電力電子器件 功率二極管

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1、l 1.0 電力電子器件 概述l 1.1 功率二極管 l 1.2 晶閘管 l 1.3可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力晶閘管(GTR) l 1.4 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極型晶體管 l 1.5 電力電子器件散熱、串并聯(lián)及緩沖保護(hù) l 概念、分類、特征、損耗 1）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。功率變換器即為通常所說的電力電子電路（也稱主電路），它由電力電子器件構(gòu)成。電力電子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 圖1-1 電力電子裝置示意圖 l 2

2、）分類:l電真空器件 (汞弧整流器、閘流管)l半導(dǎo)體器件 (采用的主要材料硅）l目前，除了在大功率高頻微波電路中仍使用真空管（電真空器件）外，其余的電力電子電路均由功率半導(dǎo)體器件組成 能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。 l主要損耗通 態(tài) 損 耗斷 態(tài) 損 耗開 關(guān) 損 耗 開 通 損 耗關(guān) 斷 損 耗通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗可能成為 器件功率損耗的主要因素?？?制 極 損 耗 圖 電 力 電 子 器

3、件 在 實(shí) 際 應(yīng) 用 中 的 系 統(tǒng) 組 成 電力電子電路電力電子電路電 力 電 子 系 統(tǒng)由 控 制 電 路 、 驅(qū)動(dòng) 電 路 、 保 護(hù) 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RL主 電 路V1V2保 護(hù)電 路 在 主 電 路 和 控 制 電 路 中 附 加 一 些 電 路 ， 以 保 證 電 力 電 子 器 件和 整 個(gè) 系 統(tǒng) 正 常 可 靠 運(yùn) 行電 氣 隔 離 導(dǎo)通主電路中電力電子器件關(guān)斷檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路以外的電路控 制 電 路由信息電路組成控制電路主電路電力電子系統(tǒng)檢 測(cè) 電路 檢 測(cè) 主 電 路 或 應(yīng) 用 現(xiàn) 場(chǎng) 信

4、號(hào)通 過 驅(qū) 動(dòng) 電 路控 制 主電路驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)電路控制電路 控制信號(hào)電氣隔離電氣隔離電氣隔離電氣隔離電氣隔離保護(hù)電路 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 圖 電 力 電 子 器 件 在 實(shí) 際 應(yīng) 用 中 的 系 統(tǒng) 組 成控制電路 檢 測(cè)電 路驅(qū) 動(dòng)電 路 RL主 電 路V1V2主電路端子之間信號(hào)導(dǎo)通關(guān)斷電力電子器件控制端主 電 流 端 子 （ 公 共 端 ） 驅(qū) 動(dòng) 電 路 和 主 電 路 ，是 主 電 路 電 流 流 出 電 力 電 子 器 件 的 端 子控制電路檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主 電 路V1V2保 護(hù)電 路 l是構(gòu)成電力電子

5、設(shè)備的核心，電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。l作為開關(guān)元件的要求：l 開關(guān)速度快、承受電流/電壓能力大，工作損耗小。l理想：截止時(shí)能承受高電壓且漏電流要小；l 導(dǎo)通時(shí)能流過大電流和很低的管壓降；l在開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，具有短的開、關(guān)時(shí)間；通態(tài)損耗、斷態(tài)損耗和開關(guān)損耗均要小。同時(shí)能承受高的di/dt和du/dt上升率，以及具有全控功能。 1. 按照電力電子器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度分為以下三類 半控型器件（Thyristor） 通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。普通晶閘管SCR全控型器件（IGBT,MOSFET) 通過控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。 GTO、BJT、功率MO

6、SFET、IGBT等不可控器件(Power Diode ) 不能用控制信號(hào)來控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。二極管VD 電流驅(qū)動(dòng)型 通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。該類器件驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，工作頻率低。如SCR、 GTO、GTR 、BJT電壓驅(qū)動(dòng)型 僅通過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。該類器件驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單可靠，工作頻率高。如IGBT、 P-MOSFET 3.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 ：?jiǎn)?極 型 器 件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件，如

7、功率MOSFET 雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件，如二極管、SCR、GTO、BJT復(fù)合型器件單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件，如IGBT，是電力電子器件發(fā)展方向。 l另外，電力電子器件中：l電壓，電流額定值從高往低的器件是SCR、GTO、IGBT、BJT和功率MOSFET。l工作頻率從高往低的器件是功率MOSFET、IGBT、BJT、GTO和SCR。 功率二極管(Power Diode) ,也常叫整流二極管，其結(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?？旎謴?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。 基

8、本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。圖 1-2 功 率 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)A K A K a) I KA P NJb)c)A K螺旋式 平板式 VD 狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡?、大幾乎為零反向、大電壓維持1V反向、大反向、大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)二 極 管 的 基 本 原 理 就 在 于 PN結(jié) 的 單 向 導(dǎo) 電 性 這 一 主 要 特征 。 正 方 向 單 向 導(dǎo) 電 、 反 方 向

9、阻 斷 。 PN結(jié) 的 反 向 擊 穿 （ 兩 種 形 式 )雪 崩 擊 穿齊 納 擊 穿均 可 能 導(dǎo) 致 熱 擊 穿 PN結(jié) 的 狀 態(tài) PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。電容影響PN結(jié)的工作頻率，尤其是高速的開關(guān)狀態(tài)。 PN結(jié) 的 電 容 效 應(yīng) ： 主要指其伏安特性門坎電壓UT，正向電流IF開始明顯增加所對(duì)應(yīng)的電壓。與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF 。承受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖 1-4 功 率 二 極 管 的 伏 安 特 性I f（ U）

10、1) 靜 態(tài) 特 性正向特性反向特性反向漏電流a) 實(shí)際特性b) 理想特性 2) 動(dòng)態(tài)特性 二極管的電壓-電流特性隨時(shí)間變化的 結(jié)電容的存在a)UFPui iFuFtfr t02V 圖 1-5 功 率 二 極 管 的 動(dòng) 態(tài) 過 程 波 形 a)零 偏 置 轉(zhuǎn) 換 為 正 向 偏 置b)正 向 偏 置 轉(zhuǎn) 換 為 反 向 偏 置 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恢 復(fù) 特 性 的 軟 度 ： 下 降 時(shí) 間 與延 遲 時(shí) 間 的 比 值 tf /td， 或 稱 恢 復(fù)系 數(shù) ， 用 S

11、r表 示 。 b)FUF tF t0 trrtd tft1 t2 tURURPIRP diFdt diRdtI 須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。UFPui iFuFtfr t02V 圖 1-5(b)開 通 過 程 關(guān)斷過 程 ： 開通過 程正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過沖UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如 2V）。正向恢復(fù)時(shí)間tfr。電流上升率越大，UFP越高 。IFUF tF t0 trrtd tft1 t2 tURURPIRPdiFdt diRdt圖 1-5(b)關(guān) 斷 過 程 額定電流在指定的管殼

12、溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。在選用大功率二極管時(shí)，應(yīng)按元件允許通過的電流有效值來選取。對(duì)應(yīng)額定電流IF的有效值為1.57IF。 1) 額 定 正 向 平 均 電 流 IF(AV) 二極管的額定電流IF被定義為其額定發(fā)熱所允許的正弦半波電流平均值。其正向?qū)鬟^額定電流時(shí)的電壓降UF一般為12V。當(dāng)二極管在規(guī)定的環(huán)境溫度為+40和散熱條件下工作時(shí)，通過正弦半波電流平均值IFR時(shí)，其管芯PN結(jié)溫升不超過允許值。若正弦電流的最大值為Im，則額定電流為： FR 01

13、1sin ( )2 m mI I td t I l二極管流過半波正弦電流的平均值為IFR時(shí)，與其發(fā)熱等效的最大允許的全周期均方根正向電流IFrms為： m0 2mFrms 21)()sin(21 ItdtII Frms FR FR1.572I I I 在指定溫度和標(biāo)準(zhǔn)的散熱條件下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流IF時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降，有時(shí)亦稱為管壓降。元件發(fā)熱與損耗與UF有關(guān)，一般應(yīng)選用管壓降小的元件以降低元件的導(dǎo)通損耗。 3） 反向重復(fù)峰值電壓URRM在額定結(jié)溫條件下，元件反向伏安特性曲線（第象限）急劇拐彎處于所對(duì)應(yīng)的反向峰值電壓稱為反向不重復(fù)峰值電壓URSM。反向不重復(fù)峰值電壓值的80稱為反向重

14、復(fù)峰值電壓URRM。它是對(duì)二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。也被定義為二極管的額定電壓U RR。再將URRM整化到等于或小于該值的電壓等級(jí)，即為元件的額定電壓。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。 2） 正 向 平 均 電 壓 UF 4）反向漏電流IRS和 IRR 對(duì)應(yīng)于反向不重復(fù)峰值電壓URSM下的平均漏電流稱為反向不重復(fù)平均電流IRS。 對(duì)應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓URRM下的平均漏電流稱為反向重復(fù)平均電流IRR，反向最高峰值電流。5）反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr= td+ tf指從二極管正向電流衰減過零開始，到反向電流下降到反向峰值電流的25（有的約定10）時(shí)的時(shí)間間隔。6）最高工作頻率f M 主要取

15、決于PN結(jié)電容大小，結(jié)電容愈大，允許的fM愈低。 結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM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)。8) 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)工頻周期的過電流。 7） 最 高 工 作 結(jié) 溫 TJM l（1）型號(hào)規(guī)則l普通型大功率二極管型號(hào)用ZP表示，其中Z代表整流特性，P為普通型。普通型大功率二極管型號(hào)可表示如下：l ZP電流等級(jí)電壓等級(jí)/100通態(tài)平均電壓組別l如型號(hào)為ZP5016的大功率二極管表示：普通型大功率二極管，額定電流為50A，額定電壓為1600V。 l（2）額定電流IF的選

16、擇原則l（3）額定電壓URRM的選擇原則l（4）裝夾及散熱方式l 根據(jù)器件工藝安裝；散熱方式參照1.8節(jié)最大電流有效值其中，DM DMF I II 57.1)25.1(2 3) RRM DMDMU UU其中，最大反向瞬時(shí)值電壓 1) 普通二極管（General Purpose Diode）又稱整流二極管（Rectifier Diode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高DATASHEET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 。 簡(jiǎn)

17、稱快速二極管， trr約為50ns5s），主要用于高頻逆變器、斬波器、高頻整流器和緩沖器。 快速恢復(fù)外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns）， UF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trr為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。DATASHEET 1 2 32) 快 速 恢 復(fù) 二 極 管 （ Fast Recovery DiodeFRD） 肖特基二極管的弱點(diǎn) 1.耐壓較低，反向耐壓提高時(shí)正向壓降會(huì)提高，漏電流較大，多用于200V以下。 2.溫度特性較差，反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(yán)格地限制其工作溫度。肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn) 1.反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns），工作頻率高。 2.正向壓降?。?.30.6V），恢復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過沖。 3.反向耐壓較低時(shí)其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管。 4。效率高，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小3. 肖 特 基 二 極 管 (DATASHEET) 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 為 肖特 基 勢(shì) 壘 二 極 管 （ Schottky Barrier Diode SBD） 。