電力電子器件 功率二極管

第一章電力半導(dǎo)體器件1.0電力電子器件概述1.1功率二極管1.2晶閘管1.3可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力晶閘管(GTR)1.4功率場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極型晶體管1.5電力電子器件散熱、串并聯(lián)及緩沖保護(hù)1.0電力電子器件概述1.0.1電力電子器件——概念、分類、特征、損耗1.0.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成1.0.3

電力電子器件的分類1.0.1

電力電子器件

——概念、分類、特征、損耗1）概念:主電路（MainPowerCircuit）

—電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。功率變換器即為通常所說的電力電子電路（也稱主電路），它由電力電子器件構(gòu)成。電力電子器件（PowerElectronicDevice）

—可直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。圖1-1電力電子裝置示意圖1.0.1電力電子器件

——概念、分類、特征、損耗2）分類:電真空器件(汞弧整流器、閘流管)半導(dǎo)體器件(采用的主要材料硅）目前，除了在大功率高頻微波電路中仍使用真空管（電真空器件）外，其余的電力電子電路均由功率半導(dǎo)體器件組成3）同處理信息的電子器件相比的一般特征：能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。主要損耗

1.0.1

電力電子器件

——概念、分類、特征、損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗開通損耗關(guān)斷損耗通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。控制極損耗1.0.2

應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成

圖

電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成電力電子電路電力電子電路—電力電子系統(tǒng)由控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)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保護(hù)電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行電氣隔離導(dǎo)通主電路中電力電子器件關(guān)斷檢測電路、驅(qū)動電路以外的電路控制電路由信息電路組成控制電路主電路電力電子系統(tǒng)檢測電路檢測主電路或應(yīng)用現(xiàn)場信號通過驅(qū)動電路控制四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院主電路驅(qū)動電路檢測電路控制電路控制信號電氣隔離電氣隔離電氣隔離電氣隔離電氣隔離保護(hù)電路

保證電力電子器件和整個(gè)電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行圖

電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2主電路端子之間信號導(dǎo)通關(guān)斷電力電子器件控制端主電流端子（公共端）——驅(qū)動電路和主電路，是主電路電流流出電力電子器件的端子控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護(hù)電路電力半導(dǎo)體器件是構(gòu)成電力電子設(shè)備的核心，電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。作為開關(guān)元件的要求：

開關(guān)速度快、承受電流/電壓能力大，工作損耗小。理想：截止時(shí)—能承受高電壓且漏電流要?。粚?dǎo)通時(shí)—能流過大電流和很低的管壓降；在開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，具有短的開、關(guān)時(shí)間；通態(tài)損耗、斷態(tài)損耗和開關(guān)損耗均要小。同時(shí)能承受高的di/dt和du/dt上升率，以及具有全控功能。

1.0.3電力電子器件的分類

1.按照電力電子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（Thyristor）

——通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。普通晶閘管SCR全控型器件（IGBT,MOSFET)

——通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。GTO、BJT、功率MOSFET、IGBT等不可控器件(PowerDiode)

——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。二極管VD2.按照門極(柵極)驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：電流驅(qū)動型

——通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。該類器件驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜，工作頻率低。如SCR、GTO、GTR、BJT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(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。該類器件驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單可靠，工作頻率高。如IGBT、

P-MOSFET3.按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類：單極型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件，如功率MOSFET

雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件，如二極管、SCR、GTO、BJT復(fù)合型器件單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件，如IGBT，是電力電子器件發(fā)展方向。另外，電力電子器件中：電壓，電流額定值從高往低的器件是SCR、GTO、IGBT、BJT和功率MOSFET。工作頻率從高往低的器件是功率MOSFET、IGBT、BJT、GTO和SCR。1.1功率二極管1.1.1PN結(jié)與功率二極管的工作原理1.1.2

功率二極管的基本特性1.1.3

功率二極管的主要參數(shù)1.1.4功率二極管的型號及選擇原則1.1.5功率二極管的主要類型功率二極管(PowerDiode),也常叫整流二極管，其結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用。快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。1.1功率二極管—不可控器件功率二極管及模塊基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。圖1-2功率二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號

a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號1.1.1PN結(jié)與功率二極管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK螺旋式平板式VD狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡?、大幾乎為零反向、大電壓維持1V反向、大反向、大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)——二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。正方向單向?qū)щ?、反方向阻斷?/p>

PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿1.1.1PN結(jié)與功率二極管的工作原理

PN結(jié)的狀態(tài)PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。電容影響PN結(jié)的工作頻率，尤其是高速的開關(guān)狀態(tài)。1.1.1PN結(jié)與功率二極管的工作原理

PN結(jié)的電容效應(yīng)：1.1.2功率二極管的基本特性主要指其伏安特性門坎電壓UT，正向電流IF開始明顯增加所對應(yīng)的電壓。與IF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF

。承受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖1-4功率二極管的伏安特性I＝f（U）1)靜態(tài)特性正向特性反向特性反向漏電流a)實(shí)際特性b)理想特性2)動態(tài)特性

——二極管的電壓-電流特性隨時(shí)間變化的

——結(jié)電容的存在1.1.2功率二極管的基本特性a)UFPuiiFuFtfrt02V圖1-5功率二極管的動態(tài)過程波形

a)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置b)正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置延遲時(shí)間：td=t1-t0,電流下降時(shí)間：tf=t2-t1反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+

tf恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值tf

/td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。b)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtI須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。UFPuiiFuFtfrt02V圖1-5(b)開通過程1.1.2

功率二極管的基本特性關(guān)斷過程：開通過程正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過沖UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如2V）。正向恢復(fù)時(shí)間tfr。電流上升率越大，UFP越高。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5(b)關(guān)斷過程額定電流——在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。在選用大功率二極管時(shí)，應(yīng)按元件允許通過的電流有效值來選取。對應(yīng)額定電流IF的有效值為1.57IF。1.1.3

功率二極管的主要參數(shù)1)

額定正向平均電流IF(AV)二極管的額定電流IF被定義為其額定發(fā)熱所允許的正弦半波電流平均值。其正向?qū)鬟^額定電流時(shí)的電壓降UF一般為1～2V。當(dāng)二極管在規(guī)定的環(huán)境溫度為+40℃和散熱條件下工作時(shí)，通過正弦半波電流平均值IFR時(shí)，其管芯PN結(jié)溫升不超過允許值。若正弦電流的最大值為Im，則額定電流為：二極管流過半波正弦電流的平均值為IFR時(shí)，與其發(fā)熱等效的最大允許的全周期均方根正向電流IFrms為：在指定溫度和標(biāo)準(zhǔn)的散熱條件下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流IF時(shí)對應(yīng)的正向壓降，有時(shí)亦稱為管壓降。元件發(fā)熱與損耗與UF有關(guān)，一般應(yīng)選用管壓降小的元件以降低元件的導(dǎo)通損耗。3）反向重復(fù)峰值電壓URRM在額定結(jié)溫條件下，元件反向伏安特性曲線（第Ⅲ象限）急劇拐彎處于所對應(yīng)的反向峰值電壓稱為反向不重復(fù)峰值電壓URSM。反向不重復(fù)峰值電壓值的80％稱為反向重復(fù)峰值電壓URRM。它是對二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。也被定義為二極管的額定電壓URR。再將URRM整化到等于或小于該值的電壓等級，即為元件的額定電壓。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。

1.1.3

功率二極管的主要參數(shù)2）正向平均電壓UF4）反向漏電流IRS和

IRR

對應(yīng)于反向不重復(fù)峰值電壓URSM下的平均漏電流稱為反向不重復(fù)平均電流IRS。對應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓URRM下的平均漏電流稱為反向重復(fù)平均電流IRR，反向最高峰值電流。5）反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr=td+

tf指從二極管正向電流衰減過零開始，到反向電流下降到反向峰值電流的25％（有的約定10％）時(shí)的時(shí)間間隔。6）最高工作頻率fM

主要取決于PN結(jié)電容大小，結(jié)電容愈大，允許的fM愈低。1.1.3

功率二極管的主要參數(shù)結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125~175

C范圍之內(nèi)。8)浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。1.1.3

功率二極管的主要參數(shù)7）最高工作結(jié)溫TJM1.1.4

型號及選擇原則（1）型號規(guī)則普通型大功率二極管型號用ZP表示，其中Z代表整流特性，P為普通型。普通型大功率二極管型號可表示如下：ZP[電流等級]—[電壓等級/100][通態(tài)平均電壓組別]如型號為ZP50—16的大功率二極管表示：普通型大功率二極管，額定電流為50A，額定電壓為1600V。1.1.4

型號及選擇原則（2）額定電流IF的選擇原則（3）額定電壓URRM的選擇原則（4）裝夾及散熱方式根據(jù)器件工藝安裝；散熱方式參照1.8節(jié)1)普通二極管（GeneralPurposeDiode）又稱整流二極管（RectifierDiode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復(fù)時(shí)間較長正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高DATASHEET按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹。1.1.5

功率二極管的主要類型簡稱快速二極管，trr約為50ns～5μs），主要用于高頻逆變器、斬波器、高頻整流器和緩