電力電子器件 功率二極管

第一章電力半導體器件1.0電力電子器件概述1.1功率二極管1.2晶閘管1.3可關斷晶閘管(GTO)、電力晶閘管(GTR)1.4功率場效應晶體管、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。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成。電力電子器件（PowerElectronicDevice）

—可直接用于主電路中，實現(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)損耗開關損耗開通損耗關斷損耗通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關頻率較高時，開關損耗可能成為器件功率損耗的主要因素?？刂茦O損耗1.0.2

應用電力電子器件的系統(tǒng)組成

圖

電力電子器件在實際應用中的系統(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、驅動電路、保護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動電路RL主電路V1V2保護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系統(tǒng)正?？煽窟\行電氣隔離導通主電路中電力電子器件關斷檢測電路、驅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用現(xiàn)場信號通過驅動電路控制四川工程職業(yè)技術學院主電路驅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電路

保證電力電子器件和整個電力電子系統(tǒng)正常可靠運行圖

電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅動電路RL主電路V1V2主電路端子之間信號導通關斷電力電子器件控制端主電流端子（公共端）——驅動電路和主電路，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動電路RL主電路V1V2保護電路電力半導體器件是構成電力電子設備的核心，電力電子技術的基礎。作為開關元件的要求：

開關速度快、承受電流/電壓能力大，工作損耗小。理想：截止時—能承受高電壓且漏電流要??；導通時—能流過大電流和很低的管壓降；在開關轉換時，具有短的開、關時間；通態(tài)損耗、斷態(tài)損耗和開關損耗均要小。同時能承受高的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通而不能控制其關斷。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通又可控制其關斷，又稱自關斷器件。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,因此也就不需要驅動電路。二極管VD2.按照門極(柵極)驅動電路信號的性質，分為兩類：電流驅動型

——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。該類器件驅動功率大，驅動電路復雜，工作頻率低。如SCR、GTO、GTR、BJT電壓驅動型

——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。該類器件驅動功率小，驅動電路簡單可靠，工作頻率高。如IGBT、

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

雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件，如二極管、SCR、GTO、BJT復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，其結構和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應用?？旎謴投O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構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。由一個面積較大的PN結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、結構和電氣圖形符號

a)外形b)結構c)電氣圖形符號1.1.1PN結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)正向導通反向截止反向擊穿電流正向、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結的單向導電性這一主要特征。正方向單向導電、反方向阻斷。

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

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

PN結的電容效應：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的電壓。與IF對應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，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-電流特性隨時間變化的

——結電容的存在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)零偏置轉換為正向偏置b)正向偏置轉換為反向偏置延遲時間：td=t1-t0,電流下降時間：tf=t2-t1反向恢復時間：trr=td+

tf恢復特性的軟度：下降時間與延遲時間的比值tf

/td，或稱恢復系數(shù)，用Sr表示。b)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtI須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。關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斷過程：開通過程正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如2V）。正向恢復時間tfr。電流上升率越大，UFP越高。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5(b)關斷過程額定電流——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)熱效應來定義的，使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。在選用大功率二極管時，應按元件允許通過的電流有效值來選取。對應額定電流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。其正向導通流過額定電流時的電壓降UF一般為1～2V。當二極管在規(guī)定的環(huán)境溫度為+40℃和散熱條件下工作時，通過正弦半波電流平均值IFR時，其管芯PN結溫升不超過允許值。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，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：在指定溫度和標準的散熱條件下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流IF時對應的正向壓降，有時亦稱為管壓降。元件發(fā)熱與損耗與UF有關，一般應選用管壓降小的元件以降低元件的導通損耗。3）反向重復峰值電壓URRM在額定結溫條件下，元件反向伏安特性曲線（第Ⅲ象限）急劇拐彎處于所對應的反向峰值電壓稱為反向不重復峰值電壓URSM。反向不重復峰值電壓值的80％稱為反向重復峰值電壓URRM。它是對二極管所能重復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，應當留有兩倍的裕量。

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

對應于反向不重復峰值電壓URSM下的平均漏電流稱為反向不重復平均電流IRS。對應于反向重復峰值電壓URRM下的平均漏電流稱為反向重復平均電流IRR，反向最高峰值電流。5）反向恢復時間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％）時的時間間隔。6）最高工作頻率fM

主要取決于PN結電容大小，結電容愈大，允許的fM愈低。1.1.3

功率二極管的主要參數(shù)結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示。TJM是指在PN結不致?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。8)浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。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）多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復時間較長正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高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