1電力電子器件1(二極管)

1、第1章 電力電子器件 1.1電力電子系統(tǒng)概述1.2不可控器件電力二極管1.3半控型器件晶閘管1.4 典型全控型器件 1引 言 本章主要內(nèi)容：簡要概述電力電子系統(tǒng)的概念、電力電子器件的特點(diǎn)和分類介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題 21.1電力電子器件概述1.1電力電子器件概述 1.1.1 電力電子器件特點(diǎn) 1.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 1.1.3 電力電子器件的分類 31.1.1 電力電子器件特征同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征： (1) 能處理電功率的大小，即承受電壓和電流 的能力，是最重要的參數(shù)其處理電功率的能力小

2、至毫瓦級，大至兆瓦級, 大多都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。 1.1電力電子器件概述41.1.1 電力電子器件的概念和特征 (2) 電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)導(dǎo)通時（通態(tài)）阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，而電流由外電路決定阻斷時（斷態(tài)）阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決定其動態(tài)特性（也就是開關(guān)特性）和參數(shù)，是電力電子器件特性很重要的方面作電路分析時，為簡單起見往往用理想開關(guān)來代替 51.1.1 電力電子器件的概念和特征 (3) 實用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。 在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對控制電路的信號進(jìn)行放大，這就是電力電子

3、器件的驅(qū)動電路。(4)為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫 度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計，在其工作時一般都要安裝散熱器。損耗小結(jié)：導(dǎo)通時器件上有一定的通態(tài)壓降，形成通態(tài)損耗 61.1.1 電力電子器件的特征阻斷時器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過，形成斷態(tài)損耗在器件開通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生開通損耗和關(guān)斷損耗，總稱開關(guān)損耗對某些器件來講，驅(qū)動電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一（驅(qū)動功率損耗）通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因之一器件開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的另外一個主要因素 71.1.2 應(yīng)用電力電子器件的

4、系統(tǒng)組成1.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成 圖1-1 電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來完成整個系統(tǒng)的功能 81.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成檢測電路：根據(jù)系統(tǒng)要求檢測電壓電流等信號。可以歸入控制電路，因此從而粗略地說電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的。主電路中的電壓和電流一般都較大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流，因此在主電路和控制電路連接的路徑上，如驅(qū)動電路與主電路的連接處，或者驅(qū)動電路與控制信號的連接處，以及

5、主電路與檢測電路的連接處，一般需要進(jìn)行電氣隔離，而通過其它手段如光、磁等來傳遞信號。 91.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成由于主電路中往往有電壓和電流的過沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過電壓和過電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附加一些保護(hù)電路，以保證電力電子器件和整個電力電子系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行，也往往是非常必要的。 101.1.3 電力電子器件的分類1.1.3 電力電子器件的分類按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，分為以下三類： (1)半控型器件通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的關(guān)斷由

6、其在主電路中承受的電壓和電流決定 111.1.3 電力電子器件的分類 (2)全控型器件通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）電力場效應(yīng)晶體管（Power MOSFET，簡稱為電力MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 121.1.3 電力電子器件的分類(3) 不可控器件不能用控制信號來控制其通斷， 因此也就不需要驅(qū)動電路電力二極管（Power Diode） 只有兩個端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的 按照驅(qū)動電路

7、加在器件控制端和公共端之間信號的 性質(zhì)，分為兩類：電流驅(qū)動型通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制電壓驅(qū)動型僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制 131.1.3 電力電子器件的分類電壓驅(qū)動型器件實際上是通過加在控制端上的電壓在器件的兩個主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為場控器件，或場效應(yīng)器件 141.2 不可控器件電力二極管1.2不可控器件電力二極管 1.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 1.2.2 電力二極管的基本特性 1.2.3 電力二極管的主要參數(shù) 1.2.4 電力二極管的主要類型15基本結(jié)構(gòu)和工

8、作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的從外形上看，主要有螺栓型平板型兩種封裝 圖1-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號1.2不可控器件電力二極管1.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理161.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)。交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動，到對方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動的雜質(zhì)離子。這些不能移動的正、負(fù)電荷稱為空間電荷?？臻g電荷建立的電場被稱為內(nèi)電場或自建電場

9、，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動的，另一方面又吸引對方區(qū)內(nèi)的少子（對本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運(yùn)動，即漂移運(yùn)動。擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動既相互聯(lián)系又是一對矛盾，最終達(dá)到動態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)。171.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài) 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)圖1-3 PN結(jié)的形成 18 1.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài) PN結(jié)的單向?qū)щ娦?二極管的基本原理就在于PN

10、結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一 主 要特征PN結(jié)的反向擊穿 有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿PN結(jié)的電容效應(yīng)： PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱 為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD 191.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。勢壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比而擴(kuò)散電容僅在正向偏置時起作用。在正向偏置時，當(dāng)正向電壓較低時，勢壘電容為主；正向電壓較高時，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可

11、能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作，?yīng)用時應(yīng)加以注意。 201.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素：正向?qū)〞r要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子（少數(shù)載流子）的注入水平較高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)也會有較大影響 21為獲得高耐壓電力二極管采用低摻雜n區(qū)22電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)：當(dāng)pn節(jié)處于正向偏置時，少數(shù)載流子器件處于正向?qū)ǎ藭r少數(shù)載流子會大量注入高阻區(qū)，為維持半導(dǎo)體的電中性條件，其多子濃度也將大幅度增加，因此該區(qū)域的電阻會大大減小

12、，因此呈現(xiàn)出低阻狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)：大電流情況下，仍然保持低阻，低壓降。缺點(diǎn)：開關(guān)速度減小了。（開的時候需要注入這些電荷，關(guān)斷的時候需要掃清這些電荷。少數(shù)載流子器件：二極管，BJT,IGBT, SCR GTO,MCT多數(shù)載流子器件：MOSFET, Schottky DIODE電力半導(dǎo)體器件的要求：高阻斷電壓，低導(dǎo)通壓降（低通態(tài)電阻），高開關(guān)頻率23 1.2.2 電力二極管的基本特性1.2.2 電力二極管的基本特性圖1-4 電力二極管的伏安特性 241.2.2 電力二極管的基本特性1. 靜態(tài)特性（電力二極管伏安特性圖）主要指其伏安特性 當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開

13、始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)電力二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。2. 動態(tài)特性動態(tài)特性因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個過渡過程，此過程中的電壓電流特性是隨時間變化的 251.2.2 電力二極管的基本特性開關(guān)特性反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程關(guān)斷過程：須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài) 在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖 圖1-5 電力二極管的動態(tài)過程波形 a) 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 261.2.2 電力二極管的

14、基本特性 延遲時間：td= t1- t0, 電流下降時間：tf= t2- t1 反向恢復(fù)時間：trr= td+ tf 恢復(fù)特性的軟度：下降時間與延遲時間 的比值tf /td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置271.2.2 電力二極管的基本特性開通過程： 電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如 2V）。這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復(fù)時間tfr。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時間來儲存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大正向電流的上升會因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高 281.2.3 電力二極管的

15、主要參數(shù)1. 正向平均電流IF(AV) 額定電流在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，因此使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。當(dāng)用在頻率較高的場合時，開關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小 29額定電流的計算當(dāng)正弦半波電流的峰值為Im時：30當(dāng)二極管流過半波正弦電流的平均值為IF（AV）時，與其發(fā)熱等效的全周期均方根正向電流IFRMS稱為最大允許全周期均方根正向電流。 全周期均方根正向電流為：30如果手冊上給出某電

16、力二極管的額定電流為100A，它說明：允許通過平均值為100A的正弦半波電流；允許通過正弦半波電流的幅值為314A；允許通過任意波形的有效值為157A的電流；在以上所有情況下其功耗發(fā)熱不超過允許值。3131選擇二極管電流定額的過程求出電路中二極管電流的有效值 求二極管電流定額 除以1.57將選定的定額放大1.5到2倍以保證安全321.2.3 電力二極管的主要參數(shù)2. 正向壓降UF指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降有時參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時器件的最大瞬時正向壓降3. 反向重復(fù)峰值電壓URRM指對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓

17、通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3使用時，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定 331.2.3 電力二極管的主要參數(shù)4. 最高工作結(jié)溫TJM結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度TJM通常在125175C范圍之內(nèi)5. 反向恢復(fù)時間trrtrr= td+ tf ，關(guān)斷過程中，電流降到0起到恢復(fù)反響阻斷能力止的時間6. 浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。 341.2.4 電力二極管的主要類型1.2.4 電力二極管的主要類型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反

18、向恢復(fù)特性的不同介紹在應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)不同場合的不同要求選擇不同類型的電力二極管性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的 351.2.4 電力二極管的主要類型1. 普通二極管（General Purpose Diode）又稱整流二極管（Rectifier Diode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中其反向恢復(fù)時間較長，一般在5s以上，這在開關(guān)頻率不高時并不重要正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上 361.2.4 電力二極管的主要類型2. 快恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD）恢復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短（5s以下）的二極管，也簡稱快速二極管工藝上多采用了摻金措施有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)有的采用改進(jìn)的PiN結(jié)