電力電子器件電力二極管.ppt

1、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(yīng)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(lèi) 2.1.4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn),2.1.1電力電子器件的概念與特征,電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件 概念: 主電路（main power circuit）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 電力電子器件（power electronic device）可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件 廣義上分為兩類(lèi): 電真空器件 (汞弧整流器、閘流管等電真空器件) 半導(dǎo)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

2、，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(chǎng)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?yàn)樘幚淼碾姽β瘦^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(kāi)關(guān)狀態(tài)。 導(dǎo)通時(shí)：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(guān)斷時(shí)：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(shí)際應(yīng)用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)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(dǎo)通或關(guān)斷,需要一定的中間電路對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?這部分電路就是驅(qū)動(dòng)電路 (4) 電力電子器件的

3、功率損耗通常遠(yuǎn)大于信息電子器件，為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過(guò)高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。,SF風(fēng)冷式散熱器,SZ SL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(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降,斷態(tài)損耗：,阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過(guò),開(kāi)關(guān)損耗：,開(kāi)通損耗：,在器件開(kāi)通的轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的損耗,關(guān)斷損耗:,在器件關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的損耗,對(duì)某些器件來(lái)講，驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)

4、隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素,2.1.2 應(yīng)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(dòng)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(cè),電路,驅(qū)動(dòng),電路,R,L,主電路,V,1,V,2,電力電子器件在實(shí)際應(yīng)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(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。 有的電力電子系統(tǒng)中，還需要有檢測(cè)電路。廣義上往往其和驅(qū)動(dòng)電路等主電路之外的電路都?xì)w為控制電路，從而粗略地說(shuō)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

5、主電路和控制電路連接的路徑上，如驅(qū)動(dòng)電路與主電路的連接處，或者驅(qū)動(dòng)電路與控制信號(hào)的連接處，以及主電路與檢測(cè)電路的連接處，一般需要進(jìn)行電氣隔離，通過(guò)其它手段如光、磁等來(lái)傳遞信號(hào),由于主電路中往往有電壓和電流的過(guò)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(guò)電壓和過(guò)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(hù)電路，以保證電力電子器件和整個(gè)電力電子系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行，也往往是非常必要的。 器件一般有三個(gè)端子（或稱(chēng)極或管腳），其中兩個(gè)聯(lián)結(jié)在主電路中，而第三端被稱(chēng)為控制端（或控制極）。器件通斷是通過(guò)在其控制端和一個(gè)主電路端子之間加一定的信號(hào)來(lái)控制的，這個(gè)主電路端子是驅(qū)動(dòng)電路和

6、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(lèi),按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，分為以下三類(lèi)：,半控型器件,晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定,通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。,全控型器件,絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT） 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力MOSFET） 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）,通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱(chēng)自關(guān)斷器件。,不可控器件,電力二極管（Power Diode） 只有兩個(gè)端子，器件的通和斷

7、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(hào)來(lái)控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。,按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類(lèi)：,1) 電流驅(qū)動(dòng)型: 通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái) 實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制,電壓驅(qū)動(dòng)型:僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一 定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制,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(lèi)：,1) 單極型器件: 由一種載流子參與導(dǎo)電的器件,2) 雙極型器件: 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的 器件,復(fù)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(lèi)：,從

8、使用角度出發(fā)，主要可從以下五個(gè)方面考查電力半導(dǎo)體器件的性能特點(diǎn)： 導(dǎo)通壓降 運(yùn)行頻率 器件容量 耐沖擊能力 可靠性 此外，諸如控制功率、可串并聯(lián)運(yùn)行的難易程度、價(jià)格等等也是選擇電力半導(dǎo)體器件應(yīng)考慮的因數(shù)。,電力半導(dǎo)體器件發(fā)展水平,在整流管類(lèi)中，快速恢復(fù)二極管將有較大的發(fā)展 在高壓直流輸電中，晶閘管（光控晶閘管）將有很好的發(fā)展機(jī)遇。 在功率晶體管類(lèi)中，以IGBT發(fā)展最為迅速,2.1.4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn),本章內(nèi)容: 介紹各種器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。 然后集中講述電力電子器件的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和串、并聯(lián)使用這三個(gè)問(wèn)題。,學(xué)習(xí)要點(diǎn): 最重要的是掌握其基本特性 掌

9、握電力電子器件的型號(hào)命名法，以及其參數(shù)和特性曲線(xiàn)的使用方法，這是在實(shí)際中正確應(yīng)用電力電子器件的兩個(gè)基本要求 由于電力電子電路的工作特點(diǎn)和具體情況的不同，可能會(huì)對(duì)與電力電子器件用于同一主電路的其它電路元件，如變壓器、電感、電容、電阻等，有不同于普通電路的要求,2.2 不可控器件-電力二極管,Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)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(chǎng)合，具有不可替代的地位。,2.2.1 電力二極管的工作原理和基本特性,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 以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ) 由一個(gè)面積

10、較大的PN結(jié)和兩端引線(xiàn)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，平板型因其與散熱器接觸較好而多用于功率較高的場(chǎng)合（200A以上）,電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào),普通整流管 凹板式 凸板式,普通整流管 螺栓式,交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，到對(duì)方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動(dòng)的雜質(zhì)離子。這些不能移動(dòng)的正、負(fù)電荷稱(chēng)為空間電荷。,空間電荷建立的電場(chǎng)被稱(chēng)為內(nèi)電場(chǎng)或自建電場(chǎng)，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的，另一方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子（對(duì)本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即漂移運(yùn)動(dòng)。,

11、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱(chēng)為空間電荷區(qū)，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱(chēng)為耗盡層、阻擋層或勢(shì)壘區(qū)。,PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài) 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)。 PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài) PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?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。 PN結(jié)的反向擊穿 有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿。,1.2.2 電力二極管的基本特性,1.靜態(tài)特性： 主要指其伏安特性,當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門(mén)檻電壓UTO），正向電流才開(kāi)

12、始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)電力二極管承受反向電壓時(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。,電力二極管的伏安特性,2. 動(dòng)態(tài)特性,主要是講在二極管兩端所加電壓變化時(shí)器件的過(guò)渡過(guò)程 如 ：首先加 正向電壓，然后再加反向電壓，最后再加正向電壓,正向電壓,反向電壓,正向電壓,導(dǎo)通,關(guān)斷,導(dǎo)通,關(guān)斷特性,開(kāi)通特性,電力二極管在開(kāi)通初期會(huì)出現(xiàn) 較高的正向壓降，即在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，且UFP相當(dāng)高。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如 2V）。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱(chēng)為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。,開(kāi)通特性：,關(guān)斷特性：,

13、導(dǎo)通的二極管突然加一個(gè) 反向電壓時(shí)，反向阻斷能力的恢復(fù)也需要一段時(shí)間，可以想到，在空間電荷區(qū)較薄時(shí)，電壓的突然反向，會(huì)使二極管在未恢復(fù)阻斷能力之前，處于短路狀態(tài),在圖中： 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 （普通電力二極管的反向恢復(fù)時(shí)間trr=25S） 恢復(fù)特性的軟度：電流下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值tf /td，或稱(chēng)恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示,1.2.3 電力二極管的主要參數(shù),1. 正向平均電流IF(AV) 額定電流在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱(chēng)殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值,設(shè)該正弦半波電流的峰

14、值為Im, 則,額定電流(平均電流)為:,當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)合時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略 當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小,正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有1.52倍的裕量。,額定電流有效值為:,2. 正向壓降UF 指電力二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降 有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過(guò)某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降 3. 反向重復(fù)峰值電壓URRM 指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓 通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3，是反向不重復(fù)峰值電壓U

15、RSM的80%。 使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的23倍來(lái)選定,4. 最高工作結(jié)溫TJM 結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。 最高工作結(jié)溫是指在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125175C范圍之內(nèi)。 5. 反向恢復(fù)時(shí)間trr trr= td+ tf ，關(guān)斷過(guò)程中，電流降到零起到恢復(fù)反響阻斷能力止的時(shí)間。 6. 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(guò)電流。,1.2.3 電力二極管的主要類(lèi)型,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。 在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合的不同要求選

16、擇不同類(lèi)型的電力二極管。 性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的。,1. 普通二極管（General Purpose Diode） 又稱(chēng)整流二極管（Rectifier Diode） 多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中 其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5s以上，這在開(kāi)關(guān)頻率不高時(shí)并不重要。 正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。,2.快恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD）,恢復(fù)過(guò)程很短特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（5s以下）的二極管，也簡(jiǎn)稱(chēng)快速二極管 工藝上多采用了摻金措施 有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu) 有的采用改進(jìn)的PiN結(jié)構(gòu) 采用外延型

17、PiN結(jié)構(gòu)的的快恢復(fù)外延二極管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下 從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。,快恢復(fù)二極管 230PIV600BAA-44 600V/60A 絕緣銅底板，內(nèi)部是兩只完全獨(dú)立的快恢復(fù)二極管，用兩只模塊可組成600V/60A高速橋堆。用三只模塊可組成600V/90A高速三相整流橋。,單價(jià)18元,3. 肖特基二極管 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱(chēng)為肖特基勢(shì)壘二極管（Schottky Barrier DiodeSBD），簡(jiǎn)稱(chēng)為肖特基二極管 20世紀(jì)80年代以來(lái)，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用,肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn) 反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns） 正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖 在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管