第二讲：电力二极管

11电力电子器件概述第二讲：电力二极管（功率二极管）2电力二极管的结构、工作原理、基本特性、主要参数3电力二极管的选取原则4稳压二极管5抗瞬变二极管2电力电子器件概述——基本概念控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路电力电子变换系统：主电路：电力电子变换系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路电力电子器件：可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。作用类似于信息电子技术（模电、数电）的信息电子器件。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。3电力电子器件概述——基本分类电真空器件：半导体器件：汞弧整流器、闸流管不控型：半控型：全控型：不能用控制信号来控制其通断，代表：电力二极管能用控制信号来控制其导通而无法控制其关断，代表：晶闸管能用控制信号来控制其导通与关断，代表：IGBT,MOSFET4电力电子器件概述——基本分类电真空器件：半导体器件：汞弧整流器、闸流管电流驱动型：电压驱动型：通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的器件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器件。5电力电子器件概述——基本特征电力电子器件与信息电子器件的比较：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。6电气图形符号电力二极管(PowerDiode)——电力二极管的电气图形符号和外形7大功率二极管8电力二极管(PowerDiode)电力二极管的基本结构与信息电子电路中的二极管一样，都是具有一个PN结的两端器件。电容效应：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——基本内部结构不同的是电力二极管的PN结面积较大。电容效应的影响：结电容影响电力二极管的工作频率，频率越高，影响越大，即结电容限制了电力二极管工作频率的提高。高频等效电路9电力二极管(PowerDiode)电力二极管具有单向导电性——基本工作原理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——1、雪崩击穿2、齐纳击穿3、热击穿10电力二极管(PowerDiode)——基本特性静态特性、动态特性门槛电压UTO正向导通是电力二极管两端的最大电压降IOIFUTOUFUUBURRM反向击穿电压UB⒈静态特性电力二极管的静态特性主要是指其伏安特性，即器件端电压与电流的关系。正向电压降UF正向电流IF开始明显增加所对应的电压11⒉动态特性因结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向导通和反向截止这三个状态之间转换时，必然经过一个过渡过程，其电压、电流随时间变化的特性称为电力二极管的动态特性。正向导通转换为反向截止零偏置转换为正向导通电力二极管(PowerDiode)UFPuiiFuFtfrt02VIFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt12t2：时刻电流变化率接近零，恢复对反向电压阻断正向导通转换为反向截止反向恢复时间：trr=td+tf关断特性：tF：时刻外加电压改变t0：时刻电流下降为零，此时不能恢复反向阻断能力。t1:时刻反向电流达最大值，此后反向电流迅速下降，产生反向过冲电压IRP，随后出现反向过冲电压URPIFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt电力二极管(PowerDiode)13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。电力二极管(PowerDiode)零偏置转换为正向导通UFPuiiFuFtfrt02V14电力二极管(PowerDiode)指在规定+40℃的环境温度和标准散热条件下，元件结温达到额定且稳定时，容许长时间连续流过工频正弦半波电流的平均值。IOIFUTOUFUUBURRM——主要性能参数1．正向平均电流IF(AV)tIImsin)1(ktkmAVFIttdI)(sin210)(额定有效值：与正向平均电流IF相同条件下测得有效值额定有效值为=1.57IF2mm0I1I(Isint)(dt)2257.12)(AVFII15电力二极管(PowerDiode)2．正向电压降UF电力二极管在规定温度和散热条件下，流过某一指定的正向稳态电流时，电力二极管的最大电压降。——主要性能参数IOIFUTOUFUUBURRM163．反向重复峰值电压URRM（额定电压）电力二极管在指定温度下，所能重复施加的反向最高峰值电压IOIFUTOUFUUBURRM4．反向重复平均漏电流IRR对应于反向重复峰值电压URRM下的平均漏电流，电力二极管(PowerDiode)17电力二极管(PowerDiode)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。5）最高工作结温TJM182.2电力二极管1．普通二极管又称整流二极管（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DATASHEET——主要类型192.2电力二极管1．普通二极管又称整流二极管（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DATASHEET——主要类型202.2电力二极管2．快速恢复二极管反向恢复时间很短，一般在5μs以下，此类二极管称为快速恢复二极管。另外，快速恢复外延型二极管反向恢复时间可低于50ns，正向压降很低，多用于高频整流电路中。DATASHEET123212.2电力二极管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。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。3.肖特基二极管(DATASHEET)以金属和半导体接触形成PN结构成的二极管称为肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD）。22电力二极管(PowerDiode)max)25.1(57.1IIF——电力二极管的选择原则1、正向平均电流IF的选择原则确保所选电力二极管的额定有效值大于实际要通过电流的有效值，且预留1.5到2倍的余量，然后取相应标准系列值57.1)25.1(maxIIF2、额定电压URRM的选择原则URRM应大于电力二极管实际可能承受的最大反向瞬时电压Umax的2到3倍，然后取相应标准系列值23电力二极管(PowerDiode)——稳压二极管1、结构、电气符号、及外形电气符号：结构：与电力二极管相同，只是制造工艺和方法略有不同外形：24电力二极管(PowerDiode)——稳压二极管2、工作原理及特性工作特点：主要工作在反向击穿状态，起稳压作用，反向击穿电压即为其稳压电压；稳压管在电路中要反向连接；伏安特征：（1）正向特性与普通二极管相同（2）而反向特性却比较特殊：当反向电压加到一定程度时，虽然管子呈现击穿状态，通过较大电流，但管子不损毁，且管子两端的电压变化极小，从而起到稳压作用；当反相大电压去掉后，管子恢复反相截止状态。25电力二极管(PowerDiode)——稳压二极管3、应用举例稳压原理分析：若输入电压Usr也随升高，引起负载电压Usc升高。由于稳压管DW与负载Rfz并联，Usc只要超过稳压电压，稳压管击穿，电流急剧增加，使得I1也增大，限流电阻R1上的电压降增大，从而抵消了Usr的升高，保持负载电压Usc基本不变。反之，若Usr下降，造成Usc也下降，则稳压管推出击穿状态，电流急剧减小，，使得I1减小，R1上的压降也减小，从而抵消了Usr的下降，保持负载电压Usc基本不变。26电力二极管(PowerDiode)——稳压二极管3、应用举例1、稳压管可以串并联使用2、稳压值受温度影响常用稳定电压的温度系数来表示这种影响例如2CW19型稳压管的稳定电压Uw=12伏，温度系数为0.095%℃说明温度每升高1℃，其稳定电压升高11.4毫伏。27电力二极管(PowerDiode)——瞬态电压抑制器TVS（也称抗瞬变二极管）1、结构、电气符号、及外形（1）是在稳压二极管工艺基础上发展起来的一种新产品，结构基本相同（2）电路符号和普通稳压二极管相同，外形也相同当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度（１０-12秒）使其阻抗骤然降低，电流急剧变大，且将两端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。2、作用（抗浪涌）28电力二极管(PowerDiode)——瞬态电压抑制器TVS（也称抗瞬变二极管）3、特性29电力二极管(PowerDiode)——瞬态电压抑制器TVS（也称抗瞬变二极管）3、双向TVS由两只单向TVS“背靠背”组合，其电气符号如图所示特性30电力二极管(PowerDiode)——瞬态电压抑制器TVS（也称抗瞬变二极管）4、应用举例31电力二极管(PowerDiode)——电力二极管用途总结1、整流2、续流3、稳压、抗浪涌等保护元件