第二讲  电力电子器件的概述与电力二极管

2.1  电力电子器件概述

2.1.1   电力电子器件的概念

主电路（Main Power Circuit）—电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。

电力电子器件（Power Electronic Device）—可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。

广义上电力电子器件可分为电真空器件（Electron Device）和半导体器件（Semiconductor Device）两类。

电真空器件（Electron Device）：自20世纪50年代以来，真空管（Vacuum Valve）仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。

电力半导体器件（Power Semiconductor Device）所采用的主要材料仍然是硅。

2.1.2   电力电子器件的特征

同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：

1)能处理电功率的大小，即承受电压和电流 的能力是最重要的参数

其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级, 大多都远大于处理信息的电子器件。

2)电力电子器件一般都工作在开关状态

导通时【通态（On－State）】阻抗（Impedance）很小，接近于短路，管压降（Voltage Across the Tube）接近于零，而电流由外电路决定

阻断时【断态（Off－State）】阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定

电力电子器件的动态特性（Dynamic Speciality）【也就是开关特性（Switching Speciality）】和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。

作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替

3)电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制

在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路(Driving Circuit)。

4)为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。

导通时器件上有一定的通态压降（On-state Voltage drop），形成通态损耗（ On-state Losses）

阻断时器件上有微小的断态漏电流（Leakage Current）流过，形成断态损耗 ( Off-state Losses)

在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗（Turning on Losses）和关断损耗（Turning off Losses），总称开关损耗（Switching Loss）

对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一

通常电力电子器件的断态漏电流（Leakage Current）极小，因而通态损耗是器件功率损耗的主要成因

器件开关频率（Switching Frequency）较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素

2.1.3  应用电力电子器件的系统组成

电力电子系统：由控制电路（Control Circuit）、驱动电路（Driving Circuit）和以电力电子器件为核心的主电路（Main Circuit）组成。

图1  电力电子器件在实际应用中的系统组成

控制电路（Control Circuit）按系统的工作要求形成控制信号（Control Signal），通过驱动电路（Driving Circuit）去控制主电路（Main Circuit）中电力电子器件的通或断（Turn-on or Turn-off），来完成整个系统的功能。

有的电力电子系统中，还需要有检测电路（Detect Circuit）。广义上往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。

主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离（Electrical Isolation），通过其它手段如光、磁等来传递信号。

由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非常必要的。

器件一般有三个端子（或称极或管角），其中两个联结在主电路中，而第三端被称为控制端（或控制极）。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。

2.1.4    电力电子器件的分类

w   按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：

1)半控型器件(Semi-controlled Device)——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断

晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件；

器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定。

2)全控型器件(Full-controlled Device)——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

绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor——IGBT）

电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为电力MOSFET）

门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off  Thyristor — GTO）

3)不可控器件(Uncontrolled Device)——不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路

电力二极管（Power Diode）

只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的

w   按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的 性质，分为两类：

1)电流驱动型(Current Driving Type)——通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制

2)电压驱动型(Voltage Driving Type)——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

3)电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件(Field Controlled Device)，或场效应器件

w   按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：

1)单极型器件(Unipolar Device)——由一种载流子参与导电的器件；

2)双极型器件(Bipolar Device)——由电子和空穴两种载流子参与导电的器件；

3)复合型器件(Complex Device)——由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。

图2   电力电子器件分类树

2.2  不可控器件－电力二极管

2.2.1   PN结与电力二极管的工作原理

电力二极管（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（Fast Recovery Diode）和肖特基二极管（Schottky Diode），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

电力二极管（Power Diode）基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以半导体PN结为基础

由一个面积较大的PN结（PN－junction）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，当然还有其他形式的封装。

图3  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

N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。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扩散运动（Pervasion Movement），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、负电荷称为空间电荷（Space Charge）。空间电荷建立的电场被称为内电场（Inside Electric Field）或自建电场（Self Building Electric Field），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）向本区运动，即漂移运动（Excursion Movement）。扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，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，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层（Exhaust Layer）、阻挡层（Bar Layer）或势垒区（Barrier Section）。

图4  PN结的形成

PN结的正向导通状态

电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态

PN结的反向截止状态

PN结的单向导电性(Unilateralism Conductivity)

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(Reverse Breakdown of P-N Junction)

有雪崩击穿(Avalanche Breakdown)和齐纳击穿(Punch Through)两种形式，可能导致热击穿

PN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，称为结电容(Junction Capacitance)C_J，又称为微分电容(Incremental Capacitance)。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容(Barrier Capacitance)C_B和扩散电容(Diffuse Capacitance)C_D。

势垒电容(Barrier Capacitance)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PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比；

扩散电容(Diffuse Capacitance)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，扩散电容为结电容主要成分；

结电容(Junction Capacitance)影响PN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，应用时应加以注意。

造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：

正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子(Carrier)的注入水平较高，电导调制效应不能忽略；

引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响；

承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响；

为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降(Forward Bias Voltage)较大。

2.2.2 电力二极管的基本特性

1) 静态特性（Static State Characteristic ）

主要指其伏安特性(Volt-ampere Characteristic)

当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压U_TO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流I_F对应的电力二极管两端的电压U_F即为其正向电压降。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(Reverse Leakage Current)。

图5  电力二极管的伏安特性

2) 动态特性(Dynamic Characteristic)

动态特性——因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压—电流特性是随时间变化的。动态特性主要指开关特性(Switching Characteristic)，开关特性反映通态和断态之间的转换过程；

关断过程(Turn-off Transient)：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,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。

延迟时间(Delay Time)：t_D= t₁- t₀

电流下降时间(Current Fall  Time)：t_f= t₂- t₁

反向恢复时间(Reverse Recovery Time)：t_rr= t_d+ t_f

恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值t_f /t_d，或称恢复系数，用S_r表示

图6   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

开通过程(Turn-on Transient)：

电力二极管的正向压降先出现一个过冲U_FP，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(Forward Recovery Time)t_FR。

电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，U_FP越高

2.2.3 电力二极管的主要参数

1) 正向平均电流(Average Rectifier Forward Current)

正向平均电流即I_F(AV)

额定电流(Rating Current)——在指定的管壳温度（简称壳温，用T_C表示）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。

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，并应留有一定的裕量。

举例：

当用在频率较高的场合时，开关损耗(Switching Losses)造成的发热往往不能忽略,当采用反向漏电流(Reverse Leakage Current)较大的电力二极管时，其断态损耗(Off-state Losses)造成的发热效应也不小

2) 正向压降 (Forward Voltage) U_F

指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降,有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降

3) 反向重复峰值电压(Peak Repetitive Reverse Voltage)U_RRM

指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是其雪崩击穿电压U_B的2/3。使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。

4) 最高工作结温(Maximum Operation Junction Temperature)T_JM

结温是指管芯PN结的平均温度，用T_J表示

最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度，T_JM通常在125～175°C范围之内

5) 反向恢复时间(Reverse Recovery Time)t_rr

t_rr= t_d+ t_f ，关断过程中，电流降到0起到恢复反响阻断能力止的时间

6) 浪涌电流[(Non)Repetitive Peak Surge Current]I_FSM

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。

2.2.4 电力二极管的主要类型

1) 普通二极管（General Purpose Diode）

普通二极管又称整流二极管（Rectifier Diode）。多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中，其反向恢复时间较长，一般在5ms以上，这在开关频率不高时并不重要，正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。

2) 快恢复二极管（Fast Recovery Diode—FRD）

恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5ms以下）的二极管，也简称快速二极管。工艺上多采用了掺金措施，有的采用PN结型结构、有的采用改进的PiN结构，采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在400V以下。

从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20～30ns

3) 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），简称为肖特基二极管。

20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用。

肖特基二极管的弱点：

当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下，反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度

肖特基二极管的优点：

反向恢复时间很短（10～40ns）；正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。

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