مقاله بررسی ديودهاي قدرت

دسته بندي : فنی و مهندسی » برق، الکترونیک، مخابرات
مقاله بررسي ديودهاي قدرت در 18 صفحه ورد قابل ويرايش

انواع ديودهاي قدرت

در حالت ايده آل ديود نبايد هيچ زماني بازيابي معكوسي داشته باشد كه هزينه ساخت ديود را افزايش مي دهد . در بسياري از كاربردهاي اثرات زمان بازيابي معكوس چندان اهميت ندارند و مي توان از ديود از ديودهاي ارزان استفاده كرد . بسته به مشخصه هاي بازيابي و روشهاي ساخت ، ديودهاي قدرت را به سه گروه مي توان تقسيم كرد . مشخصه ها و محدوديت هاي عملي هر گروه كاربردشان را مشخص مي كند .

1- ديودهاي استاندارد يا همه منظوره

2- ديودهاي بازيابي سريع

3- ديودهاي شاتكي

ديودهاي همه منظوره

ديودهاي يكسو كننده همه منظوره زمان بازيابي معكوس نسبتاً زيادي دارند كه در حدودs ? 25 است و در كاربردهاي سرعت پايين بكار مي روند كه زمان بازيابي چندان اهميتي ندارد (براي مثال در يكسو كننده ها و مبدلهاي ديودي در كاربردهاي فركانس رودي كم تا 1KHz ومبدلهاي كموتاسيون خط ) .محدوده جريان اين ديودها از كمتر از يك آمپر تا چند هزار آمپر و محدوده ولتاژ 50v تا حدود 5kv مي باشد . اين ديودها معمولاً به روش ديفيوژن ساخته مي شوند . با اين وجود يكسو كننده هاي آلياژي كه در منابع تغذيه دستگاههاي جوشكاري بكار مي روند از لحاظ هزينه به صرفه تر هستند و محدوده كاري آنها تا 300A و 1000V مي رسد .

ديودهاي بازيابي سريع

ديودهاي بازيابي سريع زمان بازيابي كوچكي (به طور معمول كمتر از s ? ) دارند . اين ديودها در مدارهاي مبدل dc به dc,dc,dc به ac كه سرعت بازيابي اغلب اهميت بحراني اي دارد بكار مي روند . محدوده جرياني كاركرد اين ديودها از كمتر از يك آمپر تا چند صد آمپر و محدوده ولتاژشان از 50 v تا حدود 3kv است .

براي محدوده ولتاژ بالاي 400v ،‌ديودهاي بازيابي سريع عموماً به روش ديفيوژن ساخته مي شوند و زمان بازيابي بوسيله ديفيوژن طلا يا پلاتين كنترل مي شود . براي محدوده ولتاژ كمتر از 400 v ديودهاي اپي تكسال سرعت كليد زني بيشتري نسبت به ديودهاي ديفيوژني دارند . ديودهاي اپي تكسال پهناي بيس كمي دارند كه باعث مي شود زمان بازيابي كوچكي در حدود 50ns داشته باشند .

ديودهاي شاتكي

مشكل ذخيره بار در پيوند p-n در ديودهاي شاتكي حذف (يا حداقل ) شده است . اين كار از طريق ايجاد يك سد پتانسيل كه ميان يك فلز و يك نيمه هادي متصل مي شود ، انجام مي پذيرد . يك لايه فلزي روي يك لايه اپي تكسيال باريك از سيليكون نوع n قرار داده مي شوند . سد پتانسيل رفتار يك پيوند p-n را شبيه سازي مي كند . عمل يكسو كنندگي فقط به حاملهاي اكثريت بستگي دارد و در نتيجه حاملهاي اقليت اضافي اي براي تركيب شدن وجود ندارند . اثر بازريابي منحصراً به خاطر ظرفيت خازني خودپيوند نيمه هادي است .

بار الكتريكي بازيابي يافته در يك شاتكي خيلي كمتر از يك ديود پيوند p-n معادل است . از انجايي كه اين بار ناشي از ظرفيت خازني پيوند است تا حد زيادي مستقل از di/dt معكوس مي باشد . ديودهاي شاتكي افت ولتاژ مستقيم نسبتاً كوچكي دارند .

جريان نشتي ديودهاي شاتكي بيشتر از ديودهاي پيوند p-n است . يك ديود شاتكي با ولتاژ هدايت نسبتاً كم ، جريان نشتي نسبتاً زيادي دارد و برعكس . در نتيجه حداكثر ولتاژ مجاز آن معمولاً به 100v محدود مي شود . محدوده جريان كاري ديودهاي شاتكي از 1 تا 300A مي باشد . ديودهاي شاتكي براي بكار گيري در منابع تغذيه dc با ولتاژ كم و جريان بالا ايده آل هستند . اگر چه به منظور بالا بردن بازده ، اين ديودها در منابع تغذيه با جريان كم نيز استفاده مي شوند .

اثرات زمان بازيابي معكوس و مستقيم

اهميت اين پارامترها را مي توان از روي شكل توضيح داد . اگر كليد sw در لحظه t=o بسته شود و به حد كافي بسته باقي بماند ، يك جريان حالت پايدار از بار خواهد گذشت و ديود هرز گرد Dm جريان خواهد يافت . حالا اگر كليد دوباره در t= t1 بسته شود ديود Dm مثل يك اتصال كوتا ه عمل مي كند . سرعت افزايش جريان مستقيم كليد (و ديود D1) و سرعت كاهش جريان مستقيم ديود Dm خيلي زياد خواهد بود و به بي نهايت ميل مي كند . پيك جريان معكوس ديود Dm مي تواند خيلي زياد باشد و ديود هاي D1 و Dm ممكن است آسيب ببيند .

اين مشكل را اغلب مي توان با اتصال يك سلف Ls محدود كننده di /dt حل كرد .

ديودهاي واقعي به زمان معيني براي روشن شدن نياز دارند تا اينكه تمامي سطح پيوند رسانا شود و di/dt بايد كم نگه داشته شود تا محدوديت زمان روشن شدن رعايت شود . اين زمان گاهي اوقات با نام زمان باز يابي مستقيم tf نيز ذكر مي شود .

انواع تريستورها

تريستورها تقريبا تنها به روش تزريق ساخته مي شوند . جريان آند براي انتشار از نزديكي گيت به تمام سطح پيوند ( هنگامي كه سيگنال جهت روشن كردن تريستور اعمال مي شود ) به زمان معيني نياز دارد .

سازندگان براي كنترل di/ dt ، زمان روشن شدن و زمان خاموش شدن ، از ساختارهاي متفاوتي براي گيت استفاده مي كنند . تريستورها بسته به ساختار فيزيكي و محوه روشن و خاموش شدن ، به 9 دسته زير تقسيم مي شوند :

1- تريستورهاي كنترل فاز ( SCR )

2- تريستورهاي كليد زني سريع ( SCR )

3- تريستورهاي خاموش شونده با گيت ( GTO)

4- تريستورهاي سه قطبيدو جهته ( TRIAC )

5- تريستورهاي هدايت معكوس ( RCT )

تريستورهاي كنترل فاز

استفاده از روغن براي خنك سازي كه به كاربردهاي خاصي محدود مي شود، باعث عايق بندي مناسب شده و مشكل مربوط به منجمد شدن و خوردگي را بر طرف مي سازد . لوله هاي حرارتي و گرماگيرهاي خنك شونده با مايع به طور تجاري توليد و عرضه مي شوند .

حفاظت ولتاژ با ديودهاي سلنيوم ومقاومتهاي متغير اكسيد فلزي

براي حفاظت در برابر ولتاژهاي اضافي گذرا مي توان از ديودهاي سلنيوم استفاده كرد. اين ديود داراي ولتاژ مستقيم پايين مي باشد ، اما ولتاژ شكست معكوس آن دقيقاً تعريف شده است .

معمولاً نقطه كار پيش از ناحيه زانو در منحني مشخصه واقع مي شود و جريان خيلي كمي از مدار عبور مي كشد . گرچه ، هنگامي كه ولتاژ گذرا بالا پيش مي آيسد ، نقطه كار از زانوي منحني عبور كرده و جريان معكوس عبور كننده از ديود سلنيوم به طور ناگهاني افزايش مي يابد و در نتيجه ولتاژ گذرا به مقدار دو برابر مقدار نرمال خود محدود مي شود .

يك ديود سلنيوم (بازدارنده ) بايد قادر باشد بدون افزايش بي رويه دماي خود ، انرژي اضافي را تلف كند . هر سلول ديود سلنيوم عموماً داراي ولتاژ موثر نامي 25v و ولتاژ برش 72v است . براي حفاظت مدار dc بايد مدار جلوگيري كننده را مطابق شكل الف قطبي كرد . در مدارهاي ac شبيه شكل ب بازدارنده ها غير قطبي هستند به طوريكه مي توان در هر دو جهت ولتاژهاي گذرا را محدود كنند . براي مدارهاي سه فاز مي توان از بازدارنده هاي قطبي با اتصال ستاره مطابق شكل ج استفاده كرد .

اگر بخواهيم يك مدار dc, 240 ولتي را با سللولهاي سلنيوم 25 ولتي حفاظت كنيم ، انگاه به 240/25 10 سلسول نياز خواهد بود و ولتاژ برش نهايي برابر 10*72= 720 ولت خواهد بود . براي حفاظت يكمدار ac تكفاز 208v, 60Hz با سلسولهاي سلنيوم 25v به 208/25 9 سلول در هر جهت نياز مي باشد و مقدار كلي 2*9=18 سلول براي بازدارنده غير قطبي لازم مي باشد . ديودهاي سلنيوم به دليل داشتن خازن داخلي كوچك ، قادر به محدود كردن di/dt به اندازه مدارهاي اسنابر RC نمي باشند .

گرچه ، اين ديودها ولتاژهاي گذرا را به دامنه دقيقاً معيني محدود مي كنند . در مورد مسئله حفاظت يك عنصر ، مدارهاي RC نسبت به ديودهاي سلنيوم از قابليت اطمينان بيشتري برخوردار هستند .

وريستورها قطعاتي آمپدانس متغير غير خطي هستند كه از ذرات اكسيد فلزي كه توسط يك قشر اكسيد يا عايق جدا شده اند ،‌تشكيل مي شوند . با افزايش ولتاژ اعمالي اين قشر ، هادي مي گردد و جريان افزايش مي يابد . جريان به صورت زير تعريف مي شود .

كه درآن K مقدار ثابتي است و V ولتاژ اعمال شده مي باشد . مقدار a بين 30 و 40 متغير است .