第二章 电力电子器件 22 电力二极管ppt课件

1、太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术2.1电力电子器件概述电力电子器件概述2.1.1电力电子器件的概念和特征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电力电子器件的分类2.1.4本章内容和学习要点本章内容和学习要点太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术2.1.1电力电子器件的概念与特征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电路的基础 电力电子器件电力电子器件概念概念:主电路主电路main power circuit）电气设备或电力系统中，电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务

2、的电路直接承担电能的变换或控制任务的电路电力电子器件电力电子器件power electronic device）可直接用于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处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件件广义上分为两类广义上分为两类: 电真空器件电真空器件 (汞弧整流器、闸流管等电真空器件汞弧整流器、闸流管等电真空器件) 半导体器件半导体器件 (采用的主要材料仍然是硅采用的主要材料仍然是硅)太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术3. 同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：由于多用于高电压、大电流

3、工作场合，能处由于多用于高电压、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，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。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，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提高效率，电力电子器件一般都工作在开关状态。状态。 导通时：器件阻抗很小，接近于短路，导通时：器件阻抗很小，接近于短路，管压降几乎为管压降几乎为0，电流由外电路决定，电流由外电路决定 关断时：器件阻抗很大，接近于断路，关断时：器件阻抗很大，接近于断路，电流几乎为电流几乎为0，管子两端的电压由外电路决定。，管子两端

4、的电压由外电路决定。太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术 (3) 实际应用中，电力电子器件往往需要由信息电子电实际应用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制路来控制.但电力电子器件所处理的电功率较大但电力电子器件所处理的电功率较大,一一般的信息电子电路不能直接控制电力电子器件的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导通或关断,需要一定的中间电路对这些信号进行需要一定的中间电路对这些信号进行适当的放大适当的放大,这部分电路就是驱动电路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，电力电子器件的功率损耗通常远大于信息电子器件，为保证不

5、致于因损耗散发的热量导致器件温度过为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。其工作时一般都要安装散热器。 太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术SFSF风冷式散热器风冷式散热器SZ SLSZ SL螺旋式散热器螺旋式散热器太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术SSSS水冷式散热器水冷式散热器太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术散热器外形尺寸太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术主主要要损损耗耗通态

6、损耗：通态损耗：导通时器件上有一定的通态压降断态损耗：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：开关损耗：开通损耗：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 太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术2.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成电力电子系统：由控制电路、驱动电路和电力电子系统：由控制电

7、路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成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RL主电路V1V2电力电子器件在实际应用中的系统组成太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术 控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱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。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往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电

8、路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控电路，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。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的和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及连接处，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、磁等来传递信号离，通过

9、其它手段如光、磁等来传递信号太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术 由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电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，因而，在主受过电压和过电流的能力却要差一些，因而，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力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。往是非常必要的。 器件一般有三个端子或称极或管脚），其中两个器件一

10、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。出器件的端子。太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术2.1.3 电力电子器件的分类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，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

11、：分为以下三类：半控型器件半控型器件晶闸管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。太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术不可控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。不能用控制信号来控制其通断, 因此也

12、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：信号的性质，分为两类： 1) 电流驱动型电流驱动型: 通过从控制端注入或者抽出电流来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实现导通或者关断的控制 电压驱动型电压驱动型:仅通过在控制端和公共端之间施加一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定的电压信号就可实现导通或者关断的控制 太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与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：导电的情况分

13、为三类： 1) 单极型器件单极型器件: 由一种载流子参与导电的器件由一种载流子参与导电的器件 2) 双极型器件双极型器件: 由电子和空穴两种载流子参与导电的由电子和空穴两种载流子参与导电的 器件器件 复合型器件复合型器件:由单极型器件和双极型器件集成混合而由单极型器件和双极型器件集成混合而 成的器件成的器件有锗管、硅管等等 按照器件制造材料情况分为两类：按照器件制造材料情况分为两类：太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术从使用角度出发，主要可从以下五个方面考查电力从使用角度出发，主要可从以下五个方面考查电力半导体器件的性能特点：半导体器件的性能特点：导通压降导通压降 运行频率运行频率

14、 器件容量器件容量 耐冲击能力耐冲击能力 可靠性可靠性此外，诸如控制功率、可串并联运行的难易程度、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。价格等等也是选择电力半导体器件应考虑的因数。太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术电力半导体器件发展水平太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术在整流管类中，快速恢复二极在整流管类中，快速恢复二极管将有较大的发展管将有较大的发展在高压直流输电中，晶闸管在高压直流输电中，晶闸管光控晶闸管将有很好的发光控晶闸管将有很好的发展机遇。展机遇。在功率晶体管类中，以在功率晶体管类中，以IGBTIGBT发发

15、展最为迅速展最为迅速太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术2.1.4本章内容和学习要点本章内容和学习要点v本章内容本章内容:v 介绍各种器件的工作原理、基本特性、主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。要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。v 然后集中讲述电力电子器件的驱动、保护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。和串、并联使用这三个问题。太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术 学习要点学习要点: 最重要的是掌握其基本特性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，以及其掌握电力电子器件的型号命名

16、法，以及其参数和特性曲线的使用方法，这是在实际中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子器件的两个基本要求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、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电容、电阻等，有不同于普通电路的要求太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术2.2 不可控器件不可控器件-电力二极管电力二极管 Power Diode结构和原理简单，工作可靠，

17、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。太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术2.2.1 电力二极管的工作原理和基本特性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，平板型因其与散热器接触较好而多用于功率较高的场合200A以上） 太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术AKAKa)IKAPNJb)c)电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a)

18、外形 b) 构造 c) 电气图形符号太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术普通整流管普通整流管 凹板式凹板式 凸板式凸板式普普通通整整流流管管螺螺栓栓式式太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术 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

19、成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，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。太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术 PN结的正向导通状态结的正向导通状态 电导调制效应使得电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在很低，维持在1V左右，所以正向偏置的左右，所以正向偏置的PN结表现为低结表现为低阻态。阻态。 PN结的反向截止状态结的反向截止状态 PN结的单向导电性。结的单向导电性。 二极管的基本原理就在于二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主结的单向导电性这一主要特征。要特征。 PN结的反向击穿结的反向击穿 有

20、雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 1.静态特性：静态特性： 主要指其伏安特性主要指其伏安特性 当电力二极管承受的正向当电力二极管承受的正向电压大到一定值门槛电压电压大到一定值门槛电压UTO），正向电流才开始明显），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与增加，处于稳定导通状态。与正向电流正向电流IF对应的电力二极管对应的电力二极管两端的电压两端的电压UF即为其正向电压即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电降。当电力二极管承受反向电压

21、时，只有少子引起的微小而压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。数值恒定的反向漏电流。IOIFUTOUFU电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术2. 动态特性动态特性主要是讲在二极管两端所加电压变化时器件主要是讲在二极管两端所加电压变化时器件的过渡过程的过渡过程如如 ：首先加：首先加 正向电压，然后再加反向电压，正向电压，然后再加反向电压，最后再加正向电压最后再加正向电压正向电压正向电压反向电压反向电压正向电压正向电压导通导通关断关断导通导通关断特性关断特性开通特性开通特性太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术电力二极管在开通

22、初期电力二极管在开通初期会出现会出现 较高的正向压降，较高的正向压降，即在一个很短的时间内出即在一个很短的时间内出现一个过冲现一个过冲UFP，且，且UFP相当高。经过一段时间才相当高。经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个趋于接近稳态压降的某个值如值如 2V）。这一动态过）。这一动态过程时间被称为正向恢复时程时间被称为正向恢复时间间tfr。开通特性：开通特性：太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术关断特性：关断特性：导通的二极管突导通的二极管突然加一个然加一个 反向电反向电压时，反向阻断能压时，反向阻断能力的恢复也需要一力的恢复也需要一段时间，可以想到段时间，可以想到，在空间电荷区较，

23、在空间电荷区较薄时，电压的突然薄时，电压的突然反向，会使二极管反向，会使二极管在未恢复阻断能力在未恢复阻断能力之前，处于短路状之前，处于短路状态态太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术 在图中：在图中： 延迟时间：延迟时间：td= t1- t0 电流下降时间：电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：反向恢复时间：trr= td+ tf （普通电力（普通电力二极管的反向恢复时间二极管的反向恢复时间trr=25S） 恢复特性的软度：电流下降时间与延恢复特性的软度：电流下降时间与延迟时间的比值迟时间的比值tf /td，或称恢复系数，或称恢复系数，用用Sr表示表示太原工业学院自动化

24、系2022-2-9电力电子技术1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 1. 正向平均电流正向平均电流IF(AV) 额定电流额定电流在指定的管壳温度简称壳温，在指定的管壳温度简称壳温，用用TC表示和散热条件下，其允许流过的最表示和散热条件下，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设该正弦半波电流的峰值为Im, 那么那么额定电流额定电流( (平均电流平均电流) )为为: :0)(sin21mmAVFIttdII太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术当用在频率较高的场合时，开关损耗当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往

25、往不能忽略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时，其断态损耗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，并应留有取电流定额，并应留有1.52倍的裕量。倍的裕量。 额定电流有效值为额定电流有效值为: :2)sin(2102mmFItdtII 太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术2. 正向压降正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳指电力二极管在指定温度下，

26、流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降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指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压压通常是其雪崩击穿电压通常是其雪崩击穿电压UB的的2/3，是反向不重复，是反向不重复峰值电压峰值电压URSM的的80%。使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的使用时，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反向最高峰值电压的23倍来

27、选定倍来选定 太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术4. 最高工作结温最高工作结温TJM结温是指管芯结温是指管芯PN结的平均温度，用结的平均温度，用TJ表示。表示。最高工作结温是指在最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。能承受的最高平均温度。TJM通常在通常在125175C范围之内。范围之内。5. 反向恢复时间反向恢复时间trrtrr= td+ tf ，关断过程中，电流降到零起到恢，关断过程中，电流降到零起到恢复反响阻断能力止的时间。复反响阻断能力止的时间。6. 浪涌电流浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个指电力二极管

28、所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。工频周期的过电流。 太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术1.2.3 电力二极管的主要类型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。太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术1. 普通二极管普通二极管General Purpose Diode）又称整流二极管又称整流二极管Rectifier Diode）多用于开关频率不高多用于开关频率不高1kHz以下的整以下的整流电路中流

29、电路中其反向恢复时间较长，一般在其反向恢复时间较长，一般在5s以上，以上，这在开关频率不高时并不重要。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。很高，分别可达数千安和数千伏以上。太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术2.快恢复二极管快恢复二极管Fast Recovery DiodeFRD）恢复过程很短特别是反向恢复过程很短恢复过程很短特别是反向恢复过程很短5s以下的以下的二极管，也简称快速二极管二极管，也简称快速二极管工艺上多采用了掺金措施工艺上多采用了掺金措施有的采用有的采用PN结型结构结型结构

30、有的采用改进的有的采用改进的PiN结构结构 采用外延型采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管结构的的快恢复外延二极管Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢复），其反向恢复时间更短可低于时间更短可低于50ns），正向压降也很低），正向压降也很低0.9V左左右），但其反向耐压多在右），但其反向耐压多在1200V以下以下从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者从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，后者则在反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，以下，甚至达到甚至达到2030ns。 太原工业学院自动化系2022-2-9电力电子技术快恢复二极管快恢复二极管230PIV600BAA-44600V/60A 绝缘铜底板