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整流电路常用器件

日期: 2020-02-23 16:40
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一、电力电子器件概述

       电力电子器件( Power Electronic Device )是指可直接用于处理电能的主电路中,实现电能变换或控制的电子器件。电力电子器件往往专指电力半导体器件,所采用的主要材料是硅。

       通常将电力电子器件分为以下三种类型。

       ①通过控制信号可控制其导通,而不能控制其关断的电力电子器件,称为半控型器件。这类器件主要是指晶闸管( Thyristor )及其大部分派生器件,器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。

       ②通过控制信号既可以控制其导通,又可以控制其关断的电力电子器件,称为全控型器件。与半控型器件相比,由于可以由控制信号控制其关断,因此又称其为自关断器件。这类器件品种很多,目前比较常用的有电力晶体管( GTR , GiantTransistor )、绝缘栅双极晶体管( IGBT, Insulated-Gate Bipolar Transistor )和电力场效应管( PowerMOSFET , Power Mental OxideSemiconductor Effect Transistor )等,在处理兆瓦级大功率电能的场合,门极可关断晶闸管( GTO , Gate-Turn-off Thyristor )应用得也较多。

       ③不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件,因此也就不需要驱动电路,这就是电力二极管( Power Diode).电力二极管又被称为不可控功率器件。这种器件只有两个端子,其基本特性与普通二极管一样,器件的导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。

二、电力二极管
 
       电力二极管( Power Diode )自20世纪50年代初期就获得了应用,当时也被称为半导体整流器( SR , Semiconductor Rectifier ) , 并开始逐步取代以前的汞弧整流器。虽然是不可控器件,但其结构和原理简单,工作可靠,所以直到现在,电力二极管仍然大量应用于许多电气设备中,特别是快恢复二极管和肖特基二极管,仍分别在中、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。
 
       1、结构
 
       电力二极管的基本结构和工作原理与普通二极管是一样的,都是以半导体PN结为基础的。电力二极管实际上是由一一个面积较大的PN结和两根弓|线封装组成的。图2-1所示分别为电力:二极管的外形、结构和电气图形符号。二极管有两个极,分别称为阳极(或正极)A和阴极(或负极)K。
       (2)伏安特性

       电力二极管的主要特性是单向导电特性,即元件的阳极、阴极两端加正向电压时,便有电流通过,相当于短路;反之,其两端加反向电压,便没有电流通过,相当于开路。其伏安特性如图2-2所示。当电力二极管承受的正向电压大到一定值(门槛电压Uro) , 正向电流才开始明显增加,处于稳定导通状态。与正向电流p对应的电力二极管两端的电压Up即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时,只有微小而数值恒定的反向漏电流。当外加反向电压增加到某- -电压时 (常称击穿电压) ,反向电流突然增大,这种现象称为反向击穿,此时对应的电压称为反向击穿电压。
 
       3、主要参数
 
       ①正向平均电流If (AV)与浪涌电流IFsM正向平均电流IF( AV)是指电力二极管长期运行时,在指定的管壳温度(简称壳温,用T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。在此电流下,因管子的正向压降引起的损耗造成的结温升高不会超过所允许的最高工作结温(见主要参数④)。这也是标称其额定电流的参数。而浪涌电流IfsM是指电力二极管所能承受的最大连续一个或几个工频周期的过电流。

       ②正向压降Up是 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。有时其参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电 流时电力二极管的最大瞬时正向压降。

       ③反向重复峰值电压URRM是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Ug的2/3。使用时应注意不要超过此值,否则将导致元件损坏。

       ④最高工作结温TM结温 是指管芯PN结的平均温度,用T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,用Tμ表示。Tm通常在125 ~ 175°C范围内。

       ⑤反向恢复时间( trr )电流流过零点由正向转换成反向,再由反向到规定的反向恢复电流L,值所需的时间,称为反向恢复时间( trr) , 如图2-3所示, Ip为正向电流, IRm为最大反向恢复电流。通常规定=0.1IpRMo当t=to时,由于加在二极管上的正向电压突然变成反向电压,因此正向电流突然降低,并在t=t1时, I=0。然后二=极管上流过反向电流IR , Ip逐渐增大,在t= t2时,达到最大反向恢复电流IRM。此后二极管受正电压的作用,反向电流逐渐减小,在t=tg时, IR=Ir。t~ tg所用的时间即为二极管的反向恢复时间。
 

       (4)主要类型

       ①普通二二极管普通二极管 ( GeneralPurpose Diode )又称整流二极管( RectiferDiode) , 多用于开关频率不高( 1kHz以下)的整流电路中。反向恢复时间较长, 一般在5μs以上,这在开关频率不高时并不重要,在参数表中甚至不列出这一参数。但其正向电流定额和反向电压定额却可以达到很高,分别可达数千安和数千伏以上。

       ②快恢复二极管恢复 过程很短,特别是反向恢复过程很短( 一般在5μs以下)的二极管被称为快恢复二极管( FRD , Fast Recovery Diode ) ,简称快速二极管。工艺上多采用了掺金措施,结构.上有的采用PN结结构,也有的采用对此加以改进的PiN结构。特别是采用外延型PiN结构的所谓的快恢复外延二极管( FRED , Fast Recovery EpitaxialDiodes ) , 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1200V以下。不管是什么结构,快恢复二极管从性能上可分为快恢复和超快恢复两个等级。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( SBD , Schottky Barrier Diode ) ,简称为肖特基二极管。与以PN结为基础的电力二极管相比,其优点在于:反向恢复时间短(10~40ns)、效率高。肖特基二极管在正向恢复过程中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。因此,其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小。其弱点在于:当所能承受的反向耐压提高时,其正向压降也会高得不能满足要求,因此多用于200V以下的低压场合;反向漏电流较大且对温度敏感,因此其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。
 
       (5)检测方法
 
       电力二极管要求通过的电流较大、反向击穿电压高、工作频率低、工作温度较高(有的需要加装散热片)。其检测方法也是比较典型的。
 
       ①二极管极性的判断二极管的正、 负极多用色点表示,如用红点或白点表示正极,另一端为负极。如果二极管上没有任何标记,可用万用表欧姆挡测出。将万用表置于Rx100 (或Rx1k)挡,测量二极管两极间的电阻值。如果黑、红表笔对调两次测量,电阻值均为02 ,说明此=极管已短路;如果黑、红两表笔对调两次测量,电阻值均为无穷大,说明此二极管已开路。正常的二极管应该是正向电阻较小(通常为几千欧) ,反向电阻很大。测得电阻值小时,万用表表笔所接的是二极管的正极(指针式万用表),另-极当然为负极(如图2-4所示)。


       ②二极管质量的检测可以用万用表对二极管的参数进行估测。

       ●将万用表置于Rx1k挡,测正、反向电阻值。
 
       一般好的电力二极管正向电阻值为几千欧至几十千欧,反向电阻值为无穷大。

       ●将万用表置于Rx1k挡,电力二极管正向电阻值小于1kQ的多为高频管。
 
       二极管的反向击穿电压值参数很重要,对电力二极管来说更加重要。如果反向电压超过此值,电力二极管将击穿,电器也将因整流电路损坏而烧毁。中国市电有效值为220V ,最大值为310V,所以市电下电力二极管反向击穿电压应高于310V实际使用时还得留有余量,往往反向击穿电压达450V以上。
 
       电力二极管反向击穿电压( UgR )最简单的检测方法是用绝缘电阻表( 也称摇表)进行检测,方法如图2-5所示。因为绝缘电阻表的内阻很大,流过二极管的电流很小,不必担心烧毁=极管。图2-5中万用表置于直流500V挡。摇动绝缘电阻表时,绝缘电阻表产生的直流电压将随转速的增加而增高,可以从电压表的读数知道电压值。当摇动转速较高时(达120r/min) ,二极管已进入反向击穿状态(软击穿状态,电流仅有1mA左右) , 直至万用表上的电压读数不再增加为止,此电压值就是二极管的反向击穿电压。
 

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