電力電子器件 功率二極管課件

第一章電力半導(dǎo)體器件1.0電力電子器件概述1.1功率二極管1.2晶閘管1.3可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力晶閘管(GTR)1.4功率場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極型晶體管1.5電力電子器件散熱、串并聯(lián)及緩沖保護(hù)1.0電力電子器件概述1.0.1電力電子器件——概念、分類、特征、損耗1.0.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成1.0.3電力電子器件的分類1.0.1電力電子器件

——概念、分類、特征、損耗1）概念:主電路（MainPowerCircuit）

—電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。功率變換器即為通常所說的電力電子電路（也稱主電路），它由電力電子器件構(gòu)成。電力電子器件（PowerElectronicDevice）

—可直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。圖1-1電力電子裝置示意圖3）同處理信息的電子器件相比的一般特征：能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。主要損耗

1.0.1電力電子器件

——概念、分類、特征、損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗開通損耗關(guān)斷損耗通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素?？刂茦O損耗1.0.2

應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成

圖電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成電力電子電路電力電子電路—電力電子系統(tǒng)由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成控制電路檢測電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2保護(hù)電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行電氣隔離四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院主電路驅(qū)動(dòng)電路檢測電路控制電路控制信號(hào)電氣隔離電氣隔離電氣隔離電氣隔離電氣隔離保護(hù)電路

保證電力電子器件和整個(gè)電力電子系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行圖電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2主電路端子之間信號(hào)導(dǎo)通關(guān)斷電力電子器件控制端主電流端子（公共端）——驅(qū)動(dòng)電路和主電路，是主電路電流流出電力電子器件的端子控制電路檢測電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2保護(hù)電路電力半導(dǎo)體器件是構(gòu)成電力電子設(shè)備的核心，電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。作為開關(guān)元件的要求：

開關(guān)速度快、承受電流/電壓能力大，工作損耗小。理想：截止時(shí)—能承受高電壓且漏電流要?。粚?dǎo)通時(shí)—能流過大電流和很低的管壓降；在開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，具有短的開、關(guān)時(shí)間；通態(tài)損耗、斷態(tài)損耗和開關(guān)損耗均要小。同時(shí)能承受高的di/dt和du/dt上升率，以及具有全控功能。

2.按照門極(柵極)驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：電流驅(qū)動(dòng)型

——通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。該類器件驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，工作頻率低。如SCR、GTO、GTR、BJT電壓驅(qū)動(dòng)型

——僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。該類器件驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡單可靠，工作頻率高。如IGBT、

P-MOSFET3.按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類：單極型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件，如功率MOSFET

雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件，如二極管、SCR、GTO、BJT復(fù)合型器件單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件，如IGBT，是電力電子器件發(fā)展方向。另外，電力電子器件中：電壓，電流額定值從高往低的器件是SCR、GTO、IGBT、BJT和功率MOSFET。工作頻率從高往低的器件是功率MOSFET、IGBT、BJT、GTO和SCR。1.1功率二極管1.1.1PN結(jié)與功率二極管的工作原理1.1.2

功率二極管的基本特性1.1.3

功率二極管的主要參數(shù)1.1.4功率二極管的型號(hào)及選擇原則1.1.5功率二極管的主要類型功率二極管(PowerDiode),也常叫整流二極管，其結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用?？旎謴?fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。1.1功率二極管—不可控器件功率二極管及模塊基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。由一個(gè)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，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。圖1-2功率二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)1.1.1PN結(jié)與功率二極管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK螺旋式平板式VDPN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。電容影響PN結(jié)的工作頻率，尤其是高速的開關(guān)狀態(tài)。1.1.1PN結(jié)與功率二極管的工作原理

PN結(jié)的電容效應(yīng)：1.1.2功率二極管的基本特性主要指其伏安特性門坎電壓UT，正向電流IF開始明顯增加所對(duì)應(yīng)的電壓。與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF

。承受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖1-4功率二極管的伏安特性I＝f（U）1)靜態(tài)特性正向特性反向特性反向漏電流a)實(shí)際特性b)理想特性2)動(dòng)態(tài)特性

——二極管的電壓-電流特性隨時(shí)間變化的——結(jié)電容的存在1.1.2功率二極管的基本特性a)UFPuiiFuFtfrt02V圖1-5功率二極管的動(dòng)態(tài)過程波形

a)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置b)正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置延遲時(shí)間：td=t1-t0,電流下降時(shí)間：tf=t2-t1反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+tf恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值tf/td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。b)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtI額定電流——在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時(shí)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。在選用大功率二極管時(shí)，應(yīng)按元件允許通過的電流有效值來選取。對(duì)應(yīng)額定電流IF的有效值為1.57IF。1.1.3

功率二極管的主要參數(shù)1)

額定正向平均電流IF(AV)二極管的額定電流IF被定義為其額定發(fā)熱所允許的正弦半波電流平均值。其正向?qū)鬟^額定電流時(shí)的電壓降UF一般為1～2V。當(dāng)二極管在規(guī)定的環(huán)境溫度為+40℃和散熱條件下工作時(shí)，通過正弦半波電流平均值IFR時(shí)，其管芯PN結(jié)溫升不超過允許值。若正弦電流的最大值為Im，則額定電流為：二極管流過半波正弦電流的平均值為IFR時(shí)，與其發(fā)熱等效的最大允許的全周期均方根正向電流IFrms為：在指定溫度和標(biāo)準(zhǔn)的散熱條件下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流IF時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降，有時(shí)亦稱為管壓降。元件發(fā)熱與損耗與UF有關(guān)，一般應(yīng)選用管壓降小的元件以降低元件的導(dǎo)通損耗。3）反向重復(fù)峰值電壓URRM在額定結(jié)溫條件下，元件反向伏安特性曲線（第Ⅲ象限）急劇拐彎處于所對(duì)應(yīng)的反向峰值電壓稱為反向不重復(fù)峰值電壓URSM。反向不重復(fù)峰值電壓值的80％稱為反向重復(fù)峰值電壓URRM。它是對(duì)二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。也被定義為二極管的額定電壓URR。再將URRM整化到等于或小于該值的電壓等級(jí)，即為元件的額定電壓。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。

1.1.3

功率二極管的主要參數(shù)2）正向平均電壓UF結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM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125~175C范圍之內(nèi)。8)浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。1.1.3

功率二極管的主要參數(shù)7）最高工作結(jié)溫TJM1.1.4型號(hào)及選擇原則（1）型號(hào)規(guī)則普通型大功率二極管型號(hào)用ZP表示，其中Z代表整流特性，P為普通型。普通型大功率二極管型號(hào)可表示如下：ZP[電流等級(jí)]—[電壓等級(jí)/100][通態(tài)平均電壓組別]如型號(hào)為ZP50—16的大功率二極管表示：普通型大功率二極管，額定電流為50A，額定電壓為1600V。1.1.4型號(hào)及選擇原則（2）額定電流IF的選擇原則（3）額定電壓URRM的選擇原則（4）裝夾及散熱方式根據(jù)器件工藝安裝；散熱方式參照1.8節(jié)1)普通二極管（GeneralPurposeDiode）又稱整流二極管（RectifierDiode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復(fù)時(shí)間較長正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高DATASHEET按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹。1.1.5

功率二極管的主要類型簡稱快速二極管，trr約為50ns～5μs），主要用于高頻逆變器、斬波器、高頻整流器和緩沖器?？焖倩謴?fù)外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其trr更短（可低于50ns），UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者trr為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。DATASHEET

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31.1.5

功率二極管的主要類型2)快速恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode——FRD）肖特基二極管的弱點(diǎn)

1.耐壓較低，反向耐壓提高時(shí)正向壓降會(huì)提高，漏電流較大，多用于200V以下。

2.溫度特性較差，反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(yán)格地限制其工作溫度。肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)

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