电力二极管.

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1、1-1 第1章 电力电子器件 power semiconductor devices 1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 1.2 1.2 不可控器件不可控器件二极管二极管 1.3 1.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件（ IGBT ） 本章小结及作业本章小结及作业 本章主要内容： 概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。 介绍常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要 参数以及选择和使用中应注意问题。 1-2 1.1.11.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 1.1.21.1.2 应用电力电子器件的系统组成应

2、用电力电子器件的系统组成 1.1.31.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 1.1.41.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点 1.1 电力电子器件概述 1-3 机械开关、理想开关及半导体开关 电力电子器件是变流装置中的开关设备，在对它讨 论之前，我们先来了解在电力电子设备中为什么使 用半导体器件而不是机械开关。 1、机械开关 机械开关通过使触点接通和断开来使电压和电流导通和 关断。 由于动作速度慢，在电流较大时，它们的动、静触点之 间会产生电弧，电弧既会影响开关的使用寿命，也有一定 的危害。 机械开关的优点是触点上产生的损耗极小，所以适用于 大功率的开关或切换。 1-4 2

3、、理想开关 (1) 开关在关断状态时，电路中流过的电流、即漏电流 (Ioff)为零。 (2)开关在导通状态时，开关的电压(Von)为零。 (3) 开关从导通状态变为关断状态的时间(toff)，或者从关 断状态变为导通状态的时间(ton)为零。 (4) 开关即使是高速、长时间反复导通与关断也不损坏。 在图中以电阻负载为例， 研究理想开关所要求的 条件： 1-5 (1)von要小； (2)ioff要小； (3)ton、toff要小； (4)尽可能以小信号能够实现导通及关断动作； (5)此外，寿命是半永久性的，且体积小，重量 轻，价格便宜。 3、半导体开关要求的条件 1-6 1）概念: 电力电子器件

4、（Power Electronic Device） 可直接用于主电路中，实现电能的变换 或控制的电子器件。 主电路（Main Power Circuit） 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。 1.1.1 电力电子器件的概念和特征 电力电子器件 1-7 能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子 器件。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件 ，一般都要安装散热器。 1.1.1 电力电子器件的概念和特征 2）同处理信息的电子器件相比的一般特征： 1-8 通态损耗是器件功率损耗的主要成

5、因。 器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。 主要损耗 通态损耗 断态损耗 开关损耗 关断损耗 开通损耗 1.1.1 电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的损耗 1-9 电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成 控 制 电 路 保护 电路 驱动 电路 RL 主电路 V 1 V 2 在主电路 和控制电 路中附加 一些电路 ，以保证 电力电子 器件和整 个系统正 常可靠运 行 1.1.2 应用电力电子器件系统组成 电气隔离 控制电路 1-10 半控型器件（Thyristor） 通过控制

6、信号可以控制其导通而不能控制 其关断。 全控型器件（IGBT,MOSFET) 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(Power Diode) 不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不 需要驱动电路。 1.1.3 电力电子器件的分类 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类 ： 1-11 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。 1.1.3 电力电子器件的分类 按照驱动电路信号的性质，分为两类： 1-12 本章内容: 介绍各种器件的工作原理、基本特

7、性、主要参数以 及选择和使用中应注意的一些问题。 了解电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这 三个问题。 学习要点: 最重要的是掌握其基本特性。 掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特 性曲线的使用方法。 1.1.4 本章学习内容与学习要点 1-13 1.2.11.2.1 PN PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 1.2.21.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 1.2.31.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 1.2.41.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型 1.2 不可控器件电力二极管 1-14 Power Diode结构

8、和原理简单，工作可靠，自 20世纪50年代初期就获得应用。 快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高 频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具 有不可替代的地位。 1.2 不可控器件电力二极管引言 电力二极管及模块 1-15 基本结构和工作 原理与信息电子 电路中的二极管 一样。 由一个面积较大 的PN结和两端引 线以及封装组成 的。 从外形上看，主 要有螺栓型和平 板型两种封装。 图1-2 电力二极管的外形、结构和电气 图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号 1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 A K AK a) I KA PN J b) c) AK 1-16 状态 参数

9、 正向导通反向截止反向击穿 电流正向大几乎为零反向大 电压维持1V反向大反向大 阻态低阻态高阻态 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特 征。 PN结的反向击穿（两种形式) 雪崩击穿 齐纳击穿 均可能导致热击穿 1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 PN结的状态 1-17 P型半导体 N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E 漂移运动 扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽。 内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。 空间电荷区， 也称耗尽层。 1-18 + +

10、 + + RE 1. PN 结正向偏置 内电场 外电场 变薄 PN + _ 内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。 1-19 2. PN 结反向偏置 + + + + 内电场 外电场 变厚 NP + _ 内电场被加强，多子的 扩散受抑制。少子漂移 加强，但少子数量有限 ，只能形成较小的反向 电流。 RE 1-20 PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效 应，称为结电容CJ，又称为微分电容。 结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电 容CB和扩散电容CD。 电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关 状态。 1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 PN结的电容效应： 1-2

11、1 主要指其伏安特性 门槛电压UTO，正向电流 IF开始明显增加所对应的 电压。 与IF对应的电力二极管两 端的电压即为其正向电 压降UF 。 承受反向电压时，只有 微小而数值恒定的反向 漏电流。 图1-4 电力二极管的伏安特性 1.2.2 电力二极管的基本特性 1) 静态特性 I O IF U TO U F U 1-22 2) 动态特性 二极管的电压-电流特性随时 间变化的 结电容的存在 1.2.2 电力二极管的基本特性 b) U FP u i iF uF tfrt0 2V a) F U F tFt0 trr tdtf t1t2t U R U RP IRP diF dt diR dt 图1-

12、5 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置 延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与 延迟时间 的比值tf /td，或称恢复 系数，用Sr表示。 1-23 额定电流在指定的管壳温度和散热 条件下，其允许流过的最大工频正弦半 波电流的平均值。 IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使 用时应按有效值相等的原则来选取电流 定额，并应留有一定的裕量。 1.2.3 电力二极管的主要参数 1) 正向平均电流IF(AV) 1-24 电力二极管的主要参数 1.2.3

13、0 42 3 5 Im 平均值： ； 为电压或者电流的周期函数 有效值： ； 工频正弦半波： T=2,并且只有一半的波形导通 1-25 电力二极管的主要参数 1.2.3 0 42 3 5 Im 平均值： 有效值： 可见，平均电流Id和正向平 均电流IF(AV)是不一样的。 1-26 通过对正弦半波电流的换算可知，正向平均电流IF(AV) 对应的有效值为1.57IF(AV)。 例如，如果手册上给出某电力二极管的额定电流IF(AV) 为100A，由此得到 允许通过正弦半波电流的幅值 。 允许通过任意波形的有效值为157A。 也就是说，额定电流为100A的二极管可以通过幅 值为314A的半波正弦电流

14、，可以在全周期内通过任意 波形的有效值为157A的电流，其功耗发热不超过允许 值。 对有效值相等原则的解释 1-27 国产普通功率二极管的型号规定如下： 1-28 在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对 应的正向压降。 3） 反向重复峰值电压URRM 对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，应当留有两倍的裕量。 4）反向恢复时间trr trr= td+ tf 1.2.3 电力二极管的主要参数 2）正向压降UF 1-29 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高 平均温度。 TJM通常在125175C范围之内。 6) 浪涌电

15、流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频 周期的过电流。 1.2.3 电力二极管的主要参数 5）最高工作结温TJM 1-30 常见国产ZP系列二极管参数 1-31 1) 普通二极管（General Purpose Diode） 又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路 其反向恢复时间较长 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高 按照反向恢复特性的不同介绍。 1.2.4 电力二极管的主要类型 1-32 简称快速二极管 快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其 trr更短（可

16、低于50ns）， UF也很低（0.9V左右） ，但其反向耐压多在1200V以下。 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。 前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下， 甚至达到2030ns。 1.2.41.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型 2) 快恢复二极管 （Fast Recovery DiodeFRD） 1-33 肖特基二极管的弱点 反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。 反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。 肖特基二极管的优点 反向恢复时间很短（1040ns）。 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。 反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。 效率高，其开关损耗和正向导通损