1.1电力电子器件的基本模型1.2电力二极管

第1页厦门职业技能学院教案纸课程名称电力电子技术教师王雪瑶章节内容第1章电力电子器件1、1电力电子器件的基本模型1、2电力二极管审批意见授课班级授课日期授课时数2授课方法讲授、提问仪器教具挂图教学目的要求理解电力电子器件的基本模型。掌握电力电子器件的基本模型与特性及分类。理解PN结及电力二极管的工作原理。掌握电力二极管的基本特性、主要参数及类型教学重点和难点重点：电力电子器件的分类与特性。PN结及电力二极管的工作原理。难点：电力电子器件的基本模型与特性。电力二极管的基本特性课堂练习题实例说明电力电子器件的特征。说明电力二极管与普通二极管的区别。作业布置补充题：画出电力电子器件分类树图。简述电力二极管的主要参数第2页厦门职业技能学院教案纸教学内容、方法和过程附记※复习提问1、电力电子的定义是什么？2、简要说明电力电子的发展史及地位？☆授新课1、1电力电子器件的基本模型一、基本模型A、B为主电极K为控制极二、基本模型的特性1）电力电子器件一般工作在开关状态，往往用理想开关模型来代替。2）电力电子器件的开关状态往往需要由外电路来控制。---驱动电路3）在工作中器件的功率损耗很大。---装散热器通态损耗：器件导通时有通态压降形成的损耗。断态损耗：器件阻断时有漏电流流过形成的损耗。开关损耗：器件在开通和关断的转换过程中形成的损耗。导通时--接近于短路阻断时--接近于开路第3页厦门职业技能学院教案纸教学内容、方法和过程附记三、电力电子器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：1)不可控器件—-器件本身不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路电力二极管只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。2)半控型器件——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断晶闸管及其大部分派生器件；器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定。3)全控型器件——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率场效应晶体管（简称为电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：1)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。2)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。电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件。第4页厦门职业技能学院教案纸教学内容、方法和过程附记按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：1)单极型器件——由一种载流子参与导电的器件。2)双极型器件——由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。3)复合型器件—由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。MCTIGBT功率MOSFET功率SIT肖特基势垒二极管SITHGTORCTTRIACLTT晶闸管电力二极管双极型单极型混合型复合型（（图1-42GTR图2电力电子器件分类树小结：1、电力电子器件的模型与特征。2、电力电子器件的分类。第5页厦门职业技能学院教案纸教学内容、方法和过程附记1、2电力二极管一、电力二极管的工作原理1、结构PN结的形成-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场1）N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。*空间电荷:交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。*内电场:空间电荷建立的电场,也称自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。*空间电荷区:扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。2）外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装，当然还有其他形式的封装。3）电气图形符号由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的，第6页厦门职业技能学院教案纸教学内容、方法和过程附记2、二极管PN结的单向导电性1）正向导通状态：PN结呈低阻状态2）PN结的反向截止状态：PN结呈高阻状态3）PN结的反向击穿状态PN结的电容效应------结电容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。势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。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。第7页厦门职业技能学院教案纸二、电力二极管的特性与主要参数1)静态特性——伏安特性当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降（0.7V）。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。--IRRIOIFUTOUFUUF=1——2V电力二极管的伏安特性2)动态特性——开关特性：反映通态和断态之间的转换过程动态特性——因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压—电流特性是随时间变化的。动态特性主要指开关特性(SwitchingCharacteristic)。第8页厦门职业技能学院教案纸*关断特性：正向偏置转换为反向偏置的过程。*开通特性：零偏置转换为正向偏置的过程。b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdta)正向偏置转换为反向偏置b)零偏置转换为正向偏置电容特性电感特性电力二极管的动态过程波形关断特性：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开通特性：电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tFR。电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。第9页厦门职业技能学院教案纸教学内容、方法和过程附记3)电力二极管的主要类型（1）普通二极管：普通二极管又称整流管（RectifierDiode），多用于开关频率在１KHZ以下的整流电路中，其反向恢复时间在５μs以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。（2）快恢复二极管：反向恢复时间在５μs以下的称为快恢复二极管（FastRecoveryDiode简称FDR）。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100ns以下，其容量可达1200V/200A的水平,多用于高频整流和逆变电路中。（3）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.4～0.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但反向耐压在200Ｖ以下。它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。4)、电力二极管的主要参数1)正向平均电流IF（AV）额定正向平均电流——在指定的管壳温（简称壳温，用TC表示）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。正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此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。举例：当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略,当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小。第10页厦门职业技能学院教案纸教学内容、方法和过程附记2)正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降,有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降。3)反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。4)最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示最高工作结温是指在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5)反向恢复时间trrtrr=td+tf，关断过程中，电流降到0起到恢复反响阻断能力止的时间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。小结：1、简单理解PN结的形成过程。重点掌握PN结的单向导电性及二极管的主要参数。