Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie budowy i działania diody mocy PIN ze szczególnym uwzględnieniem stanów przejściowych i komutacyjnych strat mocy.

Budowa diody mocy

Działanie diody opiera się na właściwościach złącza PN (powstałego w krzemie krystalicznym przez wytworzenie stykających się warstw o przeciwnym typie domieszkowania). Charakterystyka złącza obejmuje trzy możliwe obszary pracy: obszar blokowania, przewodzenia i przebicia.

Dioda mocy ma bardziej złożoną strukturę, aby sprostać stawianym przed nią wymaganiom. W stanie przewodzenia przy przepływie dużych prądów (dla współczesnych diod sięgający 5000A) wymagany jest jak najmniejszy spadek napięcia. Wymusza to konieczność zwiększania domieszkowania warstw N i P (by obszary te były nasycone dużą ilością nośników). Staje to w sprzeczności z koniecznością wytrzymywania dużych napięć w stanie blokowania (do 10 kV). Silne domieszkowanie jest przyczyną obniżenia napięcia przebicia struktury. Z tego powodu wykonuje się struktury trójwarstwowe (rys. 1) ze zubożoną warstwą środkową. W stanie przewodzenia warstwa ta jest zalewana nośnikami, co daje jej niską rezystancję. W stanie blokowania obszar złącza rozprzestrzenia się do tej warstwy, co zapewnia dostateczną wytrzymałość napięciową (patrz ćwiczenie o przebiciach).

anoda Rys 1: Konstrukcja diody mocy katoda N+ N- P+ P P pierścień ochronny miejsca o dużym natężenia pola

Rys 2: Przekrój przez pastylkę stożkową N- N+ P+ SiO2

Diody mocy wymagają starannego wykonania. Zapoczątkowanie przebicia lawinowego następuje w najsłabszym (ze względu na nierównomierność domieszkowania lub defekty siatki krystalicznej) pod względem wytrzymałości mikrofragmencie struktury. Krytycznym obszarem jest wyjście z wnętrza kryształu na jego powierzchnię. Z tego powodu cylindryczne pastylki szlifuje się stożkowo, a powierzchnię pokrywa dielektrykiem (dwutlenkiem krzemu lub żywicą) (rys. 2).

Przełączenia diody mocy

Układ przełączający diody przedstawiono na rys. 3. W gałęzi diody zawsze występuje pewna indukcyjność związana choćby z indukcyjnością przewodów łączeniowych (Lk).

a) włączanie diody

Przebieg prądu i napięcia przy włączaniu diody mocy przedstawia rys (4). Charakterystyczny wzrost spadku napięcia na włączającej się diodzie spowodowany jest brakiem dostatecznej ilości nośników w obszarze struktury (w warstwie zubożonej).

Aby warstwa zubożona miała niski opór musi być nasycona nośnikami ładunku. Efekt zwiększenia napięcia nie jest jednak istotny i na ogół w bilansie mocy można go pominąć.

b) wyłączanie diody

Przebieg prądu i napięcia przy wyłączaniu diody mocy prezentuje rys (5). Po zamknięciu włącznika Ł prąd w diodzie maleje do zera. Znaczna ilość nośników ładunku w obszarze złącza musi zostać odprowadzona i z tego powodu na diodzie narasta prąd wsteczny aż do wyczerpania ładunku nadmiarowego Qs. Wtedy prąd maleje od wartości maksymalnej IrrM aż do wartości ustalonej przy pracy zaworowej IR. Ładunek odprowadzony w drugiej fazie wyłączania nosi nazwę ładunku resztkowego Qf.

Dopóki ładunek nadmiarowy Qs nie zostanie usunięty dioda nie może blokować napięcia i utrzymuje się na niej spadek napięcia ze stanu przewodzenia. Po usunięciu ładunku Qs dioda odzyskuje własności zaworowe i przejmuje napięcie U.

Szybki spadek prądu odprowadzającego ładunki resztkowe jest przyczyną pojawienia się na indukcyjnościach diody dodatkowego napięcia samoindukcji. Na diodzie pojawia się przepięcie mogące spowodować zniszczenie przyrządu.

Ze względu na zastosowania diody mocy można podzielić na

a) diody wolne (czas wyłączania od 5 μs do 50 μs)

b) diody szybkie (czas wyłączania od 50 ns do 5 μs)

c) diody superszybkie (czas wyłączania poniżej 50 ns).

Ze względu na sposób zaniku prądu wstecznego (pochodzącego od ładunku resztkowego) diody mocy można podzielić na:

diody wyłączające twardo charakteryzujące się znacznym przepięciem i znacznymi zakłóceniami elektromagnetycznymi

diody wyłączające miękko

Podstawowe parametry katalogowe związane z wyłączaniem diody:

Qrr = Qs + Qf - ładunek przejściowy

trr - czas odzyskiwania właściwości zaworowych

IrrM - maksymalna wartość przejściowego prądu wstecznego

S - współczynnik miękkości procesu wyłączania diody

Straty mocy

Jak dla innych przyrządów mocy bilans strat obejmuje moc w stanie przewodzenia, blokowania i komutacji:

straty mocy przy przewodzeniu stanowią zasadniczą część strat mocy. Wyrażają się wzorem przy aproksymacji charakterystyki pradowo-napięciowej linią prostą (rys 7).

UF(TO) – napięcie progowe

IF(AV) – wartość średnia prądu przewodzenia

IF(RMS) – wartość skuteczna prądu przewodzenia

rF – rezystancja dynamiczna

straty mocy w stanie zaworowym są zwykle pomijane i tylko w wyjątkowych przypadkach dokładnych obliczeń brane pod uwagę.

UR(AV) – średnia wartość napięcia wstecznego

komutacyjne straty mocy

UFMAX – przepięcie na diodzie

tpz – czas trwania przepięcia

Dioda Schottky’ego

Budowę diody przedstawia rys (8). Działanie diody opiera się na wytworzonym złączu metal - półprzewodnik o zbliżonych cechach do złącza PN.

n+ n anoda katoda Rys 8: Struktura diody Schottky’ego

Zalety diody Schottky'ego

- znacznie mniejszy spadek napięcia (0,35V) w stanie przewodzenia niż dla diody warstwowej

- brak ładunku nadmiarowego tworzonego w otoczeniu strefy złączowej przez nośniki mniejszościowe

- szybszy proces wyłączania

- większa częstotliwość łączeń

wada

- stosunkowo niska wartość napięcia przebicia złącza nigdy nie przekraczająca 300 V.

Diody Schottky'ego znajdują zastosowanie w obwodach sterowania i niskonapięciowych obwodach przekształtników

Schemat układu pomiarowego

M – IRF540

L – 50 μH

D1 – dioda standardowa 1N4007

D2 – dioda ultraszybka MUR120

D3 – dioda szybka BA159

D4 – dioda Schottky’ego 1N6263

Zadania do wykonania

W układzie pomiarowym zbadać przebiegi prądu i napięcia na diodzie. Napięcie zasilające w zakresie od 10 do 50 V. Pomiary wykonać dla wybranych przez prowadzącego diod znajdujących się na płycie. Sprawdzić wpływ IF (0.5 Izn, Izn, 3 Izn) na IRRM, trr, ta, tb, QRR.

Co w sprawozdaniu

Wykresy przebiegów prądu i napięcia wykonane podczas ćwiczenia. Wśród wykresów powinno znaleźć się przynajmniej jedno włączenie diody i po przynajmniej jednym wykresie dla każdej zbadanej diody.

Tabelka (w przypadku większej niż 3 liczby punktów również wykres) przedstawiająca zależności parametrów diody od warunków jej pracy.

Obliczenie strat mocy przy wyłączeniu dla wszystkich zbadanych przypadków

Porównanie parametrów zbadanych diod

Wnioski

Pytania

Narysować konstrukcję diody PIN i diody Schottk`ego.

Narysować przebieg prądu i napięcia w trakcie komutacji diody PIN.

Co oznaczają terminy: twarde i miękkie wyłączanie?

Jakie są podstawowe parametry charakteryzujące wyłączanie diody?

Podać bilans strat mocy dla diody PIN.

Wyprowadzić wzór na straty mocy w przewodzeniu.

2004-09-30T07:41:12