第二章电力电子器件电力二极管

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（mainpowercircuit）——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（powerelectronicdevice）——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：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SZSL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

2.1.2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RL主电路V1V2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。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-GateBipolarTransistor——IGBT）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（PowerDiode）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：从使结用角驻度出鸡发，震主要蔽可从命以下视五个情方面奏考查棋电力撇半导腊体器夺件的钞性能凳特点损：导通兔压降运行链频率器件翁容量耐冲膊击能痛力可靠凳性此外犁，诸故如控肤制功倦率、鹊可串交并联乒运行亲的难堂易程组度、刮价格权等等姻也是把选择胜电力并半导墙体器民件应键考虑石的因挥数。电力菠半导简体器销件发准展水料平在整后流管番类中洲，快摩速恢裂复二惠极管合将有幕较大以的发容展在高乖压直辟流输那电中京，晶震闸管虑（光嘉控晶伍闸管酸）将卫有很缎好的虽发展狂机遇基。在功睁率晶钥体管跌类中狡，以IG桶BT发展芝最为蔽迅速2.川1.携4本章沿内容雪和学规习要哨点本章耽内容:介绍虚各种址器件好的工私作原违理、仗基本爬特性望、主赶要参略数以扒及选种择和去使用浅中应描注意城的一蝇些问况题。然后队集中闪讲述抢电力域电子治器件手的驱蒜动、侵保护游和串涉、并递联使岭用这车三个裳问题把。学习筹要点:最重摔要的窝是掌叨握其智基本网特性掌握乏电力环电子桃器件胁的型选号命独名法哑，以往及其商参数浸和特浅性曲唤线的轨使用刷方法劫，这申是在反实际抗中正额确应台用电词力电饮子器考件的疗两个延基本演要求由于欺电力约电子后电路石的工诞作特火点和掘具体朱情况旨的不悼同，翅可能航会对谊与电挂力电截子器绍件用新于同勿一主孕电路章的其牌它电河路元榴件，鼓如变泰压器槽、电祖感、草电容侮、电幕阻等扎，有却不同斤于普壶通电溪路的决要求2.膨2不可陵控器洒件--链--落-电力王二极臂管Po镇we利r具Di该od丈e结构呼和原规理简撒单，及工作耻可靠千，自20世纪50年代邮初期倚就获邀得应耗用。快恢控复二宫极管会和肖孤特基锐二极查管，溜分别面在遭中、修高频股整流既和逆倘变，提以及辫低压雪高频强整流揭的场舟合，英具有滥不可佳替代觉的地宿位。2.怕2.民1电力遣二极酷管的写工作锦原理跑和基谊本特茎性基本医结构业和工誓作原溉理与抢信息垒电子彩电路青中的陪二极佣管一谦样以半葬导体PN结为渔基础由一帅个面积扔较大烦的PN结和两稿端引财线以槽及封消装组迟成的从外务形上皂看，沉主要评有螺好栓型迁和平掀板型称两种甘封装特，平意板型奸因其袖与散葬热器榨接触盐较好列而多台用于壤功率爱较高蚁的场盏合（20肢0A以上型）电力耽二极腿管的条外形慈、结刘构和败电气保图形丸符号a)外形b)结构c)电气让图形每符号普通桨整流胸管捞凹耐板式良凸板镜式普通壁整流驾管螺栓岩式交界涝处电客子和筝空穴疼的浓庸度差揉别，浙造成戏了各阴区的株多子沸向另士一区犹的扩散临运动，到滔对方黑区内唱成为贵少子皱，在晃界面艘两侧孝分别屿留下沿了带宽正、较负电苏荷但纲不能喂任意筒移动彻的杂作质离集子。漠这些距不能亮移动谣的正腹、负沫电荷泡称为空间牌电荷。空间抵电荷辉建立买的电絮场被雷称为内电柴场或自建傍电场，其症方向艺是阻零止扩的散运件动的梁，另束一方佛面又混吸引什对方端区内得的少往子（肉对本完区而霸言则熟为多监子）王向本欺区运骄动，熄即漂移某运动。扩散靠运动角和漂锈移运宵动最割终达紫到动熔态平即衡，径正、府负空吐间电团荷量生达到墙稳定厅值，唤形成慎了一匪个稳供定的影由空胆间电鉴荷构宅成的蔑范围顿，被牛称为空间腥电荷扑区，按哀所强狠调的卖角度缓不同于也被滤称为耗尽葱层、阻挡枝层或势垒筝区。PN结的档正向羊导通甩状态电导锁调制汤效应订使得PN结在慌正向常电流吊较大求时压肥降仍辰然很慕低，违维持林在1V左右膛，所升以正之向偏近置的PN结表泻现为拴低阻鄙态。PN结的城反向傻截止早状态PN结的趁单向梯导电列性。二极件管的沟基本特原理晕就在柴于PN结的指单向富导电茎性这糊一主捉要特帐征。PN结的疲反向债击穿有雪态崩击勉穿和绢齐纳商击穿员两种击形式刺，可墓能导两致热涝击穿晒。1.古2.油2电力夜二极夺管的炉基本艘特性1.静态乞特性孟：主要择指其笋伏安丈特性当电壁力二桃极管感承受谦的正壤向电沸压大捉到一川定值阁（门升槛电药压UTO），露正向婆电流赠才开孟始明覆显增轮加，拾处于胜稳定瞧导通俗状态封。与多正向场电流IF对应巷的电箩力二役极管寺两端城的电拒压UF即为含其正度向电抬压降挡。当规电力咳二极功管承要受反丈向电熟压时痒，只疯有少威子引脖起的伶微小汤而数钞值恒冷定的初反向挨漏电洪流。电力旷二极筹管的另伏安悲特性2.动态筋特性主要膏是讲顺在二方极管萄两端句所加宫电压播变化状时器修件的亦过渡茄过程如者：首警先加掩正乳向电脸压，兽然后风再加贵反向石电压扔，最具后再创加正偏向电炭压正向败电压反向真电压正向热电压导通关断导通关断具特性开通制特性电力蛇二极套管在烛开通岗初期摸会出过现送较高萄的正脸向压朽降，昏即在践一个情很短闹的时纺间内滑出现刻一个灶过冲UFP，且UFP相当唇高。顶经过散一段析时间鱼才趋施于接云近稳挎态压盖降的创某个桶值（统如2V）。垮这一坟动态岛过程勺时间爬被称朴为正忆向恢派复时吗间tfr。开通旨特性：关断蛮特性：导通肉的二速极管外突然见加一茶个泛反向纤电压遥时，沃反向院阻断家能力经的恢匹复也菠需要驱一段散时间乒，可凤以想纱到，钥在空退间电痛荷区电较薄这时，番电压公的突兔然反受向，叹会使湖二极叙管在窜未恢参复阻舍断能静力之榨前，右处于迫短路厘状态在图乱中：延迟区时间剑：td=元t1-恋t0电流尼下降覆时间贴：tf=麦t2-歌t1反向底恢复罗时间滩：trr=刺td+询tf（普渴通电搬力二例极管易的反饺向恢瞧复时计间trr=2主~5μS）恢复谅特性笼的软蛙度：渠电流熔下降诉时间蛾与延嘱迟时火间的透比值tf/td，或魂称恢准复系目数，槽用Sr表示1.屋2.美3电力拾二极散管的身主要松参数1.正向籍平均激电流IF(编AV遭)额定带电流——在指茄定的紧管壳购温度减（简龄称壳峰温，患用TC表示重）和北散热都条件舒下，影其允纳许流浓过的屯最大结工频誓正弦系半波类电流喘的平胁均值设该馆正弦融半波瓦电流泉的峰衫值为Im澡,则额定芽电流(平均扮电流)为:当用明在频惭率较执高的太场合妈时，半开关皇损耗舰造成赞的发顺热往得往不扇能忽偏略当采爱用反四向漏环电流摄较大霸的电繁力二宽极管喘时，程其断溉态损禁耗造是成的革发热挂效应戒也不塔小正向呀平均愉电流齐是按丧照电僵流的厌发热磨效应轧来定龄义的拴，使遗用时抱应按夸有效秆值相江等的汇原则恶来选勇取电沿流定装额，劳并应啊留有1.虫5~咬2倍的边裕量哨。额定冤电流铃有效闯值为:2.正向热压降UF指电洽力二律极管浊在指鞠定温雨度下坝，流顾过某虎一指植定的畏稳态素正向围电流鱼时对糟应的隆正向督压降有时抓参数边表中秤也给皆出在拐指定强温度柔下流寄过某锹一瞬效态正霜向大假电流偶时器舰件的键最大乔瞬时毅正向拥压降3.反向拥重复功峰值矮电压URR昆M指对球电力预二极否管所龙能重兰复施硬加的低反向佣最高祝峰值美电压通常代是其枝雪崩球击穿球电压UB的2/硬3，是军反向府不重灶复峰痛值电程压URS辣M的80饭%。使用俯时，搏往往困按照娘电路稿中电怒力二闻极管疏可能视承受元的反赖向最绵高峰虎值电田压的2~膏3倍来皇选定4.最高发工作迹结温TJM结温读是指勒管芯PN结的循平均聋温度夹，用TJ表示叶。最高禽工作衡结温去是指寨在PN结不疮致损锹坏的韵前提肝下所探能承剪受的桂最高俗平均畏温度咏。TJM通常拌在12组5~伪17印5C范围镇之内拍。5.反向箱恢复孙时间trrtrr=富td+殃tf，关捧断过绪程中铸，电所流降劫到零羞起到百恢复冬反响淹阻断析能力出止的藏时间览。6.浪涌轧电流IFS绵M指电击力二饼极管灶所能恒承受阴最大若的连家续一皆个或丛几个震工频灵周期甲的过呢电流碧。1.饶2.摄3电力秘二极应管的嚷主要饲类型按照泉正向夜压降妈、反锦向耐贞压、洗反向束漏电插流等类性能步，特翁别是紧反向准恢复域特性帮的不批同介爆绍。在应撇用时邪，应射根据煌不同坑场合决的不歼同要只求选贪择不幅同类权型的映电力赠二极牙管。性能目上的猛不同市是由冶半导根体物绝理结邪构和雀工艺场上的邪差别填造成挤的。1.普通肚二极猛管（Ge淡ne抛ra秤l分Pu搭rp湿os伶e隶Di孝od叶e）又称旬整流目二极遮管（Re贸ct这if丘ie跃r障Di投od退e）多用洞于开陕关频浑率不搭高（1k独Hz以下泄）的最整流元电路涂中其反斩向恢母复时颈间较逃长，捷一般帆在5s以上趣，这韵在开唱关频产率不验高时摊并不衔重要益。正向碗电流粮定额进和反熟向电蔑压定诱额可偶以达课到很沿高，餐分别蝴可达匙数千弟安和穴数千付伏以位上。2.快恢阴复二喇极管（Fa吧st蒸R垃ec滴ov购er棋y朵Di削od初e—朽FR淘D）恢复旋过程殃很短粉特别直是反抬向恢脖复过追程很深短（5s以下颜）的题二极先管，惰也简躁称快医速二狂极管工艺爹上多领采用芳了掺驳金措朽施有的鼻采用PN结型言结构有的好采用榨改进翼的Pi杀N结构采用桨外延戴型Pi斧N结构至的的过快恢常复外勾延二宜极管际（Fa久st腊R倍ec歼ov弹er旬y虹Ep洋it辈ax剩ia哑l湿Di节od领es翁——蔬FR送ED），影其反芹向恢哀复时徒间更选短（挡可低讲于50误ns），挪正向汪压降煎也很氏低（0.爱9V左右泪），冲但其吗反向诸耐压叶多在12塞00痰V以下从性放能上炮可分犹为快夹速恢李复和潮超快哑速恢谊复两父个等内级。污前者摔反向就恢复绕时间汽为数皱百纳桌秒或舞更长灾，后槐者则确在10针0n图s以下坦，甚府至达信到20糕~3猛0n作s。快恢共复二证极管23蜓0P继IV施60讨0B金AA俱-4页460接0V孩/6株0A绝缘趋铜底鼓板，爸内部费是两演只完口全独活立的城快恢萄复二锄极管巧，用作两只汽模块坏可组栽成60赏0V报/6流0A高速蛋桥堆绸。用卸三只莲模块断可组礼成60形0V核/9罗0A高速掩三相挡整流谨桥。单价18元3.肖特锣基二衬极管以金较属和眨半导势体接铅触形饶成