电力电子技术之二 器件二极管

1电力电子技术

-----器件一、概述

1、电力电子器件的一般特征

处理电功率的能力大工作在开关状态需要由信息电子电路来控制需要安装散热器2一、概述

2、电力电子器件的分类电力电子变换电路常用：半导体电力器件有快速功率二极管、大功率双极型晶体管(GTR)、晶闸管(Thyristor或SCR)、可关断晶闸管(GTO)、功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路PIC等。。3一、概述

2、电力电子器件的分类二极管属于不控型器件，晶闸管属于半控型器件，其他均属于全控型器件。SCR、GTO及GTR属电流驱动型器件，功率MOSFET、IGBT及PIC为电压驱动型器件4一、概述

2、电力电子器件的分类

(1)不可控器件。这类器件一般为两端器件，一端是阳极，另一端是阴极。与电子电路中的二极管一样，具有单向导电性。开关操作仅取决于其在主电路中施加在阳、阴极间的电压和流过它的电流，正向电压使其导通，负向电压使其关断，流过它的电流是单方向的。不可控器件不能用控制信号来控制电流的通断，因此不需要驱动电路。这类器件就是功率二极管(PowerDiode)。5一、概述

2、电力电子器件的分类

(2)半控型器件三端器件，除阳极和阴极外，还增加了一个控制门极。半控型器件也具有单向导电性，但开通不仅需在其阳、阴极间施加正向电压，而且还必须在门极和阴极间施加正向控制电压。门极和阴极间的控制电压仅控制其开通而不能控制其关断，器件的关断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。这类半控型器件是指晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件。6一、概述

2、电力电子器件的分类

(3)全控型器件带有控制端的三端器件，其控制端不仅可以控制其开通，还能控制其关断。门极关断晶闸管(GTO)、功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(功率MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)。目前常用的是功率MOSFET和IGBT。7一、概述

3、按控制信号的性质分类(1)电流驱动型器件。驱动信号加在器件控制端和公共端之间，通过从控制端注入或抽出电流来实现器件的导通或者关断的控制。SCR、GTO及GTR8一、概述

3、按控制信号的性质分类(2)电压驱动型器件。通过施加在控制端和公共端之间的电压信号来实现器件的导通或者关断的控制。功率MOSFET、IGBT及PIC为电压驱动型器件9一、概述10一、概述11一、概述

4、电力电子器件的应用电力系统为了控制和改善供电质量，发电厂发出的交流电必须经过电力电子装置的处理后送到用户端，没有电力电子器件的应用，就没有电力系统的现代化。12一、概述

4、电力电子器件的应用

电力系统从技术层面来讲，电力市场的引入将产生对电力品质的改善装置。不间断电源(UPS)、静止无功补偿装置(SVC)、静止无功发生器(SVG)动态电压恢复器(DVR)、电力有源滤波器(APF)、限流器、13一、概述

4、电力电子器件的应用

电力系统电力储能装置、微型燃气发电机(MicroCasTurbo)等新需求；再生能源、环保发电技术等分散发电将需要交直流变流装置14一、概述

4、电力电子器件的应用

新能源利用与环境保护电力电子器件装置还用于太阳能发电、风力发电装置与电力系统的联网，以及太阳能发电与风力发电电能的改善。现代社会对环境造成了严重的污染，温室气体的排放引起了国际社会的关注。我国改革开放以来能源消费量急剧上升，二氧化碳排放量也有较大增加。15一、概述

4、电力电子器件的应用

新能源利用与环境保护我国十分重视再生能源的开发，2006年我国实施了《再生能源法》。光伏、风力、燃料电池等新能源发电技术推动电力电子技术的应用，并形成电力电子技术的巨大市场。16一、概述

4、电力电子器件的应用

混合动力汽车由于电力电子器件应用技术的迅速发展，交流电动机的调速性能可以和直流电动机相媲美。在工业电动机的控制中，交流调速、直流调速以及节能和软起动都是通过电力电子器件实现的，其驱动结构如图所示。17一、概述

4、电力电子器件的应用

交通运输铁道电气化、电力机车控制、磁悬浮列车的使用都离不开电力电子器件，高级汽车中许多电机的控制是靠变频或斩波实现的。电动汽车的电动机控制和蓄电池充电也是靠电力电子装置实现，飞机、船舶、电梯等都离不开电力电子装置。18一、概述

4、电力电子器件的应用

电源不间断电源、电解电源、电镀电源、开关电源、微机及仪器仪表电源、航空电源、通信电源、交流电子稳压电源、脉冲功率电源、动力牵引及传动控制用电源都是靠变流技术实现的。19一、概述

4、电力电子器件的应用

家用电器用于家庭照明的LED节能灯，体积小、发光效率高、节省能量多，这是通过电力电子器件把交流电转换成电力电子照明电源来实现的。此外，变频空调、电视机、音响、洗衣机、电冰箱、微波炉、计算机等都离不开电力电子器件的应用。20一、概述

4、电力电子器件的应用

结论电力电子器件的应用与国民经济和日常生活、工作息息相关。未来90%的电能均需通过电力电子处理后再加以利用，以便提高能源利用效率、提高工业生产效率、实现再生能源的最大利用。电力电子技术将在21世纪为建设一个节能、环保、和谐的社会发挥重要作用。21一、概述

5、发展趋势

目前国际上功率半导体器件的主流产品、市场需求量较大的高频场控器件IGBT已发展到了第六代，商业化已经发展到了第五代。IGBT及其模块（包括IPM）已经涵盖了600V～6.5kV的电压和1A～3500A的电流，应用IGBT模块的100MW级的逆变器也已有产品问世。

目前我国有多家企业从事中小功率IGBT的封装，只有少数厂家形成产业规模，在IGBT芯片的产业化以及高压大功率IGBT的封装方面，几乎是一片空白。国内封装IGBT模块所用芯片分别由英飞凌、ABB和IR公司提供，只有极少量的芯片由国内生产。22一、概述

5、发展趋势高频场控电力电子器件中另一主流功率器件是功率MOS器件，是目前功率半导体开关器件中市场容量最大、需求增长最快的产品，是低功率范围内最好的功率开关器件。国际上，增加元胞密度一直是制造高性能功率MOS器件的发展方向。在降低器件导通损耗的基础上，提高器件性能和可靠性，进一步降低以Superjunction结构为代表的新结构器件制造成本、提升以SiCMOSFET为代表的宽禁带半导体器件成品率成为功率MOS器件研发生产的努力方向。国内也只是近年才有所涉及，功率MOS以平面工艺的VDMOS为主，缺乏高元胞密度的低功耗功率MOS器件产品，国际上热门的以Superjunction为基础的低功耗MOS器件在国内尚处于研发阶段。23一、概述

5、发展趋势IGCT器件特别适用于电压3000V以上、容量1～20MW范围的变流装置，在交流电机驱动及柔性供电系统中有潜在的巨大市场。目前，ABB公司商品化的IGCT产品主要有三种结构类型：非对称型、逆导型和逆阻型，阻断能力有电压4500V和6000V两种系列，最大关断电流分别为4000A和3000A，研制水平的电压已达到9kV/6kA，6.5kV或6kA的器件已经开始供应市场。国内已成功研制出4000A/4500V非对称型以及1100A/4500V逆导型两种IGCT样品。24一、概述

5、发展趋势快恢复二极管主要指与IGBT相匹配的FRED器件，与快速晶闸管、高频晶闸管以及GTO、IGCT等晶闸管派生器件匹配的FRD器件。600V、1200V，100A的FRD已进入批量生产阶段。国产快恢复二极管器件在国内市场占有一定的份额。25一、概述

5、发展趋势碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）以及氮化镓铝（AlGaN）等宽禁带半导体材料受到了愈来愈多的关注，成为新材料、新器件研究的热点。目前，美、日、俄、欧、韩等国家和地区正在加紧研发宽禁带半导体器件，已经有商业化产品出现。SiC肖特基二极管已经可以达到4500V的击穿电压和225℃的工作结温，SiCPIN二极管的工作电压已经达到20kV。SiC功率MOS晶体管目前工作电压已经达到10kV。26一、概述

5、发展趋势在我国，现有北京大学、西安电子科技、浙江大学、中国电子科技集团公司第55研究所、山东天岳先进材料科技有限公司、北京天科合达蓝光半导体有限公司、能讯微电子有限公司、南车时代电气股份有限公司、国网智能电网研究所等单位已经或开始宽禁带半导体材料和器件的研究，虽然取得了一系列研究成果，但与国际上的研发和产业化水平差距巨大。27二、电力二极管

1、PowerDiode28

整流管产生于本世纪40年代，是电力电子器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前已形成普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管等三种主要类型。其中普通整流管的特点是：漏电流小、通态压降较高(10～18V)、反向恢复时间较长(几十微秒)、可获得很高的电压和电流定额。多用于牵引、充电、电镀等对转换速度要求不高的装置中。二、电力二极管

1、PowerDiode

较快的反向恢复时间(几百纳秒至几微秒)是快恢复整流管的显著特点，但是它的通态压降却很高(16～40V)。它主要用于斩波、逆变等电路中充当旁路二极管或阻塞二极管。

肖特基整流管兼有快的反向恢复时间(几乎为零)和低的通态压降(0.3～0.6V)的优点，不过其漏电流较大、耐压能力低,常用于高频低压仪表和开关电源。目前的研制水平为:普通整流管(8000V/5000A/400Hz)；快恢复整流管(6000V/1200A/1000Hz)；肖特基整流管(1000V/100A/200kHz)。29二、电力二极管

1、PowerDiode

电力整流管对改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面都具有非常重要的作用。随着各种高性能电力电子器件的出现，开发具有良好高频性能的电力整流管显得非常必要。目前，人们已通过新颖结构的设计和大规模集成电路制作工艺的运用，研制出集PIN整流管和肖特基整流管的优点于一体的具有MPS、SPEED和SSD等结构的新型高压快恢复整流管。30二、电力二极管

1、PowerDiode31二极管是一种由PN结构成的两端器件。功率二极管是一种PN结面积比较大的二极管(一般指电流容量在1A以上的二极管)，多用硅材料做成。分为低频功率二极管和高频功率二极管。低频功率二极管主要用于50Hz电源整流，高频功率二极管主要用于高频整流电路、传递无功功率的续流电路和功率开关的缓冲电路。目前比较成熟的产品有PN型、PIN型快速恢复二极管和功率肖特基二极管。二、电力二极管

1、快速功率二极管工作原理1.1结构与工作原理二极管的核心是PN结，PN结最基本的特性是单向导电性。因此二极管最适于做成将交流电变为直流电的整流二极管。二极管的图形符号如图所示，PN结的P端引线称为阳极A，PN结的N端引线称为阴极K。32二、电力二极管

1、快速功率二极管工作原理当二极管(即PN结)接上正向电压(简称正偏)时，即阳极A(P)接电源正端，阴极K(N)接电源负端，二极管导电，电流从A(P)流至K(N)；当二极管即PN结接上反向电压(简称反偏)时，A(P)接电源负端，K(N)接电源正端，二极管不导电(简称截止或阻断)。33二、电力二极管

1、快速功率二极管工作原理(1)正向接法二极管的正向接法见图(b)，PN结外加电压所产生的外电场EC与内电场Ei方向相反，因此PN结的内电场被削弱。其PN结等效正向电阻很小，管子两端正向电压降仅约1V左右(大电流硅半导体电力二极管超过1V，小电流硅二极管仅0.7V，锗二极管约0.3V)。这时的二极管在电路中相当于一个处于导通状态(通态)的开关。34二、电力二极管

1、快速功率二极管工作原理(2)反向接法二极管的反向接法见图(c)，PN结外加电压所产生的外电场Ee与原内电场Ei方向相同。外电场使原内电场更增强，其PN结等效正向电阻很大，因此反偏时二极管电流极小。这个电流称为二极管的反向电流，也称为反向饱和电流Is。35二、电力二极管

1、PowerDiode36PowerDiodesStudtype“Hockey-puck”type

二、电力二极管

1、快速功率二极管工作原理1.2特性与参数(1)静态特性理想的二极管静态伏安特性曲线如图中的曲线①所示。但实际上二极管静态伏安特性为图中的曲线②。37二、电力二极管

1、快速功率二极管工作原理①二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压UT(UT又称死区电压)。当外加电压小于死区电压时，外电场不足以克服PN结内电场。因此正向电流几乎为零。硅二极管的门坎电压UT约为0.5V，锗二极管约为0.2V。当外加电压大于UT后内电场被大大削弱，电流才会迅速上升。38二、电力二极管

1、快速功率二极管工作原理39二、电力二极管

1、快速功率二极管工作原理②当二极管外加反向电压UR但还不超过某一临界击穿电压值URBR时才会使反向电流IR保持为反向饱和电流Is。实际二极管的反向饱和电流Is是很小的。但是当外加反向电压超过URBR后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。工作时若无特殊的限流保护措施，二极管被电击穿后将造成PN结的永久损坏而丧失单向导电能力。为防止二极管出现电击穿，使用中通常只允许施加于二极管的最高反向工作电压为其击穿电压URBR的1/2。40二、电力二极管

1、快速功率二极管工作原理在高频开关状态下工作时，PN结的高频等效电路如图所示，图中R表示PN结的电阻。C表示PN结的电容，R、C不仅与二极管本身结构和工艺有关，还与外加电压方向有关。当PN结处于正偏时，R为正向电阻，其值很小，结电容C很大。当PN结处于反偏时，R为反向电阻，其值很大，但这时结电容很小。从图可知，由于存在结电容C，二极管从导通状态(C很大，存储电荷多)转到截止阻断状态时，需要一定的时间消存储电荷Q以后，二极管才能恢复反向阻断电压的能力而处于截止状态，然后在反向电压作用下，仅流过很小的反向饱和电流IS。41二、电力二极管

1、快速功率二极管工作原理(2)主要参数①最大允许反向重复峰值电压URRM。该参数是指二极管能够允许瞬时峰值的最大值，也被定义为二极管的额定电压URR。显然URRM(或URR)应小于二极管的反向击穿电压URBM。42二、电力二极管

1、快速功率二极管工作原理(2)主要参数②额定电流IFR。该参数被定义为其额定发热所允许正弦半波电流的平均值。当二极管采用规定的散热器，在规定的环境温度和散热条件下工作，通过正弦半波电流平均值IFR时，其管芯PN结温升不超过允许值。43二、电力二极管

1、快速功率二极管工作原理(2)主要参数③最大允许的全周期方均根正向电流IFrms。当二及管流过半波正弦电流的平均值IFR时，与其发热等效的全周期方均根正向电流为IFrms。若正弦电流的最大值为Im，则正弦半波电流平均值为式中：Im为正弦电流的峰值；T为正弦波周期；ω为角频率。44二、电力二极管

1、快速功率二极管工作原理(2)主要参数③最大允许的全周期方均根正向电流IFrms。全周期方均根电流IFrms为IFrms=(π/2)IFR=1.57IFR45二、电力二极管

1、快速功率二极管工作原理例如，如果手册上给出某功率二极管的额定电流IFR为100A，允许通过正弦半波的幅值电流Im=πIFR=314A，允许通过任意波形的有效值为IFrms=1.57IFR=157A。额定电流为100A的二极管可以通过幅值为314A的半波正弦电流，可以在全周期内通过任意波形的有效值为157A的电流，其功耗发热不会超过允许值。46二、电力二极管

1、快速功率二极管工作原理④最大允许非重复浪涌电流IFSM。

这是二极管所允许的半周期峰值浪涌电流。该值比二极管的额定电流要大得多。实际上它体现了二极管整流器抗短路冲击电流的能力。显然浪涌电流必须限制在短路时间以内，例如8.3~10ms(f=60~50Hz的半周期)，在此期间过电流保护系统应该切断短路电流。47二、电力二极管

1、快速功率二极管工作原理⑤最大允许的PN结结温θjm和管壳温度θcm。结温θjm通常为150~200℃，管壳温度取决于二极管的功耗和结-壳热阻、壳-散热器热阻及环温。⑥结-壳、壳-散热器热阻Rjc、Rcs(℃/W)。这些参数用于设计散热系统和选择散热器。48二、电力二极管

1、快速功率二极管工作原理⑦反向恢复时间trr。图(a)示出二极管外电路有正电压USF，二极管正偏导通时，阳极A电位高于阴极K电位，二极管在外电源电压USF作用下经外电阻R、电感L流过的正向电流ID=IF，这时二极管两端电压降UD很低(1~2V)，PN结电容存储电荷Q。49二、电力二极管

1、快速功率二极管工作原理如果在t=t1时[见图(e)]，外电源电压突然反向(反偏)为USR，如图(b)所示，二极管电流到零(t=t2时)，但这时PN结电容存储的电荷Q并不能立即消失，二极管电压仍为UD≈1~2V，二极管仍然具有导电性。50二、电力二极管

1、快速功率二极管工作原理在反向电压USR作用下，反向电流IR从零增加到最大值IRM(t=t3时)，反向电流IR使存储电荷逐渐消失，UD降为零，然后PN结反向阻断能力逐渐恢复，反向等效电阻迅速增大而使反向电压增大到URM，反向电流则从IRM衰减到二极管的反向饱和电流值IS(微安级)。51二、电力二极管

1、快速功率二极管工作原理如果在t4时反向电流已衰减到10%IRM，图(e)中的时间段trr(trr=t4－t2=ta+tb)定义为二极管反向恢复时间。在trr(t2→t4)期间，二极管处于反向电流导电状态，因此，二极管正向导电电流为零后并不能立即具有阻断反向电压的能力，必须在经历trr时间后才能恢复其阻断反向电压的能力。52二、电力二极管

2快速二极管的选择

开关稳压电源整流电路及脉冲整流电路中使用的整流二极管，应选用工作频率较高、反向恢复时间较短的整流二极管(如RU系列、EU系列、V系列等)或快速恢复二极管。在低压(200V以下)大电流(500A以下)的开关电路应用中，肖特基二极管是十分理想的开关器件。它不仅开关特性好，允许工作频率高，而且正向压降相当小(＜0.5V)，因此在大电流、低电压的电力电子变换系统中应是首选器件.。半导体电力二极管属于功率最大的半导体器件，其最大额定电压在6kV、电流6kA以上。当然额定电压最高的二极管，其额定电流不一定最高，反之亦然。53二、电力二极管

3、ComparisonbetweendifferenttypesofDiodes普通二极管快恢复二极管Schottky二极管

6000V&3500A6000Vand1100A100Vand300A反向恢复时间–长反向恢复时间–短反向恢复时间–极短

54普通二极管快恢复二极管Schottky二极管

关断时间–长关断时间–短关断时间–非常短开关频率–低(Max1KHz)开关频率–高(Max20KHz)开关频率–非常高(Max30KHz)

55二、电力