Что такое время восстановления диода

Насколько критично время восстановления диода?

Надо было диод заменить в БП (чисто по расположению, места не было) и вот смотрим UF1004 у него 50 нс, у КД212 300 (150 тип) нс, у КД226 250 нс.. В то же время этот БП (убогонький) с частотой 20..30 Кгц, а у того же 226 заявлено рабочая частота до 35 кгц, у 212 вообще 100 кгц без снижения режима.

Насколько вот разница в 5 раз характеризует работу диода? То есть означает ли что при том что все диоды могут работать на 30 кгц но UF1004 скажем в 3 раза меньше будет греться? Или как?

Есть статические потери на диоде, а есть динамические. Статические останутся, как и были. Динамические чуток увеличатся.

Вообще то если у Вас ру диоды не с военки, то проверить этот параметр, никак. Риск запалить всё устройство велик с полной заменой всего. Поэтому выбирается импорт с хорошего магазина не с али. Я знаю что Вы не возьмёте такое с али, потому что цена вопроса 100 рэ. Но мало ли что. Цена пыха 5000-20000 рэ с беготнёй и ремонтом. Может такой "расчёт" больше подойдёт. Или Вы там ещё прямое падение напряжение посмотрели. У них оно до 1.6 Вольта у стеклянных супербыстрых может быть, т.е. чуть ли не в 2 раза. Как в схеме будет хрен его знает. Посмотрите не сильно быстрые, а такие как надо, прямое падение естественно ниже. Т.е. есть супер фаст , это Ваш UF1004 50-75ns, стандарт фаст 100-200ns. Вот его подберёте сами из импортухи. Потому что уже не помню что ставилось.

PS И ещё есть. Если это оппозитники назначение внешние, то тогда берутся новые транзисторы силовые с быстрыми оппозитниками внутренними. Т.е. тупо меняется сам транзистор, в котором уже новые оппозитники и найти 200-300ns trr диода оппозитного можно. И купить можно.

187ns trr А то даташита на них нет, даже на сайте производителя(тут есть) или я не умею искать, чего быть не может.:) Скрывають потому что. Старые не рапродали.

Да ставьте КД212. Я в своём кинескопном мониторе LG году в 2004, через день после окончания гарантии какой-то FR2xx сгоревший на 212-й железный поменял и после этого он лет 5 минимум у меня ещё отработал.

Да чем заменить есть, я (как и многие радиолюбители втч и на этом форуме уже в том возрасте когда понимаешь что запасы рдеталей уже не истратить точно 😉 ) просто интересно чем руководствовались производители ставя диод с 50 нс в 30 кгц блок питания. Или вот почему про 212(213) пишут что до 100 кгц без снижения параметров а КД226 с аналогичными параметрами до 35 кгц. Хотя 226 может потому указали что для ТВ их изначально разрабатывали.

Тоже натыкался на такое, тоже удивлялся. То ли перестраховывались, то ли им задание давали — куда-нибудь втюхать "ненужные" детали, место в складе освободить.

Новый фигурант Дима Плюшкин. А диоды ставили. да какие были/попались по U и I те и ставили. кто там смотрел на восстановление.

P.S. пообещали тебе найти железку которую сегодня спрашивал 200х200х5.

И таких 4 штуки, труба то квадратная в метр длиной и у неё 4 стенки 🙂 . ЗЫ. Распилю сам или уточним размеры тогда как будет заготовка.

Динамические потери на диоде вычисляются по следующей формуле:

f — рабочая частота,
Ud — максимальное напряжение на диоде,
Id — максимальный ток диода,
trr — время обратного восстановления диода.

Вот и получается, что если будет стоять диод с временем обратного восстановления 150 нс вместо 50 нс, то динамические потери увеличатся в 150/50=3 раза.

Много это или мало — нужно смотреть конкретные значения в ваттах и переводить их в температуру. Конечно, с учётом статических потерь.

Из практики могу добавить, что при хороших токах подобная замена может привести к необходимости установки диода на радиаторе.

Опять же, из практики — замена на более современный диод, с меньшим временем восстановления в старом БП, позволяла прилично облегчить его тепловой режим и повысить КПД.

Ну так, видимо, потому и пишут, что такие цифры получили.
На время создания, эти диоды и так были супер-пуперными по сравнению с уже имевшимися.

И если 212 (213) только в военке (практически) использовались, то 226 специально разрабатывались для телевизоров. А там частота, до 16 КГц не дотягивает.

Форум про радио — сайт, посвященный обсуждению электроники, компьютеров и смежных тем.

Простой способ измерения емкости и времени обратного восстановления диода

На днях Линда из отдела снабжения зашла ко мне с проблемой: Лу из конструкторского отдела попросил ее найти замену для диода, сгоревшего в импульсном источнике питания. Чертова штука была маркирована странным номером, расшифровать который не помогло никакое гугление.

На корпусе был узнаваемый логотип изготовителя, но запросить у него справочные данные не представлялось возможным – маркировка типа осталась от давно проданной компании и в последующем никем не использовалась. Оставалось попытаться решить проблему самостоятельно.

По счастью в ЗиПе имелась вторая идентичная деталь, и Лу смог предоставить мне исправный диод того же типа. Теперь мне лишь оставалось выяснить, что же это такое. Обычный выпрямительный диод? Стабилитрон? Диод Шоттки? Какое обратное пробивное напряжение? Емкость перехода? Время восстановления?

Из размеров корпуса DO-41 несложно было заключить, что допустимая мощность составляет один ватт. Не составляло также труда пропустить различные токи и измерить прямое падение напряжения, чтобы убедиться, что это не диод Шоттки. Соединив последовательно несколько источников питания и постепенно увеличивая обратное напряжение (с токоограничительным резистором соответствующего сопротивления на случай достижения пробивного напряжения стабилитрона), я убедился, что это не стабилитрон – по крайней мере, в пределах испытательного напряжения 200 В.

Задача оценки требуемого максимально допустимого обратного напряжения могла быть решена путем первоначальной замены в схеме источника питания проверяемого прибора высоковольтным диодом и последующим измерением падающего на нем напряжения.

Таким образом, неизвестными остаются только емкость перехода C_J и время восстановления обратного сопротивления T_RR. Это время, в течение которого диод остается в проводящем состоянии после резкой смены прямого напряжения на обратное. Я должен был найти способ измерения этих параметров. И без какого-либо экзотического оборудования, лишь с тем, что необходимо для грубой оценки, другими словами, все, с чем я должен был работать – это функциональный генератор с временем спада 40 нс и 100-мегагерцовый осциллограф.

Измерительная установка была очень простой. На проверяемый диод подавались 5-вольтовые импульсы с таким постоянным смещением, чтобы диод открывался только на время положительных пиков импульсов. Осциллограф, подключенный к обоим выводам диода, синхронизировался отрицательным фронтом импульса генератора. Меняя постоянное напряжение смещения, можно было управлять прямым напряжением и током проводимости диода. Ток проводимости исследуемого диода измерялся по падению напряжения на последовательном сопротивлении 50 Ом.

Первые, что требовалось сделать – оценить работоспособность измерительной установки. Насколько адекватно эти доморощенные испытания отражают реальные характеристики диодов? Это было проверено путем измерений нескольких диодов с известными параметрами и сравнения результатов с информацией из технической документации. Я протестировал следующие диоды, и нашел результаты весьма интересными:

– используемый в повседневной практике стандартный выпрямитель с указанным значением C_J = 15 пФ и неизвестным T_RR; – быстродействующий переключающий диод с указанными значениями C_J = 4 пФ и T_RR = 8 нс; – сильноточный выпрямительный диод с быстрым восстановлением и указанными значениями C_J = 300 пФ и T_RR = 200 нс;
1. Загадочный объект.

Для удобства сравнения масштаб по оси времени для всех осциллограмм выбран одинаковым и равным 100 нс/дел.

Начав с диода 1N4002, постоянное смещение генератора импульсов было установлено таким, чтобы вершина импульса находилась на уровне 0 В, на два деления ниже верха экрана, а спад импульса происходил до уровня –5 В. Исследуемый диод не переходил в проводящее состояние, а очень незначительный отрицательный ток (синяя осциллограмма) обусловлен небольшой емкостью CJ.

Для получения эталонных данных параллельно проверяемому диоду временно был подключен конденсатор емкостью 120 пФ, удаленный при выполнении последующих измерений. Ток на синей осциллограмме связанный, только с этой емкостью, следует отличать от обратного тока.

Установленное постоянное смещение генератора импульсов на 400 мВ превышало напряжение начала включения исследуемого диода. Высокий уровень сигнала в левой части желтой осциллограммы отображает прямое смещение 400 мВ. Большой скачок напряжения порождает незначительный обратный ток.

Постоянное прямое смещение, увеличенное на 100 мВ для лучшего открывания диода, стало равным 500 мВ. Обратный ток 2 В/50 Ом = 40 мА сохраняется в течение примерно 100 нс.

Прямое смещение увеличено еще на 100 мВ, и теперь равно 600 мВ. Обратный ток вырос до 60 мА, а время восстановления стало весьма значительным.

После очередного приращения на 100 мВ смещение достигло 700 мВ, а прямой ток – 16 мА. Хорошо видно, что чем сильнее открывается диод, тем больше время восстановления его обратного сопротивления. Как видно из осциллограммы выше, до начала закрывания проверяемый диод находится в состоянии проводимости в течение приблизительно 1200 нс при напряжении на переходе порядка 600 мВ.

Это наглядно демонстрирует, насколько хорошо стандартный выпрямительный диод подходит для частоты 50 или 60 Гц, где постепенное плавное изменение обратного смещения происходит за время, намного превышающее T_RR. Но вы можете видеть, что в режиме резких переключений диод становится виртуальным коротким замыканием на значительную часть периода. Нехорошо.

Теперь давайте, сравним предыдущие результаты с диодом 1N4148.

Для уверенного открывания диода 1N4148 постоянное смещение установлено равным 800 мВ; протекающий при этом прямой ток равен 20 мА. При такой скорости нарастания входного импульса время восстановления обратного сопротивления слишком мало для того, чтобы его можно было измерить с помощью осциллографа.

Постоянное смещение и амплитуда импульса установлены такими, чтобы через открытый 1N4148 протекал ток, предельный для используемого генератора. 50-омный согласующий резистор на входе испытываемого диода был на время удален, чтобы получить максимальный прямой ток 100 мА, однако даже при таких условиях обратный ток был настолько мал, что измерить его не представлялось возможным. Обратите внимание, что для этой осциллограммы масштаб по вертикали был временно изменен на 5 В/дел.

Далее переходим к MUR880.

Диод MUR880 при прямом напряжении 0 В. Основываясь на измерениях, сделанных выше для конденсатора 120 пФ, емкость CJ можно оценить величиной порядка 100 пФ – лучше указанного в справочных данных значения 300 пФ.

MUR880 при прямом напряжении 600 мВ и прямом токе 20 мА. Время TRR приблизительно равно 200 нс, как и указано в справочных данных.

MUR880, как и в предыдущем испытании, питается максимально допустимым током генератора. Прямой и обратный токи одинаковы и равны 100 мА. Масштаб по вертикали временно был изменен на 5 В/дел. Как и ожидалось, время восстановления обратного сопротивления по-прежнему равно 200 нс.

Небольшое время T_RR делает диод пригодным для использования в сильноточных переключающих схемах, но даже при этом одним из факторов, ограничивающих рабочую частоту, будет то, как быстро диод выходит из состояния проводимости. Обойти это ограничение можно заменой диодов синхронно управляемыми МОП-транзисторами.

И, наконец, мы возьмем неизвестный диод.

Неизвестный диод при прямом напряжении 0 В. На время я увеличил чувствительность синего канала и заменил исследуемый диод небольшим конденсатором, чтобы определить, что при нулевом смещении емкость CJ приблизительно равна 25 пФ.

Неизвестный диод при большом открывающем напряжении 600 мВ и прямом токе 20 мА. Время восстановления обратного сопротивления равно примерно 100 нс.

Как и в предыдущем опыте, неизвестный диод испытывался при предельном выходном токе генератора. Прямой и обратный токи одинаковы и равны 100 мА. Масштаб по вертикали на время был увеличен до 5 В/дел. Время восстановления обратного сопротивления осталось равным 200 нс.

Как и в предыдущем опыте, неизвестный диод испытывался при предельном выходном токе генератора. Прямой и обратный токи одинаковы и равны 100 мА. Масштаб по вертикали на время был увеличен до 5 В/дел. Время восстановления обратного сопротивления осталось равным 200 нс.

Опираясь на проведенные измерения, можно было заключить, что хорошим выбором для замены неизвестного диода с быстрым восстановлением могут быть UF4004 или UF4007. Я попросил Линду приобрести оба и предложить Лу первым испробовать 1000-вольтовый UF4007, чтобы, измерив падающее на нем обратное напряжение, определить, можно ли там использовать 400-вольтовый UF4004, чья вольтамперная характеристика ближе к неизвестному диоду.

Русские Блоги

В чем разница между диодами Шоттки и диодами быстрого восстановления?

Диоды с быстрым восстановлением относятся к диодам с очень коротким временем обратного восстановления (менее 5 мкс.) При этом в основном используются меры, легированные золотом. В некоторых структурах используются структуры PN-перехода, а в некоторых используются улучшенные структуры PIN-кода. Его прямое падение напряжения выше, чем у обычных диодов (1-2 В) (почему бы не упомянуть, какой материал здесь?), А обратное выдерживаемое напряжение в основном ниже 1200 В. По производительности его можно разделить на два уровня: быстрое восстановление и супер быстрое восстановление. Первое обратное время восстановления составляет сотни наносекунд или дольше, а второе меньше 100 наносекунд.

Диоды шотткиЭто диод на основе барьера, образованного контактом между металлом и полупроводником, называемый барьерным диодом Шоттки (Shottky Barrier Diode), с прямым понижением напряжения (0,4-0,5 В) (этот метод может использоваться для оценки устройства), обратное восстановление Время очень короткое (10-40 наносекунд), и ток обратной утечки велик, а выдерживаемое напряжение низкое, как правило, ниже 150 В, что в основном используется в случаях низкого напряжения.

Эти две трубки обычно используются для переключения электропитания.

Диоды шотткиРазница с диодами с быстрым восстановлением: время восстановления первого примерно в сто раз короче последнего, а время обратного восстановления первого составляет около нескольких наносекунд

Преимущества первого — низкое энергопотребление, большой ток и сверхвысокая скорость

! Конечно, электрические характеристики всех диодов

Диоды с быстрым восстановлением используют легирование золотом, простую диффузию и другие процессы в процессе производства для получения более высоких скоростей переключения и более высокого сопротивления напряжению.В настоящее время диоды с быстрым восстановлением в основном используются в качестве компонентов выпрямителя в источниках питания инвертора.

Диоды шоттки: Значение обратного выдерживаемого напряжения ниже 40 В — 50 В, падение напряжения во включенном состоянии составляет 0,3-0,6 В, а время обратного восстановления составляет менее 10 нс. Это диод "металлический полупроводниковый переход" с характеристиками Шоттки. Его прямое пусковое напряжение ниже. В дополнение к материалу металлического слоя также могут быть использованы золото, молибден, никель, титан и другие материалы. Его полупроводниковый материал использует арсенид кремния или галлия, в основном полупроводники N-типа. Это устройство управляется основной несущей, поэтому его обратный ток насыщения намного больше, чем PN-переход, проводимый неосновной несущей. Поскольку эффект запоминания неосновных несущих в диоде Шоттки очень мал, его частотная характеристика ограничена только постоянной времени RC, поэтому он является идеальным устройством для высокочастотного и быстрого переключения. Его рабочая частота может достигать 100 ГГц. И, MIS (металл-изолятор-полупроводник) диоды Шоттки могут быть использованы для изготовления солнечных элементов или светодиодов.

Диод с быстрым восстановлением: падение напряжения прямой проводимости 0,8-1,1 В, время обратного восстановления 35-85 нс, быстрое переключение между включением и отключением, повышение частоты использования устройства и улучшение формы сигнала. Диод с быстрым восстановлением использует в процессе производства легирование золотом, простую диффузию и другие процессы, которые могут обеспечить более высокую скорость переключения и более высокое напряжение. В настоящее время диоды с быстрым восстановлением в основном используются в качестве компонентов выпрямителя в источниках питания инвертора.

Я хотел бы спросить, почему существует обратное время восстановления

В чем разница между диодом Шоттки и диодом быстрого восстановления?

Для высокочастотных импульсных источников питания, из-за высокой частоты (смена фазы), когда положительный полупериод включен, диод не действует в это время. Если обратное восстановление диода Шоттки происходит медленно, когда отрицательный полупериод происходит из-за Шоттки Диод не изменился из включенного состояния, когда он положительно смещен в выключенное состояние, что эквивалентно короткому замыканию. Оно равно напряжению отрицательного полупериода и напряжению положительного полупериода, наложенному на два конца диода Шоттки. Из-за высокой частоты время обратного хода очень короткое (Эквивалентно времени короткого замыкания). Таким образом, при нормальных обстоятельствах диод Шоттки не сгорает сразу, но потребляет энергию короткого замыкания при падении напряжения на диоде Шоттки, вызывая серьезное выделение тепла, и эффект выпрямления значительно уменьшается

Что такое время восстановления диода

Некоторые популярные диоды

Определение и типы диодов

Упрощенно диод можно понимать как активный электрический элемент проводящий ток только в одном направлении. Как клапан в гидравлике. Существует несколько типов диодов отличающихся как по физическому принципу работы, так и по базовому материалу. В очень общих чертах они делятся на полупроводниковые и вакуумные. Итак, диоды бывают:

— вакуумные (они же кенотроны);

— на основе p-n перехода между полупроводниками различных типов проводимости: кремниевые (Si) и карбидокремниевые (SiC) диоды;

— на основе контакта Шоттки между металлом и полупроводником.

Вакуумные диоды используются крайне редко, только в спецприложениях, например высоковольтной и высокочастотной технике. Наиболее популярными диодами являются кремниевые диоды и диоды Шоттки.

Кроме физической природы диоды классифицируются по функциональному назначению:

— выпрямительные диоды , используемые, как правило, для выпрямления сетевого напряжения низкой частоты (50 Гц). Как правило, это кремниевые, дешевые диоды. Они ставятся как непосредственно на входе безтрансформаторных импульсных источников питания, так и после трансформатора в трансформаторных источниках.

— быстродействующие кремниевые диоды — используются в составе импульсных источников питания при высоких значениях обратного напряжения (100-1000 вольт). Отличаются малым временем восстановления обратной проводимости, составляющим величину менее 200 нс. Внутри класса имеют условную подклассификацию Fast (500-150 нс), UltraFast (70-50 нс), HiperFast (35-20 нс).

— кремниевые импульсные диоды – используются в составе функциональных (не силовых) цепей. Типичный пример – диод 1N4148; Отличаются малыми рабочими токами (миллиамперы) и большим быстродействием (время обратного восстановления 1N4148 – 4 нс).

— высоковольтные диоды – представляют собой последовательное соединение нескольких (5-20 штук) кристаллов кремниевых диодов в одном корпусе. При этом максимальное обратное напряжение составляет единицы-десятки киловольт, а ток как правило – небольшой и не превышает 1 ампера. Используются в ряде специальных приложений. Быстродействие этих диодов, как правило, невысокое.

Отдельно следует выделить диоды Шоттки – которые используются и как функциональные (сигнальные) диоды и как силовые. Их отличительными чертами являются высокое быстродействие, малое падение напряжения (0,3-0,5 В) по сравнению с кремниевыми диодами (1-1,2 В). К недостаткам относят сравнительно малое обратное напряжение (20-100 В) чувствительность к перенапряжению, значительный обратный ток. Диоды Шоттки часто используются в качестве выпрямительных диодов высокочастотных преобразователей с малым выходным напряжением.

Здесь не рассматриваются диоды чисто радиочастотных применений СВЧ, варикапы, смесительные и т.д. поскольку это вы ходит за рамки данного повествования.

Условное обозначение диода представлено на рисунке VD.1

Рисунок VD.1 – Условное обозначение диода на основе p-n перехода и диода Шоттки

Электрод, в который втекает ток, называется анодом, а электрод из которого ток вытекает – катодом. Исторические названия эти связаны с вакуумными диодами, в которых электроны эмитировались накальным катодом и принимались анодом. Символически диод обозначает собой направление протекания тока.

Функциональные применения диода

— выпрямление переменного тока в составе тех или иных выпрямителей (включая умножители напряжения);

— защита от превышения напряжения в схемах ограничения уровня и снабберах;

— в пиковых детекторах на операционных усилителях;

— в низковольтных стабилизаторах напряжения (используется прямое падение напряжения);

— в схемах на переключаемых конденсаторах, включая схемы бустрепного питания;

— схемах реализации логических операций ИЛИ (рисунок VD.3 ).

Ниже представлено несколько примеров использования диодов.

Рисунок VD.2 — Схема двухполупериодного выпрямителя

Рисунок VD.3 — Схема реализации логических операций ИЛИ

— схемах ограничения амплитуды сигнала (рисунок VD.4).

Рисунок VD.4 — Схема ограничения амплитуды сигнала

Характеристики диодов

Основной характеристикой диода является его ВАХ – вольтамперная характеристика – зависимость тока пропускаемого диодом от напряжения на нем. Она не линейна и имеет фактически экспоненциальный характер.

Форма кривой ВАХ диода (рисунок VD.5) зависит от температуры: при нагреве уменьшается прямое падение напряжения и возрастает обратный ток, снижается напряжение пробоя.

Рисунок VD.5. Форма вольтамперной характеристики диода

Из вольтамперной характеристики следуют её производные:

— прямое падение напряжение на диоде V_F (при заданных токе и температуре);

— обратный ток утечки I_RM (при заданном обратном напряжении и температуре);

— максимальное обратное напряжение V_R (при заданной температуре).

Площадь p-n перехода, размер кристалла, конструкция теплоотвода определяют мощностные характеристики диода:

— максимальный постоянный рабочий ток;

— максимальный импульсный ток (при заданной длительности импульса);

— максимальная отводимая (рассеиваемая мощность);

— тепловое сопротивление корпуса.

Динамическими характеристиками диода, определяющими его быстродействие, являются:

— время восстановления при резкой смене напряжения с прямого на обратное;

На рисунках VD.6 — VD.8 представлены экспериментально измеренные ВАХ распространенных типов диодов (для сравнения представлены ВАХ кремниевых диодов и диода Шоттки).

Рисунок VD.6 — Экспериментально измеренная вольтамперная характеристика кремниевого диода 1N4148

Рисунок VD.7 Экспериментально измеренная вольтамперная характеристика кремниевого диода FR157

Рисунок VD.8 Экспериментально измеренная вольтамперная характеристика диода Шоттки 1N5819

Основные параметры реальных диодов

1. Максимальное импульсное обратное напряжение (Peak Repetitive Reverse Voltage) V_RRM– максимальная величина прикладываемого к диоду импульсного обратного напряжения.

2. Максимальное рабочее обратное напряжение (Working Peak Reverse Voltage) V_RWM – максимальная величина прикладываемого к диоду обратного напряжения в рабочем режиме.

3. Максимальное блокирующее напряжение (DC Blocking Voltage) V_R – максимальная величина прикладываемого к диоду постоянного напряжения. Выше этого напряжения начинается пробой. Соответствует началу пробоя на обратной ветви ВАХ.

NB: На практике все перечисленные типы напряжения равны между собой и при проектировании схем необходимо, не допускать превышения напряжения на диоде данной величины.

4. Максимальное среднеквадратичное обратное напряжение (RMS Reverse Voltage) V_R(RMS) – максимальная величина действующего (среднеквадратичного) напряжения в цепи переменного тока, превышение которой приводит к пробою диода. Фактически подразумевается переменное напряжение синусоидальной формы.

5. Средний рабочий ток (Average Rectified Output Current) I_O – максимальное среднеквадратичное значение тока проходящего через диод в стационарном режиме.

6. Максимальный импульсный ток (Repetitive peak forward current) I_FRM — максимальная амплитуда импульсного периодического тока проходящего через кристалл диода. Как правило, указывается длительность импульсов и частота повторения.

7. Максимальный импульсный непериодический ток (Non-Repetitive Peak Forward SurgeCurrent) I_FSM — максимальная амплитуда импульсного непериодического тока проходящего через кристалл диода. Как правило, указывается длительность импульса.

8. Прямое падение напряжения на диоде (Forward Voltage) V_FM – падение напряжения на диоде при прямом смещении (в открытом состоянии). Как правило, указывается при конкретной величине прямого тока.

9. Максимальный обратный ток (Peak Reverse Current) I_RM – максимальный обратный ток через диод. Указывается при максимальном обратном напряжении на диоде и при конкретном значении температуры.

10. Ёмкость p-n перехода (Typical Junction Capacitance) C_j – паразитная емкость p-nперехода диода. Сильно зависит от приложенного обратного напряжения, поэтому в datasheetкроме усредненной величины, как правило, приводят зависимость емкости от обратного напряжения.

11. Тепловое сопротивление кристалл – воздух (Typical Thermal Resistance Junction toAmbient) R_θJA – тепловое сопротивление между кристаллом (p-n переходом) диода и окружающим воздухом. Зависит от типа корпуса.

12. Максимальная рабочая температура (Maximum DC Blocking Voltage Temperature) T_A – максимальная рабочая температура при которой сохраняется указанное значение максимального обратного напряжения.

13. Максимальная рассеиваемая мощность (Total power dissipation) P_tot – максимальная мощность рассеиваемая корпусом диода.

14. Параметр максимальной энергии поглощаемой кристаллом без разрушения (Rating for fusing) I 2 t – произведение квадрата максимального импульсного тока через диод на его длительность. Это соотношение, измеряемое в А 2 с (ампер в квадрате на секунду) используется при выборе защитных цепей от перегрузки (предохранителей).

15. Время восстановления обратной проводимости (Reverse recovery time) t_rr – время за которое диод после приложения обратного напряжения переходит в закрытое состояние (обратная проводимость).

Максимальные ток и мощность диода

Режим постоянного тока

Полупроводниковый диод – нелинейный элемент мощность, рассеиваемая на диоде равна произведению напряжения на диоде V_VD и тока через него I_VD:

Для практических расчетов в качестве V_VD можно брать падение напряжения при номинальном токе, указываемое в справочных листках. Поскольку напряжение на диоде составляет величину порядка 1,0-1,5 В (для кремниевого диода, для Шоттки меньше) и слабо изменяется с ростом тока, то в первом приближении можно считать, что рассеиваемая на диоде мощность прямо пропорциональна току через него:

Это существенно отличает нелинейный диод от линейного резистора, мощность которого пропорциональна квадрату тока. В справочных листках указывается максимальное значение постоянного тока через диод. Этот ток задает максимальное значение отводимой от кристалла диода тепловой мощности.

Представленная формула описывает потери на кристалле диода при прямом смещении, то есть при протекании прямого тока через диод. Потери при обратном смещении, то есть при реверсном токе обычно пренебрежимо малы, однако в ряде случаев их необходимо учитывать (об этом ниже).

Режим импульсного тока

Импульсный ток через диод может в разы превышать максимальное значение для постоянного тока. В режиме импульсных токов на первое место выходит максимальная энергия рассеивания кристалла диода, определяющая предельные режимы импульсных нагрузок при которых еще не происходит термическое разрушение кристалла. В справочных листках обычно приводят номограммы произведения длительности токового импульса на его величину.

Динамические характеристики диода. Восстановление обратной проводимости. Барьерная емкость диода

Быстродействие диода, то есть свойство быстро восстанавливать обратную проводимость, является важной характеристикой для диодов, работающих в условиях быстрой смены полярностей напряжения прикладываемого к диоду – в высокочастотных выпрямителях, схемах бустрепного питания, детекторных схемах и ряде других.

На рисунке VD.9 представлен один из типовых фрагментов электрических схем с диодами и полупроводниковыми ключами. Эта схема описывает жесткий режим восстановления обратной проводимости диода. На примере этой схемы поясним процесс восстановленияобратной проводимости диода [EE33D — Power Electronic Circuits ссылка], [2 Reasons Why Soft-Recovery Trr is Important in High Voltage Diodes ссылка], [Understanding Diode Reverse Recovery and its Effect on Switching Losses. Peter Haaf, Jon Harper. Fairchild Power Seminar 2007]. Временные диаграммы токов и напряжений, описывающих процессы в представленной схеме представлены на рисунке VD.10.

Рисунок VD.9. Электрическая схема включения диода для пояснения эффекта обратного восстановления

Рисунок VD.10. Временные диаграммы напряжений и токов схемы поясняющие процесс восстановления обратной проводимости диода

Для упрощенного понимания процессов выключения диода примем индуктивность L в схеме достаточно большой, чтобы она фактически играла роль источника тока. В начальный момент времени полупроводниковый ключ закрыт, и ток индуктивности полностью замыкается через диод. После подачи управляющего импульса на затвор транзистора и превышения им некоторого порогового напряжения происходит постепенный рост тока через ключ I_SW, начиная с момента времени t_switch. При этом ток, протекающий через диод I_Dпостепенно уменьшается, поскольку ток индуктивности начинает частично «сливаться» через открывающийся ключ. В некоторый момент времени (начало интервала t_A) когда ток индуктивности полностью замкнется через ключ (I_L = I_SW) ток через диод изменит свое направление. В первой половине импульса реверсного тока (период t_A) происходит разряд емкости p-n перехода при этом напряжение на диоде некоторое время остается положительным а обратный ток достигает максимума. Далее обратный ток через диод начинает снижаться (период t_B), а обратное напряжение возрастает до напряжения источника V_DC.

Практически важной характеристикой является форма кривой обратного тока в момент восстановления обратной проводимости (рисунок VD.10). По кривой определяется время восстановления и «мягкость восстановления». Кривая реверсного тока имеет два характерных периода:

— период t_A – время от начала импульса реверсного тока (пересечение током нулевой линии) до максимального значения обратного тока I_RRM . Соответствует разряду зарядов накопленных в так называемой обеднённой области p-n перехода.

— период t_B – время между моментом соответствующим максимуму обратного тока I_RRM и моментом когда ток уменьшится на 25% от максимального достигнутого значения.

Время восстановления обратной проводимости (reverse recovery time) t_RR определяется по осциллограмме обратного тока (рисунок VD.10) как время между пересечением тока нулевой отметки (начало реверсного тока) и моментом когда величина реверсного тока спадает на 25% от своего максимально достигнутого значения. Время восстановления – интуитивно понятный параметр, характеризующий время, за которое диод восстанавливает свои непроводящие свойства. Время восстановления обратной проводимости t_RR равно сумме времен периодов t_A и t_B:

Максимальное значение реверсного тока I_R связано с длительностью периода t_A и скоростью спада тока:

Критерий «мягкости восстановления» (softness factor) SF – критерий определяющий скорость обрыва обратного тока. Если обрыв тока происходит слишком резко, то это может стать причиной нежелательных перенапряжений обусловленных паразитными индуктивностями контуров. Иногда этот эффект используют в генераторах импульсов на основе специализированных SOS-диодов. В качестве критерия «мягкости» использую так называемы «фактор мягкости» SF определяемый как отношение длительностей периодов t_B к t_A :

Для обычных диодов t_A много больше t_B , для импульсных «мягких» диодов наоборот t_Bмного больше t_A. «Фактор мягкости» SF можно определить из datasheet диодов исходя из представленных временных осциллограмм восстановления обратной проводимости. Обычно для импульсных силовых диодов класса «ultrafast» характерное значение SF равно 1, для обычных диодов величина SF может составлять 0,2-0,6.

Заряд обратного восстановления (Reverse Recovery Charge) Q_RR – это реверсный заряд, который должен пройти через переход диода для перевода его из состояния проводимости в закрытое состояние. Заряд обратного восстановления является базовым параметром диода, определяющим его динамические характеристики. Исходя из формы импульса реверсного тока этот заряд равен:

Откуда максимальный ток определяется из соотношения:

Приравнивая выражения для I_R получаем:

Преобразуя это выражение получаем:

Учитывая, что t_A и t_B связаны через «фактор мягкости» SF:

Откуда выразим t_A:

Откуда получаем практически важные соотношения:

— для расчета времени восстановления обратной проводимости t_RR :

— и для расчета максимальной величины обратного тока I_RRM :

Используя представленные выражения, рассчитываются динамические характеристики диода.

Барьерная емкость диода — собственное значение емкости p-n перехода находящегося в обратном смещении (закрытом состоянии). В дополнение к выше описанному инерционному процессу «переключения» диода в непроводящее состояние диод, когда к нему приложено обратное напряжение он (диод) обладает собственным значением барьерной емкости, которая зависит от напряжения, что важно также учитывать при расчете динамических режимов. Емкость пропорциональна площади p-n перехода, на практике это означает, что более мощные диоды с большим номинальным током будут иметь и большее значение емкости. Реально величина емкости не является постоянной и существенно зависит от приложенного напряжения.

Расчет тепловых потерь в диоде на переключение

В момент восстановления проводимости к диоду приложено обратное напряжение и через него протекает некоторый импульс тока длительностью t_rev. Таким образом, в кристалле диода выделяется некоторая энергия:

Общая выделяемая тепловая мощность пропорциональна частоте импульсов f.

Основное выделение энергии происходит в периода t_B когда напряжение на диоде имеет величину существенно большую по сравнению с прямым падением напряжения (как в период t_A). Полагая линейную форму спада тока и роста обратного напряжения получим:

Выражение для напряжения на диоде будет иметь вид:

Выражение для тока через диод будет иметь вид:

Выражение для выделяющейся мощности на диоде будет иметь вид:

Перемножая V_VD(t) и I_VD(t), получаем:

Упрощая которое получаем выражение для мощности динамических потерь P_{VD_trans}«на переключение»:

V_DC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);

f — рабочая частота;

I_RRM — максимальная величина обратного тока, вычисляемая по формуле:

здесь: Q_RR заряд обратного восстановления (Reverse Recovery Charge) – представлен в datasheet-ах, скорость спада тока di/dt определяется характеристиками схемы, а «фактор мягкости» SF можно определить из datasheet диодов исходя из представленных временных осциллограмм восстановления обратной проводимости. Обычно для импульсных диодов характерное значение SF равно 1.

t_B — время между моментом соответствующим максимуму обратного тока I_RRM и моментом когда ток уменьшится на 25% от максимального достигнутого значения. Учитывая связь t_A и t_B через «фактор мягкости» SF получаем:

Отсюда t_B может быть вычислено по соотношению:

Учитывая, что в большинстве случаев SF≈1, то в первом приближении t_B может быть определено как:

Объединим в итоговое выражение для мощности динамических потерь диода P_{VD_trans} «на переключение»:

Упростим данное соотношение:

Результирующее выражение для мощности динамических потерь P_{VD_trans} «на переключение» имеет вид:

Q_RR — заряд обратного восстановления;

V_DC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);

f — рабочая частота;

SF — «фактор мягкости» диода (в первом приближении может быть принят равным 1).

В ряде случаев в datasheet не приводится значение заряда обратного восстановления Q_RR, а приводятся:

— зависимости тока восстановления обратной проводимости от I_RRM от скорости спада тока di/dt;

— зависимости времени восстановления обратной проводимости t_RR от скорости спада тока di/dt.

В этом случае мощности динамических потерь P_{VD_trans} вычисляется по соотношению:

V_DC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);

I_RRM(di/dt) — ток восстановления обратной проводимости от I_RRM при заданной скорости спада тока di/dt;

t_RR(di/dt) — зависимости времени восстановления обратной проводимости t_RR при заданной скорости спада тока di/dt.

SF — SF — «фактор мягкости» диода (в первом приближении может быть принят равным 1);

f — рабочая частота.

Обратная ветвь ВАХ – напряжение пробоя, обратный ток

По мере увеличения прикладываемого к диоду обратного напряжения монотонно возрастает и обратный ток. При этом для каждого диода существует обратное напряжение, при достижении которого резко возрастает обратный ток и напряжение на диоде быстро падает. При этом пороговом напряжении происходит пробой диода – в большинстве случаем необратимое изменение внутренней структуры диода, сопровождаемое нарушением целостности p-n перехода. Следствием пробоя является выход диода из строя. Исключением являются лавинные диоды, пробой которых носит обратимый характер.

Обратный ток возрастает с увеличением температуры, также с увеличением температуры снижается напряжение пробоя.

Для кремниевых диодов, эксплуатируемых при нормальной температуре тепловой мощностью, выделяемой при приложенном обратном напряжении можно пренебречь. Однако при более жестком температурном режиме и больших значениях обратного напряжения эта мощность может иметь значительную величину, сопоставимую с мощностью потерь в проводящем состоянии.

Для диодов Шоттки обратный ток существенно больше, чем для кремниевых диодов и его необходимо учитывать в расчетах в любом случае.

Мощность, рассеиваемая на диоде при обратном смещении равна произведению напряжения приложенного к диоду V_{VD_rev} и протекающего под действием этого напряжения обратного тока через него I_{VD_rev}:

— для диода MUR1100E при температуре 100 °С обратный ток составляет величину порядка 600 мкА, если к диоду приложено обратное напряжение 800 В то выделяющаяся тепловая мощность равна 0,48 Вт!

— для диода серии US1 максимальный обратный ток составляет 150 мкА (при температуре 100 °С) и при обратном напряжении 1000 В выделяющаяся тепловая мощность составляет 0,15 Вт.

Важно то, что здесь работает принцип положительной обратной связи: с ростом температуры выделяемая мощность увеличивается, что в свою очередь приводит к росту температуры.

Итак, тепловой режим диода работающего в условиях тока переменной полярности складывается из мощности, выделяемой при прохождении прямого тока, мощности выделяемой в диоде при смене направления тока и мощности выделяемой при обратном смещении:

P_{VD_total} – общая мощность, рассеиваемая на диоде;

P_{VD_stat+} – мощность, выделяемая при прохождении прямого тока;

P_{VD_stat-} – мощность, выделяемая при прохождении обратного тока;

P_{VD_trans} – мощность, выделяющаяся на диоде в результате переходных процессов.

Последовательное и параллельное включение диодов

Последовательное включение

Последовательное включение диодов используют для увеличения максимального обратного напряжения V_R (рисунок VD.11). При этом необходимо помнить, что увеличивается прямое падение напряжения на диодной сборке.

Рисунок VD.11 — Последовательное включение диодов для увеличения максимального обратного напряжения

При приложении обратного напряжения к сборке падения напряжения на диодах распределяются в соответчики с обратной ВАХ каждого из диодов. Из за разброса ВАХ может возникнуть ситуация в которой к некоторым диодам сборки будет приложено напряжение превышающее максимальное и возникнет пробой одного диода сборки. После этого общее приложенное напряжение перераспределится между оставшимися диодами и при этом напряжение на каждом из них возрастет. Это с высокой долей вероятности может привести к постепенному выгоранию всех диодов сборки. Для повышения надежности применяют выравнивающие резисторы, сопротивление которых выбирается таким образом, чтобы ток через резистор был в 2-5 раз больше максимального тока утечки диода:

V_R – максимальная величина прикладываемого к диоду постоянного напряжения.

I_RM – максимальный обратный ток через диод. В расчетах необходимо учитывать ток при температуре соответствующей рабочей температуре эксплуатации.

Рисунок VD.12 — Последовательное включение диодов с резисторами, выравнивающими падение обратного напряжения на диодах

Параллельное включение

Параллельное включение диодов можно использовать для диодов с положительным (например на основе карбида кремния SiC) или небольшим отрицательным температурным коэффициентом более 2 мВ/К, но при условии их термического соединения (размещение на одном радиаторе). Это необходимо для того чтобы токи, протекающие через диоды выравнивались. На практике при параллельном соединении двух кремниевых диодов или диодов Шоттки максимальные рабочий ток не удваивается, а увеличивается на 50-70 %. Это обусловлено разницей хода ВАХ диодов, так что один диод будет нагружен по максимуму, а второй будет ему «помогать». Физика этого эффекта объясняется наличием положительной обратной связи: если через какой-либо из диодов протекает несколько больший, чем через другой, то он нагревается больше. При нагреве кремниевых диодов ВАХ изменяется таким образом, что при постоянном приложенном напряжении ток возрастает. Это приводит еще большему увеличению доли общего тока через этот диод. Уменьшить эту положительную обратную связь можно путем организации термической связи между диодами, то есть разместить их на одном радиаторе охлаждения. В этом случае «лидирующий» по току диод будет подогревать «отстающий» и увеличивать долю тока через него. В целом на практике целесообразно параллельно соединять лишь диоды, расположенные на одном кристалле в одном корпусе.

Рисунок VD.13 — Параллельное включение диодов для увеличения максимального рабочего тока