Переходный процесс включения диода

Полупроводниковые диоды средней и большой мощности широко применяются в широтноимпульсных преобразователях и автономных инверторах. При использовании полевых транзисторов типа КП, TMOS диодная структура p+–n-–n+ получается при обратной полярности напряжения сток-исток. Характер процессов, происходящих в схемах преобразователей, приводит к тому, что к диодам прикладывается напряжение, имеющее большое значение du/dt. В связи с этим рассмотре- ние переходных характеристик диодов является актуальной задачей.

Пусть диод переключается в схеме с активной нагрузкой R (рис. 1, а). Схема замещения диода приведена на рис. 1, б, где r б – сопротивление базы, r pn – дифференциальное сопротивление p–n- перехода, С – емкость p - n- перехода.

При включении диода следует рассматривать две составляющие напряжения: напряжение базе и напряжение на p-n – переходе [1]:

на

U b ( 6 )

U b (0)

а)

U» „(6)     f ) I p     = lnl 1 + -1 I • V1 - e "6,(2)

ФГ I где 6 = tjт - относительное значение времени, т -постоянная времени диода, I0 – тепловой ток диода, фT - температурный потенциал, L - диффузионная длина, to - ширина базы, L/to - относительное значение диффузионной длины,

Обычно входное напряжение больше прямого напряжения диода, поэтому появляется начальный скачок тока, создающий начальное напряжение на базе U b (0). Условия существования функции U b ( 6 )/ U b ( 0 ) определим из неравенства

L ln ^f 1 + I -) • V 1 - e "⁶ <  1.          (3)

to ( 1 0 J

Для значений L /to в диапазоне 0,1-2,0, значений 1 ₁ (1 0 в диапазоне 10 4 -10 6 , значений 6 - в диапазоне 0,02–1,5 на рис. 2 построена указанная область. Когда L /to = 0,5, неравенство (3) выполняется при 6 <  0,04 и 1 ₁ / I 0 = 10 4 . При увеличении

R

б)

Рис. 1. Схемы: а) с активной нагрузкой, б) замещения диода

Сапрунова Н.М., Козина Т.А.

Переходный процесс включения диода

L/ to > 0,5, когда ширина базы становится соизмерима с диффузионной длиной, функции U b ( 6 )/ U b ( 0 ) не существует. Это означает, что напряжение на диоде определяется p - n – переходом. Соответственно получена функция U b ( 6 ) /Ub ( 0 ) .

Относительные значения напряжения на базе U b ( 6 ) , на p-n - переходе U pn и результирующее напряжение на диоде U_d для двух значений I ₁ I ₀ приведены на рис. 3, 4.

Экспериментальное исследование переходного процесса включения проведено для выпрямительных кремниевых диодов и диода Шоттки. В опыте использовался генератор прямоугольных импульсов с фронтом от 750 нс. Начальный скачок напряжения представляет собой линейно нарастающее напряжение. С момента протекания тока диода характер изменения напряжения на диоде соответствует расчетной кривой (рис. 4).

Было проведено исследование процесса включения диода, работающего в схеме широтноимпульсного преобразователя постоянного напряжения (рис. 5). В исследуемой схеме диод V2 выполняет функцию обратного диода, включенного параллельно нагрузке X н – R н . Процесс включения исследован с транзисторами трех типов: биполярным, полевым с индуцированным каналом и транзистором IGBT. Характер переходного процесса во всех случаях соответствует расчетному. Что касается работы диода с полевыми транзисторами, то здесь требуются дополнительные теоретические исследования, учитывающие процесс включения транзисторов. Экспериментальные исследования подтвердили правильность теоретической оценки характера переходного процесса включения в диодах.

yi (6)

У2( 6 )

y3 ( 6 )

Рис. 2. Область существования функции U b ( 6 ) /Ub ( 0 ) при L /to = 0,1:

y1 ( 6 ) - при 1 1 / 1 ₀ = 10 4 , y2 ( 6 ) - при 1 1 /1 ₀ = 10 5 , y3 ( 6 ) - при 1 1 / 1 ₀ = 10 6

Рис. 3. Относительные значения напряжения на базе U b ( 6 ) , на p-n -переходе U_pn ( 6 ) и результирующее напряжение на диоде U ^ ( 6 ) при 1 1 / 1 0 = 10 4

Краткие сообщения

9.991 -1

Ub( θ )

Upn( θ )

Ud( θ )

0 -I

θ

0.74

Рис. 4. Относительные значения напряжения на базе U b ( θ ), на p-n –переходе U pn ( θ ) и результирующее напряжение на диоде U d ( θ ) при I 1 / I 0 = 10⁶

Рис. 5. Схема широтно-импульсного преобразователя

постоянного напряжения

Вывод

Предложенная и экспериментально проверенная методика расчета переходного процесса включения диода позволяет путем несложных вычислений корректно определять время включения диода и напряжение на нем, что может быть полезным при выборе диодов для работы в широтно- импульсных преобразователях и автономных инверторах.