Меню

Что такое ударный ток вентиля

Неуправляемый вентиль и его характеристики

Вентиль – прибор, проводящий ток в прямом направлении от анода к катоду. На рис. 3.4 показано условное обозначение вентиля, ВАХ идеального и реального диодов.

Для реальных диодов (кремниевых, германиевых и диодов Шоттки ) при одинаковых обратных напряжениях, обратные токи существенно различаются.

Рисунок 3.4 – Вольтамперные характеристики идеального и реального

Здесь, процесс преобразования переменного тока в постоянный по направлению, происходит с потерями энергии. Для расчётов, реальную ВАХ заменяют линейно-ломанной, пренебрегая потерями от обратных токов, как это показано на рис.3.5а.

Рисунок 3.5 – Аппроксимация ВАХ реального вентиля (а) и его схема

На рисунке 3.5 обозначено: Uд – начальное смещение ВАХ диода, rd– дифференциальное сопротивление прямого участка ВАХ, ИВ – идеальный вентиль. Обычно начальное смещение ВАХ реальных диодов составляет ; ; . При такой аппроксимации, точность расчётов выпрямительных устройств, вполне удовлетворительна в широком диапазоне токов и напряжений.

К электрическим вентилям, работающим в схемах выпрямления предъявляется ряд требований:

1. Вентиль должен обеспечивать среднее значение прямого тока Iпр ср и

максимальное значение прямого тока Iпр max

2. Иметь минимально возможные rd и Uд из-за потерь мощности в

прямом направлении, что поясняется рис. 3.6 и выражением (3.1) для

расчёта этих потерь.

Рисунок 3.6 – К расчёту потерь вентиля в прямом направлении

3. Вентиль должен иметь малый обратный ток, поскольку это

4. Обладать достаточной электрической прочностью в обратном

направлении Uобр доп.

5. При работе на ёмкость выдерживать ударный ток Iпр уд.

6. Иметь достаточное быстродействие – малое время восстановления обратного сопротивления.

Рассмотрим подробнее некоторые из этих требований.

Минимально возможные Uд, rd – определяют КПД выпрямителя, что особенно важно в низковольтных схемах. Изготовители диодов, пытаясь уменьшить их массу и объём перегружают кристаллы полуповодников по току, плотность которого достигает . Это в 10…20 раз превышает оптимальные значения! Поэтому коэффициент загрузки диода по среднему току должен быть не более 0,2…0,3. Снизить потери в прямом направлении и увеличить КПД можно путём параллельного включения нескольких диодов. Если диоды дискретные (корпусные), то токи необходимо выравнивать путем включения дополнительных резисторов с сопротивлением Rдоб > rd , как показано на рис.3.7 .

Рисунок 3.7 – Выравнивание токов вентилей

Это невыгодно энергетически, хотя потери в диодах уменьшаются, но результирующие потери из-за Rдоб возрастают. Поэтому, в некоторых случаях делают многообмоточный трансформатор (секционированный выпрямитель), как показано на рис. 3.8.

Рисунок 3.8 – Секционированный выпрямитель

Здесь все вторичные обмотки одинаковые. Роль выравнивающих резисторов играют омические сопротивления обмоток. Можно использовать многообмоточный дроссель, как показано на рис.3.9.

Можно применять и то и другое. В цепях питания низковольтных нагрузок используют интегральные диоды – включенные параллельно несколько десятков р–n переходов (20…100 штук), при этом выравнивающих резисторов не требуется, так как все переходы одинаковы, загружены током равномерно и коэффициент загрузки по току не превышает 10…20%, что приводит к снижению результирующих потерь.

Рисунок 3.9 – Многообмоточный дроссель

Электрическая прочность в обратном направлении – Uобр доп.. Особенно важно в высоковольтных выпрямителях. При современных требованиях к частоте переключения время восстановления обратного сопротивления должно быть приблизительно tвосст = 50…100 нс. Здесь подходят диоды Шоттки. Но при обратных напряжениях более 200…300В выбор диодов резко ограничивается. Диоды приходится включать последовательно и выравнивать обратные напряжения внешним делителем, как показано на рис.3.10.

Рисунок 3.10 – Выравнивание обратных напряжений внешним делителем

Ток делителя должен быть больше обратного тока диодов Iдоб > Iобр диода , иначе не будет выравнивания напряжений. Это существенно увеличивает потери и уменьшает КПД. Можно использовать секционированные выпрямители и складывать напряжения на нагрузке, как показано на рис.3.11.

Рисунок 3.11 – Секционированный выпрямитель с суммированием

Ударный ток. Для практического использования вентиля в выпрямителе, работающим на ёмкость, представляет интерес допустимая амплитуда серии из 2…4 импульсов тока, следующих с частотой питающей сети (рис.3.12 а). Эта амплитуда называется ударным током (Iпр.уд ), характеризует стойкость диода к перегрузкам и может в 20…50 превышать максимальный ток диода, указанный в справочнике при работе на активную нагрузку.

Рисунок 3.12 – Перегрузочная способность диодов

Отношение Iпр.уд / Iпр.ср. называют коэффициентом перегрузки по току Кi. Примерные значения Кi для наиболее распространённых диодов, приведены на рис.3,12 б. Например, диод типа КД219А имеет Iпр.ср. = 10 А, Iпр.уд. = 250 А , при tи = 10 мс, Uобр. = 15 В, f = 200 кГц.

Быстродействие.В источниках питания с высокочастотным преобразованием энергии используются импульсные или высокочастотные силовые диоды. На эти диоды в справочниках приводится не граничная частота, а время восстановления обратного сопротивления диода. На рис.3.13 показана форма тока диода при переключении.

Рисунок 3.13 – Переключение выпрямительного диода

Под граничной частотой (fгр) понимается максимальная частота гармонического сигнала, выше которой заметно возрастают потери мощности за счёт увеличения среднего значения обратного тока. Диод перестает выполнять свои функции, когда tобр восст =Т/2, поэтому

Если принять порядок малости равный 10, то для диода КД213А с параметрами Iпр.ср. = 10 А, Uобр. = 200 В, f ГР = 100 кГц и временем восстановления t обр восст = 0,3мкс получаем граничную частоту, близкую к справочной.

Мощность, рассеиваемая в диодескладывается из трёх составляющих: мощности потерь в прямом направлении, в обратном и на переключение.

Тепло, выделяемое в кремниевой пластине диода (или другого п.п. прибора) передаётся на корпус и далее в окружающую среду через радиатор. Упрощенная тепловая модель полупроводника показана на рис.3.14.

Рисунок 3.14 – Тепловая модель полупроводника

На рисунке обозначено: П – пластина; К – корпус; Р – радиатор; ОС – окружающая среда; tn –температура пластины; tос – температура окружающей среды; R – тепловое сопротивление соответствующего перехода с размерностью [градус/ватт]. Величины тепловых сопротивлений приводятся в справочниках. Они зависят от многих факторов, например, если материал пластины (подложки) ситал, поликор или бериллиевая керамика, то

Если материал корпуса алюминий, ковар или пластмасса, то

Тепловое сопротивление радиатор – среда зависит от цвета радиатора, конструкции, поверхности, скорости обдува и др. и лежит в пределах

Таким образом, зная температуру окружающей среды, тепловые сопротивления и мощность, рассеиваемую в диоде, находим температуру пластины:

(3.6)

Эта температура не должна превышать максимально допустимую для данного материала (например, для кремния + 140 о С).

Оценка теплового режима с помощью такой модели даёт представление об установившемся тепловом режиме.

Схемы выпрямления

Простейший выпрямитель обычно содержит: трансформатор, вентиль и нагрузку (рис. 3.15).

Рисунок 3.15 – Простейший выпрямитель

Рисунок 3.16 – Эпюры токов и напряжений простейшего выпрямителя

Это, так называемая, однофазная однотактная схема выпрямления Выпрямленное напряжение (Ud) содержит постоянную составляющую (U) и бесконечный ряд гармонических составляющих, первая гармоника которых имеет частоту равную fсети. За период сети ток i2 не меняет своего направления, поэтому имеет место постоянное подмагничивание сердечника трансформатора. Ток в первичной обмотке равен сумме тока холостого хода (ixx) и тока нагрузки, пересчитанного в первичную цепь (i2 ’ ), который не имеет постоянной составляющей. Форма тока в первичной обмотке (i1) далека от гармоники, хотя нагрузка активная. В общем случае трансформатор имеет m1 первичных обмоток (фаз сети) и р фаз во вторичной цепи – число фаз выпрямления, которое называют пульсностью. Обычно m1 p. Пульсность схемы определяется произведением

Читайте также:  Электропастух не бьет током причины

где k – число вторичных обмоток трансформатора

q – число импульсов тока за период в одной обмотке.

Поэтому схема рис. 3.15 называется однофазная и однотактная (р=1*1=1).

Рассмотрим схему с пульсностью р =2, которая приведена на рис.3.17. Здесь две вторичных обмотки и через каждую из них за период сети протекает один импульс тока i2 ’ и i2 ’’ . Причём, через нагрузку они протекают в одном направлении, а через вторичные обмотки – в разных направлениях и не создают постоянного подмагничивания сердечника трансформатора. Тогда получаем , то есть схема двухфазная однотактная.

Рисунок 3.17–Двухфазный однотактный выпрямитель (схема со средней точкой)

Частота первой гармоники пульсаций вдвое выше частоты сети (ТП=Т/2) и находится через пульсность

Рассмотрим однофазный мост. Его схема приведена на рис.3.18. Эпюры напряжений соответствуют рис.3.17б. Учитывая, что здесь одна вторичная обмотка, находим пульсность , то есть схема однофазная двухтактная. Частота первой гармоники пульсаций вдвое выше частоты сети (как и в предыдущей схеме). Однако они различаются обратными напряжениями на вентилях – в схеме рис. 3.17 , а в схеме 3.18 . Кроме того, в схеме рис. 3.17 в цепи тока находится только один диод, а в схеме 3.18 – два диода. Поэтому, в низковольтных выпрямителях предпочтительна схема со средней точкой.

Рисунок 3.18 – Однофазный двухтактный выпрямитель (однофазный

Рассмотрим трёхфазный выпрямитель.

Трёхфазная однотактная схема выпрямления приведена на рис. 3.19. Эту схему называют также трёхфазной с нулевым выводом или трёхфазной со средней точкой.

Она состоит из трёхфазного трансформатора и трёх вентилей VD1, VD2 и VD3. Нагрузка включается между точкой соединения вентилей и общей точкой вторичных обмоток трансформатора. На рис. 3.20 представлены эпюры токов и напряжений в различных точках схемы.

Рисунок 3.19 – Трёхфазная схема с нулевым выводом

Рисунок 3.20 – Эпюры токов и напряжений для схемы рис.3.19

Трёхфазная двухтактная схема выпрямления (трёхфазный мост или схема Ларионова) приведена на рис. 3.21.

Рисунок 3.21 – Трёхфазная двухтактная схема выпрямления

На рис. 3.22 представлены эпюры токов и напряжений в различных точках схемы. Напряжение на нагрузке является суммой выходных напряжений двух трёхфазных, однотактных выпрямителей, каждый из которых использует свою полуволну фазного напряжения Ud=Ud1+Ud2.

Рисунок 3.22 – Эпюры токов и напряжений для схемы рис.3.21

Учитывая, что здесь три вторичных обмотки, находим пульсность . Частота первой гармоники пульсаций .

Существуют и другие схемы выпрямления с пульсностью 9, 12, 18, 24, 48, 96 и т.д. Это специальные схемы, так называемые, многопульсные выпрямители. Для примера, на рис.3.23 приведена схема 12-пульсного выпрямителя. Она представляет собой последовательное соединение двух трёхфазных мостовых схем. Здесь используется трансформатор с тремя обмотками. Вторичных обмоток две: одна соединяется в звезду, а вторая в треугольник, поэтому вторичные напряжения оказываются сдвинутыми по фазе на угол 30 о . Каждая из вторичных обмоток подключена к мосту, а так как мосты включены последовательно, то сумма напряжений содержит 12-кратные пульсации.

Рисунок 3.23 – 12- пульсная схема выпрямления

Получим количественные соотношения для различных схем выпрямления.

Источник

Ударный ток короткого замыкания

Проверка электронной аппаратуры и всех видов шин может производится разными способами. Например, чтобы выявить степень электродинамической устойчивости, применяется ударный ток короткого замыкания (iуд), значение которого определяется путем расчетов. По своей сути, данная величина является максимальным мгновенным значением полного тока КЗ. Рассчитать указанную характеристику можно на стадии между отсутствием тока в предыдущем режиме и максимальным показателем апериодической компоненты.

  1. Составные части короткого замыкания
  2. Расчеты ударного тока КЗ
  3. Использование ударного коэффициента
  4. Максимальная действующая величина полного тока

Составные части короткого замыкания

Прежде чем рассуждать об ударном токе, необходимо рассмотреть из каких частей вообще состоит полный ток короткого замыкания. Известно, что его основными составляющими являются свободная апериодическая часть и вынужденная периодическая компонента. Своей максимальной отметки ток КЗ достигает при наивысших значениях обеих составных частей.

Ударный ток короткого замыкания

Апериодический ток в самом начале появления становится максимальным в момент нулевого значения тока в предыдущем режиме, представляющем собой холостой ход. Непосредственно при наступлении КЗ, вынужденный ток с периодической составляющей проходит свою максимальную отметку. Данное условие становится показателем, используемым в расчетах. Полный ток КЗ с максимальным мгновенным значением и есть ударный ток короткого замыкания.

На практике этот показатель рассчитывается при максимальной величине апериодической части. С этой целью выбирается режим, предшествующий аварии, называемый холостым ходом. Данной состояние сети считается одним из наиболее сложных по сравнению с индуктивным или активно-индуктивным доаварийным током, при которых показатель апериодической части будет ниже.

Условия, при которых образуется апериодическая составляющая, приведены на рисунке. Они полностью зависят от предыдущего состояния тока до аварийного режима. Красный вектор соответствует доаварийному току, синий – периодическому току КЗ. Вектор зеленого цвета показывает разницу между ними, выдающую величину апериодического тока в начальной стадии.

Расчеты ударного тока КЗ

Предварительные расчеты показывают, что апериодическая компонента примет максимальное первоначальное значение в том случае, когда фазное напряжение в момент включения при коротком замыкании будет равным нулю. В некоторых случаях угол напряжения может превышать нулевую отметку.

В это же время фаза периодической части будет равна 90 градусам, и ток начнет терять свое максимальное амплитудное значение. Следовательно, возникает отставание тока от напряжения как раз на эти 900. Причиной такого состояния выступают активные сопротивления короткозамкнутой цепи с очень малыми значениями.

При достижении фазой напряжения 90 градусов, ток периодической компоненты выйдет из нулевой отметки, что приведет к выполнению закона коммутации. В данном случае апериодического тока не будет, поэтому не возникнет и ударный ток.

На приведенном рисунке хорошо видно возникновение ударного тока короткого замыкания, отмеченного зеленой кривой. Она еще не дошла до точки затухания, а синяя кривая, соответствующая периодическому току, проходит через нее и точку своего амплитудного значения. При этом обе кривые в этот момент принимают общий знак с положительным показателем. Подобная ситуация возникает на второй половине периода от начала замыкания, то есть, примерно через 0,01 с.

Рассчитать ударный ток можно при помощи следующей формулы:

В которой Ку является ударным коэффициентом, а Inmax – амплитудным значением периодического тока короткого замыкания. Изменения Ку происходят в пределах меньше 1 и больше 2, тогда как электромагнитная постоянная времени Та может изменяться от 0 до бесконечности, характеризующая скорость затухания апериодической компоненты. По мере уменьшения Та, ускоряется затухание свободной составляющей, одновременно наступает снижение ударного коэффициента.

В сетях высокого напряжения она полностью исчезает уже через 0,1-0,3 секунды, а при низком напряжении затухание также происходит очень быстро из-за наличия высокого активного сетевого сопротивления.

Читайте также:  Идеи для дома в тока бока с бассейном

Использование ударного коэффициента

Ударный коэффициент в режиме короткого замыкания играет важную роль, поэтому его следует рассмотреть более подробно. Этот показатель, применяемый в расчетах, можно выразить короткой формулой: Ку = iy/inm. Здесь iy является ударным током КЗ, а inm представляет собой амплитуду периодической составной части.

Данный коэффициент применяется при расчетах ударного тока. Если в формуле амплитуду inm заменить на действующий ток, получится следующее выражение: Ку = iy√2inm. Следовательно, формула для вычисления ударного тока приобретет следующий вид: iy = Ку√2inm. На практике значение ударного коэффициента КЗ принимается за 1,8 в электроустановках более 1 кВ; величина 1,3 берется при возникновении КЗ за участком кабельной линии большой протяженности.

Этот же показатель используется для вторичной стороны понижающего трансформатора с мощностью, не превышающей 1000 кВА и сетей с напряжением до 1 кВ. Для ускорения расчетов существует таблица, содержащая коэффициенты для аварийных ситуаций, встречающихся чаще всего.

Оборудование и установки Постоянная времени Та Ударный коэффициент Ку
Турбогенераторы 0,1-0,3 1,95
Блок, состоящий из генератора и трансформатора 0,04 1,8
Высоковольтная ЛЭП 0,01 1,3
Короткая низковольтная ЛЭП 0,001

Теоретически, при отсутствии в цепи активных сопротивлений и постоянной времени, равной бесконечности, затухание периодической компоненты вообще бы не наступило, и она сохранила бы свое начальное значение на весь период КЗ до момента отключения аварийного участка. При этом, ударный коэффициент достиг бы своего максимума и составил Ку = 2.

Если короткое замыкание наступило в местах, удаленных от источника питания на значительные расстояния, токи, появляющиеся в этой точке, будут небольшими, сравнительно с номинальным током этого источника питания. В процессе КЗ изменения номинала будут практически незаметными, а напряжение на клеммах следует принять за постоянную величину.

Таким образом, периодическая компонента будет оставаться постоянной по своей амплитуде на протяжении всего времени КЗ. Изменения самого тока КЗ будут происходить лишь когда апериодическая составляющая будет постепенно затухать.

Максимальная действующая величина полного тока

Поскольку ударный ток является разновидностью полного тока, его следует рассмотреть подробнее. Действующее значение данного параметра определяется в любой из временных промежутков. Оно выглядит в виде среднеквадратичного значения на протяжении одного периода, с учетом рассматриваемого момента времени. В виде формулы — это выражение представлено следующим образом:

Если же характеристики тока не синусоидальные – его действующее значение выбирается в виде квадратного корня, извлекаемого из суммы квадратов всех составных частей.

Следовательно, ударный ток с действующим значением будет рассчитываться в таком порядке:

На практике, чтобы правильно рассчитать ударный ток короткого замыкания, выстраиваются две замещающие схемы, состоящие из чисто активных и реактивных сопротивлений.

Апериодическая составляющая тока короткого замыкания

Как рассчитать ток короткого замыкания

Ток короткого замыкания однофазных и трехфазных сетей

Мощность короткого замыкания

Что такое ток короткого замыкания

Что такое короткое замыкание (КЗ): в чем причина, виды, защита, определение для чайников

Источник

Неуправляемый вентиль и его характеристики

Вентиль — это прибор, проводящий ток в прямом направлении от анода к катоду и не пропускающий его в обратном направлении. В настоящее время в качестве вентиля используются полупроводниковые диоды. Они способны пропускать ток до 2000 А и выдерживать обратное напряжение до 3000 В. В качестве подобных диодов можно назвать отечественные Д253-2000 ООО «Крон-ЭК» или китайские ZP1000-2800 фирмы LeKing. В обычных же схемах выпрямительных устройств используются диоды с более скромными параметрами, такие как 60CPQ150 или 1N5822. В качестве примера на рисунке 1 приведен чертеж корпуса полупроводникового выпрямительного диода Д253-2000 и его условно-графическое обозначение.

Рисунок 1. Условно-графическое обозначение полупроводникового диода (вентиля) и чертеж корпуса Д253-2000

В зависимости от максимального допустимого тока и обратного напряжения габариты диодов и их конструктивное исполнение значительно изменяются. Основное свойство вентиля проводить ток только в одном направлении обычно иллюстрируется его вольт-амперной характеристикой (ВАХ). ВАХ идеального вентиля приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Вольтамперные характеристики идеального вентиля

Для существующих на рынке выпрямительных диодов (кремниевых, германиевых и диодов Шоттки ) при одинаковых обратных напряжениях, обратные токи существенно различаются. На рисунке 3 приведены вольтамперные характеристики выпрямительных диодов, выполненных на различных p-n переходах.

Рисунок 3. Вольтамперные характеристики реальных диодов

При применении в выпрямителях реально выпускаемых промышленностью диодов, преобразование энергии переменного тока в постоянный, происходит не полностью. Потери возникают за счет падения напряжения на диоде. Для расчётов, реальную ВАХ заменяют кусочно-ломанной, пренебрегая потерями от обратных токов. Такой вид характеристики диодов позволяет производить расчеты выпрямителей с достаточной для практического применения точночтью. Пример преобразования реальной вольамперной характеристики в идеализированную приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Аппроксимация ВАХ выпрямительного диода

По вольамперной характеристике диода можно определить дифференциальное сопротивление прямого участка rd. Оно определяется наклоном прямой, касательной к характеристике. Кроме того, диоды различаются точкой перегиба характеристики. Ее обычно обозначают Uд. Она различна для разных типов полупроводниковых диодов. Точка перегиба, которую еще называют начальным смещением диода для кремниевого диода составляет , для диода Шоттки , для еще встречающихся германиевых диодов . По параметрам кусочно-ломаной характеристики диода можно получить его эквивалентную схему. Она показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Эквивалентная схема выпрямительного диода

На данном рисунке буквами ИВ обозначен идеальный вентиль, источник напряжения моделирует напряжение начального смещения, а резистор rd — внутреннее сопротивление выпрямительного диода. К полупроводниковым диодам, работающим в схемах выпрямления предъявляется ряд требований:

  1. должны выдерживать максимальное значение обратного напряжения Uобр доп
  2. нормально работать при среднем значении прямого тока Iпр ср
  3. выдерживать максимальный ток, возникающий при работе выпрямителя на сглаживающий фильтр, Iпр max
  4. обладать минимально возможными rd и Uд для уменьшения рассеиваемой энергии
  5. иметь малый обратный ток, вызывающий дополнительные потери энергии
  6. обладать малым временем восстановления обратного сопротивления

При выборе конкретного типа выпрямительного диода очень важно учитывать все его параметры. Одним из важнейших являются потери, возникающие на диоде. Они обусловлены внутренним омическим сопротивлением диода rd и постоянным прямым начальным смещением диода Uд. Мощность энергии, рассеиваемая на выпрямительном диоде определяется следующим образом:

Все напряжения и токи, использующиеся в данной формуле, поясняются на рисунке 6.

Рисунок 6. Напряжение, падающее на диоде при протекании по нему тока I

Несмотря на то, что в настоящее время можно подобрать выпрямительные диоды практически под любые задачи, в ряде случаев, например, из конструктивных соображений, требуется увеличивать ток при помощи параллельного соединения диодов. При параллельном соединении для выравнивания токов, протекающих через диоды последовательно с ними приходится включать резисторы, которые выравнивают ток, протекающий через каждый из диодов. Подобная схема, позволяющая увеличить предельный ток выпрямительных диодов, приведена на рисунке 7.

Рисунок 7. Выравнивание токов выпрямительных диодов при помощи резисторов

В этой схеме на выравнивающих резисторах возникают дополнительные потери энергии, поэтому более эффективным решением является применение нескольких одинаковых обмоток в трансформаторе выпрямителя. Такое решение называется секционированным выпрямителем и позволяет не только снизить требования к выпрямительному диоду, но и выполнять обмотки трансформатора проводом с меньшим сечением. Схема секционированного выпрямителя приведена на рисунке 8.

Читайте также:  Если ток в проводнике увеличить то что произойдет

Рисунок 8. Схема секционированного выпрямителя напряжения

Еще одним важным параметром выпрямительного диода является максимальное значение обратного напряжения. Современные источники питания обычно выполняются в виде высокочастотных преобразователей AC-DC. В этих преобразователях могут быть применены только высокочастотные диоды, такие как диоды Шоттки. Однако диоды Шоттки редко обладают большими значениями обратного допустимого напряжения. Это приводит к необходимости в высоковольтных AC-DC преобразователях включать несколько диодов последовательно друг за другом. Однако каждый диод обладает разным значением обратного тока (что соответствует сопротивлению закрытого диода). Это приводит к неравномерному распределению напряжения между диодами и может привести сначала к пробою одного из них, а затем и всех остальных. Для выравнивания напряжений между диодами применяют выравнивание напряжений при помощи резистивного делителя, как показано на схеме, приведенной на рисунке 9.

Рисунок 9. Схема увеличения максимально допустимого обратного напряжения на диодах

Ток, протекающий через резисторы Rдоб в данной схеме должен быть больше обратного тока диодов диода, иначе не будет выравнивания напряжений. Естественно, применение шунтирующих резисторов увеличивает обратный ток вентиля, но выгода от повышения допустимого обратного напряжения перевешивает этот недостаток.

Источник



Неуправляемые вентили

date image2020-01-15
views image114

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

К классу неуправляемых вентилей энергетической электроники относятся мощные выпрямительные диоды, т. е. полупроводниковые приборы с одним p-n-переходом и двумя омическими контактами для присоединения выводов (рис. 1.1,а). Омическим называют контакт металла с полупроводником, не обладающий свойством односторонней проводимости.

P-n переход образуется между двумя полупроводниковыми областями с разным типом примесной электропроводности, одна из областей (низкоомная)является эмиттером, другая (высокоомная) – базой.

Рис. 1.1. Структура полупроводникового диода (а);
графическое обозначение диода (б)

Диоды классифицируют по различным признакам. По основному полупроводниковому материалу различают диоды кремниевые, германиевые и из арсенида галлия. По физической природе процессов, обуславливающих основную функцию диодов, их классифицируют на туннельные, фотодиоды, светодиоды и другие. По назначению диоды делятся на выпрямительные, импульсные, стабилитроны, варикапы и т.д. По технологии изготовления p-n-перехода различают диоды сплавные и диффузионные, по типу p-n-перехода — точечные и плоскостные.

В качестве вентилей энергетической электроники используются плоскостные диоды. Эти диоды имеют плоский p-n-переход. Его линейные размеры, определяющие площадь, значительно больше ширины р-n-перехода. Площадь перехода может достигать нескольких десятков квадратных сантиметров. Переход выполняют в основном методами вплавления или диффузии (рис. 1.2).

Плоскостные диоды используются для работы на частотах до 10 кГц. Ограничение по частоте связано с большой барьерной емкостью р-n-перехода (до десятков пикофарад).

Современные мощные плоскостные выпрямительные диоды, применяемые в качестве вентильных элементов устройств энергетической электроники,рассчитаны на токи до 10 кА и напряжения до 10 кВ.

Рис. 1.2. Конструкция плоскостного диода:

1-пластина полупроводника; 2-металлический элемент

Вентильные свойства диодов обеспечиваются односторонней проводимостью p-n-перехода. Свойство односторонней проводимости выражено тем ярче, чем меньше обратный ток диода. Для уменьшения обратного тока снижают концентрацию неосновных носителей за счет высокой степени очистки исходного полупроводника. Обычно применяют полупроводники, в которых на 10 9 -10 10 атомов основного элемента приходится один атом примеси.

Характеристики реальных диодов несколько отличны от вольт-амперных характеристик p-n-перехода. Их вид зависит от рода основного полупроводникового материала, площади p-n-перехода, температуры. У кремниевых диодов начальный участок прямой ветви ВАХ значительно более пологий, чем у германиевых. Напряжение на открытом кремниевом диоде равно 0.6–0.8 В, а на германиевом – 0.2–0.3 В.

Особенно сильное влияние температура оказывает на обратную ветвь характеристики. В германиевых диодах увеличение температуры на десять градусов вызывает увеличение обратного тока в два раза, в кремниевых диодах — в два с половиной раза. С ростом обратного тока увеличивается нагрев р-n-перехода, что может привести к тепловому пробою. Верхний придел рабочих температур для германиевых диодов составляет 85-100 °С, для кремниевых — до 200 °С.

К выпрямительному диоду в общем случае может быть приложено как постоянное, так и переменное напряжение, поэтому для описания работы диода в первом случае используют статические характеристики и параметры, во втором случае — динамические.

Статические параметры: среднее за период значение выпрямленного тока; среднее за период значение обратного тока; средняя за период мощность, рассеиваемая диодом; максимально допустимое обратное напряжение диода; дифференциальное сопротивление диода, т.е. Rдиф – отношение малого приращения напряжения к малому приращению тока (дифференциальное

сопротивление может изменяться от единиц до нескольких сотен Ом).

Динамические параметры: дифференциальное сопротивление rд = dU/dl, общая емкость диода С, граничная частота fгр ( частота на которой выпрямленный ток уменьшается в √2 раз); время установления прямого напряжения;время обратного восстановления (интервал времени, необходимый для полного прекращения тока после снятия прямого напряжения). Диоды с быстрым восстановлением имеют время обратного восстановления в диапазоне 100 – 250 нс, а диоды с ультрабыстрым восстановлением – 25-50 нс.

Силовые диоды большой мощности производятся на основе так называемой p-i–n-структуры. Между слоями с проводимостью p- и n-типов расположен дополнительный слаболегированный слой кремния с собственной проводимостью. Этот слой называют i–областью, от английского intrinsic – собственный. Использование такой структуры повышает максимально допустимое обратное напряжение. У p-i–n-диодов оно может достигать 1000 В. За счет включения дополнительного слаболегированного слоя прямое

напряжение p-i–n-диодов выше, чем у обычных диодов с p–n-переходом.

Оно составляет приблизительно 0.8 В.

Диоды Шоттки

Диоды с барьером Шоттки (диоды Шоттки) названы по имени немецкого ученого В. Шоттки. В диодах этого типа выпрямительный переход создается слоем металла (обычно золота, платины, алюминия или палладия), нанесенного на поверхность слаболегированного полупроводника. Этот переход ведет себя как диод; проводит электрический ток в одном направлении (от металлического анода к полупроводниковому катоду) и действует как разомкнутая цепь в другом направлении. Инжекция неосновных носителей в базу в таких диодах отсутствует, так как токобразуется только электронами, движущимися из кремния в металл. По этойпричине у диодов Шоттки отсутствует накопление зарядов в базе и времяпереключения значительно меньше, чем время переключения биполярногодиода. У таких диодов практически отсутствует эффект прямого илиобратного восстановления.

Другая важная особенность барьера Шоттки – меньшее прямое напряжение, чем прямое напряжение кремниевого p–n-перехода при той же

величине тока. Прямое напряжение кремниевых диодов Шоттки составляет

0.2 – 0.45 В. Недостатком диодов Шоттки по сравнению с биполярными

диодами является их больший обратный ток, а также меньшее напряжение

пробоя. Обратный ток имеет экспоненциальную зависимость от температуры

и возрастает при повышении обратного напряжения.

Диоды Шоттки, имеющие высокое обратное напряжение, производятна основе арсенида галлия или карбида кремния. Пиковое обратное напряжение арсенид-галлиевых диодов достигает 300 В. Прямое падениенапряжения таких диодов составляет обычно 0.8 В. Максимальное обратное напряжение диодов Шоттки на основе карбида кремния превышает 1000 В.

Источник