電力電子技術之二 器件二極管

1電力電子技術

-----器件一、概述

1、電力電子器件的一般特征

處理電功率的能力大工作在開關狀態(tài)需要由信息電子電路來控制需要安裝散熱器2一、概述

2、電力電子器件的分類電力電子變換電路常用：半導體電力器件有快速功率二極管、大功率雙極型晶體管(GTR)、晶閘管(Thyristor或SCR)、可關斷晶閘管(GTO)、功率場效應晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)以及功率集成電路PIC等。。3一、概述

2、電力電子器件的分類二極管屬于不控型器件，晶閘管屬于半控型器件，其他均屬于全控型器件。SCR、GTO及GTR屬電流驅動型器件，功率MOSFET、IGBT及PIC為電壓驅動型器件4一、概述

2、電力電子器件的分類

(1)不可控器件。這類器件一般為兩端器件，一端是陽極，另一端是陰極。與電子電路中的二極管一樣，具有單向導電性。開關操作僅取決于其在主電路中施加在陽、陰極間的電壓和流過它的電流，正向電壓使其導通，負向電壓使其關斷，流過它的電流是單方向的。不可控器件不能用控制信號來控制電流的通斷，因此不需要驅動電路。這類器件就是功率二極管(PowerDiode)。5一、概述

2、電力電子器件的分類

(2)半控型器件三端器件，除陽極和陰極外，還增加了一個控制門極。半控型器件也具有單向導電性，但開通不僅需在其陽、陰極間施加正向電壓，而且還必須在門極和陰極間施加正向控制電壓。門極和陰極間的控制電壓僅控制其開通而不能控制其關斷，器件的關斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。這類半控型器件是指晶閘管(Thyristor)及其大部分派生器件。6一、概述

2、電力電子器件的分類

(3)全控型器件帶有控制端的三端器件，其控制端不僅可以控制其開通，還能控制其關斷。門極關斷晶閘管(GTO)、功率晶體管(GTR)、功率場效應晶體管(功率MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。目前常用的是功率MOSFET和IGBT。7一、概述

3、按控制信號的性質分類(1)電流驅動型器件。驅動信號加在器件控制端和公共端之間，通過從控制端注入或抽出電流來實現(xiàn)器件的導通或者關斷的控制。SCR、GTO及GTR8一、概述

3、按控制信號的性質分類(2)電壓驅動型器件。通過施加在控制端和公共端之間的電壓信號來實現(xiàn)器件的導通或者關斷的控制。功率MOSFET、IGBT及PIC為電壓驅動型器件9一、概述10一、概述11一、概述

4、電力電子器件的應用電力系統(tǒng)為了控制和改善供電質量，發(fā)電廠發(fā)出的交流電必須經(jīng)過電力電子裝置的處理后送到用戶端，沒有電力電子器件的應用，就沒有電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化。12一、概述

4、電力電子器件的應用

電力系統(tǒng)從技術層面來講，電力市場的引入將產(chǎn)生對電力品質的改善裝置。不間斷電源(UPS)、靜止無功補償裝置(SVC)、靜止無功發(fā)生器(SVG)動態(tài)電壓恢復器(DVR)、電力有源濾波器(APF)、限流器、13一、概述

4、電力電子器件的應用

電力系統(tǒng)電力儲能裝置、微型燃氣發(fā)電機(MicroCasTurbo)等新需求；再生能源、環(huán)保發(fā)電技術等分散發(fā)電將需要交直流變流裝置14一、概述

4、電力電子器件的應用

新能源利用與環(huán)境保護電力電子器件裝置還用于太陽能發(fā)電、風力發(fā)電裝置與電力系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，以及太陽能發(fā)電與風力發(fā)電電能的改善?，F(xiàn)代社會對環(huán)境造成了嚴重的污染，溫室氣體的排放引起了國際社會的關注。我國改革開放以來能源消費量急劇上升，二氧化碳排放量也有較大增加。15一、概述

4、電力電子器件的應用

新能源利用與環(huán)境保護我國十分重視再生能源的開發(fā)，2006年我國實施了《再生能源法》。光伏、風力、燃料電池等新能源發(fā)電技術推動電力電子技術的應用，并形成電力電子技術的巨大市場。16一、概述

4、電力電子器件的應用

混合動力汽車由于電力電子器件應用技術的迅速發(fā)展，交流電動機的調(diào)速性能可以和直流電動機相媲美。在工業(yè)電動機的控制中，交流調(diào)速、直流調(diào)速以及節(jié)能和軟起動都是通過電力電子器件實現(xiàn)的，其驅動結構如圖所示。17一、概述

4、電力電子器件的應用

交通運輸鐵道電氣化、電力機車控制、磁懸浮列車的使用都離不開電力電子器件，高級汽車中許多電機的控制是靠變頻或斬波實現(xiàn)的。電動汽車的電動機控制和蓄電池充電也是靠電力電子裝置實現(xiàn)，飛機、船舶、電梯等都離不開電力電子裝置。18一、概述

4、電力電子器件的應用

電源不間斷電源、電解電源、電鍍電源、開關電源、微機及儀器儀表電源、航空電源、通信電源、交流電子穩(wěn)壓電源、脈沖功率電源、動力牽引及傳動控制用電源都是靠變流技術實現(xiàn)的。19一、概述

4、電力電子器件的應用

家用電器用于家庭照明的LED節(jié)能燈，體積小、發(fā)光效率高、節(jié)省能量多，這是通過電力電子器件把交流電轉換成電力電子照明電源來實現(xiàn)的。此外，變頻空調(diào)、電視機、音響、洗衣機、電冰箱、微波爐、計算機等都離不開電力電子器件的應用。20一、概述

4、電力電子器件的應用

結論電力電子器件的應用與國民經(jīng)濟和日常生活、工作息息相關。未來90%的電能均需通過電力電子處理后再加以利用，以便提高能源利用效率、提高工業(yè)生產(chǎn)效率、實現(xiàn)再生能源的最大利用。電力電子技術將在21世紀為建設一個節(jié)能、環(huán)保、和諧的社會發(fā)揮重要作用。21一、概述

5、發(fā)展趨勢

目前國際上功率半導體器件的主流產(chǎn)品、市場需求量較大的高頻場控器件IGBT已發(fā)展到了第六代，商業(yè)化已經(jīng)發(fā)展到了第五代。IGBT及其模塊（包括IPM）已經(jīng)涵蓋了600V～6.5kV的電壓和1A～3500A的電流，應用IGBT模塊的100MW級的逆變器也已有產(chǎn)品問世。

目前我國有多家企業(yè)從事中小功率IGBT的封裝，只有少數(shù)廠家形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，在IGBT芯片的產(chǎn)業(yè)化以及高壓大功率IGBT的封裝方面，幾乎是一片空白。國內(nèi)封裝IGBT模塊所用芯片分別由英飛凌、ABB和IR公司提供，只有極少量的芯片由國內(nèi)生產(chǎn)。22一、概述

5、發(fā)展趨勢高頻場控電力電子器件中另一主流功率器件是功率MOS器件，是目前功率半導體開關器件中市場容量最大、需求增長最快的產(chǎn)品，是低功率范圍內(nèi)最好的功率開關器件。國際上，增加元胞密度一直是制造高性能功率MOS器件的發(fā)展方向。在降低器件導通損耗的基礎上，提高器件性能和可靠性，進一步降低以Superjunction結構為代表的新結構器件制造成本、提升以SiCMOSFET為代表的寬禁帶半導體器件成品率成為功率MOS器件研發(fā)生產(chǎn)的努力方向。國內(nèi)也只是近年才有所涉及，功率MOS以平面工藝的VDMOS為主，缺乏高元胞密度的低功耗功率MOS器件產(chǎn)品，國際上熱門的以Superjunction為基礎的低功耗MOS器件在國內(nèi)尚處于研發(fā)階段。23一、概述

5、發(fā)展趨勢IGCT器件特別適用于電壓3000V以上、容量1～20MW范圍的變流裝置，在交流電機驅動及柔性供電系統(tǒng)中有潛在的巨大市場。目前，ABB公司商品化的IGCT產(chǎn)品主要有三種結構類型：非對稱型、逆導型和逆阻型，阻斷能力有電壓4500V和6000V兩種系列，最大關斷電流分別為4000A和3000A，研制水平的電壓已達到9kV/6kA，6.5kV或6kA的器件已經(jīng)開始供應市場。國內(nèi)已成功研制出4000A/4500V非對稱型以及1100A/4500V逆導型兩種IGCT樣品。24一、概述

5、發(fā)展趨勢快恢復二極管主要指與IGBT相匹配的FRED器件，與快速晶閘管、高頻晶閘管以及GTO、IGCT等晶閘管派生器件匹配的FRD器件。600V、1200V，100A的FRD已進入批量生產(chǎn)階段。國產(chǎn)快恢復二極管器件在國內(nèi)市場占有一定的份額。25一、概述

5、發(fā)展趨勢碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）以及氮化鎵鋁（AlGaN）等寬禁帶半導體材料受到了愈來愈多的關注，成為新材料、新器件研究的熱點。目前，美、日、俄、歐、韓等國家和地區(qū)正在加緊研發(fā)寬禁帶半導體器件，已經(jīng)有商業(yè)化產(chǎn)品出現(xiàn)。SiC肖特基二極管已經(jīng)可以達到4500V的擊穿電壓和225℃的工作結溫，SiCPIN二極管的工作電壓已經(jīng)達到20kV。SiC功率MOS晶體管目前工作電壓已經(jīng)達到10kV。26一、概述

5、發(fā)展趨勢在我國，現(xiàn)有北京大學、西安電子科技、浙江大學、中國電子科技集團公司第55研究所、山東天岳先進材料科技有限公司、北京天科合達藍光半導體有限公司、能訊微電子有限公司、南車時代電氣股份有限公司、國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究所等單位已經(jīng)或開始寬禁帶半導體材料和器件的研究，雖然取得了一系列研究成果，但與國際上的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化水平差距巨大。27二、電力二極管

1、PowerDiode28

整流管產(chǎn)生于本世紀40年代，是電力電子器件中結構最簡單、使用最廣泛的一種器件。目前已形成普通整流管、快恢復整流管和肖特基整流管等三種主要類型。其中普通整流管的特點是：漏電流小、通態(tài)壓降較高(10～18V)、反向恢復時間較長(幾十微秒)、可獲得很高的電壓和電流定額。多用于牽引、充電、電鍍等對轉換速度要求不高的裝置中。二、電力二極管

1、PowerDiode

較快的反向恢復時間(幾百納秒至幾微秒)是快恢復整流管的顯著特點，但是它的通態(tài)壓降卻很高(16～40V)。它主要用于斬波、逆變等電路中充當旁路二極管或阻塞二極管。

肖特基整流管兼有快的反向恢復時間(幾乎為零)和低的通態(tài)壓降(0.3～0.6V)的優(yōu)點，不過其漏電流較大、耐壓能力低,常用于高頻低壓儀表和開關電源。目前的研制水平為:普通整流管(8000V/5000A/400Hz)；快恢復整流管(6000V/1200A/1000Hz)；肖特基整流管(1000V/100A/200kHz)。29二、電力二極管

1、PowerDiode

電力整流管對改善各種電力電子電路的性能、降低電路損耗和提高電源使用效率等方面都具有非常重要的作用。隨著各種高性能電力電子器件的出現(xiàn)，開發(fā)具有良好高頻性能的電力整流管顯得非常必要。目前，人們已通過新穎結構的設計和大規(guī)模集成電路制作工藝的運用，研制出集PIN整流管和肖特基整流管的優(yōu)點于一體的具有MPS、SPEED和SSD等結構的新型高壓快恢復整流管。30二、電力二極管

1、PowerDiode31二極管是一種由PN結構成的兩端器件。功率二極管是一種PN結面積比較大的二極管(一般指電流容量在1A以上的二極管)，多用硅材料做成。分為低頻功率二極管和高頻功率二極管。低頻功率二極管主要用于50Hz電源整流，高頻功率二極管主要用于高頻整流電路、傳遞無功功率的續(xù)流電路和功率開關的緩沖電路。目前比較成熟的產(chǎn)品有PN型、PIN型快速恢復二極管和功率肖特基二極管。二、電力二極管

1、快速功率二極管工作原理1.1結構與工作原理二極管的核心是PN結，PN結最基本的特性是單向導電性。因此二極管最適于做成將交流電變?yōu)橹绷麟姷恼鞫O管。二極管的圖形符號如圖所示，PN結的P端引線稱為陽極A，PN結的N端引線稱為陰極K。32二、電力二極管

1、快速功率二極管工作原理當二極管(即PN結)接上正向電壓(簡稱正偏)時，即陽極A(P)接電源正端，陰極K(N)接電源負端，二極管導電，電流從A(P)流至K(N)；當二極管即PN結接上反向電壓(簡稱反偏)時，A(P)接電源負端，K(N)接電源正端，二極管不導電(簡稱截止或阻斷)。33二、電力二極管

1、快速功率二極管工作原理(1)正向接法二極管的正向接法見圖(b)，PN結外加電壓所產(chǎn)生的外電場EC與內(nèi)電場Ei方向相反，因此PN結的內(nèi)電場被削弱。其PN結等效正向電阻很小，管子兩端正向電壓降僅約1V左右(大電流硅半導體電力二極管超過1V，小電流硅二極管僅0.7V，鍺二極管約0.3V)。這時的二極管在電路中相當于一個處于導通狀態(tài)(通態(tài))的開關。34二、電力二極管

1、快速功率二極管工作原理(2)反向接法二極管的反向接法見圖(c)，PN結外加電壓所產(chǎn)生的外電場Ee與原內(nèi)電場Ei方向相同。外電場使原內(nèi)電場更增強，其PN結等效正向電阻很大，因此反偏時二極管電流極小。這個電流稱為二極管的反向電流，也稱為反向飽和電流Is。35二、電力二極管

1、PowerDiode36PowerDiodesStudtype“Hockey-puck”type

二、電力二極管

1、快速功率二極管工作原理1.2特性與參數(shù)(1)靜態(tài)特性理想的二極管靜態(tài)伏安特性曲線如圖中的曲線①所示。但實際上二極管靜態(tài)伏安特性為圖中的曲線②。37二、電力二極管

1、快速功率二極管工作原理①二極管正向導電時必須克服一定的門坎電壓UT(UT又稱死區(qū)電壓)。當外加電壓小于死區(qū)電壓時，外電場不足以克服PN結內(nèi)電場。因此正向電流幾乎為零。硅二極管的門坎電壓UT約為0.5V，鍺二極管約為0.2V。當外加電壓大于UT后內(nèi)電場被大大削弱，電流才會迅速上升。38二、電力二極管

1、快速功率二極管工作原理39二、電力二極管

1、快速功率二極管工作原理②當二極管外加反向電壓UR但還不超過某一臨界擊穿電壓值URBR時才會使反向電流IR保持為反向飽和電流Is。實際二極管的反向飽和電流Is是很小的。但是當外加反向電壓超過URBR后二極管被電擊穿，反向電流迅速增加。工作時若無特殊的限流保護措施，二極管被電擊穿后將造成PN結的永久損壞而喪失單向導電能力。為防止二極管出現(xiàn)電擊穿，使用中通常只允許施加于二極管的最高反向工作電壓為其擊穿電壓URBR的1/2。40二、電力二極管

1、快速功率二極管工作原理在高頻開關狀態(tài)下工作時，PN結的高頻等效電路如圖所示，圖中R表示PN結的電阻。C表示PN結的電容，R、C不僅與二極管本身結構和工藝有關，還與外加電壓方向有關。當PN結處于正偏時，R為正向電阻，其值很小，結電容C很大。當PN結處于反偏時，R為反向電阻，其值很大，但這時結電容很小。從圖可知，由于存在結電容C，二極管從導通狀態(tài)(C很大，存儲電荷多)轉到截止阻斷狀態(tài)時，需要一定的時間消存儲電荷Q以后，二極管才能恢復反向阻斷電壓的能力而處于截止狀態(tài)，然后在反向電壓作用下，僅流過很小的反向飽和電流IS。41二、電力二極管

1、快速功率二極管工作原理(2)主要參數(shù)①最大允許反向重復峰值電壓URRM。該參數(shù)是指二極管能夠允許瞬時峰值的最大值，也被定義為二極管的額定電壓URR。顯然URRM(或URR)應小于二極管的反向擊穿電壓URBM。42二、電力二極管

1、快速功率二極管工作原理(2)主要參數(shù)②額定電流IFR。該參數(shù)被定義為其額定發(fā)熱所允許正弦半波電流的平均值。當二極管采用規(guī)定的散熱器，在規(guī)定的環(huán)境溫度和散熱條件下工作，通過正弦半波電流平均值IFR時，其管芯PN結溫升不超過允許值。43二、電力二極管

1、快速功率二極管工作原理(2)主要參數(shù)③最大允許的全周期方均根正向電流IFrms。當二及管流過半波正弦電流的平均值IFR時，與其發(fā)熱等效的全周期方均根正向電流為IFrms。若正弦電流的最大值為Im，則正弦半波電流平均值為式中：Im為正弦電流的峰值；T為正弦波周期；ω為角頻率。44二、電力二極管

1、快速功率二極管工作原理(2)主要參數(shù)③最大允許的全周期方均根正向電流IFrms。全周期方均根電流IFrms為IFrms=(π/2)IFR=1.57IFR45二、電力二極管

1、快速功率二極管工作原理例如，如果手冊上給出某功率二極管的額定電流IFR為100A，允許通過正弦半波的幅值電流Im=πIFR=314A，允許通過任意波形的有效值為IFrms=1.57IFR=157A。額定電流為100A的二極管可以通過幅值為314A的半波正弦電流，可以在全周期內(nèi)通過任意波形的有效值為157A的電流，其功耗發(fā)熱不會超過允許值。46二、電力二極管

1、快速功率二極管工作原理④最大允許非重復浪涌電流IFSM。

這是二極管所允許的半周期峰值浪涌電流。該值比二極管的額定電流要大得多。實際上它體現(xiàn)了二極管整流器抗短路沖擊電流的能力。顯然浪涌電流必須限制在短路時間以內(nèi)，例如8.3~10ms(f=60~50Hz的半周期)，在此期間過電流保護系統(tǒng)應該切斷短路電流。47二、電力二極管

1、快速功率二極管工作原理⑤最大允許的PN結結溫θjm和管殼溫度θcm。結溫θjm通常為150~200℃，管殼溫度取決于二極管的功耗和結-殼熱阻、殼-散熱器熱阻及環(huán)溫。⑥結-殼、殼-散熱器熱阻Rjc、Rcs(℃/W)。這些參數(shù)用于設計散熱系統(tǒng)和選擇散熱器。48二、電力二極管

1、快速功率二極管工作原理⑦反向恢復時間trr。圖(a)示出二極管外電路有正電壓USF，二極管正偏導通時，陽極A電位高于陰極K電位，二極管在外電源電壓USF作用下經(jīng)外電阻R、電感L流過的正向電流ID=IF，這時二極管兩端電壓降UD很低(1~2V)，PN結電容存儲電荷Q。49二、電力二極管

1、快速功率二極管工作原理如果在t=t1時[見圖(e)]，外電源電壓突然反向(反偏)為USR，如圖(b)所示，二極管電流到零(t=t2時)，但這時PN結電容存儲的電荷Q并不能立即消失，二極管電壓仍為UD≈1~2V，二極管仍然具有導電性。50二、電力二極管

1、快速功率二極管工作原理在反向電壓USR作用下，反向電流IR從零增加到最大值IRM(t=t3時)，反向電流IR使存儲電荷逐漸消失，UD降為零，然后PN結反向阻斷能力逐漸恢復，反向等效電阻迅速增大而使反向電壓增大到URM，反向電流則從IRM衰減到二極管的反向飽和電流值IS(微安級)。51二、電力二極管

1、快速功率二極管工作原理如果在t4時反向電流已衰減到10%IRM，圖(e)中的時間段trr(trr=t4－t2=ta+tb)定義為二極管反向恢復時間。在trr(t2→t4)期間，二極管處于反向電流導電狀態(tài)，因此，二極管正向導電電流為零后并不能立即具有阻斷反向電壓的能力，必須在經(jīng)歷trr時間后才能恢復其阻斷反向電壓的能力。52二、電力二極管

2快速二極管的選擇

開關穩(wěn)壓電源整流電路及脈沖整流電路中使用的整流二極管，應選用工作頻率較高、反向恢復時間較短的整流二極管(如RU系列、EU系列、V系列等)或快速恢復二極管。在低壓(200V以下)大電流(500A以下)的開關電路應用中，肖特基二極管是十分理想的開關器件。它不僅開關特性好，允許工作頻率高，而且正向壓降相當小(＜0.5V)，因此在大電流、低電壓的電力電子變換系統(tǒng)中應是首選器件.。半導體電力二極管屬于功率最大的半導體器件，其最大額定電壓在6kV、電流6kA以上。當然額定電壓最高的二極管，其額定電流不一定最高，反之亦然。53二、電力二極管

3、ComparisonbetweendifferenttypesofDiodes普通二極管快恢復二極管Schottky二極管

6000V&3500A6000Vand1100A100Vand300A反向恢復時間–長反向恢復時間–短反向恢復時間–極短

54普通二極管快恢復二極管Schottky二極管

關斷時間–長關斷時間–短關斷時間–非常短開關頻率–低(Max1KHz)開關頻率–高(Max20KHz)開關頻率–非常高(Max30KHz)

55二、電力