Полупроводниковый диод является простейшим и наиболее распространенным типом переключающих приборов силовой электроники. В настоящее время применяются в основном полупроводниковые диоды с р-n-переходом и диоды с барьером Шоттки или барьером Мотта. Последние выгодно отличаются от полупроводниковых диодов с р-n-переходом прежде всего отсутствием накопления и рассасывания носителей заряда в базе диода, что и определяет их хорошие частотные свойства (меньшую инерционность процессов их переключения).
Статические свойства идеализированного р-n-перехода описываются уравнением Шокли
где Is — ток насыщения (тепловой ток), к которому стремится величина I при отрицательном значении напряжения на р-n-переходе; U —напряжение на диоде; UT = KT/q —тепловой потенциал; К = 1,38 • 10-23 Дж/°С — постоянная Больцмана; Т — температура; q — 1,6 • 10-19 Кл — заряд электрона.
При комнатной температуре UТ = 0,026 В. Поэтому уже при напряжении на диоде U = 0,1 В exp(U/UT) >> 1 и уравнения для прямого и обратного тока принимают вид
При анализе и расчете устройств преобразования энергии, выполненных по так называемой низкочастотной технологии, обычно прибегают к кусочно-линейной аппроксимации реальной ВАХ диода. При этом прямая ветвь ВАХ заменяется идеальным ключом S, идеальным источником напряжения, равным пороговому напряжению Uп, и дифференциальным сопротивлением RVD. Пороговое напряжение Uп определяется точкой пересечения касательной к прямой ветви ВАХ в рабочей точке с осью ординат. Следует отметить, что пороговое напряжение кремниевых диодов с обычным р-n-переходом (выполненных как по сплавной, так и по диффузионной технологиям) лежит в пределах 0,7...0,9 В, тогда как Для диодов с барьером Шоттки Uп = 0,35...0,45 В. Обратная ветвь ВАХ реального диода заменяется сопротивлением Rобр.
В процессе работы устройств преобразования энергии в диодах, входящих в состав этих устройств, выделяются потери мощности (РVD), равные в общем случае сумме потерь от прямого тока (Рпр), потерь от обратного тока (Робр) и динамических (коммутационных) потерь на интервалах перехода диода из открытого состояния в закрытое (Рк). При относительно невысокой частоте переключения диодов (до нескольких килогерц) в большинстве практических случаев суммарные потери в диодах определяются в основном составляющей Рпр. Следовательно, в этом случае мощность потерь в диоде
где iVD, uVD — мгновенные значения тока и напряжения на открытом диоде; tH, Т — интервал открытого состояния диода и период его коммутации соответственно; IVDср — среднее значение тока диода; IVD — действующее значение тока диода; Uп RVD — пороговое напряжение и дифференциальное сопротивление диода соответственно.
Рассмотрим коммутационные процессы в диоде на примере однополупериодной схемы выпрямления, работающей на чисто активную нагрузку при скачкообразном изменении напряжения е. На интервале времени от 0 до t1 через открытый диод VD протекает прямой ток Iпр = (Еm — Unp)/R, так что на границах р-n-перехода имеется избыточная концентрация неосновных носителей.
В момент времени t1 напряжение, е скачком меняет свою полярность и через диод в течение интервала рассасывания избыточного заряда tp = t2 — t1 будет протекать ток в обратном направлении. Величина этого обратного тока Iобр max = (Еm—uVD)/R. По окончанию рассасывания избыточной концентрации носителей напряжение на диоде uVD в момент t2 падает до нуля. В интервале времени t3 — t2 обратный ток диода уменьшается с Iобр max до Iобр = Is (до тока насыщения). Этот интервал времени tB называется временем восстановления обратного сопротивления диода (временем обратного восстановления). Пиковое значение мгновенной мощности на интервале tB многократно превышает мощность потерь Рпр (потери на интервале открытого состояния диода), что может служить причиной локального перегрева и разрушения кристалла. С ростом частоты пребразования энергии в устройствах электропитания растет и среднее за период значение коммутационных потерь. При частотах преобразования энергии в несколько десятков, или даже сотен килогерц (частоты на которых работают современные устройства электропитания) необходимо учитывать коммутационные процессы при выключении диодов и принимать соответствующие меры по их снижению. Схема замещения диода, позволяющая учитывать коммутационные процессы при выключении диода. Схема замещения (модель) содержит либо безынерционный диод, ВАХ которого соответствует уравнению Шокли, а зависимый от напряжения источник тока, емкость С и резистор Rs, позволяющий учитывать потери в диоде. Такая схема (модель) используется практически во всех известных пакетах компьютерного моделирования электронных схем (pSPISE, WORKBENCH, MicroCap и др. ) В общем случае емкость С учитывает два различных по природе процесса, протекающих при переключении диодов, и, соответственно, имеет две составляющие: диффузионную (Сд) и барьерную (Сб). Обе существенно зависят от величины напряжения и отображают процессы накопления заряда при переключении диода и образования заряда на закрытом переходе.
В момент времени t1 прямой ток диода начинает спадать со скоростью, определяемой внешними, по отношению к диоду факторами (формой и величиной запирающего напряжения, индуктивностью цепи и др. ). В момент времени t2 прямой ток спадает до нуля, однако носители тока, наполняющие р-n-переход, продолжают движение, образуя обратный ток. За время нарастания tH = t3 —t2 обратный ток достигает максимальной величины Iобр max. С момента времени начинается уменьшение обратного тока до значения Iобр = Is. На практике реальная кривая уменьшения обратного тока экстраполируется прямой проходящей через точки, соответствующие токам 0,75Iобр max и 0,5Iобр max. Моментом окончания процесса восстановления запирающих свойств считается момент, соответствующий точке пересечения этой прямой с осью времени (момент
Под временем восстановления запирающих свойств диода tв(trr), которое указывается в справочных данных, понимается суммарное время нарастания tн и спада tc = t4 — t3 обратного тока диода. По соотношению времени нарастания tH и времени спада tc различают диоды с «мягким» восстановлением (tc = tH), «быстрые» (tc =0,5tH) и «супербыстрые» (tc < 0,2tH).
Помимо времени восстановления (trr) в справочных данных (например, фирмы International Rectifier) указывается также значение тока Iобр max (Irrm) и величина заряда QB (Qrr), накопленного диодом при его запирании. Следует отметить, что значения выше перечисленных параметров зависят от температуры перехода (с ростом температуры значения параметров увеличиваются). Кроме того, в справочных данных также указывается значение емкости, р-n-перехода С (Ст) соответствующей паспортному значению обратного напряжения.
В реальных схемах на конечной стадии задирания диода наблюдается колебательный процесс, который объясняется резонансными явлениями, обусловленными наличием паразитных индуктивностей в цепи протекания обратного тока диода. Для пояснения природы возникновения таких процессов обратимся к схеме однотактного преобразователя. В этой схеме индуктивность L1 учитывает индуктивность проводников и паразитную индуктивность источника питания Е (например, индуктивность выводов выходного конденсатора этого источника). Конденсатор С, подключенный параллельно диоду VD, учитывает емкость этого диода.
В установившемся режиме работы в интервале времени от 0 до t1 ключ S разомкнут и энергия, ранее запасенная дросселем L2, передается в нагрузку (R H) через открытый диод VD. При замыкании S в первичном контуре начинает протекать ток i1, скорость изменения которого практически определяется напряжением Е и индуктивностью L1 (di1/dt = E/L1). Ток диода, равный разности i2 и i1, к моменту времени t2 уменьшается до нуля и далее, в силу инерционности процесса рекомбинации носителей тока, изменяет знак, достигая к моменту времени t3 максимальной величины Iобр max. На эту же величину AI1 = Iобр max ток i1 превышает значение тока i2. Если допустить мгновенность восстановления запирающих свойств диода, то, начиная с момента времени t3, энергия индуктивности L1 передается паразитной емкости диода, порождая в цепи затухающие колебания. Частота этих колебаний определяется параметрами контура L1C и может достигать нескольких мегагерц. Колебательный процесс будет продолжаться до тех пор, пока вся избыточная энергия, накопленная индуктивностью L1 к моменту времени t3, не рассеется в активных элементах контура.
Потери мощности на интервале восстановления запирающих свойств диода Рдоп, обусловленные энергией, накопленной в паразитной индуктивности L1 избыточным током Al1 = Iобр max можно выразить через параметры Е, L1 и период преобразования Т:
В случае диода с «мягким» выключением на интервале восстановления запирающих Свойств, изменяющееся во времени сопротивление диода шунтирует его паразитную емкость, уменьшая добротность контура L1С и обеспечивая более быстрое затухание колебаний. Такой же; эффект достигается подключением параллельно элементам, работающим в режиме переключения демпфирующих R-C цепочек с относительно малыми значениями сопротивления и емкости. Вместе с тем, демпфирование колебаний сопровождается ростом потерь мощности в элементах этих демпфирующих цепочек.
Важным конструктивным параметром диода является его способность отводить тепло от поверхности кристалла. Эта способность зависит от особенностей конструкции прибора и характеризуется тепловым сопротивлением фрагмента «кремниевая пластина - корпус» Rт(п-к).
Используемая литература: Электропитание устройств и систем телекоммуникаций:
Учебное пособие для вузов / В. М. Бушуев, В. А. Демянский,
Л. Ф. Захаров и др. — М.: Горячая линия—Телеком, 2009. —
384 с.: ил.
Скачать реферат:
Пароль на архив: privetstudent.com