2 Fundamentals of solid-state power device
第二章 固体功率器件的基本原理
2.1 Introduction （绪论）
本章将集中讨论固态功率器件或功率半导体器件，并且只研究它们在采用相控（电压控制）或频率控制（速度控制）的三相交流鼠笼式感应电机的功率电路中的应用。
2．2固态功率器件
五种用于固态交流电机控制中的功率元器件是： 二极管；晶闸管（例如：可控硅整流器 SCR）；电子晶体管；门极可关断晶闸管（GTO）；双向可控硅。
晶闸管 SCR 和双向可控硅一般用于相位控制（相控）。各种二极管，晶闸管SCR，电子晶体管，门极可关断晶闸管的组合用于频控。这些器件的共性是：利用硅晶体形成的薄片构成P-N结的各种组合。对二极管，SCR，GTO 一般 P 结叫正极 N 结叫负极；相应的电子晶体管叫集电极和发射极。这些器件的区别在于导通和关断的方法及电流和电压的容量。 让我们根据他们的参数简单看一下这些元器件。
2．2．1二极管
图2.1显示了一个二极管，左边部分显示的是在硅晶体中的一个 PN 结，右边显示的是 二极管的原理图符号。当P相对于 N 是正时，由于节上有一个相当低的压降，前向电流开始流动。当极性相反时，只有一个极小的反向漏电流流动。这些用图2.2所示。前向电压通常大约有1V，不受电流额定值的影响。
二极管正向导通电流的额定值取决于其尺寸和设计，而这二者是根据器件散热的要求来确定的，以保证器件温度不超过最大结温（通常为200C）。
反向击穿电压是二极管的另一个重要参数。它的值更取决于二极管的内部设计而不是它的物理尺寸。 注意：一个二极管只有当加上正向电压时才会正向导通。没有任何固有（内在的）的方法控制导通的电流和电压值。
二极管主要用在交流电路中作整流器，这意味着它们把 AC 整流成 DC，同时产生的直流电流和电压值没有固有的控制方法。单二极管可用额定值到4800A 和最大反向电压 1200V，2000A 最大反峰电压4400V（peak reverse voltage）。
2．2．2晶闸管
图2.3显示了晶闸管（一般也叫可控硅）的 PN 结排列和它的原理图符号。注意这组从正到负结为PNPN结构，还有一个门极连到了内部的 P 层。
如果没有连门极，并且阳极加反向电压，从正极到负极就没有电流通过。这是因为内部 P 结由于未通电而工作在阻断电路。这种情况对于正向阻断状态也是正确的。然而，当阳极是正的并且正信号作用到门上，则电流将从正极一直流向负极即使门极没有正信号。
换言之，门极能打开晶闸管但不能关断它。关断晶闸管的唯一方法是通过外部方式在正极强加上一个零电流。 因此在前向导通只能通过强加零电流停止方面， 晶闸管与二极管是相似的。然而，晶闸管与二极管在如何启动前向导通方面是不同的。（1）阳极是正（2）门时刻为正。这个特性暗指了术语“可控硅”。
图2.4阐明了晶闸管的稳态伏安特性。注意反向电压和反向泄漏电流的形状与二极管的很相似。反向电压导通时比二极管的高，通常有1.4V。阻断状态也有一个极小的前向泄漏电流。
在二极管中，稳态电流值是由器件的性能和底座（散热器）散发的热量确定的。晶闸管的最大结温比二极管要低，大约在125C。这意味着在同样的额定电流下，加上1。4V 的前向压降， 晶闸管比二极管的前向压降大的多。单晶闸管可用额定值在最大反向电压2200V 超 过2000A，在在最大反向电压4000V 超过1400A。
2．2．3电子晶体管（电子管）
图2.5给出了一个典型功率电子管的结排列，原理符号图和伏安特性。如果集电极为正，除非在基电极和发射极间有电流才有电流从集电极到发射极。与晶闸管比较，晶体管没有自锁功能。只有在基极有电流时。电流才能从集电极流到发射极。基极开路，集电极到发射极将阻断电流。
功率电子管与晶闸管在控制前向导通的启动时相似。它与晶闸管不同的地方在于它能控制关断和交流电机频率控制所必需的换向。
注意伏安特性没有显示反向特性。一般的，一个反向分流二极管连在发射极和集电极之间，以保护电子管受反向电压伤害。功率电子管的可用额定值是最高反向电压1000V400A。
2．2．4门极可关断晶闸管 GTO
图2.6显示了 GTO 的原理符号。GTO与晶闸管的相似处在于PNPN结的排列和前向电流的操作。如果阳极是正的，导通由通过作用在门上的正脉冲启动。然而硅片和结是利用特殊特性设计的，所以即使阳极保持正值，加到门上的强负电流作用迫使前向电流阻断。 GTO常用的瞬间额定值是 PRV1200V2400A。
2．2．5双向可控硅
图2.7显示了双向可控硅的原理符号图。一个双向可控硅由一个特殊的晶闸管包（包含前向和反向晶闸管）组成，由一个门引线来操作。他们常用在调光器电路中或者作为继电器的开关，这样截止态下很小的泄漏电流不会引起其它控制器的误操作。随着电流容量的增加以及其可用性，使得可控硅可以用于交流电机的相位控制中。
2．3功率半导体容量
功率器件在稳态交流电机马力范围大于600V 时如何用， 用在哪里摘要显示在表2.1中。马力额定值基于没有并联的器件。
2．4功率半导体的物理特性
在物理特性方面，三类最常用的功率半导体是：（1）栓接式（2）薄片或冰球式（3）绝缘散热器式。他们的共同特征是需要与其它器件有物理联系，这器件叫散热器，为了保持结温在设计值内把内部热量散发出去。散热器吸收结的热量并通过散热片，轮片（螺旋桨叶片） 或者液体冷却剂发散出去。（液体冷却剂几乎从不用于600V 级的固态交流电动机控制中，不包含在我们的讨论中。） 这三类功率半导体的不同在于它们如何安装，他们如何与散热器连接。
2．4．1栓接式
螺纹部分可能是PN结的一部分，或者是与有源电子部分电子绝缘。在任一种情况下， 螺纹部分常常插入散热器的螺纹孔。
栓接式器件在小马力额定值下常用来作为直接功率控制器件，在大马力额定值下常用来作为辅助保护器件。在后一种情况下，它们常直接安装在较大器件使用的散热器上，如冰球式设计。
2．4．2冰球式器件
典型冰球式功率器件可能是二极管，可控硅或 GTO。尺寸范围直径大约从25MM到 100MM。每一个平面即不是P也不是N结。该平面可以热传递和导电。冰球式器件典型安装是联接铝型材的散热器。特别的箝位电路，联接绝缘混合剂和扭矩扳手都必须保证最佳的热传递和电导率。
由于栓接式和冰球式器件的散热器都能传递电流，他们必须与机械底托电子绝缘。轮片可以加到散热器上增加热量排放并且使得可以连续额定功率工作。
由于散热器能在同样电压水平下作为功率器件，冰球式和栓接式的固态AC电动机控制必须通过附件（外壳）供给。附件（外壳）必须有合适的通风口或热交换器使得热量能散发。将这套设计用于全封闭外壳中是不切实际的，例如象 NEMA12的密封盒或相似的外围物。
2．4．3绝缘散热器件
绝缘散热器功率器件可以是二极管，可控硅，GTO，三极管或双向可控硅。每个包中包含器件的联合体，在内部以线连接。区别的特征是术语“绝缘散热器”。在每个包下面有一个铝底盘。这个底板与功率器件之间是导热并绝缘的。结的大部分热量传给了铝盘。这个底 板依次安装在第二个更大的散热底板上。这个更大的散热底板在背面有扇面。
绝缘散热器的设计使它自己是个完全封闭的设计。他们也有经过预包装的已经内部加固过的复合器件的优点。其缺点是通过底部安装的底板散热的能力有限，所以连续负荷状态时间要比安装开放的散热器冰球式器件的时间小。尽管如此，绝缘散热器在一般应用和器件容量上都迅速增长。在较高的左上角的排列是唯一的，同样它联合了有所有封闭设计的绝缘散热器概念的冰球式的优点（例如易替换，易互换）它也被恰当的称为“开放块状”模式。
2．5换流
在深入的讨论实际的固态交流电机的控制之前，将换流的概念及其种类阐述是必要的。换流的不同类型指所有讨论的固态电动机控制。换流是功率半导体器件中负载电流被截止或停止流动或转换到另一回路的过程。有以下三种换流方式：（1）自然或线电压换流（2）负载换流和（3）强制换流。
2.5.1自然或线电压换流
图2.8为用于将交流转换为直流的功率半导体电路，在数学上可以证明这种特殊电路可 以将60Hz460V 三相交流电转换为包含360Hz 脉动成分的600V 直流电。
因为60Hz 正弦交流线电压在每次正和负半周结束时都会过零，因此在线电压的每个半 周结束时，功率半导体是自动（关断）换流的，这也就是自然或电网（线电压）换流。
假设某一时刻图2.8电路产生的直流电压作用于一个具有反极性的电压源之上（见图 2.9），且该直流电压稍高于600V，如果该半导体器件为二极管，则会导致短路的发生。但是，如果这些器件是晶闸管、三极管或可关断晶闸管，由于它们除非触发，都处于关断状态，没有电路流过，所以不会有像使用二极管时的短路现象发生。因为器件将在每个半周经历一次零电压，所以如果它们在每个半周的任意时刻导通后，在每个周期结束时，交流线电压将使器件换流。这也是由电流从直流端流向交流端的自然或线电压换流。
图2.10所示为一种连接于交流鼠笼感应电机交流接线端的半导体功率装置，如同图2.8 和图2.9，图
2.10中的功率器件在将在每个交流线电压正弦波周期经历一次零电压。因此， 这些器件可以是二极管、晶闸管、三极管和可关断晶闸管，或是双向可控硅。二极管可以导致线路和电机短路，所以二极管是多余的。对图2.10，晶闸管和双向晶闸管对于相控比较实用，因为它们可以被关断。可关断晶闸管和三极管由于其固有的关断能力不相适应，所以它们也不适用于图2.10。图2.10是另一种自然或线电压换流应用的例子。
2.5.2负载换流
负载换流发生于如下情形：负载具有某种特性可以导致交流电压自动为零，继而将导致器件每半个周期换流或关断一次。电机的旋转加上直流场的效果导致电机输入端正弦电压的产生。这种正弦波电压，如果连接到功率半导体器件，将提供半周一次的换流或关断，这就是负载换流，见图2.11。
电路见图2.11，它不能用于交流鼠笼式感应电机，因为激励或励磁电流来源于与线电流 功率部件相同的电源。可以为功率半导体控制系统加装特殊电路，一旦感应电机速度达到某 一值时，可以为电机提供负载换流。对于大型电机这样更为节省成本，但对于373kW/600V 的电机不太多见。强制换流技术用于这类电机。
2.5.3强制换流
图2.12所示为由功率半导体馈电的交流鼠笼式感应电机，依次由直流源馈电。如上所述，交流鼠笼式感应电机不能产生换流或使正弦波形转变极性，假设期望通过依次开、闭功率半 导体器件以提供电机的频率调节，则强制换流必须用于器件的关闭。
如果是三极管，基极信号将使其导通，基极信号的撤除将使其截止，三极管的强制换流 不需要其它功率器件。
对可关断可控硅，正门极脉冲使其导通，而负门极脉冲使其产生换流或关断，与三极管 一样，其强制换流不需要其它辅助功率器件
对于前面提到的晶闸管，门电路对关断无效，必须由与阴极和阳极并联的辅助功率器件 使阴极和阳极之间电流为零。典型的结构包括一个电容和一个晶闸管，如图2.13所示，当主晶闸管导通时，电容充电，主晶闸管关断的同时，辅助晶闸管同时导通，因而电容放电，强 制主晶闸管阳极中的电流为零。
2.6 总结
紧记功率半导体器件在固态交流电机控制中使用的三种重要的选项是： （1）功率半导体器件（二极管、晶闸管、三极管和可关断晶闸管和双向可控硅）可以 用于控制交流电压、交流转换为直流、直流转换为交流、和直流开关。 （2）采用哪种类型的器件取决于要实现的功能和器件输入和输出侧功率电流的特性。 决定很大程度取决于可以使用的换流类型——电网、负载、或强迫换流。 （3）器件的物理特性（拴接式、冰球式、或绝缘散热式）和相关的冷却要求，在很大 程度上取决于对成本的均衡考虑和控制器外壳的要求。 记住这三种选项的判据和性能， 让我们期待下一步器件会有最好的表现， 从将它们用于 固态交流电机的相控启动器开始
