电力电子器件 功率二极管

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,第一章 电力半导体器件,1.0,电力电子器件 概述,1.1,功率二极管,1.2,晶闸管,1.3,可关断晶闸管,(GTO),、电力晶闸管,(GTR),1.4,功率场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管,1.5,电力电子器件散热、串并联及缓冲保护,1.0,电力电子器件 概述,1.0.1,电力电子器件,概念、分类、特征、损耗,1.0.2,应用电力电子器件的系统组成,1.0.3,电力电子器件的分类,1.0.1,电力电子器件,概念、分类、特征、损耗,1,）概念,:,主电路,（,Main Power Circuit,）,电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。功率变换器即为通常所说的电力电子电路（也称主电路），它由电力电子器件构成。,电力电子器件,（,Power Electronic Device,）,可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。,图,1-1,电力电子装置示意图,1.0.1,电力电子器件,概念、分类、特征、损耗,2,）,分类,:,电真空器件,(,汞弧整流器、闸流管,),半导体器件,(,采用的主要材料硅）,目前，除了在大功率高频微波电路中仍使用真空管（电真空器件）外，其余的电力电子电路均由功率半导体器件组成,3,）同处理信息的电子器件相比的一般特征：,能处理电功率的能力，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。,主要损耗,1.0.1,电力电子器件,概念、分类、特征、损耗,通态损耗,断态损耗,开关损耗,开通损耗,关断损耗,通态损耗,是器件功率损耗的主要成因。,器件开关频率较高时，,开关损耗,可能成为,器件功率损耗的主要因素。,控制极损耗,1.0.2,应用电力电子器件的系统组成,图,电力电子器件在实际应用中的系统组成,电力电子电路,电力电子电路,电力电子系统,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,控,制,电,路,检测电路,驱动电路,R,L,主电路,V,1,V,2,保护电路,在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行,电气隔离,导通,主电路中,电力电子器件,关断,检测电路、驱动电路以外的电路,控制电路,由信息电路组成,控制电路,主电路,电力电子系统,检测电路,检测主电路或应用现场信号,通过驱动电路,控制,四川工程职业技术学院,主电路,驱动电路,检测电路,控制电路,控制信号,电气隔离,电气隔离,电气隔离,电气隔离,电气隔离,保护电路,保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行,图,电力电子器件在实际应用中的系统组成,控,制,电,路,检测,电路,驱动,电路,R,L,主电路,V,1,V,2,主电路端子,之间信号,导通,关断,电力电子器件,控制端,主电流端子（公共端）,驱动电路和主电路，,是主电路电流流出电力电子器件的端子,控,制,电,路,检测电路,驱动电路,R,L,主电路,V,1,V,2,保护电路,电力半导体器件,是构成电力电子设备的核心，电力电子技术的基础。,作为开关元件的,要求,：,开关速度快、承受电流,/,电压能力大，工作损耗小。,理想：,截止时,能承受高电压且漏电流要小；,导通时,能流过大电流和很低的管压降；,在开关转换时，具有短的开、关时间；通态损耗、断态损耗和开关损耗均要小。同时能承受高的,di/dt,和,du/dt,上升率，以及具有全控功能。,1.0.3,电力电子器件的分类,1.,按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度分为以下三类,半控型器件（,Thyristor,）,通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。普通晶闸管,SCR,全控型器件（,IGBT,MOSFET,),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。,GTO,、,BJT,、功率,MOSFET,、,IGBT,等,不可控器件,(Power Diode,),不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。二极管,VD,2.,按照,门极,(,栅极,),驱动电路信号的性质，分为两类：,电流驱动型,通过从控制端注入或者抽出,电流,来实现导通或者关断的控制。该类器件驱动功率大，驱动电路复杂，工作频率低。如,SCR,、,GTO,、,GTR,、,BJT,电压驱动型,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控制。该类器件驱动功率小，驱动电路简单可靠，工作频率高。如,IGBT,、,P-MOSFET,3.,按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：,单极型器件,由一种载流子参与导电的器件，,如,功率,MOSFET,双极型器件,由电子和空穴两种载流子参与导电的器件，如,二极管,、,SCR,、,GTO,、,BJT,复合型器件,单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件，如,IGBT,，,是电力电子器件发展方向。,另外，电力电子器件中：,电压，电流额定值,从高往低的器件是,SCR,、,GTO,、,IGBT,、,BJT,和功率,MOSFET,。,工作频率,从高往低的器件是功率,MOSFET,、,IGBT,、,BJT,、,GTO,和,SCR,。,1.1,功率二极管,1.1.1,PN,结与功率二极管的工作原理,1.1.2,功率二极管的基本特性,1.1.3,功率,二极管的主要参数,1.1.4,功率,二极管的,型号及选择原则,1.1.5,功率二极管的主要类型,功率二极管,(Power Diode),也常叫整流二极管，,其结构和原理简单，工作可靠，自,20,世纪,50,年代初期就获得应用。,快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。,1.1,功率,二极管,不可控器件,功率二极管及模块,基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。,由一个面积较大,的,PN,结和两端引线以及封装组成的。,从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。,图,1-2,功率二极管的外形、结构和电气图形符号,a),外形,b),结构,c),电气图形符号,1.1.1 PN,结与功率二极管的工作原理,A,K,A,K,a),I,K,A,P,N,J,b),c),A,K,螺旋式,平板式,VD,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,二极管的基本原理就在于,PN,结的单向导电性这一主要特征。,正方向单向导电、反方向阻断。,PN,结的反向击穿（两种形式,),雪崩击穿,齐纳击穿,均可能导致热击穿,1.1.1 PN,结与,功率,二极管的工作原理,PN,结的,状态,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,C,J,，,又称为,微分电容,。,结电容按其产生机制和作用的差别分为,势垒电容,C,B,和,扩散电容,C,D,。,电容影响,PN,结的工作频率，尤其是高速的开关状态。,1.1.1 PN,结与,功率,二极管的工作原理,PN,结的电容效应：,1.1.2,功率,二极管的基本特性,主要指其,伏安特性,门坎电压,U,T,，正向电流,I,F,开始明显增加所对应的电压。,与,I,F,对应的电力二极管两端的电压即为其,正向电压降,U,F,。,承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。,图,1-4,功率二极管的伏安特性,I,f,（,U,）,1),静态特性,正向特性,反向特性,反向漏电流,a),实际特性,b),理想特性,2),动态特性,二极管的电压,-,电流特性随时间变化的,结电容的存在,1.1.2,功率,二极管的基本特性,a),U,FP,u,i,i,F,u,F,t,fr,t,0,2V,图,1-5,功率二极管的动态过程波形,a),零偏置转换为正向偏置,b),正向偏置转换为反向偏置,延迟时间：,t,d,=,t,1,-,t,0,电流下降时间：,t,f,=,t,2,-,t,1,反向恢复时间,：,t,rr,=,t,d,+,t,f,恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值,t,f,/,t,d,，,或称恢复系数，,用,S,r,表示。,b),F,U,F,t,F,t,0,t,rr,t,d,t,f,t,1,t,2,t,U,R,U,RP,I,RP,d,i,F,d,t,d,i,R,d,t,I,须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。,关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。,U,FP,u,i,i,F,u,F,t,fr,t,0,2V,图,1-5(b),开通过程,1.1.2,功率,二极管的基本特性,关断,过程,：,开通,过程,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,）。,正向恢复时间,t,fr,。,电流上升率越大，,U,FP,越高。,I,F,U,F,t,F,t,0,t,rr,t,d,t,f,t,1,t,2,t,U,R,U,RP,I,RP,d,i,F,d,t,d,i,R,d,t,图,1-5(b),关断过程,额定电流,在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大,工频正弦半波电流,的平均值,。,I,F(AV),是按照电流的发热效应来定义的，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。,在选用大功率二极管时，应按元件允许通过的电流有效值来选取。对应额定电流,I,F,的有效值为,1.57,I,F,。,1.1.3,功率,二极管的主要参数,1),额定正向平均电流,I,F(AV),二极管的额定电流,I,F,被定义为其额定发热所允许的正弦半波电流平均值。其正向导通流过额定电流时的电压降,U,F,一般为,1,2V,。当二极管在规定的环境温度为,+40,和散热条件下工作时，通过正弦半波电流平均值,I,FR,时，其管芯,PN,结温升不超过允许值。若正弦电流的最大值为,I,m,，则额定电流为：,二极管流过半波正弦电流的平均值为,I,FR,时，与其发热等效的,最大允许的全周期均方根正向电流,I,Frms,为：,在指定温度和,标准的散热条件,下，流过某一指定的稳态正向电流,I,F,时对应的正向压降，,有时亦称为管压降。,元件发热与损耗与,U,F,有关，一般应选用管压降小的元件以降低元件的导通损耗。,3,）,反向重复峰值电压,U,RRM,在额定结温条件下，元件反向伏安特性曲线（第,象限）急剧拐弯处于所对应的反向峰值电压称为,反向不重复峰值电压,U,RSM,。,反向不重复峰值电压值的,80,称为,反向重复峰值电压,U,RRM,。它是,对二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。,也被定义为二极管的额定电压,U,RR,。,再将,U,RRM,整化到等于或小于该值的电压等级，即为元件的额定电压。,使用时，应当留有两倍的裕量。,1.1.3,功率,二极管的主要参数,2,）,正向平均电压,U,F,4,）,反向漏电流,I,RS,和,I,RR,对应于反向不重复峰值电压,U,RSM,下的,平均漏电流,称为,反向不重复平均电流,I,RS,。,对应于反向重复峰值电压,U,RRM,下的,平均漏电流,称为,反向重复平均电流,I,RR,，,反向最高峰值电流。,5,）,反向恢复时间,t,rr,t,rr,=,t,d,+,t,f,指从二极管正向电流衰减过零开始，到反向电流下降到反向峰值电流的,25,（有的约定,10,）时的时间间隔。,6,）,最高工作频率,f,M,主要取决于,PN,结,电容大小,，,结电容愈大，允许的,f,M,愈低。,1.1.3,功率,二极管的主要参数,结温,是指管,芯,PN,结的平均温度，用,T,J,表示。,T,JM,是指在,PN,结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。,T,JM,通常在,125175,C,范围之内。,8),浪涌电流,I,FSM,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。,1.1.3,功率,二极管的主要参数,7,）最高工