3 電力電子簡介

　　運用固態電動機驅動器，吾人可以用交流電源來運轉直流電動機，或者用直流電源來運轉交流電動機，甚至於可以改變交流電力的頻率。

3.1 電力電子元件 有許多半導體元件常使用在電動機控制電路上。其中比較重要的有︰ 1. 二極體 3.1 電力電子元件 有許多半導體元件常使用在電動機控制電路上。其中比較重要的有︰ 1. 二極體 2. 二線式閘流體（或稱 PNPN 二極體） 3. 三線式閘流體（或稱矽控型整流子 SCR） 4. 閘關閘流體（GTO） 5. 雙向雙極閘流體（DIAC） 6. 三向雙極閘流體（TRIAC） 7. 功率電晶體（PTR） 8. 絕緣閘雙載子電晶體（IGBT）

二極體是一種讓電流只能在一個方向流動的半導體元件。其元件符號如圖 3-1 所示。二極體設計使電流可以從陽極流向陰極，而反方向則不能流通。 　　二極體是一種讓電流只能在一個方向流動的半導體元件。其元件符號如圖 3-1 所示。二極體設計使電流可以從陽極流向陰極，而反方向則不能流通。 　　二極體的電壓-電流特性曲線如圖 3-2 所示。

圖 3-1 二極體的符號。 圖 3-2 二極體的電壓-電流特性曲線。

二極體的等級由它所能安全消耗的功率，和崩潰前所能承受的最大反向電壓來劃分。 　　二極體的等級由它所能安全消耗的功率，和崩潰前所能承受的最大反向電壓來劃分。 　　二極體所能承受的最大反向電壓就是常說的尖峰逆電壓（peak inverse voltage，PIV）。 　　二極體的等級也由它的切換時間來劃分。所謂切換時間就是二極體從導通狀態到截止狀態所花的時間，或從截止狀態到導通狀態所花的時間。

二線式閘流體或 PNPN 二極體 　　二線式閘流體或稱 PNPN 二極體，正式名稱是反向阻斷型二極體式閘流體（reverse-blocking diode-type thyristor）。其元件符號如圖 3-3 所示。 　　其電壓-電流特性曲線示於圖 3-4。特性曲線包含三個區域︰ 1. 反向阻斷區 2. 順向阻斷區 3. 導通區

圖 3-4 PNPN 二極體的電壓-電流特性曲線。

　　在反向阻斷區，PNPN 二極體如同普通二極體一樣，在偏壓尚未達到反向崩潰電壓前會阻斷所有電流的流通。在導通區，PNPN 二極體也像普通二極體，在小的順向偏壓下導通相當大的電流。 　　當 PNPN 二極體順向偏壓，而電壓尚未超過某一個值稱作觸發電壓（breakover voltage）VBO 之前，不會導通任何電流。當跨於 PNPN 二極體的順向電壓超過 VBO 時，PNPN 二極體會導通並維持導通狀態。

三線式閘流體或 SCR 　　三線式閘流體或稱矽控制型整流子（silicon controlled rectifier，SCR），三線式閘流體或 SCR 的電路符號如圖 3-5 所示。 　　在電動機控制的應用中，SCR 顯得特別重要，其原因在於︰這種元件的觸發電壓或者導通電壓可以經由閘極電流加以調整，如圖 3-6 所示，一旦進入導通狀態，除非電流 iD 小於 IH，否則 SCR 會持續的導通。

SCR 1. 當 νD 大於 VBO 時導通。 2. 其觸發電壓 VBO 可由閘極電流 iG 的大小加以控制。 3. 當 iD 小於 IH 時截止。 4. 除非反向偏壓超過最大值 VR，否則阻斷所有反向電流。

圖 3-6　SCR 的電壓-電流特性曲線。

閘關型閘流體 　　閘關型（gate trun-off，GTO）閘流體是閘流體家族最近的一項改進。GTO閘流體是一種即使電流 iD 仍然大於 iH，仍可以經由一個夠大的、負的閘極電流脈波加以截止的 SCR。GTO 閘流體的元件符號如圖 3-7a 所示。 　　圖 3-7b 所示是一個高功率 GTO 閘流體的閘極電流波形之典型。而要截止一個 GTO，則需要一個相當大的負向電流脈波，其寬度約 20~30 微秒。這個負值電流脈波的振輻必須有 GTO 所導通的電流的六分之一到四分之一大。

圖 3-7 (a) GTO 閘流體的元件符號。(b) 用來導通和截止 GTO閘流體所需的閘極電流波形。

雙向雙極閘流體（DIAC） 　　DIAC 是一五層半導體元件（PNPNP），它是一由二個 PNPN 二極體反向並聯所組成的元件。只要跨於元件二端的電壓超過觸發電壓，DIAC 就會在此一方向導通。DIAC 的元件符號如圖 3-8 所示，而其電壓-電流特性曲線則如圖3-9 所示。

圖 3-8 DIAC 的元件符號。

圖 3-9 DIAC 的電壓-電流特性曲線。

雙向三極閘流體（TRIAC） 　 TRIAC 像是一個由共用閘極的二個 SCR 反向並聯所組成的元件。只要跨於其陰陽二極的電壓超過觸發電壓，TRIAC 就會在此一方向導通。TRIAC 的元件符號如圖 3-10 所示，而其電壓-電流特性曲線則如圖 3-11 所示。 　　TRIAC 可雙向導通，它可取代背對背連接之 SCR 對而用在交流電路控制。

圖 3-10 TRIAC 的元件符號。

圖 3-11 TRIAC 的電壓-電流特性曲線。

功率電晶體 　電晶體的元件符號如圖 3-12a 所示，而其集極到射極電壓對集極電流的特性曲線則如圖 3-12b 所示。 　　在電動機控制的應用上，功率電晶體通常使用於電流導通到截止間的切換。在電動機控制的應用上，功率電晶體在正常情況下是當作一個開關來使用，電晶體不是完全導通就是完全截止。

圖 3-12 (a) 功率電晶體的元件符號。 (b) 功率電晶體的電壓-電流特性曲線。

圖 3-13 (a)電晶體驅動電阻性負載。(b)電晶體和負載的電壓-電流特性曲線。

　　如果電晶體的基極電流為 iB3，則電晶體既非完全導通亦非完全截止。這是一個非常不好的操作點，因為一個大的集極電流流經一個大的集極到射極電壓 νCE，造成相當多的功率消耗。

絕緣閘雙載子電晶體 　　IGBT 的閘極輸入電阻非常高，因此流過其中的電流很小。這種元件本質上有點像是金氧半場效電晶體（metaloxide semiconductor field-effect，MOSFET）和電晶體的混合物。IBGT 的電路符號如圖 3-14 所示。 　　因為 IGBT 是由閘極電壓控制其開關的，流經閘極的電流很小，因此和功率電晶體相比，其切換速度較高。所以 IGBT 常常應用於高功率、高切換頻率的場合。

圖 3-14 IGBT 的電路符號。

電力電子元件的功率和切換速度之比較 　　圖 3-15 所示是各種功率元件的切換速度和功率處理能力的比較。SCR 較其他元件能處理夠大的功率。GTO 可以處理幾乎和 SCR 相當的功率，但切換速度卻快得多。功率電晶體所能處理的功率較閘流體來得小，但其切換速度卻是閘流體的 10 倍。

圖 3-15 SCR，GTO 閘流體和功率電晶體的切換速度，功率處理能力之比較。

3.2 基本整流電路 整流電路是用來將交流電力轉換成直流電力的。其中最常用的四種是︰ 1. 半波整流器 2. 橋式全波整流器 3.2 基本整流電路 　　整流電路是用來將交流電力轉換成直流電力的。其中最常用的四種是︰ 1. 半波整流器 2. 橋式全波整流器 3. 三相半波整流器 4. 三相全波整流器

　　漣波因數（ripple factor）是用來衡量一個整流器電路的直流端輸出的平滑程度很好用的指標。一個直流電源供應器的漣波百分比，定義為直流電源供應器輸出的交流電壓成分的均方根值和其直流輸出電壓值的比值。 （3-1） 其中 Vac, rms 為輸出電壓的交流成分的均方根值，而 VDC 為輸出電壓的直流成分。電源供應器的漣波因數愈小， 則其輸出的直流電壓就愈平滑。

　　輸出電壓的直流成分 VDC 是很容易計算的，因為它只是整流器輸出電壓的平均值而已， （3-2）

漣波因數 r 仍可以經由另外一個等效的公式計算，不需計算輸出電壓交流成分的均方根值，這個漣波因數的公式為︰ （3-3） 其中 Vrms 為整流器總輸出電壓的均方根值，而 VDC 則為整流器輸出電壓的平均值或直流成分。

半波整流器 　　圖 3-16a 所示為一簡單的半波整流器電路，其輸出如圖 3-16b 所示，其中負載為一純電阻性負載。 　　這種簡單的半波整流器用來近似穩定的直流電壓是種很差的選擇，因為它的輸出電壓包含了豐富的 60 Hz 成分以及其各階諧波。

圖 3-16 (a) 半波整流器電路。(b) 半波整流器電路的輸出電壓。

全波整流器 　　圖 3-17a 為一全波橋式整流器電路，其輸出電壓如圖 3-17c 所示，其中負載為純電阻性的。其輸出電壓較半波整流器的輸出電壓平坦，然而仍然含有 120 Hz 的交流成分和其各階諧波。 　　圖 3-17b所示為全波整流器的另外一種可能選擇。

圖 3-17 (a) 全波橋式整流器電路。(b) 另外一種利用二個二極體和中間抽頭變壓器的全波橋式整流器電路。(c) 整流器電路的輸出電壓。

三相半波整流器 　　圖 3-18a 為一三相半波整流器電路，其負載為電阻性的。任何時候，只有加在其上的電壓最大的二極體會導通，同時其他二個二極體被反向偏壓。加在整流器電路的三相電壓如圖 3-18b 所示，而其輸出電壓如圖 3-18c 所示。 　　此電路的輸出電壓比全波橋式整流器的又更平坦。輸出電壓含有 180 Hz 的交流成分和其各階諧波。

圖 3-18 (a) 三相半波整流電路。(b) 整流電路的三相輸入電壓。(c) 整流電路的輸出電壓。

三相全波整流器 　　圖 3-19a 所示為一三相全波整流器電路，其中負載為電阻性。基本上，這個電路可以分成二個部份。其中一個電路看起來像圖 3-18 的三相半波整流器，用來連接某一時刻最大的相電壓到負載的正端。 電路的另外一部分包含三個二極體，其陽極連接到負載而陰極則連接到輸入相電壓，如圖 3-19b 所示。這個安排連接最低的輸入相電壓到負載的負端。

圖 3-19 (a) 三相全波整流器電路。(b) 用以連接最低相電壓到輸出的電路。

　　因此，在所有時間內，三相全波整流器會連接最高的輸入相電壓到負載的正端，而連接最低的輸入相電壓到負載的負端。這種連接的結果如圖 3-20 所示。 　三相全波整流器的輸出電壓又比三相半波整流器的來得平坦。輸出電壓交流成分的最小頻率為 360 Hz，而其漣波因數只有 4.2%。

圖 3-20 (a) 三相全波整流器的最高和最低輸入相電壓。(b) 整流器電路的輸出電壓。

整流器輸出的濾波 　　利用低通濾波器將整流器輸出的交流成分濾掉，可以使整流器電路的輸出更加平坦。通常使整流器輸出變平坦的元件有二種︰ 1. 和負載並聯的電容器，用來使輸出電壓變平坦。 2. 和負載串聯的電感器，用來使輸出電流變平坦。 串聯電感器或者稱作扼流圈（choke）是一種用在電動機驅動器的整流器電路中的簡單濾波器。圖 3-21 所示是一個三相全波整流器和扼流圈濾波器電路。

圖 3-21 三相全波橋式整流器電路和用以減少輸出漣波的電感濾波器。 圖 3-21　三相全波橋式整流器電路和用以減少輸出漣波的電感濾波器。

3.3 脈波電路 SCR，GTO 閘流體以及 TRIAC 等元件，都需要在閘極加一個電流脈波來導通。 3.3 脈波電路 　　SCR，GTO 閘流體以及 TRIAC 等元件，都需要在閘極加一個電流脈波來導通。 　　現今存在很多種技術可以產生電壓和電流脈波。這些技術大致可以分成兩種︰類比和數位的。 　　圖 3-22 所示為一個典型的脈寬調變感應電動機驅動器中的數位式脈波產生器電路板。

圖 3-22 典型的脈寬調變（pulse width modulation，PWM）感應電動機驅動器中的數位式脈波產生電路。

3.5 直流到直流功率控制——截波器 　　用以改變直流電源的電壓準位的電路稱作直流到直流轉換器（dc-to-dc converter）或稱截波器（chopper）。在截波電路中，輸入電壓源是一個穩定的直流電壓源，而輸出電壓可以經由改變直流電源和負載連接的時間比例加以調整。圖 3-39 所示為截波電路的基本原理。 圖 3-40 所示為加了一個電感濾波器的截波電路。

圖 3-39 (a)截波電路的基本原理。(b)截波電路的輸入電壓。(c)負載所看到的電壓。

圖 3-40 使用電感濾波器以截波器使負載電壓和電流變平坦。 圖 3-40　使用電感濾波器以截波器使負載電壓和電流變平坦。

3.6　變頻器 　　所謂靜態頻率轉換，就是利用固態電子將交流電源從一個頻率轉換成另一個頻率的交流電源。傳統上靜態交流頻率轉換可以分成二類︰頻率轉換器（cyclocon-verter）和整流器-變頻器（rectifier-inverter）。頻率轉換器直接將交流電源從一個頻率轉換至另外一個頻率的交流電源，而整流器-變頻器則先將交流電源先轉換到直流電源再將直流電源轉換到不同頻率和電壓準位的交流電源。

　　一個整流器-變頻器又可以分成二部分︰ 1. 整流器以產生直流電源。 2. 變頻器以將直流電源轉換至交流電源。

　　自發性換流變頻器可以歸納為三個類型︰電流源變頻器（current source inverter，CSI），電壓源變頻器（voltage source inverter，VSI）以及脈波寬度調變變頻器（pulse-width modulation (PWM) inverter）。電壓源和電流源變頻比脈寬調變變頻器來得簡單，使用的歷史也較長。脈寬調變變頻器需要較複雜的控制電路，和比電流源變頻器和電壓源變頻器切換速度更快的元件。

圖 3-49　電流源變頻器和電壓源變頻器之比較。

三相電壓源變頻器 　　圖 3-54 所示為使用主動元件（功率電晶體）的三相電壓源變頻器。電晶體導通的次序是︰T1、T6、T2、T4、T3、T5。其輸出相電壓和線電壓如圖 3-54b。

圖 3-54 (a) 使用功率電晶體的三相電壓源變頻器。

圖 3-54 (續)　(b)圖 3-54a 中的變頻器的輸出相電壓和線電壓。

脈波寬度調變變頻器 　　脈波寬度調變就是依照控制訊號的大小，來調整脈波串列的寬度。控制電壓值愈大，脈波的寬度就愈寬。利用一個正弦波做為脈寬調變電路的控制電壓，其頻率就是吾人需要的輸出頻率。 　　脈波寬度調變技術的基本概念如圖 3-55 所示。圖 3-55a 為使用 IGBT 的單相脈寬調變變頻器電路。電路中 IGBT1 到 IGBT4 的導通狀態由二個比較器（見圖 3-55b）所控制。

圖 3-55 脈波寬度調變的基本概念。(a) 使用 IGBT 的單相脈寬調變電路。

圖 3-55 (續) (b) 用來控制 IGBT的導通狀態的比較器。

圖 3-55 (續) (c) 比較器所使用的參考電壓。

　　首先假設控制電壓為 0 V，則電壓 νu(t) 和 νv(t) 完全相同，所以此電路負載電壓 νload(t) 等於零，如圖 3-56 所示。 　　假設輸入的控制電壓為一個正的直流電壓，其大小為參考電壓的峯值的一半。其輸出電壓為一個脈波串列，其導通週期（duty-cycle）為 50%，如圖 3-57 所示。

圖 3-56　控制電壓為 0 V 時脈寬調變電路的輸出電壓。注意到 νu(t)＝νu(t)，所以 νload(t)＝0。

圖 3-57　當輸入控制電壓等於參考電壓峯值的一半的直流電壓時，脈寬調變電路的輸出電壓。

　　最後假設輸入到電路是個正弦波控制電壓，如圖 3-58 所示。輸出脈波串列的寬度隨著控制電壓作正弦波變化。 　　輸入到比較器電路的控制電壓通常經由安裝在 PWM 電動機控制器電路內的微電腦數位式地獲得。控制電壓（或是輸出脈波波寬度可由微電腦以某種更複雜的方式加以控制。微電腦可以任意地改變控制電壓的頻率和振輻以滿足設計者的要求。

圖 3-58　當輸入的控制電壓為一正弦波時，PWM 電路的輸出波形。