺服功率放大器。

• 根据其驱动的电机不同，又分为直流伺服功率放大器（应用最广）、交流功率伺服放大器。
• 根据功率器件的工作状态，又分为线性功放、开关功放
  线性功放失真小电压电流波纹小、电磁兼容性好、电路简单成本低，但效率低，仅适用于小功率场合
  开关功放效率高、适合数字化控制、适合大功率驱动应用，但可能产生电磁兼容性问题
• 根据其采用的功率器件，可分为MOSFET功放、IGBT功放、SCR功放

对功率放大环节的要求：

1. 能够输出足够的电压、电流（功率）
2. 输出信号线性度好（即失真小）
3. 具备可靠的限压、限流、过热保护等安全保护功能
4. 可实现功率流向控制（即电动机运行在发电机状态时要求放大器能接受反馈回的电能）
5. 运行中有良好的效率

线性功率放大器

线性放大器频带宽、线性度好、电磁兼容性好、电路简单，适合低成本简单应用。
缺点是效率低，仅用于小功率场合

完整的功放一般包括前置放大、输出级、检测反馈保护电路等。
前置放大一般用运算放大器进行电压放大，再利用晶体管电路，共射放大电路放大电压，射极跟随器放大电流。

输出级主要有两种：
推挽输出、桥式输出

输出级中晶体管的常见工作方式：
互补工作方式：两支不同类型的晶体管交替工作，均形成射极输出形式
推挽工作方式：两支相同类型的晶体管交替导通

• 按照晶体管的静态工作点分类
  
• 按照输出端的特点分类
  
  
  
  互补式电路要求晶体管不仅互补工作（要两支不同类型的管子），还要性能对称，在大功率上难以实现，所以一般采用准互补式电路。也就是使用复合管，既保证了PNP、NPN两种不同的类型，又可以通过复合管的配合，得到近似的性能。
  

线性功放应用注意事项

1. 输出级选择
   电机驱动主要采用推挽和桥式两种功放
   推挽电路比桥式电路，减少使用一半的功率管，但是其截止管承受的反压是桥式电路的两倍（需要考虑晶体管数量、功率管耐压要求）
   如果要输出正负信号，推挽电路必须采用正负电源，桥式电路可以采用单电源（需要考虑电源极性要求）
   要获得流过电机的电流，推挽电路可以通过在电机与地之间串连一个小电阻，读取其上电压来采样电流。而桥式电路比较复杂，可以利用小电阻采样与地相连的两个晶体管发射极电流，两个值有一个为0，用集成运放构成加法器输出其差可以采样电流（需要注意电流采样方式）
2. 感生电路的防护问题
   对于感性负载，需要增加钳位二极管或续流二极管，防止突然断电感性负载产生高电压损坏晶体管
3. 输出大电流和减小死区的影响
   采用复合管推挽和功率管并联的形式来输出大电流
   采用电阻、二极管、三极管设置偏压来补偿死区；采用电压串连负反馈减小死区影响
4. 限流保护
   采用电流负反馈实现限流，比如非线性电流负反馈、分流限流
5. 输出震荡的问题
   增加外部RC或C元件，降低功放线路的回路带宽来抑制震荡
6. 防止直通损坏
   利用二极管钳位，防止上下管直通
7. 防止过热
   根据功率，一般需要加散热片。对于金属封装，还要与散热片采取绝缘
8. 电流源和电压源功放
   对于常见的功率放大器，采用电压负反馈构成电压源型功放，采用电流负反馈构成电流源型功放
   电压源型，输出电压受输入电压控制，输出电流取决于电机的工作状态。
   电流源型，输出电流受输入电压控制，输出电压取决于电机的工作状态，可以提供足够的电流，使电机在不同转速都输出足够大的力矩。
   对于调速伺服等应用，常采用电压源功放。对于转矩伺服应用，采用电流源型功放。对于液压、气动马达的电磁阀驱动控制，多采用电流源型功放。