Почему ограничено применение полупроводниковых диодов при высоких напряжениях

32. Применение полупроводниковых диодов для выпрямления переменного тока.

Выпрямление переменного тока является одним из основных процессов в радиоэлектронике. В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока.

Полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо проводят в обратном, и, следовательно, основным назначением большинства диодов является выпрямление переменного тока.

В выпрямителях для питания радиоэлектронной аппаратуры генератором переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть. Вместо трансформатора иногда применяется автотрансформатор. В некоторых случаях выпрямитель питается от сети трансформатора. Роль нагрузочного резистора, т. е. потребителя энергии постоянного тока, в практических схемах играют те цепи или приборы, которые питаются выпрямителем. При выпрямлении токов высокой частоты, например в детекторных каскадах радиоприемников, генератором переменной ЭДС служит трансформатор высокой частоты или резонансный колебательный контур, а специально включенный нагрузочный резистор имеет большое сопротивление.

Применение конденсатора удваивает обратное напряжение по сравнению с его величиной при отсутствии конденсатора. Весьма опасным является короткое замыкание нагрузки, которое, в частности, получается при пробое конденсатора сглаживающего фильтра. Тогда все напряжение источника будет приложено к диоду и ток станет недопустимым. Происходит тепловой пробой диода.

Достоинством полупроводниковых диодов по сравнению с вакуумными является не только отсутствие накала катода, но и малое падение напряжения на диоде при прямом токе. Независимо от величины тока, т. е. от мощности, на которую рассчитан полупроводниковый диод, прямое напряжение на нем составляет десятые доли вольта или немногим больше 1 В. Поэтому КПД выпрямителей с полупроводниковыми диодами выше, чем с вакуумными диодами. При выпрямлении более высоких напряжений КПД повышается, так как в этом случае потеря напряжения около 1В на самом диоде не имеет существенного значения.

Таким образом, полупроводниковые диоды по сравнению с вакуумными более экономичны и выделяют при работе меньше тепла, создающего вредное нагревание других деталей, расположенных вблизи. Также полупроводниковые диоды имеют очень большой срок службы. Но их недостатком является сравнительно невысокое предельное обратное напряжение не более сотен вольт, а у высоковольтных кенотронов оно может быть до десятков киловольт.

Полупроводниковые диоды могут применяться в любых выпрямительных схемах. Если сглаживающий фильтр выпрямителя начинается с конденсатора большой емкости, то при включении переменного напряжения на заряд конденсатора происходит импульс тока, часто превышающий допустимое значение прямого тока данного диода. Поэтому для уменьшения такого тока иногда последовательно с диодом включают ограничительный резистор с сопротивлением порядка единиц или десятков Ом.

В полупроводниковых диодах, работающих в выпрямительном режиме, при перемене полярности напряжения могут наблюдаться значительные импульсы обратного тока. Эти импульсы возникают по двум причинам. Во-первых, под влиянием обратного напряжения получается импульс тока, заряжающего барьерную емкость р-п-перехода. Чем больше эта емкость, тем больше такой импульс. Во-вторых, при обратном напряжении происходит рассасывание неосновных носителей, накопившихся в п– и р-областях. Практически вследствие неодинаковости концентраций примесей в этих областях главную роль играет больший заряд, накопившийся в одной из областей.

31. ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ. Для любого электрического прибора важна зависимость между током через прибор и приложенным напряжением. Зная эту зависимость, можно определить ток при заданном напряжении или, наоборот, напряжение, соответствующее заданному току.

Если сопротивление прибора является постоянным, не зависящим от тока или напряжения, выражается законом Ома: i= u/R, или i= Gu.

Ток прямо пропорционален напряжению. Коэффициентом пропорциональности является проводимость G =1/R.

График зависимости между током и напряжением называется «вольт-амперная характеристика» данного прибора. Для прибора, подчиняющегося закону Ома, характеристикой является прямая линия, проходящая через начало координат.

Приборы, подчиняющиеся закону Ома и имеющие вольт-амперную характеристику в виде прямой линии, проходящей через начало координат, называются линейными.

Существуют также приборы, у которых сопротивление не является постоянным, а зависит от напряжения или тока. Для таких приборов связь между током и напряжением выражается не законом Ома, а более сложным образом, и вольт-амперная характеристика не является прямой линией. Эти приборы называются нелинейными.

Электронно-дырочный переход по существу представляет собой полупроводниковый диод.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно, т. е. наступает явление, напоминающее насыщение. Рост тока происходит вследствие нагрева перехода током, за счет утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения носителей заряда, т. е. увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации.

Явление это состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяясь в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые в свою очередь разгоняются полем и также выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения.

При некотором значении обратного напряжения возникает пробой p-n-перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается. Следует различать электрический и тепловой пробой p-n-перехода. Электрический пробой является обратимым, если при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушений структуры вещества). Поэтому работа диода в режиме электрического пробоя допустима. Могут существовать два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется рассмотренным лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации. Этот пробой характерен для p-n-перехо-дов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя обычно составляет десятки или сотни вольт.

Туннельный пробой объясняется весьма интересным явлением туннельного эффекта. Сущность его состоит в том, что при достаточно сильном поле с напряженностью более 105В/см, действующем в p-з-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Пробивное напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт.

Выпрямители переменного тока ЧАСТЬ1

Для выпрямления переменного электрического тока чаще всего используют полупроводниковые диоды. Эти приборы обладают свойством вентиля: они способны практически без потерь пропускать электрический ток в одном направлении и совершенно не проводить его в другом.

Для того чтобы можно было графически представить свойства двухполюсника, например, полупроводникового диода, используют вольт-амперную характеристику (ВАХ). ВАХ устанавливает связь между приложенным к исследуемому прибору напряжением и током через него.

В идеале вольт-амперная характеристика полупроводникового диода должна была бы выглядеть следующим образом.

Для прямого направления тока идеальный полупроводниковый диод должен был бы представлять короткое замыкание, для обратного — разрыв цепи.

Идеализированная ВАХ полупроводникового диода

Промежуточное положение между идеальной и реальной вольт-амперной характеристикой полупроводникового диода занимает идеализированная ВАХ.

В соответствии с этим рисунком для прямого направления тока, полупроводниковый диод представляет собой небольшое сопротивление Rпр., величина которого не зависит от величины приложенного напряжения.

Для обратного направления тока полупроводниковый диод представляет собой большое по величине постоянное сопротивление Rобр., которое также не зависит от напряжения.

Обычно для полупроводниковых диодов, изготовленных из различных материалов, отношение этих сопротивлений (Rобр./Rпр.) находится в пределах 10 3 . 10 5 .

ВАХ полупроводниковых диодов из разных материаллов

ВАХ полупроводниковых диодов как в прямом, так и в обратном направлениях протекания тока аппроксимируются экспоненциальными функциями. На практике совпадение расчетных (теоретических) и экспериментальных характеристик наблюдается лишь на ограниченных участках кривых, например, в области малых токов. В области прямых больших токов (напряжений) зависимость тока от напряжения практически линейна. На рисунке показаны реальные ВАХ полупроводниковых диодов.

ВАХ полупроводниковых диодов, выполненных из разных материалов и разными методами (точечные — m, плоскостные — n). Монокристаллические: германиевые — Ge, кремниевые — Si; поликристаллические: меднозакисные (купроксные) — Cu₂O; селеновые — Se.

В последние десятилетия в отечественной литературе избегают приводить внешний вид ВАХ полупроводниковых приборов. И это не случайно. Вольт-амперные характеристики не очень хорошо воспроизводимы: они отличаются даже у приборов одной партии. Кроме того, ВАХ, особенно для силовых низкочастотных полупроводниковых приборов, сильно зависят от частоты, от сопротивления нагрузки, его резистивно-емкостных и иных характеристик.

Тем не менее, свойства полупроводниковых приборов необходимо каким-то образом описывать. В этой связи в паспортах на них и справочных руководствах принято указывать параметры характерных точек на ВАХ, полученные путем статистического усреднения данных по большой выборке однотипных полупроводниковых приборов испытанных по стандартизированной методике измерений, в пределах использования которой эти данные достаточно воспроизводимы.

Все эти сведения для выпрямительных диодов обычно приводят для области низких частот, a именно, 50 Гц. При повышенных частотах на работу полупроводниковых силовых приборов начинают заметно влиять емкости переходов, что можно наблюдать, например, на характериографе. Более того, емкости переходов изменяются в несколько раз при разном уровне приложенного напряжения, a также существенно разнятся при прямом и обратном включении. На практике c ростом частоты диоды теряют выпрямительные свойства и больше напоминают резистивноемкостную цепочку, поэтому при выборе диода для той или иной схемы необходимо учитывать его частотные характеристики.

Как следует из последнего рисунка, ВАХ различных полупроводниковых приборов заметно отличаются друг от друга. Эти различия часто используют во благо при создании полупроводниковых приборов, предназначенных для выполнения специфических функций. B частности, селеновые выпрямители не могут составить конкуренцию кремниевым или германиевым, поскольку рассчитаны на малый прямой ток и малое обратное напряжение, зато свойства их более воспроизводимы,что позволяет применять селеновые выпрямители при параллельном или последовательном их включении без использования уравнительных резисторов (обычно для создания слаботочных высоковольтных выпрямительных столбов).

Меднозакисные выпрямители в настоящее время практически не используют, однако их и сейчас можно встретить в некоторых измерительных приборах.

Наиболее широкое распространение в последнее время получили кремниевые и, в меньшей мере, германиевые полупроводниковые диоды. Кремниевые выгодно отличаются тем, что способны работать при повышенных температурах, вплоть до 100. 130 o С. Они имеют меньшие обратные токи, допускают работу при более высоких обратных напряжениях — до 800. 1200В. Германиевые диоды имеют малое прямое падение напряжения на переходе, но работают до температур не выше 70 o С. Кроме перечисленных, выпрямительные функции могут выполнять и другие полупроводниковые приборы, например на основе арсенида галлия GaAs или антимонида индия InSb.

Статическая ВАХ полупроводникового диода

Статическую ВАХ полупроводникового диода (ВАХ при постоянном токе) в области прямых токов можно измерить по точкам в схеме, показанной на следующем рисунке. Величина резистора R2, ограничивающего ток через испытуемый диод, выбирается исходя из значения максимального прямого тока.

Отметим, что результат измерений ВАХ на постоянном токе чаще всего может оказаться неточным: при больших токах будет происходить разогрев полупроводникового перехода, a c ростом температуры экспоненциально возрастает и ток. Поэтому фактические данные измеренной ВАХ будут соответствовать более высокой температуре. Поскольку изменение температуры перехода происходит постепенно и зависит от массы и теплофизических характеристик материалов диода, результат будет зависеть от продолжительности измерения. a также от того, при увеличении или понижении тока (напряжения) троисходят измерения.

Для исследования обратной ветви ВАХ по ее отдельным точкам можно воспользоваться следующей схемой. Величина подаваемого на полупроводниковый диод напряжения ограничена максимальным значением обратного напряжения для исследуемого прибора. Предельную величину обратного тока через диод ограничивает резистор R2.

При исследовании обратной ветви ВАХ на постоянном токе разогрев перехода в процессе эксперимента также сказывается на результате измерений.

Динамическая ВАХ диода

Динамическую ВАХ диода или иного вентильного элемента на частоте 50 Гц можно получить при помощи простейшего характериографа, схема которого изображена на следующем рисунке.

Перед началом измерений (до подключения испытуемого диода) контролируют работу устройства: при коротком замыкании клемм на экране осциллографа должна наблюдаться вертикальная линия, при размыкании — горизонтальная. При нажатой кнопке SB1 на экране должна наблюдаться наклонная линия (в зависимости от выбранной чувствительности осциллографа по осям).

Примеры наблюдаемых на экране ВАХ полупроводниковых диодов, включенных в прямом и обратном направлении, a также низковольтного стабилитрона, также приведены на этом рисунке. При разной чувствительности осциллографа по вертикали и горизонтали можно получить плавные кривые, соответствующие области малых напряжений на полупроводниковом диоде.

Другой вариант схемы характериографа показан на следующем рисунке. На вход Х осциллографа подается напряжение переменного тока (координата напряжения). По оси OY отображается величина, пропорциональная току через исследуемый диод VD_x.

Для изучения частотных свойств полупроводникоеых приборов питать схему синусоидальным напряжением можно не через трансформатор, как это показано на рисунках, a от низкочастотного генератора, обеспечивающего достаточное выходное напряжение. Более сложные устройства для исследования динамических ВАХ полупроводниковых диодов содержат схемные узлы для масштабирования обратной ветви ВАХ.

Соединение диодов параллельно и последовательно

Поскольку ВАХ полупроводниковых диодов даже одного типа заметно отличаются друг от друга, для того, чтобы объединить свойства нескольких диодов, например, соединить их так, чтобы увеличить максимальный прямой ток либо повысить максимальное обратное напряжение, используют специальные приемы (см. таблицу).

Для увеличения рабочего тока совершенно неверно будет просто объединить группу диодов параллельно. Непременно окажется, что по одному из диодов потечет больший ток в силу различии ВАХ. Это вызовет разогрев его перехода, что, в свою очередь, сделает ВАХ диода еще более крутой, ток через диод возрастет еще больше. В итоге полупроводниковый переход разрушится, после чего процесс выхода из строя последовательно повторится на остальных диодах. Чтобы избежать этого, при параллельном включении диодов последовательно c каждым диодом включают сопротивление (для выравнивания токов через них) — в зависимости от тока от долей до десятков Ом.

Аналогичная ситуация складывается и при последовательном соединении полупроводниковых диодов (для увеличения обратного напряжения). K диодам последовательной цепочки будет приложена разная часть общего напряжения (из-за различий ВАХ). B итоге по крайней мере одно самое слабое звено этой цепочки будет повреждено, a схема перестанет работать. Для выравнивания падений напряжения на цепочке из диодов параллельно им включают резисторы равного сопротивления (обычно от 100 до 1000 кОм). Чем ниже величина сопротивления, тем равномернее будет распределение напряжений, однако, как и в предыдущем случае, включение дополнительных резисторов в определенной мере ухудшает выпрямительные свойства сборки диодов.

Выбор и применение полупроводниковых TVS-диодов TRANSZORB®

Для обеспечения требуемых технических и эксплуатационных характеристик аппаратуры важную роль играет выбор и правильность применения полупроводниковых TVS-диодов.

От этого зависит ее надежность, а также надежность самих ограничителей при наличии различного рода перегрузок по напряжению в цепях радиоэлектронной аппаратуры. В связи с этим полупроводниковые TVS-диоды для любого устройства должны удовлетворять следующим требованиям:

При выборе полупроводниковых TVS-диодов предварительно определяют параметры импульса переходного процесса, то есть амплитуду напряжения Uп, длительность импульса и его форму; параметры защищаемой цепи: активное сопротивление Rc и (или) индуктивность цепи Lc, значение и характер напряжения, действующего в цепи при отсутствии импульса переходного процесса VС, а также допустимую амплитуду напряжения в цепи в момент воздействия импульса переходного процесса.

Электрические параметры ограничителей напряжения устанавливают в соответствии с указанными выше параметрами исходя из следующих условий:
Iогр,н і Iпроб, V(BR), Ј VС, Pppm і VС x Iогр,н, [1]
где Iогр,н — ток ограничения, значение которого рассчитывают по известным параметрам Uп, Rc и (или) Lc.

Серию полупроводниковых TVS-диодов TRANSZORB® выбирают исходя из рассчитанного значения Pppm с учетом длительности импульса переходного процесса td и его формы в соответствии с зависимостями Pppm от td (рис. 5). Тип TVS-диода из выбранной серии определяют исходя из того, что постоянное обратное напряжение VWM должно быть равно напряжению, действующему в цепи, или несколько превышать его с учетом максимального допуска. Если мощность одного TVS-диодов не удовлетворяет заданным требованиям по Pppm, их соединяют последовательно. При двух последовательно соединенных TVS-диодах мощность удваивается, при трех — утраивается и т. д. Допускается последовательное соединение любого числа TVS-диодов. При этом разброс по напряжению пробоя VBR каждого диода не должен превышать 5 %, что гарантирует равную нагрузку на последовательно соединенных приборах. Если невозможно достичь требуемой мощности при последовательном соединении диодов, допускается их параллельное соединение. Для гарантированной загруженности диодов по мощности необходимо точное их согласование по импульсному напряжению ограничения VС. В этом случае оно не должно отличаться более чем на 20 мВ. Допускается также смешанное соединение диодов. Если импульс переходного процесса представляет собой быстро затухающие многократные колебания, то расчет параметров TVS-диодов проводят по огибающей этих колебаний.

При использовании TVS-диодов в цепях переменного тока высокой частоты, в которых их емкость влияет на характеристики и параметры защищаемых устройств, необходимо последовательно с ними включать импульсные диоды с малой собственной емкостью. При этом обратное напряжение и прямой ток каждого импульсного диода должны быть больше, чем у используемого TVS-диода.

Рис. 29

При монтаже TVS-диодов следует учитывать, что напряжение импульса переходного процесса в цепи (рис. 29) распределяется согласно выражению:
Uп = Rci + Lcdi/dt + Lodi/dt + 2rдi + Uo. [2]

Первые два слагаемых в этом выражении определяют величину падения напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях цепи в точках a-а’, последние — на индуктивном и активном сопротивлениях TVS-диодов в точках б-б’. Из [2] следует, что чем больше значения Ic и Pppm, тем меньшая доля напряжения будет падать на входе защищаемой цепи (в точках б-б’). С целью уменьшения всплесков напряжения в цепи защиты необходимо соблюдать условия:
Lc >Lo, Rc>2rд. [3]

При больших скоростях изменения тока переходного процесса наибольшая эффективность защиты может быть достигнута при условии Lc >Lo. Поэтому при монтаже TVS-диодов их следует размещать как можно ближе к защищаемой схеме, а пайку выводов диода проводить на минимально возможном расстоянии от корпуса прибора.

Одноступенчатые схемы защиты

Защита цепей постоянного тока

Для защиты цепей постоянного тока от различного рода перегрузок по напряжению используются несимметричные TVS-диоды. Несимметричность их ВАХ позволяет осуществлять защиту на разных потенциальных уровнях, что характерно для цепей постоянного тока. Пороговое напряжение этих приборов ниже напряжения ограничителя, что обеспечивает их автоматическое отключение от цепи постоянного тока после прохождения импульса напряжения. Время их включения меньше времени самых быстрых переходных процессов, что также определяет предпочтительность их применения в цепях постоянного тока. Типовая схема включения TVS-диодов для защиты источников питания постоянного тока от электрических перегрузок по напряжению приведена на рис. 30. TVS-диоды в этих случаях должны включаться на входе каждого потребителя и выходе источника питания. На рис. 31 показаны схемы защиты цепей питания потребителей от разнополярных источников, например, для защиты микросхем.

Рис. 30

Рис. 31

Для защиты от опасных напряжений ключевых элементов, в цепях которых имеется индуктивная нагрузка, TVS-диоды включаются параллельно защищаемому элементу, как показано на рис. 32, а, либо параллельно нагрузке (рис. 32, б). Для надежной защиты ключевого элемента от опасных перегрузок по напряжению используется схема защиты, приведенная на рис. 32, в.

Рис. 32

Одной из наиболее частых причин выхода из строя электронных устройств, включающих в себя МОП-транзисторы, является превышение допустимого значения напряжения сток-исток (VDS). Например, переключение индуктивной нагрузки вызывает перенапряжение, в результате которого превышается максимально допустимое напряжение VDS МОП-транзистора. Это вызывает лавинный пробой полупроводника и разрушение транзистора. Один из методов защиты МОП-транзистора состоит в подключении TVS-диода между стоком и истоком. Для правильного выбора TVS-диода необходимо выполнить следующие рекомендации:

Переходные процессы в затворе МОП-транзистора часто происходят из-за разрядов электростатического электричества (ESD). Установка TVS-диода между затвором и истоком позволит защитить МОП-транзистор от входных переходных процессов. В этом случае рекомендуется устанавливать TVS-диод со значением обратного напряжения, превышающим входное напряжение МОП-транзистора.

Для подавления ESD рекомендуется использовать TVS-диоды TRANSZORB® со значением максимально допустимой импульсной мощности (Pppm ) — 400 Вт. Схема, иллюстрирующая эти методы защиты, показана на рис. 33.

Рис. 33

Защита цепей питания переменного тока

Защита цепей переменного тока может осуществляться путем включения двух несимметричных TVS-диодов, как показано на рис. 34 и 35. Включение элементов защиты на входе и выходе трансформатора позволит снизить уровень напряжения на его выходе. При наличии в цепи переменного тока выпрямительных диодов, включенных по мостовой схеме, их защита может быть осуществлена одним несимметричным TVS-диодом при его включении в диагональ моста (рис. 36). Однако быстродействие защиты в этом случае будет определяться временем включения выпрямительных диодов.

Рис. 34

Рис. 35

Рис. 36

Защита информационных цепей и цепей переменного тока высокой частоты

Применение TVS-диодов — это хорошее решение для защиты подобных цепей. Выбор типа TVS-диода TRANSZORB® зависит от характера сигналов, действующих в цепях (одно- или двухполярных), и частоты их повторения. Так, для защиты цепей с однополярными сигналами может быть использована схема включения несимметричных TVS-диодов, приведенная на рис. 37 и 38. TVS-диоды включаются в каждую сигнальную цепь передачи данных. При наличии в цепи двухполярных сигналов вместо несимметричных используются симметричные TVS-диоды.

Рис. 37

Рис. 38

В цепях высокой частоты рекомендуется использовать малоемкостные TVS-диоды или для уменьшения емкости TVS-диода последовательно с ними включать малоемкостные импульсные диоды (диоды с барьером Шотки), как это показано на примере защиты схемы симметричных линий связи (рис. 39).

Рис. 39

Многоступенчатые схемы защиты

Многоступенчатые схемы защиты используются в том случае, когда величина поглощаемой энергии TVS-диода превышает установленный для него допустимый уровень. Типичным примером использования многоступенчатой защиты является двухступенчатая защита в симметричных линиях связи, где TVS-диоды включают в каждую цепь линии симметрично относительно общей шины заземления, как показано на рис. 40 для случаев защиты низкочастотных и высокочастотных цепей. Время прохождения импульса тока через TVS-диоды VD1–VD6 равно времени запаздывания пробоя разрядников Р1-Р2, которое не превышает 0,5…1 мкс, поэтому поглощаемая диодом энергия невелика и основная доля энергии напряжения поглощается затем разрядником.

Рис. 40

При наличии второй ступени защиты в цепь должен быть дополнительно включен резистор, сопротивление которого определяется по следующей формуле:
Rогр = Uc1 — Uc2 / Ippm,
где Uc1, Uc2 — уровни ограничения разрядника и TVS-диода соответственно; Ippm — допустимый ток TVS-диода.

Включение резисторов с незначительным сопротивлением (единицы Ом) в информационные цепи не окажет заметного влияния на параметры рабочих сигналов.

Литература:

Черепанов В. П., Хрулев А. К., Блудов И. П. Электронные приборы для защиты РЭА от электрических перегрузок. — М.: Радио и связь, 1994. С. 223.
http://www.gensemi.com.