电力电子器件二极管

1、第第1章章 电力电子器件电力电子器件 引言引言1.11.1电力电子系统概述电力电子系统概述1.21.2不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管1.31.3半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件 1.5 1.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 1.6 1.6 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动 1.7 1.7 电力电子器件的保护电力电子器件的保护 1.8 1.8 电力电子器件的串联和并联使用电力电子器件的串联和并联使用 小结小结 引引 言言 本章主要内容：本章主要内容：简要概述电力电子系统的概念、电力电子器件的特点简要概述电力电子系统的概念、电力

2、电子器件的特点和分类和分类介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性,主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 1.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述1.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述 1.1.1 1.1.1 电力电子器件特点电力电子器件特点 1.1.2 1.1.2 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 1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 1.1.1 1.1.1 电力电子器件特征电力电子器件特征 同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征： (1

3、) 能处理电功率的大小，即承受电压和电流 的能力，是最重要的参数其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级, 大多都远大于处理信息的电子器件。 1.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述1.1.1 1.1.1 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) 电力电子器件一般都工作在开关状态导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定其动态特性（也就是开关特性）和参数，是电力电子器件特性很重要的方面作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替 1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念

4、和特征电力电子器件的概念和特征 (3) 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 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驱动电路。(4)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，在其工作时一般都要安装散热器。损耗小结：导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗 1.1.1 1.1.1 电力电子器件的特征电力电子器件的特征阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，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是造成器件发热的

5、原因之一（驱动功率损耗）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之一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另外一个主要因素 1.1.2 1.1.2 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1.1.2 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 图1-1 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 控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2 1.

6、1.2 1.1.2 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检测电路：根据系统要求检测电压电流等信号。可以归入控制电路，因此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电气隔离离，而通过其它手段如光、磁等来传递信号。 1.1.2 1.1.2 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

7、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。 1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类1.1.3 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，分为以下三类： (1) 半控型器件通过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 1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 (2) 全控型器件通过控制信号既可控制其

8、导通又可控制其关断，又称自关断器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为电力MOSFET）门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类(3) 不可控器件不可控器件不能用控制信号来控制其通断，不能用控制信号来控制其通断， 因此也就不需要驱动电路因此也就不需要驱动电路电力二极管（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 按照驱动电路加在器件控制端和公共端

9、之间信号按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的的 性质，分为两类：性质，分为两类：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 1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件 1.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管1.21.2不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 1.2.1 PN1.2.1 PN结与电力二极

10、管的工作原理结与电力二极管的工作原理 1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 1.2.3 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型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AKAKa)IKAPNJb)c)1.21.2不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理

11、结与电力二极管的工作原理1.2.1 PN1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。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。空间电荷建立的电场被称为内电场内电场或自建电场自建电场，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，即漂移运动漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一

12、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耗尽层、阻挡层阻挡层或势垒区势垒区。1.2.1 PN1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 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结表现为低阻态图1-3 PN结的形成-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场 1.2.1 PN1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理PN结的反向截止状态结的反向截止状态 PN结的单向导

13、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PN结的电容效应：结的电容效应： PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应电容效应，称 为结电容结电容CJ，又称为微分电容微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容势垒电容CB和扩散电容扩散电容CD 1.2.1 PN1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理势垒电容势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比扩散电容扩散电容仅在正向偏置时起作

14、用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。 1.2.1 PN1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 造成电力二极管和信息电子电路中的普通造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：二极管区别的一些因素： 正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子（少数载流子）的注入水平较高，电导调制效应不能忽略 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响 承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自

15、身的电感效应也会有较大影响 为获得高耐压为获得高耐压电力二极管采电力二极管采用低掺杂用低掺杂n区区电导调制效应电导调制效应：当：当pn节处于正向偏置时，少数载流节处于正向偏置时，少数载流子器件处于正向导通，此时少数载流子会大量注入子器件处于正向导通，此时少数载流子会大量注入高阻区，因此该区域的电阻会大大减小，因此呈现高阻区，因此该区域的电阻会大大减小，因此呈现出低阻状态。出低阻状态。优点：大电流情况下，仍然保持低阻，低压降。优点：大电流情况下，仍然保持低阻，低压降。缺点：开关速度减小了。（开的时候需要注入这些缺点：开关速度减小了。（开的时候需要注入这些电荷，关断的时候需要扫清这些电荷。电荷，关

16、断的时候需要扫清这些电荷。少数载流子器件少数载流子器件：二极管，：二极管，BJT,IGBT, SCR GTO,MCT多数载流子器件多数载流子器件：MOSFET, Schottky DIODE电力半导体器件的要求电力半导体器件的要求：高阻断电压，低导通压降（低通态电阻），高开关高阻断电压，低导通压降（低通态电阻），高开关频率频率 1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性图1-4 电力二极管的伏安特性 IOIFUTOUFU1.2.2 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（电力二极管

17、伏安特性图电力二极管伏安特性图）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向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。2. 动态特性动态特性 动态特性动态特性因结电容的存在，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是随时间变化的 1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性开关特性开关特性反映通态和断态之间的转换过程关断过程关断过程：须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态 在

18、关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲 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 b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt 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 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比

19、值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示正向偏置转换为反向偏置 零偏置转换为正向偏置1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性开通过程开通过程： 电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，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。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压降。电流上升率越大，UFP越高 QPN-+-IFAKIFVSFRL+VD(a) 0tt1PNQ-+-IFAKIFVSRRL+-VD(b) t1tt2+-+-PN-+-IRAKIRVS

20、RRL+-VD(c) t2tt3+IRQ+-PNQ+-IRAKIRVSRRL-VD(d) t3tt4+KBIR+-+-VDVRMt1t2t3t4t4t3t2t1IDtftdtrrIF0tt(e)电流波形(f)电压波形0IRMIsIRVSR1.2.3 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。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往

21、往不能忽略当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小 额定电流的计算额定电流的计算当正弦半波电流的峰值为当正弦半波电流的峰值为Im时：时：/2()0001111sin()sin() ()sin() ()2TF AVmmmmIIt dtIt dtIt dtITT 31当二极管流过半波正弦电流的平均值为IF（AV）时，与其发热等效的全周期均方根正向电流IFRMS称为最大允许全周期均方根正向电流。mmTmFrmsItdtIdttITI21)()(sin21)(sin10222/022 全周期均方根正向电流全周期均方根正向电流为：为：()1.572FrmsFRF AVIII如果

22、手册上给出某电力二极管的额定电流为100A，它说明：允许通过平均值为100A的正弦半波电流；允许通过正弦半波电流的幅值为314A；允许通过任意波形的有效值为157A的电流；在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值。32选择二极管电流定额的过程：mmTmFrmsItdtIdttITI21)()(sin21)(sin10222/022/2()0001111sin()sin() ()sin() ()2TF AVmmmmIIt dtIt dtIt dtITT()1.572FrmsFRF AVIII33求出电路中二极管电流的有效值 求二极管电流定额 除以1.57将选定的定额放大1.5到2倍以保证安全1.2

23、.3 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数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 1.2.3 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数4. 最高工作结温最高工作结温TJM 结温结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示最高工最高工作结温作结温是指在P

24、N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工频周期的过电流。 1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型1.2.4 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 1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型1. 普通二极管普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在5 s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 1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2.