電力電子系統 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

功率半導體開關概論 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)

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。

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。

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。

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tq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tq又稱為閘流體的換向回復時間。

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。

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。

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IB>IC/ hFE ，其中hFE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。

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hFE通常只有5至10，因此有時會將電路連接成圖1 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hFE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。

金氧場效應電晶體(MOSFET) 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VGS(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。

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。

閘極絕緣雙極性電晶體(IGBT) 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。

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。

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

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 直流至直 流轉換器 (具調節性) 負載 蓄電池 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。

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vo平均值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)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Ts(= ton+toff)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Vo 。 V d o v t on off T s + _ V d R o

脈波寬度調變切換控制的方塊圖如圖2.3(a)所示，開關之切換控制信號由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒波vst比較而得，控制信號則由Vo之實際值與設定值之誤差放大而得。 vcontrol與vst比較所得之切換控制信號的波形如圖2.3(b)所示。當控制訊號vst較大時，則為高準位信號，即使開關導通，反之為低準位信號即使開關截止，故開關之切換週期亦為Ts ，由以上的原理可知，開關切換之責任週期(Duty Ratio)為D=ton/Ts =vcontrol/Vst ，其中Vst為鋸齒波之振幅。 放大器 + - (設定) (實際) 比較器 週期性波形 切換控 制訊號 控制訊號 t 鋸齒波電壓 (放大誤差) On Off 切換控 制訊號 (切換頻率 )

降壓式直流至直流轉換器 降壓式轉換器，顧名思義，其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低準位的輸出電壓，主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制。圖2.2(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器，由圖2.2(b)可知其輸出電壓波形由開關位置決定。平均輸出電壓為 + _ V d R o V d o v t on off T s

升壓式直流至直流轉換器 圖2.11為升壓式轉換器電路，主要用途為直流電源供應器與直流馬達之再生制動(Regenerative Breaking)。顧名思義，其輸出電壓高過於其輸入電壓。當開關導通時，二極體反向偏壓，輸入電能儲存於電感，負載電能則由電容提供。當開關截止時，負載吸收輸入及儲存電感中之電能。 + - _

圖2.12所示為電感電流為連續之穩態工作波形，由穩態下電感電壓一週期之平均值為零可得 t v L i I T s off on _ + V d o 等號兩側除以Ts，重新整理可得 假設電路無損失，輸入功率Pd=VdId等於輸出功率Po=VoIo ，則

因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓。 升降壓式直流至直流轉換器 升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反，輸出電壓可以高於或低於輸入電壓之直流電源供應器。升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器與升壓式轉換式串接而成，穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換器個別比值之乘積 因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓。 + _ R C V o L d i v

直流至交流切換式反流器 切換式直流至交流(DC/AC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅與頻率均可調之正弦式交流電源，主要用途為交流馬達驅動與交流不斷電電源供應器。圖3.1為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖，其直流輸入電壓通常由線電壓整流及濾波而得，接著再利用切換式反流器改變輸出電壓之振幅與頻率，以驅動交流馬達。切換式反流器功率之流通通常是由直流至交流，稱為反流模式，但亦可以從交流至直流，稱為整流模式。 + _ 交流 馬達 二極體整流器 濾波電容 切換式反流器 V d 三相交 流電源

反流器包括單相及三相，其輸入為直流電壓源者，稱為電壓源反流器(Voltage Source Inverter，VSI)。另外若輸入為直流電流源者，稱為電流反流器(Current Source Inverter，CSI)，目前僅應用在高功率之交流馬達驅動器。 1．脈波寬度調變(PWM)反流器：其輸入電壓通常為固定，反流器本身具備變 頻及變壓的功能，而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成 ，有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波。 2．方波(Square-Wave)反流器：此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調整， 反流器本身只控制輸出頻率，交流輸出電壓波形近似方波，因此乃稱方波 反流器。 3．採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器：單相反流器當輸入 電壓為定值時，可以利用電壓消去法來變頻及變壓，而不須採用脈波寬度 調變，其輸出電壓波形近似方波，因此其結合了前述兩種反流器的特色。 值得注意的是，電壓消去法並不適用於三相反流器。

切換式反流器之基本觀念 考慮圖3.3(a)之單相反流器，假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得，若輸出之負載為電感性(如馬達)，則輸出電流io將落後vo ，如圖3.3(b)所示。在期間1及3中， vo與io同號，瞬時功率Po=voio為正，故功率由直流側送至交流側稱之為反流模式；在期間2及4中， vo與io異號，瞬時功率Po為負，故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式。圖3.3(a)之切換式反流器，在每一週期內，會經歷平面上四個象限中之所有象限。 i o v 1 反流器 4 整流器 3 2 t 4 1 2 3 v o i 單相切 換式變 流器與 濾波器 o + - V d v i

為清楚解釋起見，以單臂反流器來說明。 + _ V d 2 A N T - D i o v AN t v control tri 反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖3.5(a)所示，由一正弦波形控制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較。三角波(又稱載波)之振幅為Vtri，頻率為fs， fs決定反流器開關之切換頻率，正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率，而其振幅則決定反流器輸出電壓之大小。定義振幅調變指數為ma=Vcontrol / Vtri ，其中Vcontrol為vcontrol之振幅，而頻率調變指數則定義為mf = fs / f1 。

圖3.4反流器之開關的控制方法與io方向無關，為 + _ V d 2 A N T - D i o v AN 由於二開關之導通為互補，因此輸出電壓只在Vd /2與-Vd /2二值間作變動，圖3.5(b)所示為ma=0.8與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)之波形。 t v Ao V d 2 - t=0 T on off control tri A < + : , > t v control tri

單相全橋式反流器 單相全橋式反流器如圖3.11所示，乃由兩個前述之半橋反流器所組成，在相同之輸入電壓下，全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍，這代表在相同之功率下，全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半，此對於高功率用途是一大優點，因其可以降低使用並聯元件之需求。 + _ V d 2 T A - D i o v Ao Bo = B

應用雙極性電壓切換之脈波寬度調變全橋式反流器乃(TA+,TB-)與(TA-,TB+)成對切換，且二者互相反相 t 雙極性電壓切換之脈波寬度調變 t v control tri 應用雙極性電壓切換之脈波寬度調變全橋式反流器乃(TA+,TB-)與(TA-,TB+)成對切換，且二者互相反相 單極性電壓切換之脈波寬度調變 on B T + tri v > control t 應用單極性電壓切換之脈波寬度調變全橋式反流器乃A臂與B獨立切換，且同臂二開關互相反相 t 1 o v d V -

三相反流器 三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下，用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率。三相脈波寬度調變方式，由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較。其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似。 + - d V 2 A T D o B i C N t tri v A control , B C AN v t d V BN AN AB v - = t d V 之基本波 t BN v d V

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