电力电子器件及电力二极管

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2015-9-8,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,电力电子器件,1,电力电子器件概述,电力电子器件的特征,电力电子器件系统组成,电力电子器件分类,2,1,、电力电子器件的特征,3,一般特征（与信息处理器件比较）表现在以下几个方面：,1)电力电子器件所,能处理电功率的大小,。,2)电力电子器件一般工作于,开关状态,。,3)电力电子器件,需要由信息电子电路控制,。,4)由于耗散功率大，在器件封装时需考虑散热设计及工作时外部,需安装散热器,。,4,2、电力电子应用系统组成,电力电子应用系统或变流电路：,以电力半导体器件为核心，通过不同的电路拓扑和控制方式来实现对电能的转换和控制，。,由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。,图,1-3,电力电子应用系统或变流电路,5,控制电路,通过检测电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。,主电路和控制电路连接的路径上，一般需要进行,电气隔离,，通过其它手段如光、磁等来传递信号。,主电路和控制电路中附加一些,保护电路,，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行。,3,电力电子器件分类,6,6,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,）半可控器件,绝缘栅双极晶体管（,Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT,）,电力场效应晶体管（,PowerMOSFET,）,门极可关断晶闸管（,GTO,）、巨型晶体管,GTR,3,）不控型器件,电力二极管（,Power Diode,）常见的有大功率二极管、快速恢复二极管及肖特基二极管。,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。,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。,晶闸管（,Thyristor,）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,2,）全控型器件,通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。,不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。,7,按电力电子器件的驱动性质,可以将器件分为电压型和电流型器件。,1、电流型器件,必须有足够的驱动电流才能使器件导通，因而一般情况下需要较大的驱动功率，这类器件有SCR、GTR、GTO等。,2、电压型器件,的导通只需要有足够的电压和很小的驱动电流，因而电压型器件只需很小的驱动功率，这类器件有IGBT、MOSFET、MCT等。,按驱动信号类型,脉冲触发,电平触发,8,电力二极管,9,什么是电力二极管,电力二极管与普通二级管的区别,电力二极管的特性,电力二级管的主要参数,电力二级管的主要类型,电力二极管的型号及选择,10,1,什么是电力二极管,以半导体,PN,结为基础,由一个面积较大的,PN,结和两端引线以及封装组成的,额定电流,1,安培，用于整流工作的二极管。,从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装,11,2,电力二极管与普通二级管的区别,正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而,额外 载流子的注入水平较高,，电导调制效应不能忽略,引线和焊接电阻的压降,等都有明显的影响,承受的电流变化率,di/dt,较大，因而其,引线和器件自身的电感效应也会有较大影响,为了提高反向耐压，其,掺杂浓度低,也造成正向压降较大,12,3,电力二极管的特性,伏安特性,开关特性,13,3.1,伏安特性,14,3.2,开关特性,电路二极管在电力电子电路中作为一个开关器件，在,正向偏置,时呈低阻状态，近似于,短路,；在,反向偏置,时，呈高阻状态，反向电流很小，近似于开路。,开关特性,因结电容的存在，二极管工作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，反映了通态和断态之间的转换过程，其特性称为开关特性，,15,3.2,开关特性,PN,结构成的二极管在正向导通时，,PN,结中存储大量的电荷。当电路使二极管换向时，导通时存储的电荷必须全部被抽出，或被中和掉。电荷被抽出的过程就是形成了反向恢复电流,。,16,关断特性,3.2,开关特性,电力二极管的正向压降先出现一个过冲,U,FP,，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,17,开通特性,3.2,开关特性,二极管从低阻转变成高阻或从高阻转变成低阻并不是瞬时完成的，这些转变都要经历一定的过程。二极管从高阻的反向阻断状态转变成低阻的正向导通称为,正向恢复,，从正向导通转变为反向阻断称为,反向恢复,。,18,4,电力二级管的主要参数,19,额定正向平均电流,在指定的管壳温（简称壳温，用,T,C,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。,（,1,）额定正向平均电流,I,F(AV),最大工频正弦半波电流的平均值,20,电力二级,管电流,I,F(AV),21,可求出正弦半波电流的波形系数,:,定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波形系数，用,K,f,表示：,额定电流的选择,有效值,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。,22,指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压）,此电压通常为击穿电压,U,的,2/3,。使用时，往往按照电路中功率二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定,（,3,） 正向压降,F,：,指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压,(,又称管压降,),。,其正向导通流过额定电流时的电压降,U,FR,一般为,1,2V,。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,（,2,）反向重复峰值电压,RRM,：,23,指器件中结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度。,jM,通常在,125,175,范围内。,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,（,4,） 反向漏电流,RR,：,指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，,IRR,受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,（,5,）,最高工作结温,jM,：,24,5,电力二极管的主要类型,1.,普通二极管（,General Purpose Diode,）,用于工频整流的功率二极管又称整流二极管（,Rectifier Diode,）,多用于开关频率不高（,1kHz,以下）的整流电路中,其反向恢复时间较长，一般在,5,s,以上，这在开关频率不高时并不重要,正向定额电流和反向定额电压可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上,25,5,电力二极管的主要类型,2.,快恢复二极管（,Fast Recovery Diode FRD,）,恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（,5,s,以下）的二极管，也简称快速二极管。工艺上多采用了掺金措施,有的采用,PN,结型结构也有的采用改进的,PiN,结构，采用外延型,PiN,结构的的快恢复外延二极管（,Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED,），其反向恢复时间更短（可低于,50ns,），正向压降也很低（,0.9V,左右），但其反向耐压多在,400V,以下,26,5,电力二极管的主要类型,27,3.,肖特基二极管,以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（,Schottky Barrier DiodeSBD,），简称为肖特基二极管,20,世纪,80,年代以来，由于工艺的发展得以在功率电子电路中广泛应用,肖特基二极管的弱点,当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于,200V,以下,反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度,5,电力二极管的主要类型,肖特基二极管的优点,反向恢复时间很短（,1040ns,）,正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲,在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管,其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高,28,6,电力二极管的,型号和选择原则,电力二极管,的型号,29,30,6,电力二极管的,型号和选择原则,电力二极管,的选择,原则,（,1,）选择额定正向平均电流的,原则,在,规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额定电流有效值大于管子在电路中实际可能通过的最大电流有效值 即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有,1.52,倍的安全裕量。计算公式为：,31,6,电力二极管的,型号和选择原则,电力二极管,的选择,原则,（,2,）选择额定电压的原则,选择功率二极管的反向重复峰值电压等级（额定电压）的原则应为管子在所工作的电路中可能承受的最大反向瞬时值电压 的,23,倍，即,32,6,电力二极管的,型号和选择原则,电力二极管,的选择,原则,（,1,）选择额定正向平均电流的,原则,在,规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额定电流有效值大于管子在电路中实际可能通过的最大电流有效值 即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有,1.52,倍的安全裕量。计算公式为：,33,34,