第二講  電力電子器件的概述與電力二極管

2.1  電力電子器件概述

2.1.1   電力電子器件的概念

主電路（Main Power Circuit）—電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務的電路。

電力電子器件（Power Electronic Device）—可直接用于處理電能的主電路中，實現電能的變換或控制的電子器件。

廣義上電力電子器件可分為電真空器件（Electron Device）和半導體器件（Semiconductor Device）兩類。

電真空器件（Electron Device）：自20世紀50年代以來，真空管（Vacuum Valve）僅在頻率很高（如微波）的大功率高頻電源中還在使用，而電力半導體器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、閘流管（Thyratron）等電真空器件，成為絕對主力。因此，電力電子器件目前也往往專指電力半導體器件。

電力半導體器件（Power Semiconductor Device）所采用的主要材料仍然是硅。

2.1.2   電力電子器件的特征

同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征：

1)能處理電功率的大小，即承受電壓和電流 的能力是最重要的參數

其處理電功率的能力小至毫瓦級，大至兆瓦級, 大多都遠大于處理信息的電子器件。

2)電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)

導通時【通態(tài)（On－State）】阻抗（Impedance）很小，接近于短路，管壓降（Voltage Across the Tube）接近于零，而電流由外電路決定

阻斷時【斷態(tài)（Off－State）】阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決定

電力電子器件的動態(tài)特性（Dynamic Speciality）【也就是開關特性（Switching Speciality）】和參數，也是電力電子器件特性很重要的方面，有些時候甚至上升為第一位的重要問題。

作電路分析時，為簡單起見往往用理想開關來代替

3)電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制

在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對控制電路的信號進行放大，這就是電力電子器件的驅動電路(Driving Circuit)。

4)為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設計，在其工作時一般都要安裝散熱器。

導通時器件上有一定的通態(tài)壓降（On-state Voltage drop），形成通態(tài)損耗（ On-state Losses）

阻斷時器件上有微小的斷態(tài)漏電流（Leakage Current）流過，形成斷態(tài)損耗 ( Off-state Losses)

在器件開通或關斷的轉換過程中產生開通損耗（Turning on Losses）和關斷損耗（Turning off Losses），總稱開關損耗（Switching Loss）

對某些器件來講，驅動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（Leakage Current）極小，因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因

器件開關頻率（Switching Frequency）較高時，開關損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素

2.1.3  應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（Control Circuit）、驅動電路（Driving Circuit）和以電力電子器件為核心的主電路（Main Circuit）組成。

圖1  電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成

控制電路（Control Circuit）按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號（Control Signal），通過驅動電路（Driving Circuit）去控制主電路（Main Circuit）中電力電子器件的通或斷（Turn-on or Turn-off），來完成整個系統(tǒng)的功能。

有的電力電子系統(tǒng)中，還需要有檢測電路（Detect Circuit）。廣義上往往其和驅動電路等主電路之外的電路都歸為控制電路，從而粗略地說電力電子系統(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，如驅動電路與主電路的連接處，或者驅動電路與控制信號的連接處，以及主電路與檢測電路的連接處，一般需要進行電氣隔離（Electrical Isolation），通過其它手段如光、磁等來傳遞信號。

由于主電路中往往有電壓和電流的過沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過電壓和過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電路，以保證電力電子器件和整個電力電子系統(tǒng)正常可靠運行，也往往是非常必要的。

器件一般有三個端子（或稱極或管角），其中兩個聯結在主電路中，而第三端被稱為控制端（或控制極）。器件通斷是通過在其控制端和一個主電路端子之間加一定的信號來控制的，這個主電路端子是驅動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。

2.1.4    電力電子器件的分類

w   按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，分為以下三類：

1)半控型器件(Semi-controlled Device)——通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷

晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件；

器件的關斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定。

2)全控型器件(Full-controlled Device)——通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷，又稱自關斷器件

絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar Transistor——IGBT）

電力場效應晶體管（Power MOSFET，簡稱為電力MOSFET）

門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-Off  Thyristor — GTO）

3)不可控器件(Uncontrolled Device)——不能用控制信號來控制其通斷，因此也就不需要驅動電路

電力二極管（Power Diode）

只有兩個端子，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

w   按照驅動電路加在器件控制端和公共端之間信號的 性質，分為兩類：

1)電流驅動型(Current Driving Type)——通過從控制端注入或者抽出電流來實現導通或者關斷的控制

2)電壓驅動型(Voltage Driving Type)——僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現導通或者關斷的控制

3)電壓驅動型器件實際上是通過加在控制端上的電壓在器件的兩個主電路端子之間產生可控的電場來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為場控器件(Field Controlled Device)，或場效應器件

w   按照器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分為三類：

1)單極型器件(Unipolar Device)——由一種載流子參與導電的器件；

2)雙極型器件(Bipolar Device)——由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件；

3)復合型器件(Complex Device)——由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件。

圖2   電力電子器件分類樹

2.2  不可控器件－電力二極管

2.2.1   PN結與電力二極管的工作原理

電力二極管（Power Diode）結構和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應用

快恢復二極管（Fast Recovery Diode）和肖特基二極管（Schottky Diode），分別 在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位

電力二極管（Power Diode）基本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導體PN結為基礎

由一個面積較大的PN結（PN－junction）和兩端引線以及封裝組成的

從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝，當然還有其他形式的封裝。

圖3  電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號

a) 外形；b) 結構c) 電氣圖形符號

N型半導體和P型半導體結合后構成PN結。交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴散運動（Pervasion Movement），到對方區(qū)內成為少子，在界面兩側分別留下了帶正、負電荷但不能任意移動的雜質離子。這些不能移動的正、負電荷稱為空間電荷（Space Charge）。空間電荷建立的電場被稱為內電場（Inside Electric Field）或自建電場（Self Building Electric Field），其方向是阻止擴散運動的，另一方面又吸引對方區(qū)內的少子（對本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運動，即漂移運動（Excursion Movement）。擴散運動和漂移運動既相互聯系又是一對矛盾，最終達到動態(tài)平衡，正、負空間電荷量達到穩(wěn)定值，形成了一個穩(wěn)定的由空間電荷構成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強調的角度不同也被稱為耗盡層（Exhaust Layer）、阻擋層（Bar Layer）或勢壘區(qū)（Barrier Section）。

圖4  PN結的形成

PN結的正向導通狀態(tài)

電導調制效應使得PN結在正向電流較大時壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結表現為低阻態(tài)

PN結的反向截止狀態(tài)

PN結的單向導電性(Unilateralism Conductivity)

二極管的基本原理就在于PN結的單向導電性這一主要特征

PN結的反向擊穿(Reverse Breakdown of P-N Junction)

有雪崩擊穿(Avalanche Breakdown)和齊納擊穿(Punch Through)兩種形式，可能導致熱擊穿

PN結的電容效應：

PN結的電荷量隨外加電壓而變化，呈現電容效應，稱為結電容(Junction Capacitance)C_J，又稱為微分電容(Incremental Capacitance)。結電容按其產生機制和作用的差別分為勢壘電容(Barrier Capacitance)C_B和擴散電容(Diffuse Capacitance)C_D。

勢壘電容(Barrier Capacitance)只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。勢壘電容的大小與PN結截面積成正比，與阻擋層厚度成反比；

擴散電容(Diffuse Capacitance)僅在正向偏置時起作用。在正向偏置時，當正向電壓較低時，勢壘電容為主；正向電壓較高時，擴散電容為結電容主要成分；

結電容(Junction Capacitance)影響PN結的工作頻率，特別是在高速開關的狀態(tài)下，可能使其單向導電性變差，甚至不能工作，應用時應加以注意。

造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素：

正向導通時要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子(Carrier)的注入水平較高，電導調制效應不能忽略；

引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響；

承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應也會有較大影響；

為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降(Forward Bias Voltage)較大。

2.2.2 電力二極管的基本特性

1) 靜態(tài)特性（Static State Characteristic ）

主要指其伏安特性(Volt-ampere Characteristic)

當電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓U_TO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。與正向電流I_F對應的電力二極管兩端的電壓U_F即為其正向電壓降。當電力二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數值恒定的反向漏電流(Reverse Leakage Current)。

圖5  電力二極管的伏安特性

2) 動態(tài)特性(Dynamic Characteristic)

動態(tài)特性——因結電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉換必然有一個過渡過程，此過程中的電壓—電流特性是隨時間變化的。動態(tài)特性主要指開關特性(Switching Characteristic)，開關特性反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉換過程；

關斷過程(Turn-off Transient)：在關斷之前有較大的反向電流出現，并伴隨有明顯的反向電壓過沖,須經過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。

延遲時間(Delay Time)：t_D= t₁- t₀

電流下降時間(Current Fall  Time)：t_f= t₂- t₁

反向恢復時間(Reverse Recovery Time)：t_rr= t_d+ t_f

恢復特性的軟度：下降時間與延遲時間的比值t_f /t_d，或稱恢復系數，用S_r表示

圖6   電力二極管的動態(tài)過程波形

a) 正向偏置轉換為反向偏置        b) 零偏置轉換為正向偏置

開通過程(Turn-on Transient)：

電力二極管的正向壓降先出現一個過沖U_FP，經過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如 2V）。這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復時間(Forward Recovery Time)t_FR。

電導調制效應起作用需一定的時間來儲存大量少子，達到穩(wěn)態(tài)導通前管壓降較大正向電流的上升會因器件自身的電感而產生較大壓降。電流上升率越大，U_FP越高

2.2.3 電力二極管的主要參數

1) 正向平均電流(Average Rectifier Forward Current)

正向平均電流即I_F(AV)

額定電流(Rating Current)——在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用T_C表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。

正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，因此使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。

舉例：

當用在頻率較高的場合時，開關損耗(Switching Losses)造成的發(fā)熱往往不能忽略,當采用反向漏電流(Reverse Leakage Current)較大的電力二極管時，其斷態(tài)損耗(Off-state Losses)造成的發(fā)熱效應也不小

2) 正向壓降 (Forward Voltage) U_F

指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的正向壓降,有時參數表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時器件的最大瞬時正向壓降

3) 反向重復峰值電壓(Peak Repetitive Reverse Voltage)U_RRM

指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓，通常是其雪崩擊穿電壓U_B的2/3。使用時，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定。

4) 最高工作結溫(Maximum Operation Junction Temperature)T_JM

結溫是指管芯PN結的平均溫度，用T_J表示

最高工作結溫是指在PN結不致損壞的前提下所能承受的最高平均溫度，T_JM通常在125～175°C范圍之內

5) 反向恢復時間(Reverse Recovery Time)t_rr

t_rr= t_d+ t_f ，關斷過程中，電流降到0起到恢復反響阻斷能力止的時間

6) 浪涌電流[(Non)Repetitive Peak Surge Current]I_FSM

指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。

2.2.4 電力二極管的主要類型

1) 普通二極管（General Purpose Diode）

普通二極管又稱整流二極管（Rectifier Diode）。多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路中，其反向恢復時間較長，一般在5ms以上，這在開關頻率不高時并不重要，正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高，分別可達數千安和數千伏以上。

2) 快恢復二極管（Fast Recovery Diode—FRD）

恢復過程很短特別是反向恢復過程很短（5ms以下）的二極管，也簡稱快速二極管。工藝上多采用了摻金措施，有的采用PN結型結構、有的采用改進的PiN結構，采用外延型PiN結構的的快恢復外延二極管（Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED），其反向恢復時間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在400V以下。

從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到20～30ns

3) 肖特基二極管

以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier Diode—SBD），簡稱為肖特基二極管。

20世紀80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應用。

肖特基二極管的弱點：

當反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下，反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度

肖特基二極管的優(yōu)點：

反向恢復時間很短（10～40ns）；正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管；其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高。

2.2.4