مقاله بررسی دیودهای قدرت در 18 صفحه ورد قابل ویرایش

انواع دیودهای قدرت

در حالت ایده آل دیود نباید هیچ زمانی بازیابی معکوسی داشته باشد که هزینه ساخت دیود را افزایش می دهد . در بسیاری از کاربردهای اثرات زمان بازیابی معکوس چندان اهمیت ندارند و می توان از دیود از دیودهای ارزان استفاده کرد . بسته به مشخصه های بازیابی و روشهای ساخت ، دیودهای قدرت را به سه گروه می توان تقسیم کرد . مشخصه ها و محدودیت های عملی هر گروه کاربردشان را مشخص می کند .

1- دیودهای استاندارد یا همه منظوره

2- دیودهای بازیابی سریع

3- دیودهای شاتکی

دیودهای همه منظوره

دیودهای یکسو کننده همه منظوره زمان بازیابی معکوس نسبتاً زیادی دارند که در حدودs ? 25 است و در کاربردهای سرعت پایین بکار می روند که زمان بازیابی چندان اهمیتی ندارد (برای مثال در یکسو کننده ها و مبدلهای دیودی در کاربردهای فرکانس رودی کم تا 1KHz ومبدلهای کموتاسیون خط ) .محدوده جریان این دیودها از کمتر از یک آمپر تا چند هزار آمپر و محدوده ولتاژ 50v تا حدود 5kv می باشد . این دیودها معمولاً به روش دیفیوژن ساخته می شوند . با این وجود یکسو کننده های آلیاژی که در منابع تغذیه دستگاههای جوشکاری بکار می روند از لحاظ هزینه به صرفه تر هستند و محدوده کاری آنها تا 300A و 1000V می رسد .

دیودهای بازیابی سریع

دیودهای بازیابی سریع زمان بازیابی کوچکی (به طور معمول کمتر از s ? ) دارند . این دیودها در مدارهای مبدل dc به dc,dc,dc به ac که سرعت بازیابی اغلب اهمیت بحرانی ای دارد بکار می روند . محدوده جریانی کارکرد این دیودها از کمتر از یک آمپر تا چند صد آمپر و محدوده ولتاژشان از 50 v تا حدود 3kv است .

برای محدوده ولتاژ بالای 400v ،‌دیودهای بازیابی سریع عموماً به روش دیفیوژن ساخته می شوند و زمان بازیابی بوسیله دیفیوژن طلا یا پلاتین کنترل می شود . برای محدوده ولتاژ کمتر از 400 v دیودهای اپی تکسال سرعت کلید زنی بیشتری نسبت به دیودهای دیفیوژنی دارند . دیودهای اپی تکسال پهنای بیس کمی دارند که باعث می شود زمان بازیابی کوچکی در حدود 50ns داشته باشند .

دیودهای شاتکی

مشکل ذخیره بار در پیوند p-n در دیودهای شاتکی حذف (یا حداقل ) شده است . این کار از طریق ایجاد یک سد پتانسیل که میان یک فلز و یک نیمه هادی متصل می شود ، انجام می پذیرد . یک لایه فلزی روی یک لایه اپی تکسیال باریک از سیلیکون نوع n قرار داده می شوند . سد پتانسیل رفتار یک پیوند p-n را شبیه سازی می کند . عمل یکسو کنندگی فقط به حاملهای اکثریت بستگی دارد و در نتیجه حاملهای اقلیت اضافی ای برای ترکیب شدن وجود ندارند . اثر بازریابی منحصراً به خاطر ظرفیت خازنی خودپیوند نیمه هادی است .

بار الکتریکی بازیابی یافته در یک شاتکی خیلی کمتر از یک دیود پیوند p-n معادل است . از انجایی که این بار ناشی از ظرفیت خازنی پیوند است تا حد زیادی مستقل از di/dt معکوس می باشد . دیودهای شاتکی افت ولتاژ مستقیم نسبتاً کوچکی دارند .

جریان نشتی دیودهای شاتکی بیشتر از دیودهای پیوند p-n است . یک دیود شاتکی با ولتاژ هدایت نسبتاً کم ، جریان نشتی نسبتاً زیادی دارد و برعکس . در نتیجه حداکثر ولتاژ مجاز آن معمولاً به 100v محدود می شود . محدوده جریان کاری دیودهای شاتکی از 1 تا 300A می باشد . دیودهای شاتکی برای بکار گیری در منابع تغذیه dc با ولتاژ کم و جریان بالا ایده آل هستند . اگر چه به منظور بالا بردن بازده ، این دیودها در منابع تغذیه با جریان کم نیز استفاده می شوند .

اثرات زمان بازیابی معکوس و مستقیم

اهمیت این پارامترها را می توان از روی شکل توضیح داد . اگر کلید sw در لحظه t=o بسته شود و به حد کافی بسته باقی بماند ، یک جریان حالت پایدار از بار خواهد گذشت و دیود هرز گرد Dm جریان خواهد یافت . حالا اگر کلید دوباره در t= t1 بسته شود دیود Dm مثل یک اتصال کوتا ه عمل می کند . سرعت افزایش جریان مستقیم کلید (و دیود D1) و سرعت کاهش جریان مستقیم دیود Dm خیلی زیاد خواهد بود و به بی نهایت میل می کند . پیک جریان معکوس دیود Dm می تواند خیلی زیاد باشد و دیود های D1 و Dm ممکن است آسیب ببیند .

این مشکل را اغلب می توان با اتصال یک سلف Ls محدود کننده di /dt حل کرد .

دیودهای واقعی به زمان معینی برای روشن شدن نیاز دارند تا اینکه تمامی سطح پیوند رسانا شود و di/dt باید کم نگه داشته شود تا محدودیت زمان روشن شدن رعایت شود . این زمان گاهی اوقات با نام زمان باز یابی مستقیم tf نیز ذکر می شود .

انواع تریستورها

تریستورها تقریبا تنها به روش تزریق ساخته می شوند . جریان آند برای انتشار از نزدیکی گیت به تمام سطح پیوند ( هنگامی که سیگنال جهت روشن کردن تریستور اعمال می شود ) به زمان معینی نیاز دارد .

سازندگان برای کنترل di/ dt ، زمان روشن شدن و زمان خاموش شدن ، از ساختارهای متفاوتی برای گیت استفاده می کنند . تریستورها بسته به ساختار فیزیکی و محوه روشن و خاموش شدن ، به 9 دسته زیر تقسیم می شوند :

1- تریستورهای کنترل فاز ( SCR )

2- تریستورهای کلید زنی سریع ( SCR )

3- تریستورهای خاموش شونده با گیت ( GTO)

4- تریستورهای سه قطبیدو جهته ( TRIAC )

5- تریستورهای هدایت معکوس ( RCT )

تریستورهای کنترل فاز

استفاده از روغن برای خنک سازی که به کاربردهای خاصی محدود می شود، باعث عایق بندی مناسب شده و مشکل مربوط به منجمد شدن و خوردگی را بر طرف می سازد . لوله های حرارتی و گرماگیرهای خنک شونده با مایع به طور تجاری تولید و عرضه می شوند .

حفاظت ولتاژ با دیودهای سلنیوم ومقاومتهای متغیر اکسید فلزی

برای حفاظت در برابر ولتاژهای اضافی گذرا می توان از دیودهای سلنیوم استفاده کرد. این دیود دارای ولتاژ مستقیم پایین می باشد ، اما ولتاژ شکست معکوس آن دقیقاً تعریف شده است .

معمولاً نقطه کار پیش از ناحیه زانو در منحنی مشخصه واقع می شود و جریان خیلی کمی از مدار عبور می کشد . گرچه ، هنگامی که ولتاژ گذرا بالا پیش می آیسد ، نقطه کار از زانوی منحنی عبور کرده و جریان معکوس عبور کننده از دیود سلنیوم به طور ناگهانی افزایش می یابد و در نتیجه ولتاژ گذرا به مقدار دو برابر مقدار نرمال خود محدود می شود .

یک دیود سلنیوم (بازدارنده ) باید قادر باشد بدون افزایش بی رویه دمای خود ، انرژی اضافی را تلف کند . هر سلول دیود سلنیوم عموماً دارای ولتاژ موثر نامی 25v و ولتاژ برش 72v است . برای حفاظت مدار dc باید مدار جلوگیری کننده را مطابق شکل الف قطبی کرد . در مدارهای ac شبیه شکل ب بازدارنده ها غیر قطبی هستند به طوریکه می توان در هر دو جهت ولتاژهای گذرا را محدود کنند . برای مدارهای سه فاز می توان از بازدارنده های قطبی با اتصال ستاره مطابق شکل ج استفاده کرد .

اگر بخواهیم یک مدار dc, 240 ولتی را با سللولهای سلنیوم 25 ولتی حفاظت کنیم ، انگاه به 240/25 10 سلسول نیاز خواهد بود و ولتاژ برش نهایی برابر 10*72= 720 ولت خواهد بود . برای حفاظت یکمدار ac تکفاز 208v, 60Hz با سلسولهای سلنیوم 25v به 208/25 9 سلول در هر جهت نیاز می باشد و مقدار کلی 2*9=18 سلول برای بازدارنده غیر قطبی لازم می باشد . دیودهای سلنیوم به دلیل داشتن خازن داخلی کوچک ، قادر به محدود کردن di/dt به اندازه مدارهای اسنابر RC نمی باشند .

گرچه ، این دیودها ولتاژهای گذرا را به دامنه دقیقاً معینی محدود می کنند . در مورد مسئله حفاظت یک عنصر ، مدارهای RC نسبت به دیودهای سلنیوم از قابلیت اطمینان بیشتری برخوردار هستند .

وریستورها قطعاتی آمپدانس متغیر غیر خطی هستند که از ذرات اکسید فلزی که توسط یک قشر اکسید یا عایق جدا شده اند ،‌تشکیل می شوند . با افزایش ولتاژ اعمالی این قشر ، هادی می گردد و جریان افزایش می یابد . جریان به صورت زیر تعریف می شود .

که درآن K مقدار ثابتی است و V ولتاژ اعمال شده می باشد . مقدار a بین 30 و 40 متغیر است .