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第二讲:电力二极管

发稿时间:2021-01-03 23:52 来源:未知 【 字体:

  第二讲: 电力二极管(功率二极管) 第二讲: 电力二极管(功率二极管) 1 电力电子器件概述 电力电子器件 电力二极管的结构、工作原理、 2 电力二极管的结构、工作原理、基本 特性、 特性、主要参数 3 4 5 电力二极管的选取原则 稳压二极管 抗瞬变二极管 1 电力电子器件概述 ——基本概念 基本概念 电力电子变换系统: 电力电子变换系统 由控制电路 驱动电 控制电路、驱动电 控制电路 保护电路 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。 主电路 控 制 电 路 检测 电路 保护 电路 驱动 电路 V1 L R V2 主电路 主电路: 主电路:电力电子变换系统中,直接承担电能的变换或控制 任务的电路 电力电子器件: 电力电子器件:可直接用于主电路中,实现电能的变换或控 制的电子器件。作用类似于信息电子技术(模电、数电)的 信息电子器件。 2 电力电子器件概述 ——基本分类 基本分类 电真空器件: 汞弧整流器、 电真空器件: 汞弧整流器、闸流管 不能用控制信号来控制其通 不控型: 不控型: 代表: 断,代表:电力二极管 能用控制信号来控制其导通 半控型: 半控型: 而无法控制其关断,代表: 而无法控制其关断,代表: 晶闸管 能用控制信号来控制其导通与 全控型:关断,代表: 全控型:关断,代表: IGBT,MOSFET 3 半导体器件: 半导体器件: 电力电子器件概述 ——基本分类 基本分类 电真空器件: 汞弧整流器、 电真空器件: 汞弧整流器、闸流管 通过从控制端注入或者抽出 电流驱动型: 电流驱动型: 电流来实现导通或者 关断的 器件 半导体器件: 半导体器件: 仅通过在控制端和公共端之间 电压驱动型: 电压驱动型: 施加一定的电压信号就可实现 导通或者关断的器件。 导通或者关断的器件。 4 电力电子器件概述 ——基本特征 基本特征 处理电功率的能力, 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 件与信息电 子器件的比 较: 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。 子器件,一般都要安装散热器。 5 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 ——电力二极管的电气图形符号和外形 电力二极管的电气图形符号和外形 电气图形符号 6 大功率二极管 7 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 ——基本内部结构 基本内部结构 电力二极管的基本结构与信息电子电路中的二极管 一样,都是具有一个PN结的两端器件。 PN结的两端器件 一样,都是具有一个PN结的两端器件。 不同的是电力二极管的PN结面积较大。 不同的是电力二极管的PN结面积较大。 PN结面积较大 电容效应: 电容效应: PN结的电荷量随外加电压而变化 呈现电容效应, 结的电荷量随外加电压而变化, PN结的电荷量随外加电压而变化,呈现电容效应, 称为结电容 称为结电容CJ 高频等效电路 高频等效电路 电容效应的影响: 电容效应的影响: 结电容影响电力二极管的工作频率,频率越高, 结电容影响电力二极管的工作频率,频率越高,影 响越大,即结电容限制了电力二极管工作频率的提高。 响越大,即结电容限制了电力二极管工作频率的提高。 8 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 ——基本工作原理 基本工作原理 电力二极管具有单向导电性 状态参数 电流 正向导通 正向大 反向截止 几乎为零 反向击穿 反向大 电压 维持1V 反向大 反向大 低阻态 阻态 高阻态 —— 1、雪崩击穿 2、齐纳击穿 3、热击穿 9 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 ——基本特性 基本特性 静态特性、 静态特性、动态特性 ⒈ 静态特性 电力二极管的静态特性主要是指其 伏安特性,即器件端电压 电流的 端电压与 伏安特性,即器件端电压与电流的 关系。 关系。 I IF UB URRM O UTO UF U 门槛电压UTO 正向电流IF开始明显增加所对应的电 正向电流 开始明显增加所对应的电 压 正向电压降UF 正向导通是电力二极管两端的最 大电压降 10 反向击穿电压U 反向击穿电压 B 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 ⒉ 动态特性 因结电容的存在,电力二极管在零偏置、正向导通 和反向截止这三个状态之间转换时,必然经过一个过渡 过程,其电压、电流随时间变化的特性称为电力二极管 的动态特性。 IF UF tF t0 diF dt td t1 diR dt IRP URP u i trr tf t2 UR t UFP iF 2V 0 uF tfr t 正向导通转换为反向截止 11 零偏置转换为正向导通 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 关断特性: 关断特性 tF:时刻外加电压改变 t0:时刻电流下降为零, 时刻电流下降为零 电流下降为零, IF UF diF dt td trr tf t tF t0 t1 t2 UR 此时不能恢复反向阻 diR 断能力。 断能力。 dt 时刻反向电流达最大 t1: 时刻反向电流达最大 IRP URP 值,此后反向电流迅 速下降, 速下降,产生反向过 正向导通转换为反向截止 冲电压I 随后出现 冲电压IRP ,随后出现 反向过冲电压U 反向过冲电压URP t2 :时刻 时刻电流变化率接近零,恢复对反向电压阻断 反向恢复时间: 反向恢复时间 trr= td+ tf 12 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 开通特性: 开通特性 电力二极管的正向压降 先出现一个过冲UFP,经过一 段时间才趋于接近稳态压降 的某个值(如 2V)。 这一动态过程时间被称 为正向恢复时间tfr。 u i UFP iF 2V 0 uF tfr 零偏置转换为正向导通 t 13 I 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 ——主要性能参数 主要性能参数 1.正向平均电流IF(AV) .正向平均电流 UB URRM IF O UTO UF U 指在规定+40℃的环境温度和标准散热条件下, 元件结温达到额定且稳定时,容许长时间连续流过工 频正弦半波电流的平均值。 I I = I m sin ωt I F ( AV ) 1 = 2π kπ ≤ ωt ≤ (k + 1)π π I F ( AV ) = π 2 = 1.57 ∫ 0 sin ωtd (ωt ) = Im π 额定有效值: 额定有效值: 与正向平均电流IF相同条件下测得有效值 与正向平均电流 相同条件下测得有效值 额定有效值为=1.57IF 额定有效值为 1 π Im 2 I= ∫0 (Im sin ω t) (dω t) = 2 2π 14 I 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 ——主要性能参数 主要性能参数 UB URRM IF O UTO UF U 2.正向电压降UF 正向电压降U 电力二极管在规定温度和散热条件下,流过某一指定的 正向稳态电流时,电力二极管的最大电压降。 15 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 I 反向重复峰值电压U 3 . 反向重复峰值电压 URRM ( 额 定电压) 定电压) 电力二极管在指定温度下, 所能重复施加的反向最高峰值 电压 IF UB URRM O UTO UF U 4.反向重复平均漏电流IRR 反向重复平均漏电流I 对应于反向重复峰值电压URRM下的平均漏电流, 16 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 5)最高工作结温TJM )最高工作结温 结温是指管芯PN结的平均温度, 表示。 结温是指管芯 结的平均温度,用TJ表示。 结的平均温度 TJM是指在 结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。 是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度 结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。 TJM通常在 通常在125~175°C范围之内。 范围之内。 ° 范围之内 6) 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。 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。 17 2.2 电力二极管 ——主要类型 主要类型 1.普通二极管 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( 以下) 多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路 以下 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 DATASHEET 18 2.2 电力二极管 ——主要类型 主要类型 1.普通二极管 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( 以下) 多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路 以下 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 DATASHEET 19 2.2 电力二极管 2.快速恢复二极管 反向恢复时间很短,一般在5μs以下,此类二极管 称为快速恢复二极管。另外,快速恢复外延型二极管反 向恢复时间可低于50ns,正向压降很低,多用于高频整 流电路中。 DATASHEET 1 2 3 20 2.2 电力二极管 3. 肖特基二极管 肖特基二极管(DATASHEET) ) 以金属和半导体接触形成PN结构成的二极管称为肖特 基势垒二极管(Schottky Barrier Diode ——SBD)。 肖特基二极管的优点 反向恢复时间很短(10~40ns)。 反向恢复时间很短( )。 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。 效率高,其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。 效率高,其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。 21 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 ——电力二极管的选择原则 电力二极管的选择原则 1、正向平均电流IF的选择原则 、正向平均电流 确保所选电力二极管的额定有效值大于实际要通过电流 的有效值,且预留1.5到2倍的余量,然后取相应标准系 倍的余量, 的有效值,且预留 到 倍的余量 列值 1.57 I F ≥ (1.5 ? 2) I max (1.5 ? 2) I max ? IF ≥ 1.57 2、额定电压URRM的选择原则 、额定电压 URRM应大于电力二极管实际可能承受的最大反向瞬时电 压Umax的2到3倍,然后取相应标准系列值 到 倍 22 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 ——稳压二极管 稳压二极管 1、结构、电气符号、及外形 、结构、电气符号、 结构: 结构: 与电力二极管相同, 与电力二极管相同,只是制造工 艺和方法略有不同 电气符号: 电气符号: 外形: 外形: 23 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 ——稳压二极管 稳压二极管 2、工作原理及特性 、 伏安特征: 伏安特征: (1)正向特性与普通二极管相同 ) (2)而反向特性却比较特殊:当反向电压加到一定程度时, )而反向特性却比较特殊:当反向电压加到一定程度时, 虽然管子呈现击穿状态,通过较大电流,但管子不损毁, 虽然管子呈现击穿状态,通过较大电流,但管子不损毁,且 管子两端的电压变化极小,从而起到稳压作用; 管子两端的电压变化极小,从而起到稳压作用;当反相大电 压去掉后,管子恢复反相截止状态。 压去掉后,管子恢复反相截止状态。 工作特点: 工作特点: 主要工作在反向击穿状态,起稳压作用, 主要工作在反向击穿状态,起稳压作用,反向击穿电压即为其 稳压电压; 稳压电压; 稳压管在电路中要反向连接; 稳压管在电路中要反向连接; 24 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 ——稳压二极管 稳压二极管 3、应用举例 、 稳压原理分析: 稳压原理分析: 若输入电压Usr也随升高,引起负载电压Usc 升高。由于稳压 也随升高,引起负载电压 升高。 若输入电压 也随升高 与负载Rfz并联,Usc 只要超过稳压电压,稳压管击穿, 并联, 只要超过稳压电压,稳压管击穿, 管DW与负载 与负载 并联 电流急剧增加,使得I1也增大 限流电阻R1上的电压降增大 也增大, 上的电压降增大, 电流急剧增加,使得 也增大,限流电阻 上的电压降增大, 从而抵消了Usr的升高,保持负载电压 的升高, 基本不变。反之, 从而抵消了 的升高 保持负载电压Usc 基本不变。反之, 下降, 也下降,则稳压管推出击穿状态, 若Usr下降,造成 下降 造成Usc 也下降,则稳压管推出击穿状态,电流 急剧减小,,使得I1减小 ,,使得 减小, 上的压降也减小 上的压降也减小, 急剧减小,,使得 减小,R1上的压降也减小,从而抵消了 Usr的下降,保持负载电压 的下降, 基本不变。 的下降 保持负载电压Usc 基本不变。 25 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 ——稳压二极管 稳压二极管 3、应用举例 、 1、稳压管可以串并联使用 、 2、稳压值受温度影响 、 常用稳定电压的温度系数来表示这种影响 例如2CW19型稳压管的稳定电压 型稳压管的稳定电压Uw= 12伏,温度系数 例如 型稳压管的稳定电压 伏 为0.095%℃ ℃ 说明温度每升高1℃ 其稳定电压升高 毫伏。 说明温度每升高 ℃,其稳定电压升高11.4毫伏。 毫伏 26 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 ——瞬态电压抑制器 瞬态电压抑制器TVS(也称抗瞬变二极管 ) 瞬态电压抑制器 (也称抗瞬变二极管 1、结构、电气符号、及外形 、结构、电气符号、 (1)是在稳压二极管工艺基础上发展起来的一种新产 ) 品,结构基本相同 (2)电路符号和普通稳压二极管相同,外形也相同 )电路符号和普通稳压二极管相同, 2、作用(抗浪涌) 、作用(抗浪涌) 管两端经受瞬间的高能量冲击时, 当TVS 管两端经受瞬间的高能量冲击时,它能以极高 的速度( 使其阻抗骤然降低, 的速度(10-12 秒)使其阻抗骤然降低,电流急剧变 且将两端间的电压箝位在一个预定的数值上, 大,且将两端间的电压箝位在一个预定的数值上,从 而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。 而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏 27 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 ——瞬态电压抑制器 瞬态电压抑制器TVS(也称抗瞬变二极管 ) 瞬态电压抑制器 (也称抗瞬变二极管 3、特性 、 28 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 ——瞬态电压抑制器 瞬态电压抑制器TVS(也称抗瞬变二极管 ) 瞬态电压抑制器 (也称抗瞬变二极管 3、双向TVS 、双向 由两只单向TVS“背靠背”组合,其电气符号如图所 背靠背”组合, 由两只单向 背靠背 示 特性 29 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 ——瞬态电压抑制器 瞬态电压抑制器TVS(也称抗瞬变二极管 ) 瞬态电压抑制器 (也称抗瞬变二极管 4、应用举例 、 30 电力二极管(Power Diode) 电力二极管 ——电力二极管用途总结 电力二极管用途总结 3、稳压、抗浪涌等保护元件 、稳压、 1、整流 、 2、续流 、 31