電子電力系統(tǒng)

1、電子電力系統(tǒng)目前所用的功率半導(dǎo)體元件，依據(jù)可控制的程度可分為三類1二極體(Diodes)：導(dǎo)通與否由電力電子電路來決定。2閘流體(Thyristors)：導(dǎo)通由控制信號觸發(fā)，截止則需藉助電力電子電路。3可控制開關(guān)(Controllable Switches)：導(dǎo)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(yīng)電晶體(MOSFET) C.閘關(guān)閘流體(GTO) D.閘極絕緣雙接面電晶體(IGBT)功率半導(dǎo)體開關(guān)概論2電子電力系統(tǒng)二極體二極體之電路符號及電壓對電流的穩(wěn)態(tài)特性如圖1.1(a)及圖1.1(b)所示，二極體在順向偏壓時導(dǎo)通，而導(dǎo)通時的壓降約為1伏特。在逆向偏壓時，

2、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(nèi)。若反向洩漏電流及導(dǎo)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(zhuǎn)換器電路之複雜性。3電子電力系統(tǒng)依用途區(qū)分，二極體類型可分為：1蕭特基(Schottky）二極體：其導(dǎo)通壓降很低，典型為伏特，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(fù)(Fast-Recovery)二極體：其逆向恢復(fù)時間很短，用在高頻切換電 路中與可控制開關(guān)配合使用。其容量大約為數(shù)百伏及數(shù)百安培，小於幾個 微秒。3線頻(Line-Frequency

3、)二極體：由於其設(shè)計是盡量降低導(dǎo)通壓降，因此逆 向恢復(fù)時間較大。但對於以線頻操作之應(yīng)用而言是可以接受的，其耐壓 可達(dá)幾千伏特，耐流為幾千安培，可以串並聯(lián)方式增加其電壓與電流之 容量。4電子電力系統(tǒng)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(dǎo)通電流的方向為由陽極(A)到陰極(K)。導(dǎo)通時導(dǎo)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(dāng)閘流體一導(dǎo)通，即使移去閘極電流，亦可繼續(xù)保持導(dǎo)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(jīng)閘流體之電流為零才能使之截止。當(dāng)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

4、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電子電力系統(tǒng)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(fā)導(dǎo)通只能於輸入電壓之正半週進(jìn)行，當(dāng)輸入電壓進(jìn)入負(fù)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?yōu)榱阒氨仨毞聪?，其截止時間的計算與二極體不同，是以從電流經(jīng)過零點到電壓經(jīng)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(fù)值，之後才有能力在未觸發(fā)時承受順向偏壓而不導(dǎo)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(dǎo)通而損毀

5、，因此tq又稱為閘流體的換向回復(fù)時間。6電子電力系統(tǒng)根據(jù)閘流體的各種特性及其應(yīng)用範(fàn)圍加以區(qū)分為1 相控閘流體(Phase-Control)：主要用途為交/直流馬達(dá)驅(qū)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(dǎo)通壓降， 目前產(chǎn)品之平均電流可達(dá)4000安培，耐壓5000至7000伏特，導(dǎo)通壓 降在耐壓1000伏的約為伏特，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(fù)時間及低導(dǎo) 通壓降，目前容量可達(dá)2500伏特/1500安培。3光驅(qū)動閘流體(Light-Activated)：閘流體的觸發(fā)是由光脈衝經(jīng)由光纖 傳送至閘流

6、體內(nèi)部較靈敏的部分，主要用途為高壓直流輸電，光驅(qū) 動閘流體的容量現(xiàn)今可達(dá)4000伏特3000安培，導(dǎo)通壓降約2伏特。其他不同應(yīng)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?qū)ㄩl流體(CRTs)等。7電子電力系統(tǒng)可控式開關(guān)可控式開關(guān)特性需求1截止?fàn)顟B(tài)下具有很小的洩漏電流。2低導(dǎo)通壓降以降低導(dǎo)通損失。3極短之導(dǎo)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(hù)之複雜性及增加導(dǎo)通損失。若可控式開關(guān)具有反向並接之二極體 ，其允許電流逆向流通，則開關(guān)是否具有逆向耐壓之能力便不重要。5高額定電流，

7、因此在高電流之應(yīng)用時可減少元件之並聯(lián)個數(shù)，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(shè)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(hù)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電子電力系統(tǒng)雙極性接面電晶體(BJT)NPN型BJT的電路符號及穩(wěn)態(tài)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(dǎo)通，則基極電流必須滿足IBIC/ hFE ，其中hFE為元件之直流電流增益。BJT的導(dǎo)通電壓大約

8、只有1至2伏特，因此具有較低的導(dǎo)通損失。理想之BJT的電流電壓特性如圖1.7(c)所示。9電子電力系統(tǒng)BJT為電流控制元件，其基極電流必須持續(xù)維持才能保持開關(guān)導(dǎo)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的形式，以二或三個電晶體達(dá)靈頓架構(gòu)以獲得較高的電流增益。然而此種方式具有較高的導(dǎo)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(dá)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電子電力系統(tǒng)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(Dria

9、n)與源極(Sourse)，其理想開關(guān)特性如圖1.9(c)所示。開關(guān)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(guān)才為全導(dǎo)通，而且必須持續(xù)加壓才能使其維持導(dǎo)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(dāng)短，約為幾十奈秒到幾百奈秒左右。金氧場效應(yīng)電晶體(MOSFET)11電子電力系統(tǒng)閘關(guān)閘流體(GTO)GTO的電路符號及穩(wěn)態(tài)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(dǎo)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(xù)導(dǎo)通，而不需一直維持

10、觸發(fā)電流；但截止方式與閘流體不同，可以藉由一負(fù)的閘-陰極電壓使閘極產(chǎn)生一非常大的負(fù)電流而使其截止。此負(fù)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(dǎo)通電流的三分之一。GTO可承受之反向電壓與元件的設(shè)計有關(guān)，理想的特性如圖1.10(c)所示。12電子電力系統(tǒng)IGBT的電路符號及穩(wěn)態(tài)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(fā)；與BJT相同的是，IGBT即使在高阻斷電壓額定下仍具有低的導(dǎo)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

11、眾家優(yōu)點於一身，故目前功率範(fàn)圍從數(shù)百瓦至幾十千瓦之交直流馬達(dá)驅(qū)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電子電力系統(tǒng)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(jù)其控制端點的位置來區(qū)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(dǎo)通特性與GTO相似，包括當(dāng)觸發(fā)信號移去時仍能導(dǎo)通之觸發(fā)導(dǎo)通特性及在高電流時具有低導(dǎo)通壓降。另一方面，MCT之閘極觸發(fā)特性

12、則與IGBT和MOSFET相同為電壓觸發(fā)，且只需極小能量便可以觸發(fā)。14電子電力系統(tǒng)智慧型功率模組(Intelligent Power Module, IPM)IGBT雖然具有良好驅(qū)動特性，但仍需要外加過溫、過流與短路等保護(hù)電路以避免其誤動作，但由於線路為外加，其保護(hù)之時效性不佳。因此有數(shù)家廠商將六個IGBT及相關(guān)之過溫、過流、負(fù)載短路與控制電源欠壓等保護(hù)線路作在同一模組內(nèi)，稱為智慧型功率模組。由於六個IGBT均在同一模組內(nèi)，故切換特性相同，且切換保護(hù)電路與IGBT間之接線極短，故IPM之特性絕佳，目前已被工業(yè)界廣泛用於交直流馬達(dá)驅(qū)動器與大功率之電源供應(yīng)器上。可控式開關(guān)比較元件 功率處理能力切

13、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電子電力系統(tǒng)直流至直流切換式轉(zhuǎn)換器典型直流至直流轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)之構(gòu)造如圖所示，其輸入通常為由線電壓整流而得之非調(diào)節(jié)直流電壓，然後再利用切換式直流至直流轉(zhuǎn)換器將此變動之直流電壓轉(zhuǎn)換成一調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)性)濾波電容(無調(diào)節(jié)性)直流至直流轉(zhuǎn)換器(具調(diào)節(jié)性)負(fù)載蓄電池直流電壓直流電壓控制訊號1降壓式(step-down buck)轉(zhuǎn)換器。2升壓式(step-up boost)轉(zhuǎn)換器。3升降壓式(step-down/step-up buck-

14、boost)轉(zhuǎn)換器。4全橋式轉(zhuǎn)換器。上述四種轉(zhuǎn)換器中，只有降壓式及升壓式是最基本的轉(zhuǎn)換器電路架構(gòu)，升降壓式轉(zhuǎn)換器是此二基本轉(zhuǎn)換器之結(jié)合，而全橋式轉(zhuǎn)換器則是由降壓式轉(zhuǎn)換器衍生而來。16電子電力系統(tǒng)直流至直流轉(zhuǎn)換器之控制直流至直流轉(zhuǎn)換器的作用即是在輸入電壓與輸出負(fù)載變動的情況下能夠調(diào)節(jié)輸出電壓為所設(shè)定的位準(zhǔn)。電壓位準(zhǔn)轉(zhuǎn)換之原理可以圖2.2(a)所示之簡單電路來說明，由開關(guān)導(dǎo)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(guān)之導(dǎo)通及截止時間(ton及toff)有關(guān)。平均輸出電壓大小調(diào)整之最典型的方式是採用脈波寬度調(diào)變法(Pulse-Width Modulation，PWM)，其切

15、換週期Ts(= ton+toff)為固定，由調(diào)整導(dǎo)通時間之大小來改變平均輸出電壓之大小Vo 。+_VdR+_Vo0VdVovottontoffTs17電子電力系統(tǒng)脈波寬度調(diào)變切換控制的方塊圖如圖2.3(a)所示，開關(guān)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(shè)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(dāng)控制訊號vst較大時，則為高準(zhǔn)位信號，即使開關(guān)導(dǎo)通，反之為低準(zhǔn)位信號即使開關(guān)截止，故開關(guān)之切換週期亦為Ts ，由以上的原理可知，開關(guān)切換之責(zé)任週期(Duty Ratio)為D=ton

16、/Ts =vcontrol/Vst ，其中Vst為鋸齒波之振幅。放大器+-(設(shè)定)(實際)比較器週期性波形切換控制訊號控制訊號0t鋸齒波電壓(放大誤差)OnOnOffOff切換控制訊號(切換頻率)18電子電力系統(tǒng)降壓式直流至直流轉(zhuǎn)換器降壓式轉(zhuǎn)換器，顧名思義，其作用為將較高準(zhǔn)位的輸入電壓換成較低準(zhǔn)位的輸出電壓，主要用途為直流電源供應(yīng)器及直流馬達(dá)速度控制。圖2.2(a)所示為提供純電阻性負(fù)載之降壓式轉(zhuǎn)換器，由圖2.2(b)可知其輸出電壓波形由開關(guān)位置決定。平均輸出電壓為+_VdR+_Vo0VdVovottontoffTs19電子電力系統(tǒng)升壓式直流至直流轉(zhuǎn)換器圖為升壓式轉(zhuǎn)換器電路，主要用途為直流電源

17、供應(yīng)器與直流馬達(dá)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(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，二極體反向偏壓，輸入電能儲存於電感，負(fù)載電能則由電容提供。當(dāng)開關(guān)截止時，負(fù)載吸收輸入及儲存電感中之電能。+-+_20電子電力系統(tǒng)t0t0vLiLILTstoffton_+_+_+_+_+_iLvLVdVoiLvLVdVo圖所示為電感電流為連續(xù)之穩(wěn)態(tài)工作波形，由穩(wěn)態(tài)下電感電壓一週期之平均值為零可得等號兩側(cè)除以Ts，重新整理可得假設(shè)電路無損失，輸入功率Pd=VdId等於輸出功率Po=VoIo ，則21電子電力系統(tǒng)升降壓式直流至直流轉(zhuǎn)換器升降壓式轉(zhuǎn)換器的主要用途為輸入與輸出之

18、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(yīng)器。升降壓式轉(zhuǎn)換器可以由降壓式轉(zhuǎn)換器與升壓式轉(zhuǎn)換式串接而成，穩(wěn)態(tài)下輸入與輸出電壓轉(zhuǎn)換器之比值為二轉(zhuǎn)換器個別比值之乘積因此變化責(zé)任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓。+_+_+RCVoLVdioiLvLid22電子電力系統(tǒng)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(zhuǎn)換成振幅與頻率均可調(diào)之正弦式交流電源，主要用途為交流馬達(dá)驅(qū)動與交流不斷電電源供應(yīng)器。圖為典型交流馬達(dá)驅(qū)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(qū)動交流馬達(dá)。切換

19、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(dá)二極體整流器濾波電容切換式反流器Vd三相交流電源23電子電力系統(tǒng)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(yīng)用在高功率之交流馬達(dá)驅(qū)動器。1脈波寬度調(diào)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(guān)之脈波寬度調(diào)變切換控制達(dá)成 ，有許多類型之脈波寬度變技術(shù)可以使輸出電壓

20、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(diào)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(dāng)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(diào)變，其輸出電壓波形近似方波，因此其結(jié)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。24電子電力系統(tǒng)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(shè)其正弦輸出電壓vo是經(jīng)過濾波所得，若輸出之負(fù)載為電感性(如馬達(dá))，則輸出電流io將落後

21、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(cè)送至交流側(cè)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(fù)，故功率由交流側(cè)送至直流側(cè)稱之為整流模式。圖3.3(a)之切換式反流器，在每一週期內(nèi)，會經(jīng)歷平面上四個象限中之所有象限。單相切換式變流器與濾波器oo+-+-Vdvoidio0t4123voioiovo1反流器4整流器3反流器2整流器025電子電力系統(tǒng)為清楚解釋起見，以單臂反流器來說明。+_+_+_VdVd2Vd2ANTA+TA-DA+DA-iovANo反流器電路之脈波寬度調(diào)變切換技術(shù)如圖3.5(a)所示，由一正弦波

22、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(guān)之切換頻率，正弦波控制電壓vcontrol(又稱調(diào)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(diào)變指數(shù)為ma=Vcontrol / Vtri ，其中Vcontrol為vcontrol之振幅，而頻率調(diào)變指數(shù)則定義為mf = fs / f1 。0tvcontrolvtri26電子電力系統(tǒng)0tvAoVd2-Vd2t=0vvTonToffcontroltriAA+-:,:0tvcontrolvtri圖反流器之開關(guān)的控制方法與io方向無關(guān)，為由於二開關(guān)之導(dǎo)通為互補(bǔ)，因此輸出電壓只在Vd /2與-