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第一章:电力电子器件二极管

时间:2012-04-18


第一章
引 言

电力电子器件

1.1 电力电子器件概述 不可控器件——电力二极管 1.2 不可控器件——电力二极管 半控型器件——晶闸管 1.3 半控型器件——晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用 小 结

第一章

电力电子器件

器件是学习电路的基础: ★ 器件是学习电路的基础: 本章学习电力电子器件的概念、 本章学习电力电子器件的概念、特点和分类等问题
★ 学习各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性; 学习各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性;

主要参数以及使用选择和使用中应注意的一些问题。 主要参数以及使用选择和使用中应注意的一些问题。

§1.1 电力电子器件概述
1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 电力电子器件的概念和特征 应用电力电子器件的系统组成 电力电子器件的分类 本章内容和学习要点

§1.1 电力电子器件概述
§1.1.1 电力电子器件的概念和特征

控 制 电 路

检测 电路

V1

L R

驱动 电路

V2 主电路

一.主电路(main power circuit) circuit)
电气设备或电力系统中, 电气设备或电力系统中,承担电能的变换或控制任务的电路

二.电力电子器件(power electronic device) device)
在主电路中,实现电能的变换或控制的电子器件(半导体) 在主电路中,实现电能的变换或控制的电子器件(半导体)

三.电力电子器件的一般特征(同处理信息的电子器件相比) 同处理信息的电子器件相比)
1.承受电压和电流的能力是最重要的参数:功率从 mW~MW; mW~MW; 承受电压和电流的能力是最重要的参数: 2.一般都工作在开关状态: 一般都工作在开关状态:
● ● ●

通态阻抗很小,近似短路,管压降接近于零,电流由外电路决定; 通态阻抗很小,近似短路,管压降接近于零,电流由外电路决定; 断态阻抗很大,近似断路,电流几乎为零,管压降由外电路决定; 断态阻抗很大,近似断路,电流几乎为零,管压降由外电路决定; 作电路分析时, 作电路分析时,为简单起见可用 理想开关来代替; 理想开关来代替;

3.器件的动态特性(开关特性)和参数,也是非常重要的。 器件的动态特性(开关特性)和参数,也是非常重要的。 4.实用中,器件需要由信息电子电路来控制: 实用中,器件需要由信息电子电路来控制: 因此, 因此,在主电路和控制电路之间需要一定的中间电路对控制电路 的信号进行放大,这就是电力电子器件的驱动电路 的信号进行放大,这就是电力电子器件的驱动电路。 电力电子器件的驱动电路。 6.应注意器件的保护: 应注意器件的保护:
● ●

过电压保护; 过电压保护; 对电流上升率di/dt和电压上升率dv/dt的限制。 对电流上升率di/dt和电压上升率dv/dt的限制。 di/dt和电压上升率dv/dt的限制

三.电力电子器件的一般特征(同处理信息的电子器件相比) 同处理信息的电子器件相比)
6.使用时要注意的过热保护: 使用时要注意的过热保护:
● ● ● ● ●

导通时器件上有一定的压降,形成:通态损耗; 导通时器件上有一定的压降,形成:通态损耗; 阻断时器件上有微小的断态漏电流流过,形成:断态损耗; 阻断时器件上有微小的断态漏电流流过,形成:断态损耗; 在开通或关断过程中产生的开通、关断损耗,总称:开关损耗; 在开通或关断过程中产生的开通、关断损耗,总称:开关损耗; 对某些器件来讲,驱动电路向其注入的功率也造成器件的发热; 对某些器件来讲,驱动电路向其注入的功率也造成器件的发热; 通常器件的断态漏电流极小, 通常器件的断态漏电流极小,因而通态损耗是器件功率损耗的 主要成因; 主要成因;



器件工作频率较高时,开关损耗随之增大成为: 器件工作频率较高时,开关损耗随之增大成为:器件功率损耗 的主要因素



损耗散发的热量会导致器件温度过高而损坏:为保证器件安全, 损耗散发的热量会导致器件温度过高而损坏:为保证器件安全, 除在器件封装上考虑散热设计外,应用一般都要安装散热器。 除在器件封装上考虑散热设计外,应用一般都要安装散热器。

§1.1 电力电子器件概述
§1.1.2 应用电力电子器件组成的电力电子系统
1.是由控制、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路所组成 是由控制、
检测 电路

控 制 电 路

V1

L R

驱动 电路

V2 主电路

图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成 ★ 控制电路:按系统的工作要求形成控制信号,通过驱动电路去 控制电路:按系统的工作要求形成控制信号,

控制主电路中器件的通或断,来完成整个系统的功能。 控制主电路中器件的通或断,来完成整个系统的功能。
★ 检测电路:有的电力电子系统中,还需要有检测主电路或现场 检测电路:有的电力电子系统中,

的信号,根据此信号并按系统要求来形成控制信号。 的信号,根据此信号并按系统要求来形成控制信号。

§1.1.2 应用电力电子器件组成的电力电子系统
2.通常把除主电路之外的电路都归为控制电路,因此可以说: 通常把除主电路之外的电路都归为控制电路,因此可以说: 电力电子系统是由主电路和控制电路所组成; 电力电子系统是由主电路和控制电路所组成; 3.在主电路和控制电路连接的路径上要进行电气隔离: 在主电路和控制电路连接的路径上要进行电气隔离: 如在驱动电路与主电路、驱动电路与控制信号、主电路与检测电 如在驱动电路与主电路、驱动电路与控制信号、 路的连接处进行电气隔离,一般采用光电或、磁电隔离技术; 路的连接处进行电气隔离,一般采用光电或、磁电隔离技术; 光电或 4.主电路和控制电路中需要附加保护电路:以保证电力电子器件和 主电路和控制电路中需要附加保护电路: 整个电力电子系统可靠运行。 整个电力电子系统可靠运行。 器件的端子:一般有三个端子( 管角) 5.器件的端子:一般有三个端子(极、管角)
● ● ●

两个端子联结在主电路中, 两个端子联结在主电路中,第3端被称为控制端(控制极); 端被称为控制端(控制极) 控制信号加在控制端和一个主电路端子之间控制器件的通断; 控制信号加在控制端和一个主电路端子之间控制器件的通断; 连接驱动电路和主电路的端子称:公共端, 是电流的流出端。 连接驱动电路和主电路的端子称:公共端,他是电流的流出端。

§1.1.3 电力电子器件的分类 一.按照器件被控制电路信号所控制的程度分为以下三类:
1.不可控器件——不能用控制信号来控制其通断: 不可控器件——不能用控制信号来控制其通断: 不能用控制信号来控制其通断 电力二极管( 电力二极管(Power Diode ) 2.半控型器件__控制信号可以控制其导通而不能控制其关断: 半控型器件__控制信号可以控制其导通而不能控制其关断: __控制信号可以控制其导通而不能控制其关断 晶闸管(Thyristor) 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 3.全控型器件——控制信号既可控制其导通又可控制其关断: 全控型器件——控制信号既可控制其导通又可控制其关断 控制信号既可控制其导通又可控制其关断:
● ● ●

电力晶体管( 电力晶体管(GTR) 绝缘栅双极晶体管(IGBT) 绝缘栅双极晶体管(IGBT) 电力场效应晶体管(简称为电力MOSFET 电力场效应晶体管(简称为电力MOSFET) MOSFET)

§1.1.3 电力电子器件的分类 二.以加在器件上的驱动信号性质分为两类:
1.电流驱动型: 电流驱动型: 通过从控制端注入或者抽出电流来实现器件的导通或者关断; 通过从控制端注入或者抽出电流来实现器件的导通或者关断; 2.电压驱动型: 电压驱动型: 通过在控制端施加一定的电压信号实现器件的导通或者关断; 通过在控制端施加一定的电压信号实现器件的导通或者关断;

三.按器件内部两种载流子参与导电的情况分为三类: 按器件内部两种载流子参与导电的情况分为三类:
1.单极型器件:由一种载流子参与导电的器件; 单极型器件:由一种载流子参与导电的器件; 双极型器件:由电子和空穴两种载流子参与导电的器件; 2.双极型器件:由电子和空穴两种载流子参与导电的器件; 3.复合型器件:由单极型和双极型器件集成混合而成的器件。 复合型器件:由单极型和双极型器件集成混合而成的器件。

§1.1.4 本章内容和学习要点
★ 各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中 各种器件的工作原理、基本特性、 应注意的一些问题 ★ 器件的驱动、保护和串、并联使用 器件的驱动、保护和串、 ★ 要掌握电力电子器件的基本特性:静态特性和动态特性 要掌握电力电子器件的基本特性: ★ 掌握电力电子器件的参数和特性曲线的意义及使用方法: 掌握电力电子器件的参数和特性曲线的意义及使用方法: 这是在实际中正确应用电力电子器件的两个基本要求。 这是在实际中正确应用电力电子器件的两个基本要求。 ★ 由于电力电子电路的工作特点和具体情况的不同,在主电路中 由于电力电子电路的工作特点和具体情况的不同, 的其它电路元件,如变压器、电感、电容、电阻等, 的其它电路元件,如变压器、电感、电容、电阻等,可能会有 不同于普通电路的要求

§1.2
§1.2.1

不可控器件——电力二极管 不可控器件——电力二极管

PN 结与电力二极管的工作原理

★ 结构简单、工作可靠,在整流、逆变电路中广泛应用; 结构简单、工作可靠,在整流、逆变电路中广泛应用; ★ 工作原理:与普通的二极管一样以半导体PN结为基础; 工作原理:与普通的二极管一样以半导体PN结为基础; PN结为基础 ★ 外形:主要有螺栓型和平板型两种封装 外形:

I A A K P J b) A A a) c) K N K

K

图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 电力二极管的外形、 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号

不可控器件—电力二极管 §1.2 不可控器件 电力二极管
§1.2.1 PN 结与电力二极管的工作原理

★ 造成电力二极管和普通二极管区别的一些因素: 造成电力二极管和普通二极管区别的一些因素:


在高频电路中, 在高频电路中,PN 结电容 Cj 对其工作性能会造成影响, 对其工作性能会造成影响, 使单向导电性变差; 使单向导电性变差;



电流密度大时, 电流密度大时,引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响 其压降在 1V 以上; 以上;

● ●

为了提高反向耐压,其掺杂浓度低也造成正向压降较大; 为了提高反向耐压,其掺杂浓度低也造成正向压降较大; 在使用中承受的电流变化率di/dt较大 在使用中承受的电流变化率di/dt较大,因而其引线和器件 承受的电流变化率di/dt较大, 自身的电感效应也会有较大影响。 自身的电感效应也会有较大影响。

不可控器件—电力二极管 §1.2 不可控器件 电力二极管 §1.2.2 电力二极管的基本特性 一、静特性
I IF

门槛电压 UTO 正向电流 IF 正向压降 UF 反向击穿电压 UB

UB

URRM
O UTO UF U

图1 - 4

电力二极管的伏安特性

不可控器件—电力二极管 §1.2 不可控器件 电力二极管
§1.2.2 电力二极管的基本特性(静特性) 电力二极管的基本特性(静特性)
一.静特性 主要指其伏安特性: 主要指其伏安特性: 电力二极管的偏置状态:正向偏置、零偏置、 电力二极管的偏置状态:正向偏置、零偏置、反向偏置


当电力二极管承受的正向电压大到一定值(门槛电压U 当电力二极管承受的正向电压大到一定值(门槛电压UTO), 正向电流才开始明显增加,处于稳定导通状态; 正向电流才开始明显增加,处于稳定导通状态;

● ●

与正向电流 IF 对应的电力二极管两端的电压 即为其正向压降UF ; 即为其正向压降U 当电力二极管承受反向电压时(反偏) 当电力二极管承受反向电压时(反偏),只有少子引起的微小而 数值恒定的反向漏电流。 数值恒定的反向漏电流。



但反向电压过大,达到反向击穿电压U 但反向电压过大,达到反向击穿电压UB时,反向漏电流会急剧 增大。 增大。

§1.2.2 电力二极管的基本特性(动态特性) 电力二极管的基本特性(动态特性)
二.动态特性即开关特性: 动态特性即开关特性: 即开关特性 因结电容的存在, 因结电容的存在,器件在三种状态之间的转换必然有一个过渡 过程,此过程中的电压—电流特性随时间变化。称为开关特性, 过程,此过程中的电压—电流特性随时间变化。称为开关特性, 它反映通态和断态之间的转换过程。 它反映通态和断态之间的转换过程。
IF UF tF t 0 diF dt td t1 diR dt IRP URP trr tf t2 UR t 2V 0 uF tfr t u i UFP

iF

图1 - 5

电力二极管的动态过程波形
b) 零偏置转换为正向偏置

a) 正向偏置转换为反向偏置

§1.2.2
1.关断过程: 关断过程:
● ●

电力二极管的基本特性(动态特性) 电力二极管的基本特性(动态特性)

须经过一段短暂的时间才能获得反向阻断能力,进入截止状态; 须经过一段短暂的时间才能获得反向阻断能力,进入截止状态; 关断之前有较大的反向电流出现,并有明显的反向电压过冲; 关断之前有较大的反向电流出现,并有明显的反向电压过冲;

2.开通过程: 开通过程:


正向压降先出现一个过冲电压UFP,经过一段时间才趋于接近 稳态压降的某值( 稳态压降的某值(如 2V)。这一动态过程时间被称为: 这一动态过程时间被称为: 正向恢复时间tfr;



电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子, 电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子,达到稳态 导通前管压降较大; 导通前管压降较大;



正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大管压降。 正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大管压降。电流 上升率越大, 上升率越大,过冲电压UFP越高。 越高。

§1.2.2 电力二极管的基本特性(动态特性) 电力二极管的基本特性(动态特性)
IF UF tF t0 diF dt td t1 diR dt IRP URP
反向恢复时间:trr= td+ tf 过冲电压:UFP

trr tf t2

延迟时间:td= t1- t0

u i UFP

iF
正向恢复时间t 正向恢复时间tfr

UR

t 2V

uF tfr t

电流下降时间:tf= t2- t1

0

关断过程

开通过程

tF:外加电压改变时刻 t0:电流下降为零时刻,此时不能恢复反向阻断能力。 电流下降为零时刻 此时不能恢复反向阻断能力。 时刻, t1 :反向电流达最大值时刻,此后反向电流迅速下降,产生反向过冲电压。 反向电流达最大值时刻 此后反向电流迅速下降, 时刻, t2 :电流变化率接近零时刻,恢复对反向电压阻断 电流变化率接近零时刻 时刻,

§1.2.3 电力二极管的主要参数
1. 正向平均电流IF(AV) 额定电流:在指定管壳温度(壳温, 表示)和散热条件下, 额定电流:在指定管壳温度(壳温,用TC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 ★ 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 正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的, 按照电流的发热效应来定义的 有效值相等的原则来选取电流定额,并应留有一定的裕量。 有效值相等的原则来选取电流定额,并应留有一定的裕量。 ★ 当采用反向漏电流较大的电力二极管时,其断态损耗造成的发热 当采用反向漏电流较大的电力二极管时, 效应也不小,不能忽视。 效应也不小,不能忽视。

i
Im π I F(AV)
0


ωt

§1.2.3 电力二极管的主要参数
正向平均电流 IF(AV) 的计算: 的计算:

I F ( AV )
电流有效值 I 的计算: 的计算:

1 = 2π
π



π

0

I m sin ωtd (ωt ) =

Im

π

I=

1 2π



0

Im ( I m sin ωt ) d (ωt ) = 2
2

结论: I F ( AV 结论:
i
Im 0

)

=

1 I 1 . 57

I F(AV)

π



ωt

§1.2.3 电力二极管的主要参数
2.正向压降UF 正向压降U 指器件在指定温度下, :指器件在指定温度下,流过某一指定的稳态正向

电流时所对应的正向压降 3.反向重复峰值电压URRM:对器件所能重复施加的反向最高峰值 反向重复峰值电压URRM: 电压,通常是其雪崩击穿电压U 电压,通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。使用时,往往按照电路 使用时, 中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定 。 4. 最高工作结温TJM:结温是指管芯PN结的平均温度,用TJ表示 最高工作结温T 结温是指管芯PN结的平均温度, PN结的平均温度 TJM是指在PN结不损坏的前提下所能承受的最高平均温度,TJM 是指在PN结不损坏的前提下所能承受的最高平均温度 结不损坏的前提下所能承受的最高平均温度, 通常在125~175° 通常在125~175°C范围之内 5. 反向恢复时间trr :trr= td+ tf 反向恢复时间t 关断过程中,电流降到0 关断过程中,电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间 6. 浪涌电流IFSM 浪涌电流I 指器件所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流

§1.2.4

电力二极管的主要类型

1. 普通二极管(整流二极管) 普通二极管(整流二极管) 多用于开关频率不高于1kHz的整流电路中 的整流电路中; ● 多用于开关频率不高于1kHz的整流电路中; 其反向恢复时间较长, 以上; ● 其反向恢复时间较长,一般在 5?s 以上; 正向定额电流可达数千安、反向电压定额在数千伏以上; ● 正向定额电流可达数千安、反向电压定额在数千伏以上; 2. 快恢复二极管
● ●

反向恢复过程在 5?s 以下的二极管,也简称快速二极管; 以下的二极管,也简称快速二极管; 从性能上又可分为快速恢复和超快速恢复两个等级: 从性能上又可分为快速恢复和超快速恢复两个等级: 快速恢复反向恢复时间为数百纳秒或更长; 快速恢复反向恢复时间为数百纳秒或更长; 超快速恢复则在 100ns 以下,甚至达到 20~30ns; 100ns 以下, 20~30ns;



但其反向耐压多在400 以下; 但其反向耐压多在400V以下; 400V

3. 肖特基二极管
● ●

反向恢复时间更短(10~40ns) 反向恢复时间更短(10~40ns) 反向耐压200V 反向耐压200V以下


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