电力二极管

1-1第1章电力电子器件powersemiconductordevices1.1电力电子器件概述1.2不可控器件——二极管1.3半控型器件——晶闸管1.4典型全控型器件（IGBT）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。1-21.1.1电力电子器件的概念和特征1.1.2应用电力电子器件的系统组成1.1.3电力电子器件的分类1.1.4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。1-42、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1-61）概念:电力电子器件（PowerElectronicDevice）——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（MainPowerCircuit）——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V1V2…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(PowerDiode)——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1-131.2.1PN结与电力二极管的工作原理1.2.2电力二极管的基本特性1.2.3电力二极管的主要参数1.2.4电力二极管的主要类型1.2不可控器件—电力二极管1-14PowerDiode结构和原理简单，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1.2.1PN结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK1-16状态参数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1.2.1PN结与电力二极管的工作原理PN结的状态1-17P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－－－－++++RE1.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。1-192.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。RE1-20PN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。1.2.1PN结与电力二极管的工作原理PN结的电容效应：1-21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IOIFUTOUFU1-222)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)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图1-5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1.2.30π4π2π3π5πImF(AV)01Isin0.322mmmIIdI平均值：；为电压或者电流的周期函数df21)(112)(f有效值：；df21)(1212工频正弦半波：T=2π,并且只有一半的波形导通201(sin)0.522mTmmIIIdIF()1.57TAVII1-25电力二极管的主要参数1.2.30π4π2π3π5πIm2dF(AV)01I0.5I2mmmIIdI22010.712mTmmIIIdI平均值：有效值：dd0.711.420.5TIII＝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，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。()314mFAVAII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trrtrr=td+tf1.2.3电力二极管的主要参数2）正向压降UF1-29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125~175C范围之内。6)浪涌电流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TJM1-30常见国产ZP系列二极管参数1-311)普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）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（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其trr更短（可低于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20~30ns。1.2.4电力二极管的主要类型2)快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）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（10~40ns）。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耗都比快速二极管还小。1.2.4电力二极管的主要类型3.肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD）。1-34反向恢复时间反向耐压普通二极管5us数千伏快恢复二极管快速恢复二极管几百ns1200V超快速恢复二极管100ns肖特基二极管10—40ns200V电力二极管性能比较