电力电子器件2.2电力二极管.ppt

太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术2.1电力电子器件概述电力电子器件概述2.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征2.1.2应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成2.1.3电力电子器件的分类电力电子器件的分类2.1.4本章内容和学习要点本章内容和学习要点太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术2.1.1电力电子器件的概念与特征电力电子器件的概念与特征 电力电子电路的基础电力电子电路的基础 电力电子器件电力电子器件1.概念概念:主主电电路路（main power circuit）电电气气设设备备或或电电力力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路电电力力电电子子器器件件（power electronic device）可可直直接接用用于于处处理理电电能能的的主主电电路路中中，实实现现电电能能的的变变换换或或控控制制的电子器件的电子器件2.广义上分为两类广义上分为两类:电真空器件电真空器件 (汞弧整流器、闸流管等电真空器件汞弧整流器、闸流管等电真空器件)半导体器件半导体器件 (采用的主要材料仍然是硅采用的主要材料仍然是硅)太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术3.同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：1)由于多用于高电压、大电流工作场合，能处由于多用于高电压、大电流工作场合，能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，成为最重要的参数。成为最重要的参数。2)因为处理的电功率较大，为减小本身的损耗，因为处理的电功率较大，为减小本身的损耗，提高效率，电力电子器件一般都工作在开关提高效率，电力电子器件一般都工作在开关状态。状态。导通时：导通时：器件阻抗很小，接近于短路，管压器件阻抗很小，接近于短路，管压降几乎为降几乎为0，电流由外电路决定，电流由外电路决定 关断时：关断时：器件阻抗很大，接近于断路，电流器件阻抗很大，接近于断路，电流几乎为几乎为0，管子两端的电压由外电路决定。，管子两端的电压由外电路决定。太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术 (3)实实际际应应用用中中，电电力力电电子子器器件件往往往往需需要要由由信信息息电电子子电电路路来来控控制制.但但电电力力电电子子器器件件所所处处理理的的电电功功率率较较大大,一一般般的的信信息息电电子子电电路路不不能能直直接接控控制制电电力力电电子子器器件件的的导导通通或或关关断断,需需要要一一定定的的中中间间电电路路对对这这些些信信号号进进行行适当的放大适当的放大,这部分电路就是驱动电路这部分电路就是驱动电路 (4)电电力力电电子子器器件件的的功功率率损损耗耗通通常常远远大大于于信信息息电电子子器器件件，为为保保证证不不致致于于因因损损耗耗散散发发的的热热量量导导致致器器件件温温度度过过高高而而损损坏坏，不不仅仅在在器器件件封封装装上上讲讲究究散散热热设设计计，在在其工作时一般都要安装散热器。其工作时一般都要安装散热器。太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术SFSF风冷式散热器风冷式散热器SZ SLSZ SL螺旋式散热器螺旋式散热器太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术SSSS水冷式散热器水冷式散热器太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术散热器外形尺寸太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术主主要要损损耗耗通态损耗：通态损耗：导通时器件上有一定的通态压降断态损耗：断态损耗：阻断时器件上有微小的断态漏电流流过开关损耗：开关损耗：开通损耗：开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗关断损耗关断损耗:在器件关断的转换过程中产生的损耗对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态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，开关损耗开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素 太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术2.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成电电力力电电子子系系统统：由控控制制电电路路、驱驱动动电电路路和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2电力电子器件在实际应用中的系统组成太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术控控制制电电路路按按系系统统的的工工作作要要求求形形成成控控制制信信号号，通通过过驱驱动动电电路路去去控控制制主主电电路路中中电电力力电电子子器器件件的的通通或或断断，来来完成整个系统的功能。完成整个系统的功能。有的电力电子系统中，还需要有检测电路。广义上有的电力电子系统中，还需要有检测电路。广义上往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。制电路组成的。主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离，通过其它手段如光、磁等来传递信号离，通过其它手段如光、磁等来传递信号太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术由由于于主主电电路路中中往往往往有有电电压压和和电电流流的的过过冲冲，而而电电力力电电子子器器件件一一般般比比主主电电路路中中普普通通的的元元器器件件要要昂昂贵贵，但但承承受受过过电电压压和和过过电电流流的的能能力力却却要要差差一一些些，因因此此，在在主主电电路路和和控控制制电电路路中中附附加加一一些些保保护护电电路路，以以保保证证电电力力电电子子器器件件和和整整个个电电力力电电子子系系统统正正常常可可靠靠运运行行，也也往往往是非常必要的。往是非常必要的。器器件件一一般般有有三三个个端端子子（或或称称极极或或管管脚脚），其其中中两两个个联联结结在在主主电电路路中中，而而第第三三端端被被称称为为控控制制端端（或或控控制制极极）。器器件件通通断断是是通通过过在在其其控控制制端端和和一一个个主主电电路路端端子子之之间间加加一一定定的的信信号号来来控控制制的的，这这个个主主电电路路端端子子是是驱驱动动电电路路和和主主电电路路的的公公共共端端，一一般般是是主主电电路路电电流流流流出器件的端子。出器件的端子。太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按按照照器器件件能能够够被被控控制制电电路路信信号号所所控控制制的的程程度度，分分为以下三类：为以下三类：1)半控型器件半控型器件晶闸管（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通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。2)全控型器件全控型器件绝 缘 栅 双 极 晶 体 管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）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。太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术3)不可控器件不可控器件电力二极管（Power Diode）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。不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。按按照照驱驱动动电电路路加加在在器器件件控控制制端端和和公公共共端端之之间间信信号的性质，分为两类：号的性质，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 实现导通或者关断的控制2)电压驱动型电压驱动型: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 太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与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：导电的情况分为三类：1)单极型器件单极型器件:由一种载流子参与导电的器件 2)双极型器件双极型器件:由电子和空穴两种载流子参与导电的 器件3)复合型器件复合型器件:由单极型器件和双极型器件集成混合而 成的器件有锗管、硅管等等 按照器件制造材料情况分为两类：按照器件制造材料情况分为两类：太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术从从使使用用角角度度出出发发，主主要要可可从从以以下下五五个个方方面面考考查查电电力力半导体器件的性能特点：半导体器件的性能特点：导通压降导通压降 运行频率运行频率 器件容量器件容量 耐冲击能力耐冲击能力 可靠性可靠性此此外外，诸诸如如控控制制功功率率、可可串串并并联联运运行行的的难难易易程程度度、价格等等也是选择电力半导体器件应考虑的因数。价格等等也是选择电力半导体器件应考虑的因数。太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术电力半导体器件发展水平太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术在在整整流流管管类类中中，快快速速恢恢复复二二极极管管将有较大的发展将有较大的发展在在高高压压直直流流输输电电中中，晶晶闸闸管管（光光控晶闸管）将有很好的发展机遇。控晶闸管）将有很好的发展机遇。在在功功率率晶晶体体管管类类中中，以以IGBTIGBT发发展展最为迅速最为迅速太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术2.1.4本章内容和学习要点本章内容和学习要点v本章内容本章内容:介介绍绍各各种种器器件件的的工工作作原原理理、基基本本特特性性、主主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。然然后后集集中中讲讲述述电电力力电电子子器器件件的的驱驱动动、保保护护和串、并联使用这三个问题。和串、并联使用这三个问题。太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术学习要点学习要点:最重要的是掌握其基本特性最重要的是掌握其基本特性 掌掌握握电电力力电电子子器器件件的的型型号号命命名名法法，以以及及其其参参数数和和特特性性曲曲线线的的使使用用方方法法，这这是是在在实实际际中中正正确确应应用用电电力力电电子子器器件件的的两两个个基基本本要要求求 由由于于电电力力电电子子电电路路的的工工作作特特点点和和具具体体情情况况的的不不同同，可可能能会会对对与与电电力力电电子子器器件件用用于于同同一一主主电电路路的的其其它它电电路路元元件件，如如变变压压器器、电电感感、电电容容、电电阻阻等等，有有不不同同于于普普通通电电路路的要求的要求太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术2.2 不可控器件不可控器件-电力二极管电力二极管 Power Diode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。太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术2.2.1 电力二极管的工作原理和基本特性电力二极管的工作原理和基本特性 基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以半导体PN结为基础由一个面面积积较较大大的的PN结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，平板型因其与散热器接触较好而多用于功率较高的场合（200A以上）太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术普普通通整整流流管管 凹凹板板式式 凸凸板板式式普普通通整整流流管管螺螺栓栓式式太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术 交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷空间电荷。空间电荷建立的电场被称为内电场内电场或自建电场自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动漂移运动。扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层耗尽层、阻挡层阻挡层或势垒区势垒区。太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术PN结的正向导通状态结的正向导通状态 电电导导调调制制效效应应使使得得PN结结在在正正向向电电流流较较大大时时压压降降仍仍然然很很低低，维持在维持在1V左右，所以正向偏置的左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。结表现为低阻态。PN结的反向截止状态结的反向截止状态 PN结的单向导电性。结的单向导电性。二二极极管管的的基基本本原原理理就就在在于于PN结结的的单单向向导导电电性性这这一一主主要要特特征。征。PN结的反向击穿结的反向击穿 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 1.静态特性：静态特性：主要指其伏安特性主要指其伏安特性 当电力二极管承受的正向当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电处于稳定导通状态。与正向电流流IF对应的电力二极管两端的电对应的电力二极管两端的电压压UF即为其正向电压降。当电即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。的反向漏电流。电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术2.动态特性动态特性主要是讲在二极管两端所加电压变化时器件主要是讲在二极管两端所加电压变化时器件的过渡过程的过渡过程如如：首先加：首先加 正向电压，然后再加反向电压，正向电压，然后再加反向电压，最后再加正向电压最后再加正向电压正向电压正向电压反向电压反向电压正向电压正向电压导通导通关断关断导通导通关断特性关断特性开通特性开通特性太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术电电力力二二极极管管在在开开通通初初期期会会出出现现 较较高高的的正正向向压压降降，即即在在一一个个很很短短的的时时间间内内出出现现一一个个过过冲冲UFP，且且UFP相相当当高高。经经过过一一段段时时间间才才趋趋于于接接近近稳稳态态压压降降的的某某个个值值（如如 2V）。这这一一动动态态过过程程时时间间被被称称为为正正向向恢恢复复时时间间tfr。开通特性开通特性：太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术关断特性关断特性：导通的二极管突导通的二极管突然加一个然加一个 反向电反向电压时，反向阻断能压时，反向阻断能力的恢复也需要一力的恢复也需要一段时间，可以想到，段时间，可以想到，在空间电荷区较薄在空间电荷区较薄时，电压的突然反时，电压的突然反向，会使二极管在向，会使二极管在未恢复阻断能力之未恢复阻断能力之前，处于短路状态前，处于短路状态太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术 在图中：在图中：延迟时间：延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间：电流下降时间：tf=t2-t1 反反向向恢恢复复时时间间：trr=td+tf（普普通通电电力力二极管的反向恢复时间二极管的反向恢复时间trr=25S）恢恢复复特特性性的的软软度度：电电流流下下降降时时间间与与延延迟迟时时间间的的比比值值tf/td，或或称称恢恢复复系系数数，用用Sr表示表示太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 1.正向平均电流正向平均电流IF(AV)额额定定电电流流在在指指定定的的管管壳壳温温度度（简简称称壳壳温温，用用TC表表示示）和和散散热热条条件件下下，其其允允许许流流过过的的最最大大工工频频正正弦弦半半波波电电流流的的平平均值均值设该正弦半波电流的峰值为设该正弦半波电流的峰值为Im,则则额定电流额定电流(平均电流平均电流)为为:太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术当用在频率较高的场合时，开关损耗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造成的发热往往不能忽略当采用反向漏电流较大的电力二极管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效应也不小时，其断态损耗造成的发热效应也不小 正向平均电流是按照电流的发热效应来定正向平均电流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，并应留有电流定额，并应留有1.52倍的裕量。倍的裕量。额定电流有效值为额定电流有效值为:太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术2.正向压降正向压降UF指指电电力力二二极极管管在在指指定定温温度度下下，流流过过某某一一指指定定的的稳稳态态正向电流时对应的正向压降正向电流时对应的正向压降有有时时参参数数表表中中也也给给出出在在指指定定温温度度下下流流过过某某一一瞬瞬态态正正向大电流时器件的最大瞬时正向压降向大电流时器件的最大瞬时正向压降3.反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压通通常常是是其其雪雪崩崩击击穿穿电电压压UB的的2/3，是是反反向向不不重重复复峰峰值值电压电压URSM的的80%。使使用用时时，往往往往按按照照电电路路中中电电力力二二极极管管可可能能承承受受的的反反向最高峰值电压的向最高峰值电压的23倍来选定倍来选定 太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术4.最高工作结温最高工作结温TJM结温是指管芯结温是指管芯PN结的平均温度，用结的平均温度，用TJ表示。表示。最最高高工工作作结结温温是是指指在在PN结结不不致致损损坏坏的的前前提提下下所所能能承受的最高平均温度。承受的最高平均温度。TJM通常在通常在125175 C范围之内。范围之内。5.反向恢复时间反向恢复时间trrtrr=td+tf，关关断断过过程程中中，电电流流降降到到零零起起到到恢恢复复反反响阻断能力止的时间。响阻断能力止的时间。6.浪涌电流浪涌电流IFSM指指电电力力二二极极管管所所能能承承受受最最大大的的连连续续一一个个或或几几个个工工频周期的过电流。频周期的过电流。太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术1.2.3 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型 按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术1.普普 通通 二二 极极 管管（General Purpose Diode）又称整流二极管（又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开关频率不高（多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中以下）的整流电路中其其反反向向恢恢复复时时间间较较长长，一一般般在在5 s以以上上，这这在在开开关频率不高时并不重要。关频率不高时并不重要。正正向向电电流流定定额额和和反反向向电电压压定定额额可可以以达达到到很很高高，分分别可达数千安和数千伏以上。别可达数千安和数千伏以上。太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术2.快恢复二极管快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）恢恢复复过过程程很很短短特特别别是是反反向向恢恢复复过过程程很很短短（5 s以以下下）的的二极管，也简称快速二极管二极管，也简称快速二极管工艺上多采用了掺金措施工艺上多采用了掺金措施有的采用有的采用PN结型结构结型结构有的采用改进的有的采用改进的PiN结构结构 采采用用外外延延型型PiN结结构构的的的的快快恢恢复复外外延延二二极极管管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其其反反向向恢恢复复时时间间更更短短（可可低低于于50ns），正正向向压压降降也也很很低低（0.9V左左右右），但但其其反反向向耐耐压压多多在在1200V以下以下从从性性能能上上可可分分为为快快速速恢恢复复和和超超快快速速恢恢复复两两个个等等级级。前前者者反反向向恢恢复复时间为数百纳秒或更长，后者则在时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到以下，甚至达到2030ns。太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术快恢复二极管快恢复二极管230PIV600BAA-44600V/60A 绝缘铜底板，内部是两绝缘铜底板，内部是两只完全独立的快恢复二只完全独立的快恢复二极管，用两只模块可组极管，用两只模块可组成成600V/60A高速桥堆。高速桥堆。用三只模块可组成用三只模块可组成600V/90A高速三相整流高速三相整流桥。桥。单价18元太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术3.肖特基二极管肖特基二极管以以金金属属和和半半导导体体接接触触形形成成的的势势垒垒为为基基础础的的二二极极管管称称为为肖肖特特基基势势垒垒二二极极管管（Schottky Barrier DiodeSBD），简称为肖特基二极管），简称为肖特基二极管20世世纪纪80年年代代以以来来，由由于于工工艺艺的的发发展展得得以以在在电电力力电电子子电路中广泛应用电路中广泛应用肖特基二极管的优点肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（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正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲在在反反向向耐耐压压较较低低的的情情况况下下其其正正向向压压降降也也很很小小，明明显显低低于于快快恢恢复二极管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 太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术肖特基二极管的弱点肖特基二极管的弱点当反向耐压提高时其正向压降也当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于会高得不能满足要求，因此多用于200V以下以下反向漏电流较大且对温度敏感，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必须更严格地限制其工作温度太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术电力二极管的命名电力二极管的命名PZ正向平均电压组别正向平均电压组别反向重复峰值电压等反向重复峰值电压等级（额定电压）级（额定电压）额定正向平均电流系列（额定电流）额定正向平均电流系列（额定电流）普通型普通型整流特性整流特性太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术太原工业学院自动化系2023/5/21电力电子技术总结电力电子电路主要分为那几个部分？电力电子器件分为哪三类？分析电力电子器件时我们主要看哪些指标？静态特性动态特性：平均电流，有效电流，正向压降，反向重复峰值电压，反向恢复时间。