（高职)1.2 电力二极管ppt课件.ppt

1.2 电力二极管电力二极管电力电子技术电力电子技术( (第第5 5版版) ) 第第1 1章章 电力电子器件电力电子器件1.2 1.2 电力二极管电力二极管 电力二极管（电力二极管（Power Diode）也称为半导体整流器（）也称为半导体整流器（Semiconductor Rectifier，简称，简称SR），属），属不可控电力电子器件不可控电力电子器件，是，是20世纪最早获得应用的世纪最早获得应用的电力电子器件。电力电子器件。 在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的作用在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的作用, 具具有不可替代的地位。有不可替代的地位。1.2.1 电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理 1、电力二极管的外形和电气图形符、电力二极管的外形和电气图形符： 由一个面积较大的由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成，结和两端引线以及封装组成， 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。 图电力二极管的外形和电气图形符号图电力二极管的外形和电气图形符号b）外形）外形 c）电气图形）电气图形2 2、PNPN结与电力二极管工作原理结与电力二极管工作原理 （1 1）基本结构和工作、原理与电子电路中的二极管一）基本结构和工作、原理与电子电路中的二极管一样，以半导体样，以半导体PNPN结结为基础。为基础。图（图（a）电力二极管的结构）电力二极管的结构1.2.1 电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理（2 2）N型半导体和型半导体和P型半导体结合后构成型半导体结合后构成PN结结: 内电场内电场:空间电荷建立的电场空间电荷建立的电场,也称也称自建电场自建电场，其方向是阻止扩散运，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，即本区运动，即漂移运动漂移运动。 空间电荷空间电荷:PN交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向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，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、负电荷称为电荷称为空间电荷。空间电荷。 空间电荷区空间电荷区:扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达荷量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，称为到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，称为空间电空间电荷区荷区。2 2、PNPN结与电力二极管工作原理结与电力二极管工作原理1.2.1 电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理 PN结的正向导通状态：结的正向导通状态： 电导调制效应使得电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，结在正向电流较大时压降仍然很低，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-主要特征主要特征 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。 PN结的电容效应：结的电容效应： PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容结电容CJ，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容差别分为势垒电容CB和扩散电容和扩散电容CD 。(3) PN结的特性结的特性2 2、PNPN结与电力二极管工作原理结与电力二极管工作原理1.2.1 电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理 势垒电容：势垒电容：只在外加电压变化时才起作用。外加电压频只在外加电压变化时才起作用。外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。 扩散电容：扩散电容：仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。电容为结电容主要成分。 结电容：结电容：影响影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。时应加以注意。2 2、PNPN结与电力二极管工作原理结与电力二极管工作原理1.2.1 电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理1、电力二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性 当电力二极管承受的正向电压大到一当电力二极管承受的正向电压大到一定值定值（门槛电压（门槛电压UTO），正向电流才开始，正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电明显增加，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压对应的电力二极管两端的电压UF即即为其正向电压降。为其正向电压降。 当电力二极管承受反向电压时，只有当电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的反向漏电流。少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。图图1.2.2 电力二极管的电力二极管的伏安特性曲线伏安特性曲线1.2.2 1.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性（1 1）关断特性）关断特性：电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。v须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。v在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。通态和断态之间的转换过程（关断过程、开通过程）。通态和断态之间的转换过程（关断过程、开通过程）。图图1.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形1.2.2 1.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数 电力二极管的正向压降先出现一个过冲电力二极管的正向压降先出现一个过冲U UFPFP，经过一段时间才趋于接近稳，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如态压降的某个值（如 2V2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间t tfrfr。图图1.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形（2 2）开通特性）开通特性：电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性1.2.2 1.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数延迟时间：延迟时间：td= t1- t0 电流下降时间电流下降时间：tf= t2- t1反向恢复时间反向恢复时间：trr= td+ tf图图1.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性1.2.2 1.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数 （1 1）普通二极管：）普通二极管：又称整流管（又称整流管（Rectifier Diode），多用于开关频），多用于开关频率在率在KHZ以下的整流电路中，其反向恢复时间在以下的整流电路中，其反向恢复时间在usus以上，额定电以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。流达数千安，额定电压达数千伏以上。 （2 2）快恢复二极管：）快恢复二极管：反向恢复时间在反向恢复时间在usus以下的称为快恢复二极管以下的称为快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFast Recovery Diode简称简称FDRFDR）。快恢复二极管从性能上可分为快）。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数百纳秒以上，后速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在者则在100ns100ns以下，其容量可达以下，其容量可达1200V/200A1200V/200A的水平的水平, , 多用于高频整流和多用于高频整流和逆变电路中。逆变电路中。 （3 3）肖特基二极管：）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.40.40.6V0.6V，而且它的，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但反向耐压在反向恢复时间短，为几十纳秒。但反向耐压在200200以下。它常被用于以下。它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。高频低压开关电路或高频低压整流电路中。3 3、电力二极管的主要类型、电力二极管的主要类型1.2.2 1.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数4、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 在指定的管壳温在指定的管壳温TC （ 简称壳温）和散热条件下，其允许流过的简称壳温）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。最大工频正弦半波电流的平均值。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: : （）（）（）（）（）（）（）（）2)sin(2102mmFItdtII可求出正弦半波电流的波形系数可求出正弦半波电流的波形系数: : 定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波形系数，用定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波形系数，用K Kf f表示：表示：额定电流有效值为额定电流有效值为: :（1）额定正向平均电流）额定正向平均电流IF(AV)0)(sin21mmAVFIttdII电流平均值电流有效值fK57. 12)(AVFFfIIK1.2.2 1.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数（1）额定正向平均电流）额定正向平均电流IF(AV) 正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有1.52倍倍的裕量。的裕量。 当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不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。能忽略。 当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造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成的发热效应也不小 。4、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 1.2.2 1.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数（2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压RRM： 指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压）此电压通常为击穿电压指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压）此电压通常为击穿电压U U的的2/32/3。 （3） 正向压降正向压降F： 指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压(又称管压降又称管压降)。 （4） 反向漏电流反向漏电流RR： 指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。 （5）最高工作结温）最高工作结温jM： 指器件中结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度。指器件中结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度。jM通常在通常在125175范范围内。围内。 1.2.2 1.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数