電力電子器件電力二極管.ppt

1、2.1電力電子器件概述,2.1.1電力電子器件的概念和特征 2.1.2應用電力電子器件的系統(tǒng)組成 2.1.3電力電子器件的分類 2.1.4本章內容和學習要點,2.1.1電力電子器件的概念與特征,電力電子電路的基礎 電力電子器件 概念: 主電路（main power circuit）電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務的電路 電力電子器件（power electronic device）可直接用于處理電能的主電路中，實現電能的變換或控制的電子器件 廣義上分為兩類: 電真空器件 (汞弧整流器、閘流管等電真空器件) 半導體器件 (采用的主要材料仍然是硅),3. 同處理信息的電子器件相比

2、，電力電子器件的一般特征：,由于多用于高電壓、大電流工作場合，能處理電功率的大小，即承受電壓和電流的能力，成為最重要的參數。 因為處理的電功率較大，為減小本身的損耗，提高效率，電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)。 導通時：器件阻抗很小，接近于短路，管壓降幾乎為0，電流由外電路決定 關斷時：器件阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為0，管子兩端的電壓由外電路決定。,(3) 實際應用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制.但電力電子器件所處理的電功率較大,一般的信息電子電路不能直接控制電力電子器件的導通或關斷,需要一定的中間電路對這些信號進行適當的放大,這部分電路就是驅動電路 (4) 電力電子器件的

3、功率損耗通常遠大于信息電子器件，為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設計，在其工作時一般都要安裝散熱器。,SF風冷式散熱器,SZ SL螺旋式散熱器,SS水冷式散熱器,散熱器外形尺寸,主 要 損 耗,通態(tài)損耗：,導通時器件上有一定的通態(tài)壓降,斷態(tài)損耗：,阻斷時器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過,開關損耗：,開通損耗：,在器件開通的轉換過程中產生的損耗,關斷損耗:,在器件關斷的轉換過程中產生的損耗,對某些器件來講，驅動電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一 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 器件開關頻率較高時，開關損耗會

4、隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素,2.1.2 應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、驅動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,驅動,電路,R,L,主電路,V,1,V,2,電力電子器件在實際應用中的系統(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。 有的電力電子系統(tǒng)中，還需要有檢測電路。廣義上往往其和驅動電路等主電路之外的電路都歸為控制電路，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

5、主電路和控制電路連接的路徑上，如驅動電路與主電路的連接處，或者驅動電路與控制信號的連接處，以及主電路與檢測電路的連接處，一般需要進行電氣隔離，通過其它手段如光、磁等來傳遞信號,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電路，以保證電力電子器件和整個電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\行，也往往是非常必要的。 器件一般有三個端子（或稱極或管腳），其中兩個聯(lián)結在主電路中，而第三端被稱為控制端（或控制極）。器件通斷是通過在其控制端和一個主電路端子之間加一定的信號來控制的，這個主電路端子是驅動電路和

6、主電路的公共端，一般是主電路電流流出器件的端子。,2.1.3 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：,半控型器件,晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的關斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定,通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。,全控型器件,絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT） 電力場效應晶體管（電力MOSFET） 門極可關斷晶閘管（GTO）,通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷，又稱自關斷器件。,不可控器件,電力二極管（Power Diode） 只有兩個端子，器件的通和斷

7、是由其在主電路中承受的電壓和電 流決定的。,不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需要驅動電路。,按照驅動電路加在器件控制端和公共端之間信號的性質，分為兩類：,1) 電流驅動型: 通過從控制端注入或者抽出電流來 實現導通或者關斷的控制,電壓驅動型: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導通或者關斷的控制,按照器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分為三類：,1) 單極型器件: 由一種載流子參與導電的器件,2) 雙極型器件: 由電子和空穴兩種載流子參與導電的 器件,復合型器件:由單極型器件和雙極型器件集成混合而 成的器件,有鍺管、硅管等等,按照器件制造材料情況分為兩類：,從

8、使用角度出發(fā)，主要可從以下五個方面考查電力半導體器件的性能特點： 導通壓降 運行頻率 器件容量 耐沖擊能力 可靠性 此外，諸如控制功率、可串并聯(lián)運行的難易程度、價格等等也是選擇電力半導體器件應考慮的因數。,電力半導體器件發(fā)展水平,在整流管類中，快速恢復二極管將有較大的發(fā)展 在高壓直流輸電中，晶閘管（光控晶閘管）將有很好的發(fā)展機遇。 在功率晶體管類中，以IGBT發(fā)展最為迅速,2.1.4本章內容和學習要點,本章內容: 介紹各種器件的工作原理、基本特性、主要參數以及選擇和使用中應注意的一些問題。 然后集中講述電力電子器件的驅動、保護和串、并聯(lián)使用這三個問題。,學習要點: 最重要的是掌握其基本特性 掌

9、握電力電子器件的型號命名法，以及其參數和特性曲線的使用方法，這是在實際中正確應用電力電子器件的兩個基本要求 由于電力電子電路的工作特點和具體情況的不同，可能會對與電力電子器件用于同一主電路的其它電路元件，如變壓器、電感、電容、電阻等，有不同于普通電路的要求,2.2 不可控器件-電力二極管,Power Diode結構和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應用。 快恢復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。,2.2.1 電力二極管的工作原理和基本特性,基本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣 以半導體PN結為基礎 由一個面積

10、較大的PN結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，平板型因其與散熱器接觸較好而多用于功率較高的場合（200A以上）,電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號,普通整流管 凹板式 凸板式,普通整流管 螺栓式,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)的擴散運動，到對方區(qū)內成為少子，在界面兩側分別留下了帶正、負電荷但不能任意移動的雜質離子。這些不能移動的正、負電荷稱為空間電荷。,空間電荷建立的電場被稱為內電場或自建電場，其方向是阻止擴散運動的，另一方面又吸引對方區(qū)內的少子（對本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運動，即漂移運動。,

11、擴散運動和漂移運動最終達到動態(tài)平衡，正、負空間電荷量達到穩(wěn)定值，形成了一個穩(wěn)定的由空間電荷構成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強調的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)。,PN結的正向導通狀態(tài) 電導調制效應使得PN結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結表現為低阻態(tài)。 PN結的反向截止狀態(tài) PN結的單向導電性。 二極管的基本原理就在于PN結的單向導電性這一主要特征。 PN結的反向擊穿 有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導致熱擊穿。,1.2.2 電力二極管的基本特性,1.靜態(tài)特性： 主要指其伏安特性,當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

12、始明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。與正向電流IF對應的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當電力二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數值恒定的反向漏電流。,電力二極管的伏安特性,2. 動態(tài)特性,主要是講在二極管兩端所加電壓變化時器件的過渡過程 如 ：首先加 正向電壓，然后再加反向電壓，最后再加正向電壓,正向電壓,反向電壓,正向電壓,導通,關斷,導通,關斷特性,開通特性,電力二極管在開通初期會出現 較高的正向壓降，即在一個很短的時間內出現一個過沖UFP，且UFP相當高。經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時間tfr。,開通特性：,關斷特性：,

13、導通的二極管突然加一個 反向電壓時，反向阻斷能力的恢復也需要一段時間，可以想到，在空間電荷區(qū)較薄時，電壓的突然反向，會使二極管在未恢復阻斷能力之前，處于短路狀態(tài),在圖中： 延遲時間：td= t1- t0 電流下降時間：tf= t2- t1 反向恢復時間：trr= td+ tf （普通電力二極管的反向恢復時間trr=25S） 恢復特性的軟度：電流下降時間與延遲時間的比值tf /td，或稱恢復系數，用Sr表示,1.2.3 電力二極管的主要參數,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,設該正弦半波電流的峰

14、值為Im, 則,額定電流(平均電流)為:,當用在頻率較高的場合時，開關損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略 當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)熱效應也不小,正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有1.52倍的裕量。,額定電流有效值為:,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)正向電流時對應的正向壓降 有時參數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. 反向重復峰值電壓URRM 指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓 通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3，是反向不重復峰值電壓U

15、RSM的80%。 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23倍來選定,4. 最高工作結溫TJM 結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示。 最高工作結溫是指在PN結不致?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。 5. 反向恢復時間trr trr= td+ tf ，關斷過程中，電流降到零起到恢復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。,1.2.3 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，特別是反向恢復特性的不同介紹。 在應用時，應根據不同場合的不同要求選

16、擇不同類型的電力二極管。 性能上的不同是由半導體物理結構和工藝上的差別造成的。,1. 普通二極管（General Purpose Diode） 又稱整流二極管（Rectifier Diode） 多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路中 其反向恢復時間較長，一般在5s以上，這在開關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到很高，分別可達數千安和數千伏以上。,2.快恢復二極管（Fast Recovery DiodeFRD）,恢復過程很短特別是反向恢復過程很短（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結型結構 有的采用改進的PiN結構 采用外延型

17、PiN結構的的快恢復外延二極管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢復時間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（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和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到2030ns。,快恢復二極管 230PIV600BAA-44 600V/60A 絕緣銅底板，內部是兩只完全獨立的快恢復二極管，用兩只模塊可組成600V/60A高速橋堆。用三只模塊可組成600V/90A高速三相整流橋。,單價18元,3. 肖特基二極管 以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier DiodeSBD），簡稱為肖特基二極管 20世紀80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應用,肖特基二極管的優(yōu)點 反向恢復時間很短（1040ns） 正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖 在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管