按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片文字樣式,第二層,第三層,第四層,第五層,*,*,*,功率半導體開關概論,直流至直流切換式轉換器,直流至交流切換式反流器,授課教師：魏榮宗博士,服務單位：元智電機系,電力電子系統,1,功率半導體開關概論 授課教師：魏榮宗博士電力電子系統1,目前所用的功率半導體元件，依據可控制的程度可分為三類,1,二極體(Diodes),：導通與否由電力電子電路來決定。,2,閘流體(Thyristors),：導通由控制信號觸發，截止則需藉助電力電子電路。,3,可控制開關(Controllable Switches),：導通與截止皆由控制信號決定。,A.,雙極性接面電晶體(BJT),B.,金氧場效應電晶體(MOSFET),C.,閘關閘流體(GTO),D.,閘極絕緣雙接面電晶體(IGBT),功率半導體開關概論,2,目前所用的功率半導體元件，依據可控制的程度可分為三類功率半導,二極體,二極體之電路符號及電壓對電流的穩態特性如圖1.1(a)及圖1.1(b)所示，二極體在順向偏壓時導通，而導通時的壓降約為1伏特。在逆向偏壓時，只有非常小的洩漏電流通過，直到大於逆向崩潰電壓。通常二極體在正常操作時，反向電壓必須在逆向崩潰偏壓內。若反向洩漏電流及導通電壓降與實際電路操作之電流及電壓降比較後可以忽略，則二極體可以用圖1.1(c)的理想特性表示，以簡化轉換器電路之複雜性。,3,二極體二極體之電路符號及電壓對電流的穩態特性如圖1.1(a),依用途區分，二極體類型可分為：,1,蕭特基(Schottky）二極體,：其導通壓降很低，典型為0.3伏特，適用於低,電壓輸出之電路，其逆向耐壓約為50至100伏特。,2,快速恢復(Fast-Recovery)二極體,：其逆向恢復時間很短，用在高頻切換電,路中與可控制開關配合使用。其容量大約為數百伏及數百安培，小於幾個,微秒。,3,線頻(Line-Frequency)二極體,：由於其設計是盡量降低導通壓降，因此逆,向恢復時間較大。但對於以線頻操作之應用而言是可以接受的，其耐壓,可達幾千伏特，耐流為幾千安培，可以串並聯方式增加其電壓與電流之,容量。,4,依用途區分，二極體類型可分為：3線頻(Line-Frequ,閘流體,閘流體的電路符號與電壓電流特性如圖1.3(a)及圖1.3(b)所示。導通電流的方向為由陽極(A)到陰極(K)。導通時導通壓降通常只有幾伏特(視其耐壓容量而定，典型為1至3伏特)。當閘流體一導通，即使移去閘極電流，亦可繼續保持導通，特性如同二極體，其截止無法藉由閘極控制，只能藉由所連接之電路使流經閘流體之電流為零才能使之截止。當逆向偏壓小於其崩潰電壓時，只有很小之洩漏電流會通過，如圖1.3(b)所示，通常順向與逆向之崩潰電壓會相同，其理想特性如圖1.3(c)所示。,5,閘流體閘流體的電路符號與電壓電流特性如圖1.3(a)及圖1.,閘流體的操作可以圖1.4(a)的電路來說明。其中閘流體的觸發導通只能於輸入電壓之正半週進行，當輸入電壓進入負半週後，由於純電阻性電壓與電流同向，因此理想的閘流體會在,t=T/2,時截止，其波形如圖1.4(b)所示。,對於實際的閘流體而言，其電流如圖1.4(c)所示，在變為零之前必須反向，其截止時間的計算與二極體不同，是以從電流經過零點到電壓經過零點的時間來計算。在這段時間閘流體的跨壓必須維持一定之負值，之後才有能力在未觸發時承受順向偏壓而不導通，如果在,t,q,之間即加上順向偏壓，則閘流體甚至整個電路都將因其不完全導通而損毀，因此,t,q,又稱為閘流體的換向回復時間。,6,閘流體的操作可以圖1.4(a)的電路來說明。其中閘流體的觸發,根據閘流體的各種特性及其應用範圍加以區分為,1,相控閘流體(Phase-Control),：主要用途為交/直流馬達驅動及高壓直流,輸電所需之線頻電壓整流，其特點為高電壓電流容量及低導通壓降，,目前產品之平均電流可達4000安培，耐壓5000至7000伏特，導通壓,降在耐壓1000伏的約為0.5伏特，而5000至7000伏的約為3伏特。,2,反流器級,(Inverter-Grade),閘流體,：其特點為低換向回復時間及低導,通壓降,，目前容量可達2500伏特/1500安培。,3,光驅動閘流體(Light-Activated),：閘流體的觸發是由光脈衝經由光纖,傳送至閘流體內部較靈敏的部分，主要用途為高壓直流輸電，光驅,動閘流體的容量現今可達4000伏特,3000安培，導通壓降約2伏特。,其他不同應用型式的閘流體尚有：,閘輔助截止閘流體(GATTs),、,非對稱型矽控制整流子(ASCRs),，以及,反向導通閘流體(CRTs),等。,7,根據閘流體的各種特性及其應用範圍加以區分為其他不同應用型式的,可控式開關,可控式開關特性需求,1截止狀態下具有很小的洩漏電流。,2低導通壓降以降低導通損失。,3極短之導通與截止時間，使元件之切換頻率可以提高。,4很高的順向與逆向耐壓能力，以避免使用元件串接方式時徒增控制及,保護之複雜性及增加導通損失。若可控式開關具有反向並接之二極體,，其允許電流逆向流通，則開關是否具有逆向耐壓之能力便不重要。,5高額定電流，因此在高電流之應用時可減少元件之並聯個數，以降低,元件分流之問題。,6控制信號所需之功率小，使控制電路較容易設計。,7切換時可以同時承受額定電壓及電流，以免除其他外加的保護電路。,8較高的電壓突波(,dv/dt,)及電流突波(,di/dt,)額定，以降低外加限制電壓突,波及電流突波電路之需求,。,8,可控式開關可控式開關特性需求8,雙極性接面電晶體(BJT),NPN型BJT的電路符號及穩態電流電壓特性如圖1.7(a)及圖1.7(b)所示，B、C、E分別代表基極(Base)，集極(Collector)與射極(Emitter)。若欲電晶體完全導通，則基極電流必須滿足I,B,I,C,/h,FE,，其中h,FE,為元件之直流電流增益。BJT的導通電壓大約只有1至2伏特，因此具有較低的導通損失。理想之BJT的電流電壓特性如圖1.7(c)所示。,9,雙極性接面電晶體(BJT)NPN型BJT的電路符號及穩態電流,BJT為電流控制元件，其基極電流必須持續維持才能保持開關導通。對於高功率的BJT，其h,FE,通常只有5至10，因此有時會將電路連接成圖1.8的形式，以二或三個電晶體達靈頓架構以獲得較高的電流增益。然而此種方式具有較高的導通電壓及較慢的切換速度等缺點。無論是單一電晶體或單晶片包裝的達靈頓，BJT有較長的截止時間，典型的切換速度大約在幾百奈秒到幾毫秒。,10,BJT為電流控制元件，其基極電流必須持續維持才能保持開關導通,一N通道之MOSFET的電路符號及電流電壓特性如圖1.9(a)以及圖1.9(b)所示，其中G、D、S分別代表閘極(Gate)，汲極(Drian)與源極(Sourse)，其理想開關特性如圖1.9(c)所示。開關控制方式為電壓控制，加於閘-源極之電壓需要大於臨界值V,GS(th),，開關才為全導通，而且必須持續加壓才能使其維持導通。,另一方面，閘極只有在切換時，對閘極接面電容充放電才有電流流通。其切換時間相當短，約為幾十奈秒到幾百奈秒左右。,金氧場效應電晶體(MOSFET),11,一N通道之MOSFET的電路符號及電流電壓特性如圖1.9(a,閘關閘流體(GTO),GTO的電路符號及穩態電壓電流特性如圖1.10(a)及圖1.10(b)所示；其中G、A、K分別代表閘極(Gate)，陽極(Anode)與陰極(Cathode)。其導通方式與閘流體相似，只要一短暫閘極脈衝電流即能使其持續導通，而不需一直維持觸發電流；但截止方式與閘流體不同，可以藉由一負的閘-陰極電壓使閘極產生一非常大的負電流而使其截止。此負閘極電流所需要流通的時間雖然很短，但電流極大，約為其導通電流的三分之一。GTO可承受之反向電壓與元件的設計有關，理想的特性如圖1.10(c)所示。,12,閘關閘流體(GTO)GTO的電路符號及穩態電壓電流特性如圖1,IGBT的電路符號及穩態電流電壓特性如圖1.12(a)以及圖1.12(b)所示。,與MOSFET相同的是，IGBT閘極具有高阻抗，只需要微小的能量即能觸發；與BJT相同的是，IGBT即使在高阻斷電壓額定下仍具有低的導通電壓，例如一額定電壓為1000伏特之元件其為2至3伏特；與GTO相同的是，IGBT具有阻斷逆向電壓之能力。,因此IGBT集眾家優點於一身，故目前功率範圍從數百瓦至幾十千瓦之交直流馬達驅動器與電源裝置均採用IGBT，其理想特性如圖1.12(c)所示。,閘極絕緣雙極性電晶體(IGBT),13,IGBT的電路符號及穩態電流電壓特性如圖1.12(a)以及圖,金氧半控制閘流體(MOS-Controlled Thyristors,MCT),MCT為一新上市之元件，其電路符號與電流電壓特性如圖1.13(a)及圖1.13(b)所示。根據其控制端點的位置來區分，MCT可分成如圖1.13(a)所示之P-MCT與N-MCT兩種元件。從電流電壓特性可以看出，MCT有許多導通特性與GTO相似，包括,當觸發信號移去時仍能導通之觸發導通特性及在高電流時具有低導通壓降,。另一方面，MCT之閘極觸發特性則與IGBT和MOSFET相同為,電壓觸發,，且只需極小能量便可以觸發。,14,金氧半控制閘流體(MOS-Controlled Thyris,智慧型功率模組(Intelligent Power Module,IPM),IGBT雖然具有良好驅動特性，,但仍需要外加過溫、過流與短路等保護電路以避免其誤動作,，但由於線路為外加，其保護之時效性不佳。因此有數家廠商將六個IGBT及相關之過溫、過流、負載短路與控制電源欠壓等保護線路作在同一模組內，稱為智慧型功率模組。由於六個IGBT均在同一模組內，故切換特性相同，且切換保護電路與IGBT間之接線極短，故IPM之特性絕佳，目前已被工業界廣泛用於交直流馬達驅動器與大功率之電源供應器上。,可控式開關比較,元件 功率處理能力切換速度,BJT/MD中等 中等,MOSFET 低,快,GTO,高,慢,IGBT 中等 中等,MCT 中等 中等,15,智慧型功率模組(Intelligent Power Modu,直流至直流切換式轉換器,典型直流至直流轉換器系統之構造如圖2.1所示，其輸入通常為由線電壓整流而得之非調節直流電壓，然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之直流電壓轉換成一調節之直流電壓。,無控制之二極,體橋式整流器,交流線電壓,(單相或三相),直流電壓,(無調節性),濾波,電容,(無調節性),直流至直,流轉換器,(具調節性),負載,蓄電池,直流電壓,直流電壓,控制訊號,1,降壓式(step-down buck)轉換器,。,2,升壓式(step-up boost)轉換器,。,3,升降壓式(step-down/step-up buck-boost)轉換器,。,4,全橋式轉換器,。,上述四種轉換器中，只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構，升降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合，而全橋式轉換器則是由降壓式轉換器衍生而來。,16,直流至直流切換式轉換器典型直流至直流轉換器系統之構造如圖2.,直流至直流轉換器之控制,直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調節輸出電壓為所設定的位準。電壓位準轉換之原理可以圖2.2(a)所示之簡單電路來說明，由開關導通與截止可得圖2.2(b)之波形，其中輸出電壓,v,o,平均值大小,V,o,與開關之導通及截止時間(,t,on,及,t,off,)有關。平均輸出電壓大小調整之最典型的方式是採用,脈波寬度調變法(Pulse-Width Modulation，PWM),，其切換週期,T,s,(=,t,on,+,t,off,)為固定，由調整導通時間之大小來改變平均輸出電壓之大小,V,o,。,+,_,V,d,R,+,_,V,o,0,V,d,V,o,v,o,t,t,on,t,off,T,s,17,直流至直流轉換器之控制直流