电力电子器件2.2电力二极管.ppt

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1、2.1电力电子器件概述,2.1.1电力电子器件的概念和特征2.1.2应用电力电子器件的系统组成2.1.3电力电子器件的分类2.1.4本章内容和学习要点,2.1.1电力电子器件的概念与特征,电力电子电路的基础 电力电子器件概念:主电路（main power circuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路电力电子器件（power electronic device）可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件广义上分为两类:电真空器件(汞弧整流器、闸流管等电真空器件)半导体器件(采用的主要材料仍然是硅),3.同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征

2、：,由于多用于高电压、大电流工作场合，能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，成为最重要的参数。因为处理的电功率较大，为减小本身的损耗，提高效率，电力电子器件一般都工作在开关状态。导通时：器件阻抗很小，接近于短路，管压降几乎为0，电流由外电路决定 关断时：器件阻抗很大，接近于断路，电流几乎为0，管子两端的电压由外电路决定。,(3)实际应用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制.但电力电子器件所处理的电功率较大,一般的信息电子电路不能直接控制电力电子器件的导通或关断,需要一定的中间电路对这些信号进行适当的放大,这部分电路就是驱动电路(4)电力电子器件的功率损耗通常远大于信息电子器件，为

3、保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。,SF风冷式散热器,SZ SL螺旋式散热器,SS水冷式散热器,散热器外形尺寸,主要损耗,通态损耗：,导通时器件上有一定的通态压降,断态损耗：,阻断时器件上有微小的断态漏电流流过,开关损耗：,开通损耗：,在器件开通的转换过程中产生的损耗,关断损耗:,在器件关断的转换过程中产生的损耗,对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一通常电力电子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开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素,2

4、.1.2 应用电力电子器件的系统组成,电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成,控,制,电,路,检测,电路,驱动,电路,R,L,主电路,V,1,V,2,电力电子器件在实际应用中的系统组成,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电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。有的电力电子系统中，还需要有检测电路。广义上往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路

5、的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离，通过其它手段如光、磁等来传递信号,由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非常必要的。器件一般有三个端子（或称极或管脚），其中两个联结在主电路中，而第三端被称为控制端（或控制极）。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。,

6、2.1.3 电力电子器件的分类,按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：,半控型器件,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,通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。,全控型器件,绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）,通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。,不可控器件,电力二极管（Power Diode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。,不能用控制信号

7、来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。,按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，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 实现导通或者关断的控制,电压驱动型:仅通过在控制端和公共端之间施加一 定的电压信号就可实现导通或者关断的控制,按照器件内部电子和空穴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,复合型器件:由单极型器件和双极型器件集成混合而 成的器件,有锗管、硅管等等,按照器件制造材料情况分为两类：,从使用角度出发，主要可从以下五个方面考查电力半导体器件的性能特点：导通压降

8、 运行频率 器件容量 耐冲击能力 可靠性此外，诸如控制功率、可串并联运行的难易程度、价格等等也是选择电力半导体器件应考虑的因数。,电力半导体器件发展水平,在整流管类中，快速恢复二极管将有较大的发展在高压直流输电中，晶闸管（光控晶闸管）将有很好的发展机遇。在功率晶体管类中，以IGBT发展最为迅速,2.1.4本章内容和学习要点,本章内容:介绍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。然后集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这三个问题。,学习要点:最重要的是掌握其基本特性 掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法，这是在实际中正确应用电力电

9、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，可能会对与电力电子器件用于同一主电路的其它电路元件，如变压器、电感、电容、电阻等，有不同于普通电路的要求,2.2 不可控器件-电力二极管,Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别 在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。,2.2.1 电力二极管的工作原理和基本特性,基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以半导体PN结为基础由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装，平板型因其与散

10、热器接触较好而多用于功率较高的场合（200A以上）,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,普通整流管 凹板式 凸板式,普通整流管螺栓式,交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。,空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。,扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，

11、被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。,PN结的正向导通状态 电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。PN结的反向截止状态 PN结的单向导电性。二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。PN结的反向击穿 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。,1.2.2 电力二极管的基本特性,1.静态特性：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UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反

12、向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。,电力二极管的伏安特性,2.动态特性,主要是讲在二极管两端所加电压变化时器件的过渡过程如：首先加 正向电压，然后再加反向电压，最后再加正向电压,正向电压,反向电压,正向电压,导通,关断,导通,关断特性,开通特性,电力二极管在开通初期会出现 较高的正向压降，即在一个很短的时间内出现一个过冲UFP，且UFP相当高。经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。,开通特性：,关断特性：,导通的二极管突然加一个 反向电压时，反向阻断能力的恢复也需要一段时间，可以想到，在空间电荷区较薄时，电压的突然反向，

13、会使二极管在未恢复阻断能力之前，处于短路状态,在图中：延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间：tf=t2-t1 反向恢复时间：trr=td+tf（普通电力二极管的反向恢复时间trr=25S）恢复特性的软度：电流下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示,1.2.3 电力二极管的主要参数,1.正向平均电流IF(AV)额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，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,设该正弦半波电流的峰值为Im,则,额定电流(平均电流)为:,当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗

14、造成的发热效应也不小,正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有1.52倍的裕量。,额定电流有效值为:,2.正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降3.反向重复峰值电压URRM指对电力二极管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，是反向不重复峰值电压URSM的80%。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23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。最高

15、工作结温是指在PN结不致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trrtrr=td+tf，关断过程中，电流降到零起到恢复反响阻断能力止的时间。6.浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。,1.2.3 电力二极管的主要类型,按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。,1.普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode）多

16、用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。,2.快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）,恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，也简称快速二极管工艺上多采用了掺金措施有的采用PN结型结构有的采用改进的PiN结构 采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下从

17、性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。,快恢复二极管230PIV600BAA-44600V/60A 绝缘铜底板，内部是两只完全独立的快恢复二极管，用两只模块可组成600V/60A高速桥堆。用三只模块可组成600V/90A高速三相整流桥。,单价18元,3.肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier DiodeSBD），简称为肖特基二极管20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用,肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（1040ns

18、）正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高,肖特基二极管的弱点当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度,电力二极管的命名,P,Z,正向平均电压组别,反向重复峰值电压等级（额定电压）,额定正向平均电流系列（额定电流）,普通型,整流特性,总结,电力电子电路主要分为那几个部分？电力电子器件分为哪三类？分析电力电子器件时我们主要看哪些指标？,静态特性动态特性：平均电流，有效电流，正向压降，反向重复峰值电压，反向恢复时间。,