193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205

Раздел 16 Импульсные источники питания

Выбор полупроводниковых компонентов

Плоскостные диоды

Плоскостные диоды состоят из области p-материала котором носителями электрического тока являются дырки) у одного вывода и области n-материала (ток переносится электронами) у другого вывода. Зона, расположенная между двумя легированными областями, называется обеднённым слоем, в котором очень мало свободных дырок и электронов. Обеднённый слой можно рассматривать как полупроводник с собственной проводимостью. Когда p-n-переход смещается в прямом направлении, дырки и электроны инжектируются в обеднённый слой, где они рекомбинируют, что вызывает протекание тока. При прямом смещении толщина обеднённого слоя существенно уменьшается. Когда p-n-переход смещается в обратном направлении, прикладываемое напряжение «оттягивает» дырки с одной стороны и электроны — с другой стороны перехода. При этом толщина обеднённого слоя увеличивается. Обеднённый слой выступает в качестве диэлектрика, а p- и n-области — в качестве обкладок конденсатора. p-n-переход обладает ёмкостью при прямом и при обратном смещении. Ёмкость уменьшается с увеличением обратного смещения.

Существует некоторое конечное время, требуемое для инжекции достаточного заряда в обеднённый слой, чтобы ток мог течь через диод при его отпирании. Оно называется временем установления прямого напряжения и представляет собой очень короткий интервал времени, в течение которого прямое напряжение на диоде превышает величину нормального прямого напряжения на диоде в открытом состоянии. Это превышение не слишком значительно, а время установления прямого напряжения не является критическим параметром при выборе диода. Оно тем меньше, чем меньше время обратного восстановления. Как правило, в справочных данных значение времени установления прямого напряжения не указывается.

Дырки являются неосновными носителями заряда и движутся очень медленно по сравнению с электронами. Как только дырки пересекают обеднённый слой, они рекомбинируют с электронами. Когда прикладываемое к диоду напряжение снижается до нуля и становится отрицательным, инжекция дырок и электронов прекращается. Однако существует конечное время, необходимое для рекомбинации всех дырок с электронами в обеднённом слое. Этот интервал времени, требуемый для полного прекращения тока, называется временем обратного восстановления. Таким образом, рекомбинация дырок и электронов порождает обратный ток в течение некоторого времени после того, как прикладываемое напряжение снизилось до нуля.

Время обратного восстановления — первый критерий выбора диода. Оно, как и время установления прямого напряжения, должно быть гораздо меньше длительности рабочего цикла при самом малом коэффициенте заполнения, чтобы диод работал преимущественно в режиме проводимости. Плоскостные диоды подразделяются на диоды со стандартным восстановлением, быстрым восстановлением и ультрабыстрым восстановлением.

Диоды со стандартным восстановлением подходят только для устройств промышленной частоты России — 50Гц), так как время их обратного восстановления составляет обычно 1…10 мкс. Во многих справочных данных по диодам со стандартным восстановлением время обратного восстановления даже не указывается. Диоды с быстрым восстановлением обычно имеют время обратного восстановления в диапазоне 100…250 нс, а диоды с ультрабыстрым восстановлением — в диапазоне 25…50 нс.

Силовые диоды большой мощности производятся на основе не классического диффузионного p-n-перехода, а так называемой p-i-n-структуры. Между р- и n-слоями расположен дополнительный слой кремния, обладающего собственной проводимостью, что повышает максимально допустимое обратное напряжение диода. Рабочее напряжение p-i-n-диода может превышать 1000 В. Слой кремния с «собственной» проводимостью на самом деле является слаболегированным n-материалом. Чем толще этот слой, тем выше обратное напряжение, но при этом также повышается и прямое падение напряжения на диоде, поскольку удельное сопротивление кремния довольно велико. Слой с собственной проводимостью может легироваться золотом для повышения скорости рекомбинации неосновных носителей заряда, тем самым уменьшается время обратного восстановления. Однако приходится искать компромисс между снижением времени обратного восстановления и величиной падения напряжения на смещённом в прямом направлении p-i-n-диоде (обычно оно составляет около 0.8 В). p-i-n-диоды имеют приемлемый обратный ток утечки, на который не очень сильно влияет повышение температуры. Большинство ультрабыстрых p-i-n-диодов представляют собой эпитаксиальные диоды с быстрым восстановлением (FRED). Процесс их производства похож на эпитаксиальную технологию производства биполярных транзисторов. На Рис. 7.1 изображён диод FRED в разрезе.

Поперечное сечение эпитаксиального диода с быстрым восстановлением (FRED)Рис. 7.1. Поперечное сечение эпитаксиального диода с быстрым восстановлением (FRED)

Данная технология позволяет значительно снизить время и ток обратного восстановления. Хорошие подробные описания диодов, производимых по технологии FRED, можно найти на сайтах фирм Philips и International Rectifier.

Ток обратного восстановления «ответствен» за ряд нежелательных эффектов, возникающих при работе импульсных источников питания. Большая величина этого тока может стать проблемой при выборе ключа, так как этот большой обратный ток будет суммироваться с током заряда дросселя. Форма тока обратного восстановления является причиной дополнительных радиочастотных помех, производимых источником питания. Формы сигналов при обратном восстановлении показаны на Рис. 7.2.

Формы сигналов при обратном восстановленииРис. 7.2. Формы сигналов при обратном восстановлении

Ток через диод в рассматриваемом примере постоянен, пока диод смещён в прямом направлении. Когда ключ открывается, ток через диод начинает уменьшаться, но прямое падение напряжения остаётся прежним, потому что диод всё ещё находится в проводящем состоянии. Ток постепенно становится отрицательным вследствие того, что с электронами начинают рекомбинировать избыточные неосновные носители заряда. Напряжение всё ещё положительно, но уже ниже прямого напряжения. Это время по стандарту EIA обозначается как tA. По мере того как приложенное напряжение блокируется растущим сопротивлением обеднённой области, отрицательный ток восстановления уменьшается до нуля в течение времени tB. Если время tB очень мало (так называемое «резкое восстановление»), то возникают большие радиочастотные помехи. Диоды FRED отличаются пониженным током обратного восстановления (за счёт ограничения количества неосновных носителей заряда) и плавностью характеристики восстановления. По стандарту EIA коэффициент плавности определяется как tB / tA. При значении коэффициента более 1 восстановление считается плавным, а при значении менее 1 — резким. Рис. 7.3 иллюстрирует проблему, связанную с использованием этого коэффициента плавности.

Три сигнала с одинаковыми коэффициентами плавности, но с разной крутизнойРис. 7.3. Три сигнала с одинаковыми коэффициентами плавности, но с разной крутизной

Каждый из сигналов имеет один и тот же коэффициент плавности, но максимальная крутизна левого сигнала меньше, и он будет иметь меньшее число гармоник, чем остальные. Если проектируемая схема чувствительна к высокочастотным помехам, следует выбирать современные диоды FRED с хорошим коэффициентом плавности. Производители диодов FRED в условиях жёсткой конкуренции постоянно работают над снижением тока обратного восстановления и обеспечением как можно более плавного восстановления. Диоды с технологией FRED имеют ряд преимуществ перед стандартными диодами с ультрабыстрым восстановлением (производимых обычно с использованием двойного диффузионного процесса):

1. Время обратного восстановления значительно ниже, чем у стандартных диодов, благодаря меньшему количеству накапливаемого заряда в обеднённом слое или в слое с собственной проводимостью.

2. FRED обладают значительно более плавным восстановлением, чем стандартные диоды. Коэффициент плавности в 2…10 раз выше, чем у стандартных диодов.

3. Время обратного восстановления меньше зависит от температуры, чем у стандартных диодов.

4. Прямое напряжение VF обычно ниже, чем у стандартных диодов, так как эпитаксиальная технология позволяет лучше управлять легированием n- и p-слоёв.

Технология диодов FRED предполагает, что накопление ими заряда должно быть минимальным (как правило, не более 100 нКл). Однако даже столь малая величина заряда инициирует протекание большого, многоамперного тока, если время протекания составляет всего лишь 20 нc. Вполне можно ожидать значений обратного тока 2…8 А.

Ранее мы рассматривали RC-демпферы, снижающие влияние эффекта обратного восстановления в выпрямителях. Резкое восстановление диода возбуждает контур, состоящий из ёмкости перехода и паразитных индуктивностей схемы. Применение диодов с плавным восстановлением может исключить потребность в демпферах, так как в этом случае энергия сигнала будет недостаточной для возбуждения резонансного контура.

Эффект обратного восстановления в диодах сетевого выпрямителя может вносить существенный вклад в величину радиочастотных помех. Обратное восстановление в стандартных p-n- или p-i-n-диодах происходит за десятки микросекунд и задействует тысячи нанокулон заряда. Применяя вместо диодов со стандартным восстановлением диоды с ультрабыстрым плавным восстановлением, можно снизить энергию, которая должна быть отфильтрована входным фильтром электромагнитных помех. Эффект обратного восстановления стандартных диодов является причиной появления в источниках питания гармоник промышленной частоты вплоть до 10 МГц и выше.

193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205