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

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.