Мощные (силовые) диоды

К данному типу относятся диоды на токи от 10 А и выше. Отечественная промышленность выпускает силовые диоды на токи 10, 16, 25, 40 и т. д. до 1000 А и обратные напряжения до 3500 В. Силовые диоды имеют градацию по частоте и охватывают частотный диапазон применения до десятков килогерц.

Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния. Кремниевая пластина с p-n-переходом, создаваемым диффузионным методом, для таких диодов представляет собой диск диаметром 10—100 мм и толщиной 0,3—0,6 мм. Пример возможной конструкции мощного диода показан на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Конструкция мощного кремниевого диода ВЛ-200: 1 — внешний гибкий вывод (анод); 2 — стакан; 3 — стеклянный изолятор; 4 — внутренний гибкий вывод анода; 5 —корпус;
6 — чашечка; 7 — кристалл с p-n-переходом; 8 — кристаллодержатель (катод);
9 — шпилька для крепления к радиатору

Рассмотрим некоторые специфические особенности мощных диодов.

Работа при больших токах и высоких обратных напряжениях связана с выделением значительной мощности в p-n-переходе. В связи с этим здесь должны предусматриваться эффективные методы отвода теплоты. В установках с мощными диодами применяют воздушное и жидкостное охлаждение. При воздушном охлаждении отвод теплоты производится с помощью радиатора и проходящего вдоль его теплоотводящих ребер потока воздуха. При этом охлаждение может быть естественным, если отвод теплоты в окружающую среду определяется естественной конвекцией воздуха, или принудительным, если используется принудительный обдув корпуса прибора и его радиатора с помощью вентилятора.

При жидкостном охлаждении в радиатор по специальным каналам пропускается теплоотводящая жидкость, например, вода, антифриз, трансформаторное масло, синтетические диэлектрические жидкости. В последние годы широкое применение получило испарительное охлаждение, основанное на отводе теплоты за счет образования пузырей пара у теплоотводящей поверхности охладителя. Образовавшийся пар поступает в теплообменник, связанный с внешней средой. Система испарительного охлаждения основана на принципе непрерывного замкнутого цикла: испарение жидкости в корпусе диода в результате его нагрева в процессе работы — конденсация паров в теплообменнике вследствие охлаждения — поступление охлажденной жидкости вновь к нагретой поверхности. В качестве жидкости при испарительном охлаждении применяют воду, этиловый спирт, фреон.

Другая особенность мощных диодов — необходимость их защиты от кратковременных перенапряжений, возникающих при резких сбросах нагрузки, коммутационных и аварийных режимах, а также атмосферных воздействиях. При этом к диоду прикладывается в обратном направлении помимо напряжения, обусловленного схемой (на которое производится выбор диодов), дополнительный импульс напряжения. При отсутствии защитных мер диод может выйти из строя.

Выход диода из строя связан вначале с электрическим пробоем p-n-перехода, который затем переходит в тепловой пробой, происходящий часто не внутри p-n-перехода, а в месте выхода его на поверхность кристалла. Причина заключается в том, что в реальном диоде в месте выхода p-n-перехода на поверхность имеются участки, в которых существенно сужена область объемного заряда. Это обусловливается рядом факторов (нарушение структуры кристалла, различные загрязнения поверхности и т. д.). Естественно, что напряженность поля в этих участках выше, а напряжение электрического пробоя ниже, чем внутри p-n-перехода. Поэтому при перенапряжениях возникает электрический пробой р-п-перехода в этих участках и весь обратный ток проходит через них. Плотность тока достигает достаточно больших значений даже при сравнительно небольших обратных токах. Температура в участке пробоя резко повышается, что в конечном счете приводит к тепловому пробою и расплавлению кремния вблизи участка пробоя.

Таким образом, защита силового диода от перенапряжений заключается в переводе возможного электрического пробоя p-n-перехода c поверхностных участков в объемные. Поверхностный пробой устраняют за счет создания косого среза (фаски) по поверхности пластины монокристалла и применения так называемого метода защитного кольца. Метод основан на внесении меньшей концентрации акцепторной примеси в периферийную кольцевую часть монокристалла по сравнению с внутренней. В связи с этим концентрация основных носителей заряда в периферийной части р-области будет меньшей, а толщина слоя объемного заряда (ширина p-n-перехода) — большей, чем в центральной части. Благодаря указанным мерам напряженность поля на наружной поверхности p-n-перехода будет существенно меньшей, чем в его внутренней области. При наличии перенапряжений возможный электрический пробой p-n-перехода может произойти только в объемной части, причем пробой носит лавинный характер. Поэтому силовые диоды с такой p-n-структурой называют лавинными.

Перенос возможного электрического пробоя в объемную часть перехода обеспечивает не только повышение и стабильность уровня напряжения лавинного пробоя U_л, но и значительное повышение мощности прибором при обратном напряжении благодаря его способности пропускать достаточно большой обратный ток без перегрева локальных участков. Последнее достигается тем, что лавинный пробой p-n-перехода носит объемный характер, распределяясь по большому числу микроканалов. Лишь при значительном обратном токе, когда пробой охватывает всю объемную часть перехода, в принципе возможен перегрев прибора и выход его из строя вследствие теплового пробоя. Поэтому действие импульсов перенапряжения должно быть кратковременным даже в случае применения лавинных диодов.

Рассмотрим подробнее параметры, характеризующие загрузку мощных диодов по току и напряжению и являющиеся важнейшими при их применении.

Токовая загрузка диода зависит от теплового режима работы его полупроводниковой структуры и характеризуется максимально допустимым средним значением прямого тока I_{а mах доп}. В справочниках на диоды указывается предельный прямой ток I_п, который представляет собой среднее за период значение длительно протекающего через диод импульсов тока синусоидальной формы при паузах в 180° (полупериод) и частоте 50 Гц. Току I_п соответствует максимально допустимая температура нагрева полупроводниковой структуры в условиях охлаждения, оговариваемых в справочниках на диоды.

Поскольку основным критерием токовой загрузки диода является допустимая температура его полупроводниковой структуры, отличие I_{а mах доп} от I_п зависит от конкретных условий охлаждения в реальном устройстве. Важную роль при выборе токовой нагрузки играет форма кривой тока, протекающего через диод, и частота. Так, например, при той же форме кривой прямого тока, для которой указывается ток I_п, но частоте, много меньшей 50 Гц, существенно будут сказываться колебания температуры полупроводниковой структуры, обусловливаемые повышением температуры при протекании импульсов тока и ее понижением при охлаждении в токовых паузах. Максимальное значение температуры может превысить допустимое, что приводит нередко к повреждению прибора. При этом ток I_{а max доп} следует выбирать меньше тока I_п. Данные для выбора диодов по току, соответствующие конкретным видам кривой протекающего тока, приводятся в справочниках. В основу расчетов положена мощность потерь в полупроводниковой структуре диода в процессе его работы. В подавляющем большинстве случаев ток I_п является предельно допустимым параметром использования диода по току при длительной работе.

Мощные диоды характеризуются также токовыми параметрами режима перегрузки и аварийного режима (ток рабочей перегрузки, ток аварийной перегрузки, ударный ток). Током рабочей перегрузки I_р.п называют среднее значение тока диода, не вызывающего превышения максимально допустимой температуры полупроводниковой структуры из-за малого (указываемого в справочниках) времени его протекания (I_р.п > I_{а max доп}). Току аварийной перегрузки I_а.п соответствует среднее значение прямого тока, воздействие которого допускается лишь ограниченное число раз за время службы прибора (I_а.п > I_р.п). При этом предполагается принятие защитных мер от выхода диода из строя. Ударный ток I_уд определяет максимальную амплитуду импульса аварийного тока синусоидальной формы длительностью 10 мс при нормируемой начальной температуре полупроводниковой структуры без последующего приложения обратного напряжения (I_уд > I_{a max доп}). При этом предполагается, что ко времени окончания действия ударного тока средства защиты успевают исключить дальнейшее протекание тока через диод.

Специфика работы мощных диодов проявляется и в необходимости более тщательного подхода к их выбору по обратному напряжению.

В процессе работы к диоду могут прикладываться периодически повторяющиеся дополнительные перенапряжения, обусловливаемые внутренними факторами (например, при переходе диода из открытого состояния в закрытое), а также случайные неповторяющиеся перенапряжения, вызываемые внешними причинами (атмосферными воздействиями или перенапряжениями в питающей сети). В связи с этим для выбора диода по напряжению используют три каталожных параметра: рекомендуемое рабочее напряжение U_p, определяющее максимально допустимое обратное напряжение диода без учета возможных перенапряжений; повторяющееся напряжение U_пи неповторяющееся напряжение U_нп, характеризующие значения обратного напряжения с учетом соответственно внутренних и внешних факторов (U_нп > U_п > U_p).

В ряде мощных преобразовательных установок требования к среднему значению прямого тока, обратному напряжению (или к обоим параметрам), превышают номинальные значения параметров существующих диодов. В этих случаях задача решается параллельным или последовательным (а при необходимости и параллельно-последовательным) соединением диодов.

Параллельное соединение диодов предназначено для увеличения суммарного прямого тока. Оно используется с принятием мер по выравниванию прямых токов приборов, входящих в группу. Это необходимо для исключения перегрузки по току отдельных диодов, приводящей к выходу их из строя вследствие перегрева. Причиной неравномерного распределения токов является несовпадение прямых ветвей вольт-амперных характеристик приборов ввиду разброса параметров. Неравномерность токораспределения в двух диодах при их непосредственном параллельном соединении вследствие различия прямых ветвей вольт-амперных характеристик иллюстрирует рис. 3.6, а. Для выравнивания токов используют диоды с малым различием прямых ветвей вольт-амперных характеристик (производят их подбор по прямой ветви вольт-амперной характеристики). Широко распространены также индуктивные делители тока (рис. 3.6, б). При введении в каждую из параллельных ветвей дополнительной индуктивности возникает э. д. с. самоиндукции при нарастании тока в ветвях, вследствие чего различие токов в параллельных ветвях, вызванное разбросом параметров диодов, становится менее ощутимым. Выравнивание токов может быть в принципе обеспечено и введением в параллельные ветви дополнительных активных сопротивлений, однако при этом создаются дополнительные потери мощности, особенно при больших токах.

Рис. 3.6. Прямые ветви вольт-амперных характеристик диодов, используемых для параллельного соединения (а); схема выравнивания токов диодов с помощью индуктивных делителей тока (б)

Последовательное соединение диодов предназначено для увеличения суммарного допустимого обратного напряжения. При воздействии обратного напряжения через диоды, включенные последовательно, протекает одинаковый обратный ток I_b (рис. 3.7, а). Однако ввиду неизбежного различия обратных ветвей вольт-амперных характеристик общее напряжение будет рас пределяться по диодам неравномерно. К диоду, у которого обратная ветвь вольт-амперной характеристики идет выше, будет приложено большее напряжение.

Рис. 3.7. Схема последовательного соединения диодов и обратные ветви их вольт-амперных характеристик (а); схема выравнивания обратных напряжений, прикладываемых к диодам (б)

Неравномерность распределения напряжения на последовательно работающих диодах является нежелательной. Превышение хотя бы на одном из диодов обратного напряжения над напряжением пробоя может привести к пробою не только данного, но и всех остальных диодов вследствие повышения на них обратного напряжения.

Для исключения неравномерного распределения обратного напряжения диоды в последовательной цепи шунтируют резисторами R (рис. 3.7, б). Выбор сопротивления шунтирующих резисторов производят, исходя из того, чтобы ток, протекающий через резистор R, был на порядок больше обратного тока диодов. При этом неидентичность обратных ветвей вольт-амперных характеристик диодов будет слабо влиять на равномерность распределения обратных напряжений.

9. Полупроводниковые стабилитроны.

Полупроводниковыми стабилитронами называют диоды, предназначенные для стабилизации уровня напряжения в схеме. Для этого используются приборы, у которых на вольт-амперной характеристике имеется участок со слабой зависимостью напряжения от проходящего тока. Такой участок наблюдается на обратной ветви воль-амперной характеристики кремниевого диода в режиме лавинного или туннельного пробоя. Поэтому в качестве полупроводниковых стабилитронов используются плоскостные кремниевые диоды. Вторым элементом обозначения этих диодов является буква «С», например КС168А.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона изображена на рис. 3.8. На характеристике точками А и В отмечены границы рабочего участка . Положение точки А соответствует напряжению пробоя p-n-перехода, которое зависит от удельного сопротивления исходного материала, определяемого концентрацией примесей. Точка В соответствует предельному режиму, в котором на стабилитроне рассеивается максимально допустимая мощность.

Рис. 3.8. Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона

Стабилитроны характеризуются следующими специальными параметрами.

Напряжение стабилитрона U_ст — напряжение на стабилитроне при заданном токе. Оно зависит от ширины запирающего слоя p-n-перехода, т.е. от концентрации примесей в полупроводниках. В случае большой концентрации примесей в полупроводниках. В случае большой концентрации примесей p-n-переход получается тонким и в нем доже при малых напряжениях возникает электрическое поле, вызывающее туннельный пробой. При малой концентрации примеси p-n-переход имеет значительную ширину и лавинный пробой наступает раньше, чем напряженность электрического поля становится достаточной для туннельного пробоя. Таким образом, подбором удельного сопротивления кремния можно получить требуемое напряжение стабилизации.

Практически при напряжениях стабилизации ниже 6 В имеет место только туннельный пробой, а при напряжении выше 8 В — лавинный. В интервале от 6 до 8 В наблюдаются оба вида пробоя.

Минимально допустимый ток стабилизации I_{ст min} — ток, при которой пробой становится устойчивым и обеспечивается заданная надежность работы.

Максимально допустимый ток стабилизации I_{ст max} — ток, при котором достигается максимально допустимая рассеиваемая мощность Р_max.

Дифференциальное сопротивление r_ст = dU_ст / dI_ст — отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его приращению тока. Чем меньше r_ст, тем лучше стабилизация напряжения.

Температурный коэффициент стабилизации напряжения (ТКН), определяемый отношением относительного изменения напряжения стабилизации (ΔU_ст/U_ст) к абсолютному изменению темепературы окружающей среды (ΔT_окр) при постоянном току стабилизации:

. (3.4)

У стабилитронов с лавинным пробоем ТНК положительный, а с туннельным — отрицательный. Для выпускаемых промышленностью стабилитронов значение ТНК колеблется от 0,001 до 0,2 %/К.

Для стабилизации низких напряжений (до 1 В) используют прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода при U_ст> U_к. В этом режиме также наблюдается слабая зависимость напряжения на диоде от проходящего тока. Такие приборы называют стабистрами. Характеристика стабистора приведена на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Лучшие параметры по сравнению с кремниевыми имеют стабисторы, изготовленные из селена. Графическое изображение стабилитрона (стабистора) показано на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Графическое изображение стабилитрона (стабистора)

В основном стабилитроны применяются для стабилизации напряжения. Схема стабилитрона напряжения показана на рис. 3.11. Стабилитрон присоединяют параллельно нагрузке R_н, а в общую цепь включают ограничительный резистор R, являющийся функционально необходимым элементом.

Рис. 3.11. Схема стабилизатора напряжения

Для схемы, показанной на рис3.11, справедливо уравнение

. (3.5)

После преобразования уравнения получим

. (3.6)

На основании уравнения (3.6) может быть построена нагрузочная прямая, точка пересечения которой с вольт-амперной характеристикой является рабочей. При изменении напряжения источника питания Е нагрузочная прямая перемещается параллельно самой себе (рис. 3.12, а), а при изменении сопротивления нагрузки изменятся ее наклон (рис. 3.12, б). При этом если рабочая точка не выходит из границ участка АВ, то напряжение на нагрузке остается практически неизменным. Следовательно, в данной схеме напряжение на нагрузке остается постоянным в некоторых пределах изменения напряжения питания и сопротивления самой нагрузки.

Рис. 3.12. К пояснению работы стабилизатора напряжения

С физической точки зрения принцип стабилизации напряжения в данной схеме объясняется следующим образом.

Увеличение напряжения источника питания на величину ΔE приводит к увеличению общего тока в цепи I = I_ст + I_н. Поскольку при изменении тока, проходящего через стабилитрон, напряжение на нем остается практически неизменным и равным напряжению стабилизации, то изменением тока нагрузки I_н можно пренебречь. Приращение напряжения источника питания на величину ΔE почти целиком произойдет на ограничительном резисторе R. При уменьшении напряжения источника питания на величину ΔE общий ток в цепи уменьшается, что приводит к уменьшению тока, проходящего через стабилитрон. Если это уменьшение не вышло из пределов стабилизации, в этом случае при сохранении постоянного напряжения на нагрузке напряжение на резисторе R уменьшится на величину ΔE. Таким образом, наличие ограничительного резистора R в рассмотренной простейшей схеме стабилизатора напряжения является принципиально необходимым.

Изменение сопротивления нагрузки при неизменном напряжении источника питания не приведет к изменению напряжения на ограничительном резисторе R, а вызовет изменение тока, проходящего через стабилитрон.

Помимо стабилизации постоянного напряжения, стабилитроны используются в стабилизаторах и ограничителях импульсного напряжения, в схемах выпрямления, в качестве управляемых емкостей, шумовых генераторов и элементов межкаскадных связей в усилителях постоянного тока и импульсных устройствах.

Универсальными называют высокочастотные диоды, применяемые для выпрямления, модуляции, детектирования и других нелинейных преобразований электрических сигналов, частота которых не превышает 1000 МГц.

Вторым элементом обозначения универсальных диодов является буква «Д». На схемах они изображаются так же, как и выпрямительные диоды (см. рис. 3.2). Диод будет обладать односторонней проводимостью, если на частоте сигнала выполняется условие >> r_д.обр. Для выполнения этого условия необходимо уменьшать емкость С_зар. Это достигается использованием точечных p-n-переходов, обладающих малой площадью и малой зарядной емкостью. Диоды с такими переходами называют точечными.

Точечный p-n-переход образуется в точке контакта металлической иглы с пластинкой полупроводника n-типа. Для стабилизации свойств диода применяют электроформовку точечного p-n-перехода путем пропускания через него коротких импульсов тока. Энергия этих им пульсов должна быть достаточной для сплавления конца иглы с полупроводником.

Материал иглы подбирают так, чтобы он являлся акцептором для полупроводника n-типа. Например, иглу изготавливают из бериллиевой бронзы или покрывают ее конец индием, алюминием и т.д. При сплавлении происходит диффузия примесей в полупроводник, формируется область с проводимостью p-типа и образуется p-n-переход в форме полусферы. Емкость такого перехода составляет единицы пикофарад.

Малая площадь p-n-перехода и плохие условия отвода теплоты затрудняют получение прямых токов диода более 20 мА.

Большими прямыми токами характеризуются микросплавные диоды, у которых p-n-переход получается при электроформовке контакта между пластинкой полупроводника и иглой с плоским торцом. Увеличение площади p-n-перехода позволяет повышать прямые токи и улучшать условия теплоотвода. Корпус этих диодов изготавливают из стекла. У некоторых диодов на корпус наносят непрозрачное покрытие, исключающее воздействие света на кристалл полупроводника.

10. Варикапы.

Варикапами называют полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость барьерной емкости p-n-перехода от обратного напряжения. Они применяются в качестве конденсатора с электрически управляемой емкостью. Вторым элементом обозначения варикапов является буква «В». Варикапы делятся на подстроечные, умножительные, или варакторы. Условное графическое изображение варикапа показано на рис. 3.18. Подстроечные варикапы используются, например, для изменения резонансной частоты колебательных систем.

Рис. 3.18. Графическое изображение варикапа

На рис. 3.19 изображен колебательный контур, перестраиваемый с помощью варикапа. В этой схеме конденсатор С предотвращает замыкание напряжения смещения через индуктивность L.Его емкость обычно значительно превышает емкость варикапа — диода VD1. Поэтому резонансная частота контура определяется по формуле

f_{o =} , (3.7)

где С_в — емкость варикапа.

Рис. 3.19. Схема включения варикапа

Регулировкой напряжения смещения, подаваемого на диод с потенциометра R2 через резисторR1, можно изменять емкость диода и, следовательно, резонансную частоту колебательного контура. Резистор R1 предотвращает возможность шунтирования колебательного контура при перемещении движка потенциометра. Сопротивление резистора R1 выбирают большим резонансного сопротивления контура.

Варакторы применяются для умножения частоты сигнала. При этом используется нелинейность вольт — фарадной характеристики.

Основными специальными параметрами варикапов являются: номинальная емкость С_в, измеренная при заданном обратном напряжении U_обр; коэффициент перекрытия емкости К_с; определяемый отношением емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения; добротность Q, определяемая как отношение реактивного сопротивления варикапа к сопротивлению потерь. Например, варикап КВ109А обладает следующими параметрами: С_в = 8…16 пФ при U_обр = 3 В, К_с = 4…6, Q = 300 при U_обр = 3 В и f = 50 МГц.