Общие сведения из теории

Принцип работы любого преобразователя электроэнергии в системах энергоснабжения и в приборостроении основан на периодическом включении и выключении электрических вентилей [7]. В качестве вентиля может использоваться любой выпускаемый промышленностью прибор, работающий в ключевом режиме. В ключевом режиме на приборе будет выделяться минимальная мощность, что в основном и определяет КПД устройства. В случае идеального ключа на этапе его проводящего состояния падение напряжения на ключе равно нулю. В запертом состоянии отсутствие тока также определяет нулевое значение потери мощности. В настоящее время в качестве электрических вентилей используются полупроводниковые приборы, основные из которых представлены на рис. 2.1 (для каждого прибора даны его символическое изображение и типовая вольт-амперная характеристика).

Современный силовой полупроводниковый ключ – сложная схема, содержащая множество параллельных структур. По степени управляемости полупроводниковые приборы разделяются на неуправляемые вентили (диоды, рис. 2.1, а), не полностью управляемые приборы (традиционные тиристоры, рис. 2.1, б, и симисторы, рис. 2.1, г) и полностью управляемые приборы (транзисторы, рис. 2.1, д,
е, ж). Силовые полупроводниковые диоды – это приборы с прямым током более 10 А, двумя выводами и одним p–n-переходом (рис. 2.1). Их можно разделить на две группы: выпрямительные и быстродействующие. Выпрямительные предназначены для выпрямления переменного тока. Быстродействующие силовые диоды служат для блокировки транзисторных ключей в обратном направлении (антипараллельные диоды) и для создания путей протекания токов нагрузки при запирании силовых транзисторов (нулевые и демпферные диоды).

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диодов при малых токах совпадает с ВАХ p–n-перехода [9]:

, (2.1)

где – тепловой ток; – температурный потенциал перехода, равный при нормальной температуре 25 мВ; – технологический коэффициент, близкий
к единице. При токах более 10 А напряжение между выводами диодов следует заменить на разность , где – объемное сопротивление полупроводника и контактов, оцениваемое долями ома. ВАХ силового диода в проводящем состоянии можно аппроксимировать двумя отрезками прямых (рис. 2.2, а), что позволяет определить необходимые параметры ( – пороговое напряжение, – эквивалентное сопротивление) для анализа, расчета и моделирования и представить диод эквивалентной схемой (рис. 2.2, б), содержащей источник напряжения и сопротивление . В закрытом (непроводящем) состоянии сопротивление диода принимается бесконечным, ток через диод равным нулю.

а

 

б

 

 

в

 

 

г

 

 

д

 

 

е

 

 

ж

 

Рис. 2.1. Силовые полупроводниковые приборы

Рис. 2.2. Упрощенная ВАХ (а) и эквивалентная схема (б) диода

 

Силовые диоды обычно характеризуются набором статических, предельно допустимых и динамических параметров. К статическим параметрам относятся пороговое напряжение и эквивалентное сопротивление, рассмотренные выше, а также среднее значение прямого тока , прямое напряжение при некотором значении этого тока и импульсное прямое напряжение В качестве предельно допустимых параметров в паспортных данных на диоды приводятся максимальный средний прямой ток , повторяющееся импульсное обратное напряжение , ударный (импульсный) прямой ток при оговоренной длительности импульса, неповторяющееся импульсное обратное напряжение [2].

К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики: время обратного восстановления , заряд восстановления , предельная частота без снижения режима диода . Время обратного восстановления характеризует инерционные свойства диода при переключении в тестовой схеме (рис. 2.3, а) с заданного значения прямого тока на заданное значение обратного напряжения (рис. 2.3, б).

 

Рис. 2.3. Испытательная схема (а) и временная диаграмма спада

обратного тока (б) диодов

В течение времени происходит рассасывание зарядов неосновных носителей на границе p–n-перехода, т. е. разряд эквивалентной емкости. После интервала рассасывания начинается процесс выключения диода, характеризующийся временем спада обратного тока. Таким образом, время обратного восстановления диодов

. (2.2)

Заряд восстановления запирающих свойств диода определяется как

, (2.3)

где – заряд рассасывания неосновных носителей; – заряд спада обратного тока.

Потери мощности в диоде складываются из потерь в проводящем состоянии и динамических потерь , возникающих на этапе обратного восстановления.

(2.4)

При работе диода в режиме периодической коммутации потери проводимости можно рассчитать по формуле

, (2.5)

где – коэффициент формы тока.

Потери восстановления запирающих свойств диода определяются выражением [1]

, (2.6)

где – амплитуда обратного тока через диод; – частота коммутации диода.

Динамические потери в диоде накладывают ограничение на повышение частот коммутации в силовых электронных устройствах. В то же время повышение частот коммутации является основным направлением развития силовой электроники. Оно дает возможность уменьшить номиналы индуктивных и емкостных элементов, а также улучшить технико-экономические показатели и быстродействие преобразовательных устройств. При частоте коммутации, равной десяткам и сотням килогерц, силовой диод должен иметь малое время восстановления запирающих свойств , так как оно, во-первых, определяет динамические потери мощности диода (2.6) и, во-вторых, задает максимальное значение и длительность всплеска тока транзисторного ключа, при отпирании которого происходит выключение диода. При работе диодов в составе таких устройств силовой электроники, как автономные инверторы, преобразователи частоты, импульсные источники питания, корректоры реактивной мощности
и др., время обратного восстановления не должно превышать 0,1…0,3 мкс.

Выпрямительные диоды.Эта группа диодов отличается высокими значениями обратного напряжения (от 50 В до 5 кВ) и прямого тока (от 10 А до 5 кА). Массивная структура диодов ухудшает их быстродействие. Поэтому время обратного восстановления обычно не нормируется и находится в диапазоне 25…100 мкс, что ограничивает использование диодов в цепях с частотой не выше 500 Гц. Прямое падение напряжения в выпрямительных диодах достигает 2,5…3 В у приборов высокого напряжения. Кроме отдельных выпрямительных диодов выпускаются силовые диодные модули, включающие в себя последовательно-параллельные сборки и схемы мостовых конфигураций.

Быстродействующие диодыподразделяются на быстровосстанавливающиеся диоды и на диоды Шоттки. При производстве быстровосстанавливающихся диодов используются различные технологические методы, уменьшающие время восстановления. Благодаря этому удается снизить время до
3…5 мкс. Наиболее быстродействующие диоды с напряжением до 400 В и током до 50 А имеют время обратного восстановления 0,2…0,5 мкс. Такие диоды могут работать в устройствах силовой электроники с частотой коммутации
10 кГц и выше. В диодах с барьером Шоттки вместо p–n-перехода используется контакт металлической поверхности с полупроводником.

Таблица 2.1

Диоды Шоттки

Тип прибора IFAV, A URRM, B UFM, B tвкл, нс tвыкл, нс
MBR4100E 1,53
MBR5150E 2,0
MBR8100E 1,8
MBR10120E 1,9
MBR10150E 1,9
MBR1520 1,05  
MBR1540 1,25  
MBR1560 1,5  
MBR3040 1,5  
MBR3080 1,9  
MBR6040 1,5  

 

Особенностью диодов Шоттки является то, что прямой ток обусловлен движением основных носителей – электронов, поэтому отсутствует накопление неосновных носителей ( ), что существенно уменьшает инерционность диодов Шоттки. Время обратного восстановления не превышает 0,2 мкс, падение прямого напряжения на 0,2…0,3 В ниже, чем у диодов с p–n-переходом. Максимальное напряжение современных диодов Шоттки составляет 150 В (табл. 2.1). Максимальная частота коммутации 200 кГц при токе до 30 А.


2.2. Лабораторная работа «ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
И ПАРАМЕТРОВ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ»

Цель работы: получение вольт-амперных и переходных характеристик силовых диодов, определение по ним статических и динамических параметров, получение навыков по выбору диодов для устройств силовой электроники.








Дата добавления: 2015-12-16; просмотров: 2057;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.012 сек.