电力二极管优秀课件.ppt

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1、电力二极管第1页，本讲稿共34页1-21.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征1.1.2 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1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类1.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述第2页，本讲稿共34页1-3机械开关、理想开关及半导体开关机械开关、理想开关及半导体开关 电力电子器件是变流装置中的开关设备，在对它讨论之电力电子器件是变流装置中的开关设备，在对它讨论之前，我们先来了解在电力电子设备中为什么使用半导体前，我们先来了解在电力电子设备中为什么使用半导体器件而不是机械开关。

2、器件而不是机械开关。1 1、机械开关、机械开关 机械开关通过使触点接通和断开来使电压和电流导通和关断。机械开关通过使触点接通和断开来使电压和电流导通和关断。由于动作速度慢，在电流较大时，它们的动、静触点之间会产生电由于动作速度慢，在电流较大时，它们的动、静触点之间会产生电弧，电弧既会影响开关的使用寿命，也有一定的危害。弧，电弧既会影响开关的使用寿命，也有一定的危害。机械开关的优点是触点上产生的损耗极小，所以适用于大功率机械开关的优点是触点上产生的损耗极小，所以适用于大功率的开关或切换。的开关或切换。第3页，本讲稿共34页1-42 2、理想开关、理想开关 (1)(1)开关在关断状态时，电路中流过

3、的电流、即漏电流开关在关断状态时，电路中流过的电流、即漏电流 (I Ioffoff)为零。为零。(2)(2)开关在导通状态时，开关的电压开关在导通状态时，开关的电压(V Vonon)为零。为零。(3)(3)开关从导通状态变为关断状态的时间开关从导通状态变为关断状态的时间(t toffoff)，或者从关，或者从关 断状态变为导通状态的时间断状态变为导通状态的时间(t tonon)为零。为零。(4)(4)开关即使是高速、长时间反复导通与关断也不损坏。开关即使是高速、长时间反复导通与关断也不损坏。在图中以电阻负载为例，研究在图中以电阻负载为例，研究理想开关所要求的条件：理想开关所要求的条件：第4页，

4、本讲稿共34页1-5(1)(1)v vonon要小；要小；(2)(2)i ioffoff要小；要小；(3)(3)t tonon、t toffoff要小；要小；(4)(4)尽可能以小信号能够实现导通及关断动作；尽可能以小信号能够实现导通及关断动作；(5)(5)此外，寿命是半永久性的，且体积小，重量轻，价此外，寿命是半永久性的，且体积小，重量轻，价格便宜。格便宜。3 3、半导体开关要求的条件、半导体开关要求的条件第5页，本讲稿共34页1-61 1）概念）概念:电力电子器件电力电子器件（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。主电路（主电路

5、（Main Power Circuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的直接承担电能的变换或控制任务的电路变换或控制任务的电路。1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电力电子器件电力电子器件第6页，本讲稿共34页1-7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。1.1.1 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）同处理信息的电子器件相比的一般特征：）同处理信息的电子器件相比的一般特征：第7页，本讲稿共34页1-

6、8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，开关损耗开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗第8页，本讲稿共34页1-9电力电子系统电力电子系统：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路、保护电路保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成。图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路保护电路驱动电路RL主电路V1V2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1.1.2 应用电力电子器件系

7、统组成应用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路第9页，本讲稿共34页1-10半控型器件（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。全控型器件（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。不可控器件不可控器件(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。1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：第10页，本讲稿共34页1-11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

8、的控制。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。1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 按照驱动电路信号的性质，分为两类：按照驱动电路信号的性质，分为两类：第11页，本讲稿共34页1-12本章内容本章内容:介绍各种器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要参数主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。了解电力电子器件的驱动驱动、保护和串保护和串、并联使用并联使用这三个问题。学习要点学习要点:最重要的是掌握其基本特性基本特性。掌握电力电子器件的型号命名法命名法，以及其参数和特性曲线参数和特性曲线的使用方法的使用方法。1.1.4

9、本章学习内容与学习要点本章学习内容与学习要点第12页，本讲稿共34页1-131.2.1 PN PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管第13页，本讲稿共34页1-14 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。1.2 不可控器件不可控器件电力二极

10、管电力二极管引言引言电力二极管及模块第14页，本讲稿共34页1-15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 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1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK第15页，本讲稿共34页1-16 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。PN结的反向击穿（两种形式

11、)雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 PN结的状态第16页，本讲稿共34页1-17P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。第17页，本讲稿共34页1-18+RE1.PN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被

12、削弱，多子的内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大扩散加强能够形成较大的扩散电流。的扩散电流。第18页，本讲稿共34页1-192.PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被加强，多子内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数漂移加强，但少子数量有限，只能形成较量有限，只能形成较小的反向电流。小的反向电流。RE第19页，本讲稿共34页1-20PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电电容容效效应应，称为结电容结电容CJ，又称为微分电容微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势势垒垒电电容容CB和扩散电容扩散电容CD。电容影响PN结

13、的工作频率，尤其是高速的开关状态。1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 PN结的电容效应：第20页，本讲稿共34页1-21主要指其伏安特性伏安特性门门槛槛电电压压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正正向向电电压压降降UF。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 电力二极管的伏安特性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IOIFUTOUFU第21页，本讲稿共34页1-222)动态特性动态特性 二二极极管管的的电电压压-电电流流特特性性随随时时 间间变化的变化的 结电容

14、的存在结电容的存在1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图1-5 电力二极管的动态过程波形 a)正向偏置转换为反向偏置 b)零偏置转换为正向偏置延迟时间：td=t1-t0,电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。第22页，本讲稿共34页1-23额额定定电电流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。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义

15、的，使用时应按有有效效值值相相等等的的原原则则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。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)第23页，本讲稿共34页1-24电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1.2.304235Im平均值：平均值：；为电压或者电流的周期函数为电压或者电流的周期函数 有效值：有效值：；工频正弦半波：T=2,并且只有一半的波形导通并且只有一半的波形导通第24页，本讲稿共34页1-25电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1.2.304235Im平均值：平均值：有效值：有效值：可见，平均电流可见，平均电流Id和正向平均和正向平

16、均电流电流IF(AV)是不一样的。是不一样的。第25页，本讲稿共34页1-26通过对正弦半波电流的换算可知，正向平均电流通过对正弦半波电流的换算可知，正向平均电流I IF(AV)F(AV)对对应的有效值为应的有效值为1.571.57I IF(AV)F(AV)。例如，如果手册上给出某电力二极管的额定电流例如，如果手册上给出某电力二极管的额定电流I IF(AV)F(AV)为为100A100A，由此得到，由此得到 允许通过正弦半波电流的幅值允许通过正弦半波电流的幅值 。允许通过任意波形的有效值为允许通过任意波形的有效值为157A157A。也就是说，额定电流为也就是说，额定电流为100A100A的二极

17、管可以通过幅值为的二极管可以通过幅值为314A314A的半波正弦电流，可以在全周期内通过任意波形的有效值的半波正弦电流，可以在全周期内通过任意波形的有效值为为157A157A的电流，其功耗发热不超过允许值。的电流，其功耗发热不超过允许值。对有效值相等原则的解释对有效值相等原则的解释第26页，本讲稿共34页1-27国产普通功率二极管的型号规定如下：第27页，本讲稿共34页1-28在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。3）反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。4）反向恢复时间）反向恢复时间trr trr=

18、td+tf1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2）正向压降正向压降UF第28页，本讲稿共34页1-29结温结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125175C范围之内。6)浪涌电流浪涌电流IFSM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。1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数5）最高工作结温）最高工作结温TJM第29页，本讲稿共34页1-30常见国产常见国产ZP系列二极管参数系列二极管参数第30页，本讲稿共34页1-311)普通二极管普通二极管（General Purpose

19、 Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高正向电流定额和反向电压定额可以达到很高按照反向恢复特性的不同介绍。1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型第31页，本讲稿共34页1-32简称快速二极管快恢复外延二极管快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns），UF也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后

20、者则在100ns以下，甚至达到2030ns。1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2)快恢复二极管快恢复二极管 （Fast Recovery DiodeFRD）第32页，本讲稿共34页1-33肖特基二极管的弱点弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点优点反向恢复时间很短（1040ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型3.肖特基二极管肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode SBD）。第33页，本讲稿共34页1-34反向恢复时间反向耐压普通二极管5us数千伏快恢复二极管快速恢复二极管几百ns1200V超快速恢复二极管100ns肖特基二极管1040ns200V电力二极管性能比较电力二极管性能比较第34页，本讲稿共34页