Силовые полупроводниковые элементы

Тип силовых полупроводниковых элементов определяют тип полу­проводникового преобразователя, а параметры силового полупровод­никового элемента определяют его статические и динамические харак­теристики.

Силовые полупроводниковые элементы в преобразователях, как правило, работают в ключевом режиме. Этот режим работы характе­ризуется двумя состояниями:

• открыт для диода и тиристора, насыщен для транзистора;

• закрыт.

В первом состоянии силовой полупроводниковый элемент имеет практически нулевое сопротивление для протекания тока, во вто­ром — практически бесконечное сопротивление. Благодаря такому ре­жиму работы потери в силовом полупроводниковом элементе очень малы по сравнению с преобразуемой мощностью. Эти потери склады­ваются из потерь при протекании прямого тока, когда силовой полу­проводниковый элемент открыт или насыщен, потерь при протекании обратного тока, когда силовой полупроводниковый элемент закрыт и потерь при переключении из одного состояния в другое.

Параметры, приводимые в справочных данных, определяют эти потери.

Классификация силовых полупроводниковых элементов представ­лена на рис. В качестве первого критерия классификации выбран тип элемента. По этому критерию все силовые полупроводниковые элементы разде­лены на диоды, тиристоры и транзисторы.

Вкачестве второго критерия классификации выбраны физические свойства элемента.

Тема 3 диоды

выпрямительные, стабилитроны, светодиоды, варикапы

Диоды выпрямительные

Назначение- преобразовать ток переменный в постоянный.

Схема

Принцип действия.Ток через диод проходит только в течение полупериода, когда (+) приложен к аноду, а (-) к катоду.

Параметры, основные для выпрямительных диодов

1. I_{пр.макс} -предельно допустимое среднее за период значение тока через диод;

2 2.U_пр - падение напряжения в прямом направлении (потенциальный барьер);

3 3. U_{об. макс} - предельно допустимое обратное напряжение.

Разновидности диодов

По материалу: германиевый (Г) и ремниевый (К). Для Гдопустима температура=55 град. , дляК =120град. Для Г Uпр  1В , дляК Uпр 1,5В.

По мощности, которую диод способен пропустить: малой мощности (Iпр.макс0,3A), cредней (Iпр.макс 10А), большой (Iпр. макс10А).

Силовые полупроводниковые диоды.

Полупроводниковым диодом называют прибор, который имеет два электрода и содержит один (или несколько) p-n -переходов. Силовые полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрями­тельные и быстродействующие. Выпрямительные диоды предназначе­ны для выпрямления переменного тока. Быстродействующие диоды в схемах полупроводниковых преобразователей служат в качестве обрат­ных диодов. Они создают пути протекания тока нагрузки при запира­нии транзисторов.

Выпрямительные диоды

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузи­онные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды, благодаря большой площади p-n перехода, используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и предназ­начены для выпрямления малых токов. Эти диоды применяются в основном для построения выпрямителей в промышленных сетях переменного тока частоты 50-60 Гц. Электрод диода, подключен­ный к области p, называют анодом, а электрод, подключенный к области n, — катодом.

Строение диода видно из рис. 2.3 а, его изображение на принципи­альной схеме показано на рис. 2.3б, а его вольт-амперная характери­стика — из рис. 2.3 в.

Вольт-амперную характеристику диода в открытом состоянии мож­но аппроксимировать двумя отрезками прямых (рис. 2.3 в), что позволяет определить необходимые параметры (U_DO — пороговое напряжение, динамическое сопротивление) для анализа, расчета и моделирования.

При прямом напряжении на диоде и U_D < u_do ток через диод равен нулю. Для U_D > U_D0 диод аппроксимируется сопротивлением . Таким образом, модель диода в открытом состоянии описывается линейным уравнением U_D=U_D0+r_D.

В закрытом состоянии сопротивление диода принимается бесконеч­ным, а ток через диод равным нулю.

Силовые диоды обычно характеризуются набором статических, предельно допустимых и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся рассмотренные выше пороговое напряже­ние и динамическое сопротивление, а также:

• падение напряжения U_ПР на диоде при некотором значении пря­мого тока;

• обратный ток /_ОБР при некотором значении обратного напряже­ния;

• среднее значение прямого тока /_СР,ПР.

В качестве предельно допустимых параметров в паспортных дан­ных на диоды приводятся следующие:

максимальный прямой ток /_{ПР max};

максимальное обратное напряжение U_ОБРmax

импульсное обратное напряжение U_{ОБР ИМ}.

прямой импульсный ток l_{ПР ИМ} при оговоренной длительности импульса.

Динамические параметры диода - его временные и ча­стотные характеристики:

• время восстановленияt_вост обратного напряжения;

• время нарастания прямого t_нар тока;

• предельная частота без снижения режимов диода f_max.

Динамические параметры определяются при переключении диода. Графики такого переключения приведены на рис. 2.4 а. Схема испыта­ния, приведенная на рис. 2.4 б, представляет собой однополупериодный выпрямитель, работающий на резисторную нагрузку R_H и питае­мый от источника напряжения прямоугольной формы.

Напряжение на входе схемы в момент времени t = 0 скачком при­обретает положительное значение U_m. Из-за инерционности диффузи­онного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в течение времени t_нар. Совместно с нарастанием тока в диоде снижает­ся напряжение на диоде, которое после t_нар становится равным U_np. В момент времени t₁, в цепи устанавливается стационарный режим, при котором ток диода i = I_H=U_m/R_H.

Такое положение сохраняется вплоть до момента времени t₂, когда полярность напряжения питания меняется на противоположную. Од­нако заряды, накопленные на границе p-n перехода, некоторое время поддерживают диод в открытом состоянии, но направление тока в диоде меняется на противоположное. По существу, происходит расса­сывание зарядов на границе p-п перехода, т. е. разряд эквивалентной емкости. После интервала времени рассасывания t_рас начинается про­цесс выключения диода, т. е. процесс восстановления его запирающих свойств.

Кмоменту времениt₃ напряжение на диоде становится равным нулю и в дальнейшем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжается до мо­мента времени t₄, после чего диод оказывается запертым. К этому времени ток в диоде становится равным нулю, а напряжение дости­гает значения –U_max. Таким образом, время t_ВOCT можно отсчитывать от перехода U_D через нуль до достижения током диода нулевого значения /_D = 0.

Рассмотрение процессов включения и выключения выпрямительно­го диода показывает, что он не является идеальным ключом и в опре­деленных условиях обладает проводимостью в обратном направлении.

Следует отметить, что при R_H = 0 (что соответствует работе диода на емкостную нагрузку, либо при включении диода в качестве обрат­ного) обратный ток через диод в момент его запирания может во мно­го раз превышать ток нагрузки в стационарном режиме.

Из рассмотрения графиков (рис. 2.4 а) следует, что мощность потерь в диоде резко повышается при его включении и, особенно, при выключе­нии Для снижения этих потерь и обеспечения надежной работы диода применяются специальные схемы формирования динамических процессов — снабберы (snubbers). Простейшей схемой снаббера является цепь, состоящая из последовательно включенных сопротивления и конденсатора. Эта схема подключается параллельно аноду и катоду диода (пунктир на рис. 2.4 б). Более подробно о схемах формирования будет сказано при описании динамических режимов работы транзистора.