Силовая полупроводниковая элементная база. Учебное пособие

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

Если в схеме (рисунок 1.2, а) значение амплитуды импульса тока I– зависело от величины сопротивления нагрузкиRн, то в схеме, представленной на рисунке 1.3,а, амплитуда импульса токаI max- намного больше. Она определяется:

где Rвых — выходное сопротивление источникаuвх; Rд.дифф — дифференциальное сопротивление диода VD; Rпар — паразитное сопро-

тивление элементов схемы и конструктивных особенностей соединительных проводников. Так как суммарная величина сопротивлений знаменателя достаточно мала, то для этой схемы значение тока I max- гораздо больше, чем у схемы, приведенной на рисунке 1.2, а.

Это обстоятельство позволяет существенно уменьшить время tрасс, что дает возможность увеличить частоту преобразованияfпр электрической энергии в импульсных силовых устройствах. Однако, с другой стороны, наличие значительной амплитуды импульса I max- может вызвать отказ диода из-за невыполнения нормативных предельно допустимых значений обратного тока диода. Необходимо отметить также, что для рассматриваемого режима работы диода возможно не только снижение напряжения нагрузки на этапе времени существования входного напряжения U вх- , но и изменение его полярности, то есть U н- < 0.

Очевидно также, что наличие времени рассасыванияp-n перехода при работе на емкостную нагрузку, то есть возникновения импульса тока, обязательно вызывает снижение КПД силового устройства, работающего в импульсном режиме работы.

Наличие времени рассасывания tрасс и упомянутого выше неравенства tвыкл << tрасс на этапе времени выключения диода обусловливает появление другого негативного свойства диода сp-n переходом в импульсном режиме. Это иллюстрируется эквивалентной схемой и временными диаграммами (рисунок 1.4 а, б).

На схеме (рисунок 1.4, а) показаны паразитные параметры диода: его емкость Спар и индуктивность, которая состоит из двух элементов: Lв1 и Lв2, выражающих индуктивность первого и второго выводов диода.

Из временных диаграмм (рисунок 1.4, б) видно, что при возникновении скачка уменьшения тока от величины I max- до нуля с большой

11

Так как величины паразитной емкости и индуктивностей малы и практически составляют десятки пикофарад и десятки наногенри, то практически эта частота лежит в пределах единиц-десятков мегагерц и более.

12

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

Степень затухания синусоиды колебаний зависит от добротности паразитного резонансного контура:

где Rпар — паразитное активное сопротивление соединительных токовых проводников силового устройства. Так как любое силовое устройство должно иметь высокий КПД, то величина сопротивления Rпар достаточно мала и лежит в пределах десятых или сотых долей ома, то количество периодов затухающей синусоиды составляет обычно несколько десятков.

Двойная амплитуда высокочастотных колебаний тока:

Наличие высокочастотных колебаний fвч определяет функционирование схемы (рисунок 1.4, а) как мощного источника высокочастотных импульсных помех. Его мощность без принятия специальных мер зачастую вызывает сбои в работе нагрузки. Причем эти сбои могут носить нерегулярный характер, что обусловлено различными частотами работы источника электропитания и нагрузки. В наибольшей степени это относится к нагрузкам, которые содержат цифровые интегральные микросхемы. Вместе с этим высокая частота сигнала помехи может распространяться через индуктивные и емкостные паразитные связи, может обусловить сбои в работе цифровой аппаратуры, непосредственно не связанной с импульсными преобразователями, но расположенной в одном конструктивном корпусе информационного устройства или в непосредственной близости.

Поэтому в практических схемах силовой электроники применяются различные схемотехнические методы подавления помех или устранения их негативного влияния на функционирование нагрузок, что, как видно из приведенного описания, обусловлено наличием времени рассасывания избыточных носителей зарядов.

В общем случае появление высокочастотных колебаний имеет место и на интервале времени включения диода. Однако практически из-за существенно большей длительности фронтов нарастания тока через диод спектральная мощность сигнала возникающих при этом колебаний имеет гораздо меньшие значения и его влияние на функционирование нагрузок гораздо менее значимо.

13

В моменты времени, когда напряжение на нагрузке становится больше, чем уменьшающееся мгновенное значение напряжения на выходе мостового выпрямителяVD1–VD4, соответствующая пара диодов должна закрыться. Наличие у них времени tрасс приводит к возникновению импульсов токаI max+ и I max- . Период частоты

14

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

напряжения сети равен Т = 20 мс, для современных же выпрямительных диодов время tрасс составляет десятые доли микросекунды, то есть Т >> tрасс. С энергетической точки зрения наличие подобных относительно коротких импульсов может не привести к существенному увеличению мощности потерь. Однако их существование обусловливает появление описанных выше импульсных высокочастотных помех, которые вызовут сбои в работе электронных устройств управления силовыми импульсными элементами и соответствующих информационных электронных устройствах нагрузки. Поэтому в рассмотренных современных низкочастотных выпрямителях применяются специальные меры по снижению частоты колебаний импульсных высокочастотных помех.

Таким образом, даже при выпрямлении переменного напряжения низкой частоты влияние относительно малых значений времени рассасывания обусловливает появление импульсных высокочастотных помех с соответствующими негативными последствиями в работе высокочастотных логических интегральных микросхем нагрузки.

В схемах выпрямителей, работающих на емкостную нагрузку, применяют позистор (резистор Rп на схеме, приведенной на рисунке 1.5, а). Он предназначен для ограничения амплитуды пускового тока заряда фильтрующего конденсатора С. Позистор является полупроводниковым резистором с нелинейной характеристикой, которая показана на рисунке 1.6. Как видно из зависимости Rп = f(i), большим токам заряда конденсатора С соответствуют большие значения сопротивления Rп. По мере заряда конденсатора и уменьшения тока его сопротивление уменьшается, что обусловливает достаточно малые потери мощности на резисторе Rп.

Rп

i

Рисунок 1.6 — Вольтамперная характеристика позистора

15

1.ДИОДЫ

Втаблице 1.1 приведены параметры для одного из наиболее типичных импульсных выпрямительных диодов с p-n переходом типа КД213, широко применяемым в силовой электронике.

Таблица 1.1

Диод КД213

Данные таблицы 1.1 и выполненный анализ определяют два наиболее существенных недостатка диодов с p-n переходом.

Первый из них заключается в существенной величине прямого падения напряжения на диоде, которая обычно лежит в пределах 0,8–1,0 В. Это обусловливает наличие невысоких значений КПД выпрямителя или другого силового устройства при малых напряжениях на нагрузке. В наиболее значительной степени это относится к устройствам электропитания как сложных, так и простых IT-систем с цифровыми логическими интегральными схемами, напряжение питания которых в большинстве случаев равно Uн = 5 В.

16

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

Вторым существенным недостатком диодов с p-n переходом является наличие времени рассасывания избыточных носителей зарядов. Это не только снижает КПД выпрямителей, но и превращает силовой преобразователь электрической энергии в мощный генератор импульсных высокочастотных помех. Они обусловливают их негативное воздействие на работоспособность потребителей, например, IT-устройств и систем. Кроме того, помехи могут вызывать сбои в работе драйверов, управляющих моментами переключения силовыми полупроводниковыми приборами преобразователей электрической энергии.

1.2. Диоды Шоттки

В основе работы диодов Шоттки лежит контакт между металлом и полупроводником. Такой контакт при определенных условиях может обладать выпрямительными свойствами. Для этого необходимо, чтобы приповерхностный слой полупроводника был обеднен основными носителями и чтобы сопротивление обедненного слоя был много больше сопротивления остальной части полупроводника. Диод Шоттки работает на основных носителях зарядов, что определяет специфические и отличительные от диода с p-n переходом свойства его ВАХ в статическом и динамическом режимах работы.

На рисунке 1. 7 приведены типичные ВАХ диода Шоттки и диода с p-n переходом. В области прямой проводимости падение напряжения на диоде ШотткиU прш меньше, чем у диода сp-n переходом U прp-n . Однако в области обратной проводимости обратный ток дио-

да Шоттки I обрш больше, чем у диода с p-n переходом I обрp-n . Это определяет тот факт, что максимально допустимое обратное напряже-

ние у диодов Шоттки U обрш .max всегда меньше. В частности, серийно выпускаемые диоды Шоттки имеют максимально допустимое обратное напряжение не более 200 В, а диоды сp-n переходом выпускаются на обратные напряжения до 1000 В и более.

Так как физические принципы работы диода Шоттки основаны на взаимодействии носителей зарядов одного типа, то у него отсутствуют процессы накопления зарядов и их рассасывания, то есть у диода Шоттки tрасс = 0.

17

1. ДИОДЫ

Iд Шоттки p–n

Iпр

Рисунок 1.7 — Сравнение вольтамперных характеристик диодов Шоттки и диодов с p-n переходом

В таблице 1.2 приведены параметры диода Шоттки типа КД271, предельные электрические параметры которого близки к рассмотренному выше диоду с p-n переходом типа КД213. Проведем сравнительный анализ этих диодов по различным характеристикам.

Таблица 1.2

Диод КД271

18

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

Окончание табл. 1.2

Диод КД271

Сравним особенности применения этих диодов в схеме простейшего выпрямителя (рисунок 1.2, а), для которого КПД определяется:

где Uн и Uпр — напряжение на нагрузке и прямое падение напряжение на диоде соответственно.

На графике (рисунок 1.8) приведена зависимость h = f(Uпр) простейшеговыпрямителястипичнымвыходнымнапряжением Uн =5В, которая показывает существенную зависимость КПД от прямого падения напряжения на диоде. Кроме того, можно привести расчет мощности, рассеиваемой диодом, на примере источника электропитания современного системного блока компьютера, который потребляет обычно по напряжению питания +5 В ток 15–20 А.

19

1. ДИОДЫ

Если падение напряжения на диоде будет равно 1 В, то мощность, рассеиваемая диодом, равна Рд = 15–20 Вт. Уменьшение Uпр до величины 0,5 В приведет к снижению мощности в два раза. Очевидно, что применение диодов Шоттки дает существенный выигрыш по энергетическим характеристикам. Кроме того, уменьшение мощности приводит к улучшению массогабаритных характеристик за счет уменьшения размеров теплоотводящих элементов конструкции источников электропитания электронной аппаратуры.

Положительные свойства диодов Шоттки определяют их два основных преимущества по отношению к диодам с p-n переходом:

—более высокий КПД, что влечет за собой также и меньшие размеры теплоотводящих устройств;

—отсутствие времени рассасывания избыточных носителей зарядов, что обусловливает возможности повышения частоты преобразования в импульсных преобразователях электрической энергии.

Вместе с этим, как видно из ВАХ диода Шоттки (рисунок 1.7), обратные токи у таких диодов существенно больше, максимально допустимые обратные напряжения меньше.

Несмотря на отсутствие времени рассасывания, большее быстродействие диодов Шоттки не снимает полностью рассмотренной выше проблемы генерации импульсных высокочастотных помех.

Эти положительные и отрицательные свойства диодов Шоттки определяют области их применения в импульсных силовых преобразователях электрической энергии.

Диоды Шоттки целесообразно использовать при низких выходных напряжениях — не более нескольких десятков вольт. В настоящее время это реализуется практически во всех современных импульсных преобразователях с выходными напряжениями, типичный диапазон которых лежит в диапазоне 5–9 вольт. Наличие больших обратных токов у диодов Шоттки не препятствует их применению при токах нагрузки 10–15 А и более. В частности, это относится к современным источникам электропитания системных блоков компьютеров или к более сложным IT системам и устройствам.

20