第二章　功率半導體開關

Overview of Power Semiconductor Switches

這一章目的不是背每一顆元件的製程，而是以後看到電路時知道：這顆開關誰能把它打開、誰能把它關掉、理想化之後電壓和電流怎麼寫。第 5 章整章只用二極體，所以二極體要最熟。

1. 理想開關

分析電力電子時，先把開關想成理想的。理想開關有四個性質：

導通 on：電壓是 0，電流由外面的電路決定。
截止 off：電流是 0，電壓由外面的電路決定。
切換是瞬間的。
驅動它幾乎不花功率。

因此理想開關上的功率 $p = vi$ 在導通和截止時都是 0。

真實元件做不到這麼乾淨。課本仍然先用理想模型，因為波形和平均值主要由電路結構決定，不是由 0.7 V 的順向壓降決定。題目寫 ideal 或「忽略順向壓降」，就用這套。

2. 三種控制程度

類型	元件	能不能叫它導通	能不能叫它關斷
不能控制	Diode 二極體	不能，順向自己通	不能，逆向自己斷
半控	Thyristor、SCR 閘流體	可以，閘極觸發	不能，要等電流回到 0
全控	BJT、MOSFET、GTO、IGBT	可以	可以

第 5 章只用第一列。閘流體是下一階段「相控整流」的開關。MOSFET 和 IGBT 是後面直流截波、逆變器的開關。

3. 二極體 Diode

符號的三角指向允許電流的方向。三角尖端那一側是 cathode 陰極，另一側是 anode 陽極。

Forward bias 順向偏壓：陽極電位高於陰極，二極體導通。理想時 $v_d = 0$ ，電流 $i_d \ge 0$ 。
Reverse bias 逆向偏壓：陰極電位高於陽極，二極體截止。理想時 $i_d = 0$ ，電壓由外電路決定，而且 $v_d \le 0$ 。

判斷口訣：先猜它是通還是斷，再用這兩個條件檢查。若你假設它導通，算出來的電流卻要倒流，假設就錯了，它其實是斷的。

真實功率二極體還有三件事，口頭課會點到，計算先忽略：

Forward voltage drop 順向壓降：矽二極體大約 0.7 V，功率二極體常常接近 1 V。大電流時才需要把它算進損失。
Reverse breakdown 逆向崩潰：逆向電壓太高會壞。選元件時，逆向電壓額定要高於電路裡出現的最大逆向電壓。這個最大逆向電壓叫 PIV，peak inverse voltage。
Reverse recovery 逆向回復：從導通轉成截止時，二極體不能立刻把電流停住，會有一小段反向電流。高頻時這段損失很重要；線頻整流先忽略。

例題 2-1　理想二極體直接判斷

12 V 直流電源、理想二極體、4 Ω 電阻串聯。

(a) 二極體方向允許電流從電源正極流出。

假設導通， $v_d = 0$ ，則

i = \frac{12}{4} = 3\ \text{A} > 0

電流方向符合二極體，假設成立。二極體電壓是 0，電阻電壓是 12 V。

(b) 二極體反接。

若仍假設導通，電流會從陰極流向陽極，違反 $i_d \ge 0$ 。所以它截止， $i = 0$ 。12 V 全部落在二極體上，而且是逆向。PIV 就是 12 V。

4. 閘流體 Thyristor（SCR）

SCR 是 silicon-controlled rectifier。它有三個腳：陽極 anode、陰極 cathode、閘極 gate。

閘極沒有觸發時，即使順向也不通。
順向而且閘極給一個觸發脈衝，它就導通，特性變得像二極體。
導通之後，拿掉閘極信號它仍然導通。
要關斷，必須讓電流降到接近 0，叫 commutation 換流。在交流電路裡，電壓自然過零時電流會掉下去，所以市電整流可以用 SCR。直流電路裡電流不會自己變 0，關斷就比較麻煩。

口頭課記到這裡就夠。它解釋了「半控」這個詞：只能決定打開的時刻，不能隨時關掉。

5. 全控開關：誰比較常出現

元件	英文	怎麼控制	口頭課要留下的印象
BJT	bipolar junction transistor	基極電流	電流控制，驅動要一直灌電流。功率級現在較少當主角。
MOSFET	metal-oxide-semiconductor field-effect transistor	閘極電壓	電壓控制、開關快、導通電阻小。適合較低電壓、較高頻率。
GTO	gate-turn-off thyristor	閘極可開也可關	大功率可關斷閘流體，驅動電路重，新設計較少。
IGBT	insulated-gate bipolar transistor	閘極電壓	閘極像 MOSFET，電流能力像 BJT。中高電壓的馬達驅動很常見。

電壓控制的意思是：閘極看起來像一個電容，打開之後幾乎不用繼續供給電流。電流控制則要一直供給基極電流，驅動損失比較大。

6. 兩種損失

真實開關的損失分成兩段，這是口頭課一定會對比的：

導通損失 conduction loss

開關已經完全打開，上面還有一點電壓或電阻。

二極體、IGBT 常用固定壓降估計： $P = V_{on} I$ 。若不是一直導通，再乘上導通的時間比例，這個比例叫 duty ratio 占空比 $D$ 。
MOSFET 常用導通電阻 $R_{DS(on)}$ ： $P = I^2 R_{DS(on)}$ 。

切換損失 switching loss

打開或關掉的那幾微秒，電壓和電流同時不為 0， $p = vi$ 有一個尖峰。開關愈頻繁，一秒內的尖峰愈多，切換損失愈大。所以線頻整流幾乎只剩導通損失；高頻截波器就要認真算切換損失。

有時會加一個小電路吸收尖峰，叫 snubber 緩衝電路。第 2 章知道這個名詞即可。

例題 2-2　導通損失

(a) 功率二極體順向壓降 1 V，電流 8 A，一個週期裡有一半時間導通。

P = 1 \times 8 \times 0.5 = 4\ \text{W}

(b) MOSFET 的 $R_{DS(on)} = 0.05\ \Omega$ ，導通時電流 10 A，占空比 $D = 0.5$ 。

導通期間的功率是 $I^2 R = 10^2 \times 0.05 = 5$ W。一個週期平均：

P = 5 \times 0.5 = 2.5\ \text{W}

(c) IGBT 導通壓降 2 V，電流 15 A， $D = 0.4$ 。

P = 2 \times 15 \times 0.4 = 12\ \text{W}

這三小題都還沒有把切換損失算進去。題目若說「只計導通損失」，就停在這裡。

7. 為什麼後面可以把二極體畫成理想的

因為：

順向壓降 1 V，旁邊的交流電壓是 100 V 以上，相對很小。
線頻 60 Hz，逆向回復只占一個週期的極小段。
我們先求的是波形、平均值、有效值、功因。這些由「通或斷」決定。

等要求損失或選元件的耐壓，再把真實壓降和 PIV 加回去。

8. 這章要認得的英文

英文	中文	看到時怎麼理解
diode	二極體	不能控制的單向開關
anode / cathode	陽極 / 陰極	電流從陽極流向陰極
forward bias	順向偏壓	通的方向
reverse bias	逆向偏壓	斷的方向
ideal	理想	壓降當 0，切換當瞬間
thyristor, SCR	閘流體	可觸發導通，不能隨意關
gate	閘極	控制腳
MOSFET	金氧半場效電晶體	電壓控制、開關快
IGBT	絕緣閘雙極電晶體	中高功率常用
GTO	閘極可關斷閘流體	可關，但驅動重
conduction loss	導通損失	已經打開之後的損失
switching loss	切換損失	打開、關掉瞬間的損失
duty ratio	占空比	一個週期裡導通的比例
PIV	峰值逆向電壓	二極體截止時承受的最大電壓
snubber	緩衝電路	吸收切換尖峰
commutation	換流	電流從一條路徑交棒到另一條

9. 例題 2-3　該用哪一種開關

只用這一章的標準選，並寫一句理由。

市電直接變成直流，不需要調節電壓。
市電變成直流，而且要靠觸發角調節平均電壓，功率很大、頻率就是 60 Hz。
48 V 直流切成高頻脈衝，再濾成 12 V，開關頻率幾十 kHz。
400 V 直流母線驅動馬達，功率幾十 kW。

解答

Diode。不需要控制，順向自己通。
SCR / thyristor。需要決定何時打開，而交流電流會自己回到 0，正好用來關斷。
MOSFET。電壓不高、頻率高，MOSFET 的開關速度快、驅動簡單。
IGBT。電壓和電流都大，又需要能自行關斷。GTO 理論上也可以，但現在這種規格更常看到 IGBT。

10. 和後面章節的接點

第 3 章把電感、電容的電壓電流關係補齊。開關一切，波形就靠這些元件接下去。
第 5 章的每一個區間，都是在問：二極體現在是 on 還是 off？
換流 commutation 這個詞在第 5 章會變成具體計算：電源有電感時，電流不能瞬間從一組二極體交棒到另一組。