第二章電力電子器件電力二極管

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（mainpowercircuit）——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（powerelectronicdevice）——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，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SZSL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)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RL主電路V1V2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?？煽窟\(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-GateBipolarTransistor——IGBT）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（PowerDiode）只有兩個(gè)端子，器件的通和斷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)：從使結(jié)用角駐度出雞發(fā)，震主要蔽可從命以下視五個(gè)情方面奏考查棋電力撇半導(dǎo)臘體器奪件的鈔性能凳特點(diǎn)損：導(dǎo)通兔壓降運(yùn)行鏈頻率器件翁容量耐沖膊擊能痛力可靠凳性此外犁，諸故如控膚制功倦率、鵲可串交并聯(lián)乒運(yùn)行親的難堂易程組度、刮價(jià)格權(quán)等等姻也是把選擇勝電力并半導(dǎo)墻體器民件應(yīng)鍵考慮石的因揮數(shù)。電力菠半導(dǎo)簡(jiǎn)體器銷(xiāo)件發(fā)準(zhǔn)展水料平在整后流管番類(lèi)中洲，快摩速恢裂復(fù)二惠極管合將有幕較大以的發(fā)容展在高乖壓直辟流輸那電中京，晶震閘管慮（光嘉控晶伍閘管酸）將衛(wèi)有很緞好的雖發(fā)展狂機(jī)遇基。在功睜率晶鑰體管跌類(lèi)中狡，以IG桶BT發(fā)展芝最為蔽迅速2.川1.攜4本章沿內(nèi)容雪和學(xué)規(guī)習(xí)要哨點(diǎn)本章耽內(nèi)容:介紹虛各種址器件好的工私作原違理、仗基本爬特性望、主趕要參略數(shù)以扒及選種擇和去使用淺中應(yīng)描注意城的一蠅些問(wèn)況題。然后隊(duì)集中閃講述搶電力域電子治器件手的驅(qū)蒜動(dòng)、侵保護(hù)游和串涉、并遞聯(lián)使嶺用這車(chē)三個(gè)裳問(wèn)題把。學(xué)習(xí)籌要點(diǎn):最重摔要的窩是掌叨握其智基本網(wǎng)特性掌握乏電力環(huán)電子桃器件脅的型選號(hào)命獨(dú)名法啞，以往及其商參數(shù)浸和特淺性曲喚線的軌使用刷方法劫，這申是在反實(shí)際抗中正額確應(yīng)臺(tái)用電詞力電飲子器考件的療兩個(gè)延基本演要求由于欺電力約電子后電路石的工誕作特火點(diǎn)和掘具體朱情況旨的不悼同，翅可能航會(huì)對(duì)誼與電掛力電截子器紹件用新于同勿一主孕電路章的其牌它電河路元榴件，鼓如變泰壓器槽、電祖感、草電容侮、電幕阻等扎，有卻不同斤于普壺通電溪路的決要求2.膨2不可陵控器灑件--鏈--落-電力王二極臂管Po鎮(zhèn)we利r具Di該od丈e結(jié)構(gòu)呼和原規(guī)理簡(jiǎn)撒單，及工作恥可靠千，自20世紀(jì)50年代郵初期倚就獲邀得應(yīng)耗用?？旎挚貜?fù)二宮極管會(huì)和肖孤特基銳二極查管，溜分別面在遭中、修高頻股整流既和逆倘變，提以及辮低壓雪高頻強(qiáng)整流揭的場(chǎng)舟合，英具有濫不可佳替代覺(jué)的地宿位。2.怕2.民1電力遣二極酷管的寫(xiě)工作錦原理跑和基誼本特莖性基本醫(yī)結(jié)構(gòu)業(yè)和工誓作原溉理與搶信息壘電子彩電路青中的陪二極傭管一謙樣以半葬導(dǎo)體PN結(jié)為漁基礎(chǔ)由一帥個(gè)面積扔較大煩的PN結(jié)和兩稿端引財(cái)線以槽及封消裝組遲成的從外務(wù)形上皂看，沉主要評(píng)有螺好栓型遷和平掀板型稱(chēng)兩種甘封裝特，平意板型奸因其袖與散葬熱器榨接觸鹽較好列而多臺(tái)用于壤功率愛(ài)較高蟻的場(chǎng)盞合（20肢0A以上型）電力耽二極腿管的條外形慈、結(jié)劉構(gòu)和敗電氣保圖形丸符號(hào)a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣讓圖形每符號(hào)普通槳整流胸管撈凹耐板式良凸板鏡式普通壁整流駕管螺栓巖式交界澇處電客子和箏空穴疼的濃庸度差揉別，浙造成戲了各陰區(qū)的株多子沸向另士一區(qū)猶的擴(kuò)散臨運(yùn)動(dòng)，到滔對(duì)方黑區(qū)內(nèi)唱成為貴少子皺，在晃界面艘兩側(cè)孝分別嶼留下沿了帶寬正、較負(fù)電蘇荷但綱不能喂任意筒移動(dòng)徹的雜作質(zhì)離集子。漠這些距不能亮移動(dòng)謠的正腹、負(fù)沫電荷泡稱(chēng)為空間牌電荷?？臻g抵電荷輝建立買(mǎi)的電絮場(chǎng)被雷稱(chēng)為內(nèi)電柴場(chǎng)或自建傍電場(chǎng)，其癥方向藝是阻零止擴(kuò)的散運(yùn)件動(dòng)的梁，另束一方佛面又混吸引什對(duì)方端區(qū)內(nèi)得的少往子（肉對(duì)本完區(qū)而霸言則熟為多監(jiān)子）王向本欺區(qū)運(yùn)驕動(dòng)，熄即漂移某運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散靠運(yùn)動(dòng)角和漂銹移運(yùn)宵動(dòng)最割終達(dá)紫到動(dòng)熔態(tài)平即衡，徑正、府負(fù)空吐間電團(tuán)荷量生達(dá)到墻穩(wěn)定廳值，喚形成慎了一匪個(gè)穩(wěn)供定的影由空膽間電鑒荷構(gòu)宅成的蔑范圍頓，被牛稱(chēng)為空間腥電荷撲區(qū)，按哀所強(qiáng)狠調(diào)的賣(mài)角度緩不同于也被濾稱(chēng)為耗盡蔥層、阻擋枝層或勢(shì)壘箏區(qū)。PN結(jié)的檔正向羊?qū)ㄋ顟B(tài)電導(dǎo)鎖調(diào)制湯效應(yīng)訂使得PN結(jié)在慌正向常電流吊較大求時(shí)壓肥降仍辰然很慕低，違維持林在1V左右膛，所升以正之向偏近置的PN結(jié)表瀉現(xiàn)為拴低阻鄙態(tài)。PN結(jié)的城反向傻截止早狀態(tài)PN結(jié)的趁單向梯導(dǎo)電列性。二極件管的溝基本特原理暈就在柴于PN結(jié)的指單向富導(dǎo)電莖性這糊一主捉要特帳征。PN結(jié)的疲反向債擊穿有雪態(tài)崩擊勉穿和絹齊納商擊穿員兩種擊形式刺，可墓能導(dǎo)兩致熱澇擊穿曬。1.古2.油2電力夜二極奪管的爐基本艘特性1.靜態(tài)乞特性孟：主要擇指其筍伏安丈特性當(dāng)電壁力二桃極管感承受謙的正壤向電沸壓大捉到一川定值閣（門(mén)升檻電藥壓UTO），露正向婆電流贈(zèng)才開(kāi)孟始明覆顯增輪加，拾處于勝穩(wěn)定瞧導(dǎo)通俗狀態(tài)封。與多正向場(chǎng)電流IF對(duì)應(yīng)巷的電籮力二役極管寺兩端城的電拒壓UF即為含其正度向電抬壓降擋。當(dāng)規(guī)電力咳二極功管承要受反丈向電熟壓時(shí)癢，只瘋有少威子引脖起的伶微小湯而數(shù)鈔值恒冷定的初反向挨漏電洪流。電力曠二極籌管的另伏安悲特性2.動(dòng)態(tài)筋特性主要膏是講順在二方極管萄兩端句所加宮電壓播變化狀時(shí)器修件的亦過(guò)渡茄過(guò)程如者：首警先加掩正乳向電臉壓，獸然后風(fēng)再加貴反向石電壓扔，最具后再創(chuàng)加正偏向電炭壓正向敗電壓反向真電壓正向熱電壓導(dǎo)通關(guān)斷導(dǎo)通關(guān)斷具特性開(kāi)通制特性電力蛇二極套管在燭開(kāi)通崗初期摸會(huì)出過(guò)現(xiàn)送較高萄的正臉向壓朽降，昏即在踐一個(gè)情很短鬧的時(shí)紡間內(nèi)滑出現(xiàn)刻一個(gè)灶過(guò)沖UFP，且UFP相當(dāng)唇高。頂經(jīng)過(guò)散一段析時(shí)間魚(yú)才趨施于接云近穩(wěn)挎態(tài)壓蓋降的創(chuàng)某個(gè)桶值（統(tǒng)如2V）。垮這一墳動(dòng)態(tài)島過(guò)程勺時(shí)間爬被稱(chēng)樸為正憶向恢派復(fù)時(shí)嗎間tfr。開(kāi)通旨特性：關(guān)斷蠻特性：導(dǎo)通肉的二速極管外突然見(jiàn)加一茶個(gè)泛反向纖電壓遙時(shí)，沃反向院阻斷家能力經(jīng)的恢匹復(fù)也菠需要驅(qū)一段散時(shí)間乒，可鳳以想紗到，鑰在空退間電痛荷區(qū)電較薄這時(shí)，番電壓公的突兔然反受向，嘆會(huì)使湖二極敘管在竄未恢參復(fù)阻舍斷能靜力之榨前，右處于迫短路厘狀態(tài)在圖亂中：延遲區(qū)時(shí)間劍：td=元t1-戀t0電流尼下降覆時(shí)間貼：tf=麥t2-歌t1反向底恢復(fù)羅時(shí)間灘：trr=刺td+詢tf（普渴通電搬力二例極管易的反餃向恢瞧復(fù)時(shí)計(jì)間trr=2主~5μS）恢復(fù)諒特性籠的軟蛙度：渠電流熔下降訴時(shí)間蛾與延囑遲時(shí)火間的透比值tf/td，或魂稱(chēng)恢準(zhǔn)復(fù)系目數(shù)，槽用Sr表示1.屋2.美3電力拾二極散管的身主要松參數(shù)1.正向籍平均激電流IF(編AV遭)額定帶電流——在指茄定的緊管殼購(gòu)溫度減（簡(jiǎn)齡稱(chēng)殼峰溫，患用TC表示重）和北散熱都條件舒下，影其允納許流濃過(guò)的屯最大結(jié)工頻誓正弦系半波類(lèi)電流喘的平脅均值設(shè)該館正弦融半波瓦電流泉的峰衫值為Im澡,則額定芽電流(平均扮電流)為:當(dāng)用明在頻慚率較執(zhí)高的太場(chǎng)合媽時(shí)，半開(kāi)關(guān)皇損耗艦造成贊的發(fā)順熱往得往不扇能忽偏略當(dāng)采愛(ài)用反四向漏環(huán)電流攝較大霸的電繁力二寬極管喘時(shí)，程其斷溉態(tài)損禁耗造是成的革發(fā)熱掛效應(yīng)戒也不塔小正向呀平均愉電流齊是按喪照電僵流的厭發(fā)熱磨效應(yīng)軋來(lái)定齡義的拴，使遺用時(shí)抱應(yīng)按夸有效稈值相江等的匯原則惡來(lái)選勇取電沿流定裝額，勞并應(yīng)啊留有1.蟲(chóng)5~咬2倍的邊裕量哨。額定冤電流鈴有效闖值為:2.正向熱壓降UF指電洽力二律極管濁在指鞠定溫雨度下壩，流顧過(guò)某虎一指植定的畏穩(wěn)態(tài)素正向圍電流魚(yú)時(shí)對(duì)糟應(yīng)的隆正向督壓降有時(shí)抓參數(shù)邊表中秤也給皆出在拐指定強(qiáng)溫度柔下流寄過(guò)某鍬一瞬效態(tài)正霜向大假電流偶時(shí)器艦件的鍵最大喬瞬時(shí)毅正向擁壓降3.反向擁重復(fù)功峰值矮電壓URR昆M指對(duì)球電力預(yù)二極否管所龍能重蘭復(fù)施硬加的低反向傭最高祝峰值美電壓通常代是其枝雪崩球擊穿球電壓UB的2/硬3，是軍反向府不重灶復(fù)峰痛值電程壓URS辣M的80飯%。使用俯時(shí)，搏往往困按照娘電路稿中電怒力二聞極管疏可能視承受元的反賴(lài)向最綿高峰虎值電田壓的2~膏3倍來(lái)皇選定4.最高發(fā)工作跡結(jié)溫TJM結(jié)溫讀是指勒管芯PN結(jié)的循平均聾溫度夾，用TJ表示葉。最高禽工作衡結(jié)溫去是指寨在PN結(jié)不瘡致?lián)p鍬壞的韻前提肝下所探能承剪受的桂最高俗平均畏溫度詠。TJM通常拌在12組5~偽17印5C范圍鎮(zhèn)之內(nèi)拍。5.反向箱恢復(fù)孫時(shí)間trrtrr=富td+殃tf，關(guān)捧斷過(guò)緒程中鑄，電所流降劫到零羞起到百恢復(fù)冬反響淹阻斷析能力出止的藏時(shí)間覽。6.浪涌軋電流IFS綿M指電擊力二餅極管灶所能恒承受陰最大若的連家續(xù)一皆個(gè)或叢幾個(gè)震工頻靈周期甲的過(guò)呢電流碧。1.饒2.攝3電力秘二極應(yīng)管的嚷主要飼類(lèi)型按照泉正向夜壓降媽、反錦向耐貞壓、洗反向束漏電插流等類(lèi)性能步，特翁別是緊反向準(zhǔn)恢復(fù)域特性幫的不批同介爆紹。在應(yīng)撇用時(shí)邪，應(yīng)射根據(jù)煌不同坑場(chǎng)合決的不殲同要只求選貪擇不幅同類(lèi)權(quán)型的映電力贈(zèng)二極牙管。性能目上的猛不同市是由冶半導(dǎo)根體物絕理結(jié)邪構(gòu)和雀工藝場(chǎng)上的邪差別填造成擠的。1.普通肚二極猛管（Ge淡ne拋ra秤l分Pu搭rp濕os伶e隸Di孝od葉e）又稱(chēng)旬整流目二極遮管（Re貿(mào)ct這if丘ie躍r障Di投od退e）多用洞于開(kāi)陜關(guān)頻渾率不搭高（1k獨(dú)Hz以下泄）的最整流元電路涂中其反斬向恢母復(fù)時(shí)頸間較逃長(zhǎng)，捷一般帆在5s以上趣，這韻在開(kāi)唱關(guān)頻產(chǎn)率不驗(yàn)高時(shí)攤并不銜重要益。正向碗電流糧定額進(jìn)和反熟向電蔑壓定誘額可偶以達(dá)課到很沿高，餐分別蝴可達(dá)匙數(shù)千弟安和穴數(shù)千付伏以位上。2.快恢陰復(fù)二喇極管（Fa吧st蒸R垃ec滴ov購(gòu)er棋y朵Di削od初e—朽FR淘D）恢復(fù)旋過(guò)程殃很短粉特別直是反抬向恢脖復(fù)過(guò)追程很深短（5s以下顏）的題二極先管，惰也簡(jiǎn)躁稱(chēng)快醫(yī)速二狂極管工藝爹上多領(lǐng)采用芳了摻駁金措朽施有的鼻采用PN結(jié)型言結(jié)構(gòu)有的好采用榨改進(jìn)翼的Pi殺N結(jié)構(gòu)采用槳外延戴型Pi斧N結(jié)構(gòu)至的的過(guò)快恢常復(fù)外勾延二宜極管際（Fa久st臘R倍ec殲ov彈er旬y虹Ep洋it輩ax剩ia啞l濕Di節(jié)od領(lǐng)es翁——蔬FR送ED），影其反芹向恢哀復(fù)時(shí)徒間更選短（擋可低講于50誤ns），挪正向汪壓降煎也很氏低（0.愛(ài)9V左右淚），沖但其嗎反向諸耐壓葉多在12塞00痰V以下從性放能上炮可分猶為快夾速恢李復(fù)和潮超快啞速恢誼復(fù)兩父?jìng)€(gè)等內(nèi)級(jí)。污前者摔反向就恢復(fù)繞時(shí)間汽為數(shù)皺百納桌秒或舞更長(zhǎng)災(zāi)，后槐者則確在10針0n圖s以下坦，甚府至達(dá)信到20糕~3猛0n作s。快恢共復(fù)二證極管23蜓0P繼IV施60討0B金AA俱-4頁(yè)460接0V孩/6株0A絕緣趨銅底鼓板，爸內(nèi)部費(fèi)是兩演只完口全獨(dú)活立的城快恢萄復(fù)二鋤極管巧，用作兩只汽模塊壞可組栽成60賞0V報(bào)/6流0A高速蛋橋堆綢。用卸三只蓮模塊斷可組禮成60形0V核/9羅0A高速掩三相擋整流謹(jǐn)橋。單價(jià)18元3.肖特鑼基二襯極管以金較屬和眨半導(dǎo)勢(shì)體接鉛觸形饒成