电力电子器件二极管.ppt

《电力电子器件二极管.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子器件二极管.ppt（21页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第一章 电力电子器件,引 言1.1电力电子器件概述1.2不可控器件电力二极管1.3半控型器件晶闸管1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用 小 结,第一章 电力电子器件,器件是学习电路的基础：本章学习电力电子器件的概念、特点和分类等问题 学习各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性；主要参数以及使用选择和使用中应注意的一些问题。,1.1电力电子器件概述,1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 应用电力电子器件的系统组成 1.1.3 电力电子器件的分类 1.1.4 本章内容和学习要

2、点,1.1电力电子器件概述,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,一主电路（main power circuit）电气设备或电力系统中，承担电能的变换或控制任务的电路二电力电子器件（power electronic device）在主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件（半导体）,三电力电子器件的一般特征（同处理信息的电子器件相比）,1承受电压和电流的能力是最重要的参数：功率从 mWMW；2一般都工作在开关状态：通态阻抗很小，近似短路，管压降接近于零，电流由外电路决定；断态阻抗很大，近似断路，电流几乎为零，管压降由外电路决定；作电路分析时，为简单起见可用 理想开关来代替；3器件的动态特性（开

3、关特性）和参数，也是非常重要的。4实用中，器件需要由信息电子电路来控制：因此，在主电路和控制电路之间需要一定的中间电路对控制电路 的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。6应注意器件的保护：过电压保护；对电流上升率di/dt和电压上升率dv/dt的限制。,6使用时要注意的过热保护：导通时器件上有一定的压降，形成：通态损耗；阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成：断态损耗；在开通或关断过程中产生的开通、关断损耗，总称：开关损耗；对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也造成器件的发热；通常器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是器件功率损耗的 主要成因；器件工作频率较高时，开关损耗随之增大成为

4、：器件功率损耗 的主要因素 损耗散发的热量会导致器件温度过高而损坏：为保证器件安全，除在器件封装上考虑散热设计外，应用一般都要安装散热器。,三电力电子器件的一般特征（同处理信息的电子器件相比）,1.1电力电子器件概述,1.1.2 应用电力电子器件组成的电力电子系统,控制电路：按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去 控制主电路中器件的通或断，来完成整个系统的功能。检测电路：有的电力电子系统中，还需要有检测主电路或现场 的信号，根据此信号并按系统要求来形成控制信号。,图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成,1是由控制、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路所组成,1.1.2 应用电力电

5、子器件组成的电力电子系统,2通常把除主电路之外的电路都归为控制电路，因此可以说：电力电子系统是由主电路和控制电路所组成；3在主电路和控制电路连接的路径上要进行电气隔离：如在驱动电路与主电路、驱动电路与控制信号、主电路与检测电 路的连接处进行电气隔离，一般采用光电或、磁电隔离技术；4主电路和控制电路中需要附加保护电路：以保证电力电子器件和 整个电力电子系统可靠运行。5器件的端子：一般有三个端子（极、管角）两个端子联结在主电路中，第3端被称为控制端（控制极）；控制信号加在控制端和一个主电路端子之间控制器件的通断；连接驱动电路和主电路的端子称：公共端，他是电流的流出端。,1.1.3 电力电子器件的分

6、类,一按照器件被控制电路信号所控制的程度分为以下三类：1不可控器件不能用控制信号来控制其通断：电力二极管（Power Diode）2半控型器件控制信号可以控制其导通而不能控制其关断：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定 3全控型器件控制信号既可控制其导通又可控制其关断：电力晶体管（GTR)绝缘栅双极晶体管（IGBT）电力场效应晶体管（简称为电力MOSFET）,1.1.3 电力电子器件的分类,二以加在器件上的驱动信号性质分为两类：1电流驱动型：通过从控制端注入或者抽出电流来实现器件的导通或者关断；2电压驱动型：通过在控制端施加一定的电压信号

7、实现器件的导通或者关断；三按器件内部两种载流子参与导电的情况分为三类：1单极型器件：由一种载流子参与导电的器件；2双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件；3复合型器件：由单极型和双极型器件集成混合而成的器件。,1.1.4 本章内容和学习要点,各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中 应注意的一些问题 器件的驱动、保护和串、并联使用 要掌握电力电子器件的基本特性：静态特性和动态特性 掌握电力电子器件的参数和特性曲线的意义及使用方法：这是在实际中正确应用电力电子器件的两个基本要求。由于电力电子电路的工作特点和具体情况的不同，在主电路中 的其它电路元件，如变压器、电感、电容、

8、电阻等，可能会有 不同于普通电路的要求,1.2 不可控器件电力二极管,1.2.1 PN 结与电力二极管的工作原理,结构简单、工作可靠，在整流、逆变电路中广泛应用；工作原理：与普通的二极管一样以半导体PN结为基础；外形：主要有螺栓型和平板型两种封装,图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号,1.2 不可控器件电力二极管,1.2.1 PN 结与电力二极管的工作原理,造成电力二极管和普通二极管区别的一些因素：在高频电路中，PN 结电容 Cj 对其工作性能会造成影响，使单向导电性变差；电流密度大时，引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响 其压降在 1V 以上；

9、为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大；在使用中承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件 自身的电感效应也会有较大影响。,1.2 不可控器件电力二极管,1.2.2 电力二极管的基本特性,一、静特性,门槛电压 UTO正向电流 IF正向压降 UF反向击穿电压 UB,图1-4 电力二极管的伏安特性,1.2 不可控器件电力二极管,1.2.2 电力二极管的基本特性（静特性）,一静特性主要指其伏安特性：,当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态；与正向电流 IF 对应的电力二极管两端的电压 即为其正向压降UF；当电力二极管承受反向电

10、压时（反偏），只有少子引起的微小而 数值恒定的反向漏电流。但反向电压过大，达到反向击穿电压UB时，反向漏电流会急剧 增大。,电力二极管的偏置状态：正向偏置、零偏置、反向偏置,1.2.2 电力二极管的基本特性（动态特性）,二动态特性即开关特性：因结电容的存在，器件在三种状态之间的转换必然有一个过渡 过程，此过程中的电压电流特性随时间变化。称为开关特性，它反映通态和断态之间的转换过程。,图1-5 电力二极管的动态过程波形 a)正向偏置转换为反向偏置 b)零偏置转换为正向偏置,1.2.2 电力二极管的基本特性（动态特性）,2开通过程：正向压降先出现一个过冲电压UFP，经过一段时间才趋于接近 稳态压降

11、的某值（如 2V）。这一动态过程时间被称为：正向恢复时间tfr；电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态 导通前管压降较大；正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大管压降。电流 上升率越大，过冲电压UFP越高。,1关断过程：须经过一段短暂的时间才能获得反向阻断能力，进入截止状态；关断之前有较大的反向电流出现，并有明显的反向电压过冲；,1.2.2 电力二极管的基本特性（动态特性）,tF：外加电压改变时刻t0：电流下降为零时刻，此时不能恢复反向阻断能力。t1：反向电流达最大值时刻，此后反向电流迅速下降，产生反向过冲电压。t2：电流变化率接近零时刻，恢复对反向电压阻断,反向恢复时间：

12、trr=td+tf,电流下降时间：tf=t2-t1,延迟时间：td=t1-t0,过冲电压：UFP,关断过程,开通过程,正向恢复时间tfr,1.2.3 电力二极管的主要参数,1.正向平均电流IF(AV)额定电流：在指定管壳温度（壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值 正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按 有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热 效应也不小，不能忽视。,1.2.3 电力二极管的主要参数,正向平均电流 IF(AV)的计算：,结论：,电流有效值 I 的计算：,1.

13、2.3 电力二极管的主要参数,2正向压降UF：指器件在指定温度下，流过某一指定的稳态正向 电流时所对应的正向压降3反向重复峰值电压URRM：对器件所能重复施加的反向最高峰值 电压，通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。使用时，往往按照电路 中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。4.最高工作结温TJM：结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示 TJM是指在PN结不损坏的前提下所能承受的最高平均温度，TJM 通常在125175C范围之内5.反向恢复时间trr：trr=td+tf 关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间6.浪涌电流IFSM指器件所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流,1.2.4 电力二极管的主要类型,1.普通二极管（整流二极管）多用于开关频率不高于1kHz的整流电路中；其反向恢复时间较长，一般在 5s 以上；正向定额电流可达数千安、反向电压定额在数千伏以上；2.快恢复二极管 反向恢复过程在 5s 以下的二极管，也简称快速二极管；从性能上又可分为快速恢复和超快速恢复两个等级：快速恢复反向恢复时间为数百纳秒或更长；超快速恢复则在 100ns 以下，甚至达到 2030ns；但其反向耐压多在400V以下；3.肖特基二极管 反向恢复时间更短（1040ns）反向耐压200V以下,