第二章電力電子器件電力二極管

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(nèi)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（mainpowercircuit）——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（powerelectronicdevice）——可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)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，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(shù)。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?shù)姆糯?這部分電路就是驅(qū)動電路

(4)電力電子器件的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SZSL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(chǎn)生的損耗關斷損耗:在器件關斷的轉換過程中產(chǎn)生的損耗對某些器件來講，驅(qū)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(qū)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(qū)動電路RL主電路V1V2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(qū)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(qū)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，因此在主電路和控制電路連接的路徑上，如驅(qū)動電路與主電路的連接處，或者驅(qū)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(qū)動電路和主電路的公共端，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-GateBipolarTransistor——IGBT）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（PowerDiode）只有兩個端子，器件的通和斷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(qū)動電路。

按照驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)，分為兩類：

1)

電流驅(qū)動型:通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通或者關斷的控制電壓驅(qū)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(xiàn)導通或者關斷的控制

按照器件內(nèi)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：從使結用角駐度出雞發(fā)，震主要蔽可從命以下視五個情方面奏考查棋電力撇半導臘體器奪件的鈔性能凳特點損：導通兔壓降運行鏈頻率器件翁容量耐沖膊擊能痛力可靠凳性此外犁，諸故如控膚制功倦率、鵲可串交并聯(lián)乒運行親的難堂易程組度、刮價格權等等姻也是把選擇勝電力并半導墻體器民件應鍵考慮石的因揮數(shù)。電力菠半導簡體器銷件發(fā)準展水料平在整后流管番類中洲，快摩速恢裂復二惠極管合將有幕較大以的發(fā)容展在高乖壓直辟流輸那電中京，晶震閘管慮（光嘉控晶伍閘管酸）將衛(wèi)有很緞好的雖發(fā)展狂機遇基。在功睜率晶鑰體管跌類中狡，以IG桶BT發(fā)展芝最為蔽迅速2.川1.攜4本章沿內(nèi)容雪和學規(guī)習要哨點本章耽內(nèi)容:介紹虛各種址器件好的工私作原違理、仗基本爬特性望、主趕要參略數(shù)以扒及選種擇和去使用淺中應描注意城的一蠅些問況題。然后隊集中閃講述搶電力域電子治器件手的驅(qū)蒜動、侵保護游和串涉、并遞聯(lián)使嶺用這車三個裳問題把。學習籌要點:最重摔要的窩是掌叨握其智基本網(wǎng)特性掌握乏電力環(huán)電子桃器件脅的型選號命獨名法啞，以往及其商參數(shù)浸和特淺性曲喚線的軌使用刷方法劫，這申是在反實際抗中正額確應臺用電詞力電飲子器考件的療兩個延基本演要求由于欺電力約電子后電路石的工誕作特火點和掘具體朱情況旨的不悼同，翅可能航會對誼與電掛力電截子器紹件用新于同勿一主孕電路章的其牌它電河路元榴件，鼓如變泰壓器槽、電祖感、草電容侮、電幕阻等扎，有卻不同斤于普壺通電溪路的決要求2.膨2不可陵控器灑件--鏈--落-電力王二極臂管Po鎮(zhèn)we利r具Di該od丈e結構呼和原規(guī)理簡撒單，及工作恥可靠千，自20世紀50年代郵初期倚就獲邀得應耗用?？旎挚貜投m極管會和肖孤特基銳二極查管，溜分別面在遭中、修高頻股整流既和逆倘變，提以及辮低壓雪高頻強整流揭的場舟合，英具有濫不可佳替代覺的地宿位。2.怕2.民1電力遣二極酷管的寫工作錦原理跑和基誼本特莖性基本醫(yī)結構業(yè)和工誓作原溉理與搶信息壘電子彩電路青中的陪二極傭管一謙樣以半葬導體PN結為漁基礎由一帥個面積扔較大煩的PN結和兩稿端引財線以槽及封消裝組遲成的從外務形上皂看，沉主要評有螺好栓型遷和平掀板型稱兩種甘封裝特，平意板型奸因其袖與散葬熱器榨接觸鹽較好列而多臺用于壤功率愛較高蟻的場盞合（20肢0A以上型）電力耽二極腿管的條外形慈、結劉構和敗電氣保圖形丸符號a)外形b)結構c)電氣讓圖形每符號普通槳整流胸管撈凹耐板式良凸板鏡式普通壁整流駕管螺栓巖式交界澇處電客子和箏空穴疼的濃庸度差揉別，浙造成戲了各陰區(qū)的株多子沸向另士一區(qū)猶的擴散臨運動，到滔對方黑區(qū)內(nèi)唱成為貴少子皺，在晃界面艘兩側孝分別嶼留下沿了帶寬正、較負電蘇荷但綱不能喂任意筒移動徹的雜作質(zhì)離集子。漠這些距不能亮移動謠的正腹、負沫電荷泡稱為空間牌電荷。空間抵電荷輝建立買的電絮場被雷稱為內(nèi)電柴場或自建傍電場，其癥方向藝是阻零止擴的散運件動的梁，另束一方佛面又混吸引什對方端區(qū)內(nèi)得的少往子（肉對本完區(qū)而霸言則熟為多監(jiān)子）王向本欺區(qū)運驕動，熄即漂移某運動。擴散靠運動角和漂銹移運宵動最割終達紫到動熔態(tài)平即衡，徑正、府負空吐間電團荷量生達到墻穩(wěn)定廳值，喚形成慎了一匪個穩(wěn)供定的影由空膽間電鑒荷構宅成的蔑范圍頓，被牛稱為空間腥電荷撲區(qū)，按哀所強狠調(diào)的賣角度緩不同于也被濾稱為耗盡蔥層、阻擋枝層或勢壘箏區(qū)。PN結的檔正向羊?qū)ㄋ顟B(tài)電導鎖調(diào)制湯效應訂使得PN結在慌正向常電流吊較大求時壓肥降仍辰然很慕低，違維持林在1V左右膛，所升以正之向偏近置的PN結表瀉現(xiàn)為拴低阻鄙態(tài)。PN結的城反向傻截止早狀態(tài)PN結的趁單向梯導電列性。二極件管的溝基本特原理暈就在柴于PN結的指單向富導電莖性這糊一主捉要特帳征。PN結的疲反向債擊穿有雪態(tài)崩擊勉穿和絹齊納商擊穿員兩種擊形式刺，可墓能導兩致熱澇擊穿曬。1.古2.油2電力夜二極奪管的爐基本艘特性1.靜態(tài)乞特性孟：主要擇指其筍伏安丈特性當電壁力二桃極管感承受謙的正壤向電沸壓大捉到一川定值閣（門升檻電藥壓UTO），露正向婆電流贈才開孟始明覆顯增輪加，拾處于勝穩(wěn)定瞧導通俗狀態(tài)封。與多正向場電流IF對應巷的電籮力二役極管寺兩端城的電拒壓UF即為含其正度向電抬壓降擋。當規(guī)電力咳二極功管承要受反丈向電熟壓時癢，只瘋有少威子引脖起的伶微小湯而數(shù)鈔值恒冷定的初反向挨漏電洪流。電力曠二極籌管的另伏安悲特性2.動態(tài)筋特性主要膏是講順在二方極管萄兩端句所加宮電壓播變化狀時器修件的亦過渡茄過程如者：首警先加掩正乳向電臉壓，獸然后風再加貴反向石電壓扔，最具后再創(chuàng)加正偏向電炭壓正向敗電壓反向真電壓正向熱電壓導通關斷導通關斷具特性開通制特性電力蛇二極套管在燭開通崗初期摸會出過現(xiàn)送較高萄的正臉向壓朽降，昏即在踐一個情很短鬧的時紡間內(nèi)滑出現(xiàn)刻一個灶過沖UFP，且UFP相當唇高。頂經(jīng)過散一段析時間魚才趨施于接云近穩(wěn)挎態(tài)壓蓋降的創(chuàng)某個桶值（統(tǒng)如2V）。垮這一墳動態(tài)島過程勺時間爬被稱樸為正憶向恢派復時嗎間tfr。開通旨特性：關斷蠻特性：導通肉的二速極管外突然見加一茶個泛反向纖電壓遙時，沃反向院阻斷家能力經(jīng)的恢匹復也菠需要驅(qū)一段散時間乒，可鳳以想紗到，鑰在空退間電痛荷區(qū)電較薄這時，番電壓公的突兔然反受向，嘆會使湖二極敘管在竄未恢參復阻舍斷能靜力之榨前，右處于迫短路厘狀態(tài)在圖亂中：延遲區(qū)時間劍：td=元t1-戀t0電流尼下降覆時間貼：tf=麥t2-歌t1反向底恢復羅時間灘：trr=刺td+詢tf（普渴通電搬力二例極管易的反餃向恢瞧復時計間trr=2主~5μS）恢復諒特性籠的軟蛙度：渠電流熔下降訴時間蛾與延囑遲時火間的透比值tf/td，或魂稱恢準復系目數(shù)，槽用Sr表示1.屋2.美3電力拾二極散管的身主要松參數(shù)1.正向籍平均激電流IF(編AV遭)額定帶電流——在指茄定的緊管殼購溫度減（簡齡稱殼峰溫，患用TC表示重）和北散熱都條件舒下，影其允納許流濃過的屯最大結工頻誓正弦系半波類電流喘的平脅均值設該館正弦融半波瓦電流泉的峰衫值為Im澡,則額定芽電流(平均扮電流)為:當用明在頻慚率較執(zhí)高的太場合媽時，半開關皇損耗艦造成贊的發(fā)順熱往得往不扇能忽偏略當采愛用反四向漏環(huán)電流攝較大霸的電繁力二寬極管喘時，程其斷溉態(tài)損禁耗造是成的革發(fā)熱掛效應戒也不塔小正向呀平均愉電流齊是按喪照電僵流的厭發(fā)熱磨效應軋來定齡義的拴，使遺用時抱應按夸有效稈值相江等的匯原則惡來選勇取電沿流定裝額，勞并應啊留有1.蟲5~咬2倍的邊裕量哨。額定冤電流鈴有效闖值為:2.正向熱壓降UF指電洽力二律極管濁在指鞠定溫雨度下壩，流顧過某虎一指植定的畏穩(wěn)態(tài)素正向圍電流魚時對糟應的隆正向督壓降有時抓參數(shù)邊表中秤也給皆出在拐指定強溫度柔下流寄過某鍬一瞬效態(tài)正霜向大假電流偶時器艦件的鍵最大喬瞬時毅正向擁壓降3.反向擁重復功峰值矮電壓URR昆M指對球電力預二極否管所龍能重蘭復施硬加的低反向傭最高祝峰值美電壓通常代是其枝雪崩球擊穿球電壓UB的2/硬3，是軍反向府不重灶復峰痛值電程壓URS辣M的80飯%。使用俯時，搏往往困按照娘電路稿中電怒力二聞極管疏可能視承受元的反賴向最綿高峰虎值電田壓的2~膏3倍來皇選定4.最高發(fā)工作跡結溫TJM結溫讀是指勒管芯PN結的循平均聾溫度夾，用TJ表示葉。最高禽工作衡結溫去是指寨在PN結不瘡致?lián)p鍬壞的韻前提肝下所探能承剪受的桂最高俗平均畏溫度詠。TJM通常拌在12組5~偽17印5C范圍鎮(zhèn)之內(nèi)拍。5.反向箱恢復孫時間trrtrr=富td+殃tf，關捧斷過緒程中鑄，電所流降劫到零羞起到百恢復冬反響淹阻斷析能力出止的藏時間覽。6.浪涌軋電流IFS綿M指電擊力二餅極管灶所能恒承受陰最大若的連家續(xù)一皆個或叢幾個震工頻靈周期甲的過呢電流碧。1.饒2.攝3電力秘二極應管的嚷主要飼類型按照泉正向夜壓降媽、反錦向耐貞壓、洗反向束漏電插流等類性能步，特翁別是緊反向準恢復域特性幫的不批同介爆紹。在應撇用時邪，應射根據(jù)煌不同坑場合決的不殲同要只求選貪擇不幅同類權型的映電力贈二極牙管。性能目上的猛不同市是由冶半導根體物絕理結邪構和雀工藝場上的邪差別填造成擠的。1.普通肚二極猛管（Ge淡ne拋ra秤l分Pu搭rp濕os伶e隸Di孝od葉e）又稱旬整流目二極遮管（Re貿(mào)ct這if丘ie躍r障Di投od退e）多用洞于開陜關頻渾率不搭高（1k獨Hz以下泄）的最整流元電路涂中其反斬向恢母復時頸間較逃長，捷一般帆在5s以上趣，這韻在開唱關頻產(chǎn)率不驗高時攤并不銜重要益。正向碗電流糧定額進和反熟向電蔑壓定誘額可偶以達課到很沿高，餐分別蝴可達匙數(shù)千弟安和穴數(shù)千付伏以位上。2.快恢陰復二喇極管（Fa吧st蒸R垃ec滴ov購er棋y朵Di削od初e—朽FR淘D）恢復旋過程殃很短粉特別直是反抬向恢脖復過追程很深短（5s以下顏）的題二極先管，惰也簡躁稱快醫(yī)速二狂極管工藝爹上多領采用芳了摻駁金措朽施有的鼻采用PN結型言結構有的好采用榨改進翼的Pi殺N結構采用槳外延戴型Pi斧N結構至的的過快恢常復外勾延二宜極管際（Fa久st臘R倍ec殲ov彈er旬y虹Ep洋it輩ax剩ia啞l濕Di節(jié)od領es翁——蔬FR送ED），影其反芹向恢哀復時徒間更選短（擋可低講于50誤ns），挪正向汪壓降煎也很氏低（0.愛9V左右淚），沖但其嗎反向諸耐壓葉多在12塞00痰V以下從性放能上炮可分猶為快夾速恢李復和潮超快啞速恢誼復兩父個等內(nèi)級。污前者摔反向就恢復繞時間汽為數(shù)皺百納桌秒或舞更長災，后槐者則確在10針0n圖s以下坦，甚府至達信到20糕~3猛0n作s?？旎止矎投C極管23蜓0P繼IV施60討0B金AA俱-4頁460接0V孩/6株0A絕緣趨銅底鼓板，爸內(nèi)部費是兩演只完口全獨活立的城快恢萄復二鋤極管巧，用作兩只汽模塊壞可組栽成60賞0V報/6流0A高速蛋橋堆綢。用卸三只蓮模塊斷可組禮成60形0V核/9羅0A高速掩三相擋整流謹橋。單價18元3.肖特鑼基二襯極管以金較屬和眨半導勢體接鉛觸形饒成