Параметры полупроводниковых диодов

Параметры силовых полупроводниковых приборов (СПП) подразделяются на две группы:

– предельно допустимые значения;

– характеризующие параметры.

Предельно допустимое значение – это значение, которое определяет либо предельную способность, либо предельное условие, при превышении которых прибор может быть поврежден.

Характеризующий параметр – значение электрической, механической или тепловой величины, которое характеризует свойство прибора.

Все параметры приборов обозначаются буквами латинского алфа­вита: основные буквы прописные (для импульсных, средних, посто­янных и действующих значений) и строчные (для мгновенных значе­ний, изменяющихся во времени), индексы в основном прописными буквами (исключение составляют обозначения предельных значений max – максимальное, min – минимальное, crit – критическое и некоторых других).

Перечень основных параметров диодов и их обозначения приведе­ны ниже.

По напряжению

U_RRM – предельное повторяющееся импульсное обратное напря­жение;

U_RSM – предельное неповторяющееся импульсное обратное напря­жение;

U_FM – импульсное прямое напряжение (характеризующее значе­ние);

U_(T0) – пороговое напряжение (характеризующее значение).

По току

I_F(AV)max – предельный максимально допустимый средний прямой ток;

I_FSM – предельный ударный неповторяющийся прямой ток;

I_RRM – повторяющийся импульсный обратный ток (характеризую­щее значение).

По сопротивлению

г_т – дифференциальное сопротивление (характеризующее значе­ние).

По коммутационным явлениям

Q_rr – заряд восстановления (характеризующее значение);

t_rr – время обратного восстановления (характеризующее значение).

По тепловым явлениям

Т_jm – предельная максимально допустимая температура р-n-перехода;

R_thjc – тепловое сопротивление "переход-корпус" (характеризую­щее значение).

По механической нагрузке к основным параметрам диодов отно­сятся предельные крутящий момент и осевое усилие сжатия (для таб­леточных), по надежности – вероятность безотказной работы в тече­ние 25 000 ч.

Рассмотрим некоторые из них подробнее.

3.2.1. Предельный ток I_F(AV)max (I_{пр.ср.макс}) – это ток, который может быть длительно пропущен через полупроводниковый диод. Его значение определяется значением максимально допустимой температурой Т_jm структуры диода (для кремниевых вентилей Т_jm @ 140 °С) и условиями охлаждения.

При включении диода в прямом направлении потери мощности (мощность рассеяния) DP определяется

DP = U_F × I_F(AV) = U_пр× I_пр.ср., (3.2)

где U_F(U_пр) – падение напряжения в структуре вентиля;

I_F(AV)(I_пр.ср.) – прямой ток.

Мощность рассеяния выделяется в виде тепла, которое необходимо отводить от диода.

Чем больше значение I_пр.ср., тем сильнее греется диод. Если ∆P мала, то выделяющееся тепло равномерно рассеивается по всей массе диода и температура p-n-перехода возрастает незначительно. Если ∆P велика, то возникает недопустимый нагрев структуры и диод выходит из строя. Для каждого полупроводникового диода существует I_пр.ср. продолжительного режима.

Значение тока I_F(AV)max (I_{пр.ср.макс}) представляет собой максимально допустимое среднее за период значение прямого тока в однофазной однополупериодной схеме выпрямления при частоте f = 50 Гц и работе на активную нагрузку R, который может продолжительно протекать через диод VD, не вызывая его недопустимого нагрева и необратимого изменения характеристик.

а б

Рис. 3.2. Схема включения диода (а) и диаграммы электромагнитных процессов при работе однополупериодного выпрямителя

на активную нагрузку (б)

При нагрузке диода током I_F(AV)max (I_{пр.ср.макс}) перегрузки недопустимы.

Промышленность выпускает диоды на токи от нескольких миллиампер до нескольких тысяч ампер. На силовые кремниевые полупроводниковые диоды установлена следующая шкала предельных токов: 10; 12,5; 16; 20; 25; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500 А.

Предельный ток записывается в маркировке диода. Например: диод ДЛ133-500, В 200, В 320, ВЛ 200, ВК2-200 и т.д.

Ток, который можно безопасно пропустить через диод всегда меньше предельного. Чтобы его повысить, нужно увеличить интенсивность охлаждения. Для этого диоды снабжают охладителями, способствующими отводу тепла в окружающую среду, обдувают их потоком воздуха. Ранее применялось охлаждение водой или маслом (вентильные конструкции типа ВКМБ). Например, на тяговых подстанциях электрических железных дорог постоянного тока применялись и применяются вентильные конструкции с различным видом охлаждения. Так, у вентильных конструкций УВКЭ-1(1М) и ПВЭ-3(3М) – принудительное воздушное охлаждение, у конструкций ПВКЕ-2 и ПВЭ-5 – естественное воздушное охлаждение, у конструкций В-ТПЕД и силовых блоков БСЕ (БДС) – естественное воздушное охлаждение с применением тепловых трубок (испарительно-конденсатная система).

3.2.2. Перегрузочная способность. Нагрев структуры диода при прохождении тока определяется потерями мощности, временем прохождения тока и начальной температурой структуры, предшествующей перегрузке.

При кратковременных перегрузках выделяющаяся в структуре энергия ∆P быстро распространяется по структуре, и температура не успевает значительно возрасти. При длительных перегрузках энергия быстро рассеяться не может и температура сильно повышается. Поэтому, чем больше значение тока перегрузки, тем меньшее время он должен протекать. Например, для диодов В200 и В320 можно допустить перегрузку на 25 % в течение 30 с, двойную – в течение 1 с. Перегрузочную способность диодов часто определяют по амперсекундной характеристике (АСХ), то есть зависимости степени перегрузки вентиля I_макс / I_ном от времени протекания t максимального тока, в течение которого температура структуры Т_j достигает максимально допустимого значения (рис. 3.3).

Перегрузочная способность диодов в аварийном режиме характеризуется одиночным допустимым значением импульса ударного тока синусоидальной формы I_FSM (I_пр.уд) продолжительностью 10 мс при заданной начальной температуре структуры, соответствующей предельному току. Обычно I_FSM (I_пр.уд) = (15-20)× I_F(AV)max. Для диода В 320 I_FSM = 6000 А при Т_jm = 140 °С.

Рис. 3.3. Амперсекундная характеристика

Значение I_FSM (I_пр.уд) используется для проверки допустимости применения данного вентиля путем сравнения значения тока I_FSM с расчетными значениями максимальных аварийных токов, возникновение которых возможно в процессе эксплуатации.

Поскольку количество тепла, выделяемого при прохождении импульса аварийного тока, согласно закону Джоуля-Ленца, пропорционально квадрату этого тока и времени его прохождения, то в технических данных силовых диодов обычно приводится значение Джоулева интеграла, численно равного площади S равнобедренного треугольника (рис. 3.4):

. (3.3)

Рис. 3.4. Значение джоулевого интеграла

Эта величина характеризует максимальное количество тепла, которое может быть воспринято вентилем без повреждения структуры в условиях нормального охлаждения. Например, для вентиля В 200 S = 80000 А²×с, для вентиля В 320 S = 255000 А²×с при Т_j = 25 °С.

3.2.3. Номинальное напряжение. Напряжение, подаваемое на диод, не должно превышать некоторого максимального значения U_BR (U_{обр макс}), при котором происходит пробой p-n-перехода. Напряжение U_BR прикладывают к диодам только при испытаниях.

В реальных сетях питающее напряжение несинусоидально. Несинусоидальное напряжение характеризуется повторяющимися и неповторяющимися напряжениями.

К ним относятся (см. рис. 3.5 и 3.6):

U_RWM(U_р) – импульсное рабочее (рекомендуемое) обратное напряжение. Это наибольшее мгновенное значение обратного напряжения, исключая все повторяющиеся напряжения:

U_RWM(U_р) = (0,6-0,8) U_RRM;

U_RRM(U_п) – повторяющееся импульсное обратное напряжение. Это наибольшее мгновенное значение обратного напряжения, включая все повторяющиеся, но исключая все неповторяющиеся напряжения:

U_RRM(U_п) = (0,75-0,85) U_BR.

Иногда напряжение U_RRM(U_п) называют напряжением класса, так как число сотен вольт повторяющегося обратного напряжения определяет класс диода

.

Значение U_RRM определяется коммутационными процессами в самом преобразователе;

U_RSM(U_н,п) – неповторяющееся импульсное обратное напряжение. Это наибольшее мгновенное значение любого неповторяющегося обратного напряжения, прикладываемого к диоду:

U_RSM(U_н,п) = (1,16-1,25) U_RRM.

Значение U_RSM определяется разовыми перенапряжениями, которые могут возникнуть при грозовом разряде или в момент отключения индуктивных цепей автоматическим выключателем.

Рис. 3.5. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики

Рис. 3.6. Возможные виды перенапряжений

Диод выбирают так, чтобы амплитуда питающего синусоидального напряжения не превышала значения U_RWM ( U_пит ≤ U_RWM).

3.2.4. Повторяющийся импульсный обратный ток (I_RRM). Амплитудным значением тока I_RRM называют ток, протекающий через диод в обратном (запирающем) направлении при приложении к нему повторяющегося импульсного обратного напряжения U_RRM (рис. 3.7).

В соответствии с ГОСТ 24461-80 (СТ СЭВ 1656-79) и Инструкцией по техническому обслуживанию и ремонту тяговых подстанций (ЦЭ-936) одним из параметров-критериев годности диодов является импульсный обратный ток I_RRM, т. е. значение обратного тока в момент времени, который соответствует амплитуде максимально допустимого повторяющегося импульсного обратного напряжения U_RRM. При этом форма напряжения должна быть однополупериодная синусоидальная с длительностью импульса не более 10 мс (рис. 3.7). Диод считается выдержавшим испытание, если значение повторяющегося импульсного обратного тока не превышает нормы.

Рис. 3.7. Кривые обратного напряжения и повторяющегося импульсного

обратного тока

Условия измерения импульсного обратного тока: максимально допустимая температура перехода T_jm или T_j = (25 ± 10) °C; максимально допустимое повторяющееся импульсное обратное напряжение U_{RRM .}

Германиевые диоды при прочих равных условиях имеют большие значения тока I_RRM. Меньшие значения тока I_RRM в кремниевых диодах объясняются тем, что из-за большей энергии, требуемой для образования пары “электрон – дырка”, число основных носителей в кремнии (при одинаковой температуре) меньше, чем в германии. Следовательно, меньше будет и концентрация неосновных носителей, определяющая обратный ток. Поэтому кремниевые диоды имеют лучшие вентильные свойства, чем германиевые.

3.2.5. Прямое падение напряжения (прямое импульсное напряжение) U_FM1(U_пр). За номинальное значение U_FM1(U_пр) принимают падение напряжения на диоде при прохождении импульса тока, равного 3,14 (p) значения предельного тока I_F(AV)max при температуре T_j = 25 °C (рис. 3.8). Для силовых кремниевых диодов это значение в среднем составляет U_FM (U_пр) = (1,07-1,8) В (в зависимости от типа диода).

Рис. 3.8. Определение прямого падения напряжения по прямой ветви

вольтамперной характеристики

3.2.6. Статическое и динамическое сопротивления. Полупроводниковый диод представляет собой нелинейное сопротивление, которое зависит от напряжения и тока.

Статическое сопротивление характеризует сопротивление диода постоянному току (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Определение статического сопротивления по прямой ветви вольт-амперной характеристики диода

Статическое сопротивление определяется по прямой ветви вольт-амперной характеристики диода (рис. 3.9) по выражениям:

(3.4)

или

, (3.5)

гдеk – коэффициент, учитывающий единицы величин, входящих в формулу.

Динамическое сопротивление характеризует свойства диода по отношению к малым приращениям или переменным составляющим, наложенным на относительно большие постоянные токи или напряжения (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Определение динамического сопротивления по прямой ветви вольт-амперной характеристики диода

Динамическое сопротивление определяется по прямой ветви вольт-амперной характеристики диода (рис. 3.10) по выражениям:

, (3.6)

(3.7)

3.2.7. Температурный режим. Свойства p-n-перехода существенно зависят от температуры. Проводимость его в прямом направлении высока даже при низких температурах (– 60^°С), так как для отрыва валентных электронов требуется небольшая энергия.

При повышенной температуре сильнее проявляется собственная проводимость полупроводника и тем меньше сказывается примесная проводимость. В результате концентрация электронов и дырок по обе стороны от места контакта двух полупроводников p- и n-типа выравнивается, электрическое поле в этом месте исчезает и p-n-переход при высоких температурах теряет свои вентильные свойства.

Для германиевых диодов T_jm @ (70-90) °C, для кремниевых диодов T_jm1@ (125-140) °C, так как для отрыва валентного электрона от атома требуется большая энергия. Наглядно это показывают ВАХ, полученные при различных значениях температуры p-n-перехода (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Влияние температуры на вольт-амперную

характеристику диода

Увеличение обратного тока при возрастании температуры объясняется усилением генерации пар носителей. Для германиевых диодов обратный ток возрастает примерно в два раза при повышении температуры на каждые 101°С.

Это можно выразить следующей формулой:

i_R(t) = i_{R(20 °С)} 2^(t-20)/10 . (3.8)

К примеру, если температура повысилась с 20 до 70 °С, то значение обратного тока увеличилось в 2⁵, то есть в 32 раза. Кроме того, с увеличением температуры у германиевых диодов снижается напряжение электрического пробоя.

У кремниевых диодов, при нагреве на 101°С, обратный ток возрастает примерно в 2,5 раза, а напряжение пробоя при повышении температуры сначала несколько возрастает, а затем уменьшается.

Прямой ток при нагреве диода растет не так сильно, как обратный. Это объясняется тем, что прямой ток возникает главным образом за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры.

3.2.8. Емкость ЭДП и частотные характеристики. ЭДП можно рассматривать как эквивалентный конденсатор, состоящий из обкладок, разделенных областью, обедненной носителями зарядов и обладающей повышенным сопротивлением. Емкость этого конденсатора определяется как отношение приращения заряда на переходе к приращению падения напряжения на нем, то есть:

(3.9)

Емкость перехода зависит от значения и полярности внешнего приложенного напряжения. При обратном напряжении на переходе эта емкость называется барьерной.

(3.10)

где j_к – контактная разность потенциалов;

U – обратное напряжение на переходе;

С_бар(0) – значение барьерной емкости при U = 0, которое зависит от площади p-n-перехода и свойств полупроводникового кристалла.

Теоретически барьерная емкость существует и при прямом напряжении на p-n-переходе, однако она шунтируется низким дифференциальным (динамическим) сопротивлением r_т. Зависимость барьерной емкости от приложенного напряжения приведена на рис. 3.12.

При прямом смещении p-n-перехода значительно большее влияние оказывает диффузионная емкость, которая зависит от значения прямого тока и времени жизни неосновных носителей t_р. Эта емкость не связана с током смещения, но дает такой же сдвиг фазы между напряжением и током, что и обычная емкость. Значение диффузионной емкости определяется по выражению:

. (3.11)

Полная емкость ЭДП при прямом смещении определяется суммой барьерной и диффузионной емкостей:

С_пр = С_диф + С_бар, (3.12)

при обратном смещении ЭДП диффузионная емкость отсутствует и С_обр1=₁С_бар.

Рис. 3.12. Зависимость барьерной емкости от приложенного напряжения

Барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как шунтирует диод, и через нее на более высоких частотах протекает переменный ток. Это происходит вследствие уменьшения емкостного сопротивления на высоких частотах и возможности протекания обратного тока через емкость ЭДП. Это нарушает нормальную работу прибора, так как ЭДП теряет свои вентильные свойства. Поэтому для работы на высоких частотах используют так называемые точечные полупроводниковые приборы, у которых площадь ЭДП незначительна и собственная емкость мала. В паспортных данных обычно указывают наивысшую рабочую частоту диода. Силовые диоды, применяемые на электроподвижном составе и тяговых подстанциях, рассчитаны на работу в цепях с частотой до 500 Гц.

Свойства барьерной емкости используют при создании специальных типов диодов (варикапов и варакторов), которые применяют в качестве конденсаторов переменной емкости для настройки колебательных контуров (электронная настройка).

4. Виды пробоев ЭДП