Мощные силовые диоды

  Датчики тока

Датчики напряжения

Выбор датчиков связан как с техническими, так и с экономическими предпосылками. Поэтому должны быть приняты во внимание все аспекты их применения. Среди технических параметров особое внимание нужно уделить следующим:

·        Электрические воздействия

·        Механические воздействия

·        Температурные воздействия

·        Условия эксплуатации

На практике часто возникают комбинации нескольких факторов, которые должны оцениваться в совокупности для выбора наиболее подходящих вариантов датчиков.

При более сложных условиях применения датчика необходимо учесть такие факторы, как:

·        Внешние магнитные воздействия   

·        Электромагнитные помехи

·        Крутизна фронта импульсов

·        Специальные требования по электрической  прочности

·        Совместимость с существующими стандартами

Ограничительные диоды (супрессоры)

Диоды TRANSIL специально предназначенны для подавления перенапряжений возникающих припереходных процессах ( в наименовании диода используется чать слова, происходящего от английского слова transient - переходный). Основновной областью применения является защита от перенапряжений электронного оборудования автомобилей, цепей телекоммуникации и передачи данных, защита мощных мощных транзисторов и теристорови т д .

Диоды изготавливаются как в однонапрвленом, так и в двунаправленном исполнеиях. Однонаправленное исполнение применяют для подавления перенапряжений только одной полярности, поэтому приборы TRANSIL данного типа должны включаться в контур с учетом полярности. Двунаправленные диоды TRANSIL данного типа должны включатьсмя в контур с учетом полярности. Двунаправленные диоды TRANSIL предназначены для подавления перенапряжений обеих полярностей. Двунаправленный диод TRANSIL может быть сотавлен из двух однонаправленных диодов TRANSIL путем их встречного последовательного включения.
 

В отличии от варисторов, которые так же используются для подавления перенапряжений, диоды TRANSIL являются значительно более быстродействующими. Время срабатывания диодов TRANSIL составляет несколько пикосекунд. Двунаправленые диоды TRANSIL всегда включаются параллельно защищаемому оборудованию. Сопротивление Rs представляет собой сумму всех сопротивлений, начиная от источника помех и заканчивая защищаемым оборудованием. Величина этого сопротивления влияет на выбор диода TRANSIL, поскольку нон ограничивает максимальный ток вызванный волной перенапряжения.
 

Изготовитель утверждает, что на практике при возникновении импульса перенапряжения всегда происходит ограничение, причем вероятность возникновения сбоя слишком мала. Само собой разумеется , что в цепь необходимо включить предохранители на случай, если в следствии малого инпеданса ожидается появление больших перенапряжений. Хотя диод TRANSIL всегда осуществляет ограничение, в слечае контура с малым Rs диод может полностью сгореть.
 

Своиства диодов TRANSIL определяются следующими параметрами:

·  Vrm - пиковое обратное напряжение (Peak Reverse Voltage) - максимальное рабочее напряжение, при котором протекающий в течении длятельного времени ток не вызывает выхода защищаемого компонента из строя.
 

·  Vbr - пробивное напряжение (Break-down Voltage) - напряжение при котором происходит резкое увеличение протекающего тока, причем скорость увеличения тока превышает скорость увеличения напряжения. Величина напряжения обычно укказывается для температуры 25° C, температурный коэфициент положительный, допустимые отклонения в пределах 5% либо в интервале от - 5 до +10 %.
 

·  Vcl - напряжение фиксации(Clamping Voltage) - максимальное напряжение для так называемого "нормальзованного" максимального импульса пикового тока Ipp. Внешний вид "нормализованного" импульса приведен на рис. 3 .Характеристика тока является экспоненциальной. В таблице приведены параметры для двух стандартных форм импульса тока.
 

·  Ipp - пиковый импульсный ток (Peak Puls Current) -пиковый ток в рабочем режиме.
 

·  Vf- прямоенапряжение ( Forward Voltage) - напряжение в прямом направлении. Аналогично обычным диодам оно составляет 0,7 В.
 

·  If - прямой ток ( Forward Current) - максимальный пиковый ток в прямом направлении.

 

Пиковые потери в диодах TRANSIL

Исследованиями было установленно, что во многих устройствах возникают перенапряжения , вызывающие импульсы тока, временная характеристика которых составляет примерно 10/1000 мкс (возрастание /убывание) в соответствии с экспонинциальной кривой. В спецификациях обычно приводятся данные для подобного типа переходных процессов. Указанные в спецификации потери для непереодических импульсов определяются по следующей формуле: Pp=Vcl*Ipp.

Потери для переодических импульсов таковы:
 

Pav=f*W, где f- частота следования импульсов, W-энерги каждого импульса.
 

Сравнение защиты оборудования с помощю варисторов и диодов TRANSIL

Типовое значение времени срабатывания варисторов при воздействии перенапряжении составляет 25 нс. Такое время для некоторого оборудования может оказаться недостаточным. Теоретическая скорость срабатывания диодов TRANSIL на импульс находится в области пикосекунд. Изготовитель утверждает, что в лабораторных условиях трудно создать такой переходный импульс, на который диод TRANSIL срабатывал бы с опозданием, т. е. в его пиковой части. Моделируемое время нарастания фронта всегда находилось в пределах 5 нс - на практике это время может составлять несколько пикосекунд. в данном случае необходимо обратить внимание на то обстоятельство, что может оказаться заманчивым использовать диоды TRANSIL в качестве быстродействующих выпрямительных приборов. Однако диоды TRANSIL вобще нельзя использовать в данных целях, поскольку они имеют большой остаточный заряд и длительнное время рассасывания.
 

Диоды TRANSIL фирмы SGS-THOMSON и диоды TVS фирмы GI

Оба изготовителя выпускают большое разнообразие защитных диодов, рассчитаных на различные значения напряжения Vvr или Vbr , причем используется небольшой шаг дискретизации по номинальному напряжению. Однако обычно не все диоды являются доступными, поскольку на практике не играет роли, используете ли Вы диод, рассчитанный на напряжение, например, 33 В или 37 В. Вследствии этого изготовитель предлагает в каждом классе некоторые предпочтительные значения. Остальные значения носят информационный характер, изготовитель осуществляет их производство только в гиперколичествах.
 

Защита электронных схем в автомобилях

Важнейшими источниками перенапряжений в автомобилях являются устроиства, содержащие индуктивности: генератор переменнго тока, свечи зажигания , стартер, реле и т.п. Самым сильным источником помех является система зажигания, величина перенапряжений откоторой может достигать 300 В. вследствии этого в автомобилях широко применяется защита с помощью диодов TRANSIL. Для автомобильного радио-приемника достаточно включить один диод TRANSIL, в этом случае не надо беспокоится о выходе из строя его электронных компонентов. Подобные затраты всегда оправдываются. Вданном случае справедливо следующее правило: аккумулятор вследствии малого внутреннего сопротивления является наилучшим поглотителем перенапряжений.Поэтому лучше всего электропитание отдельных устройств перенести к месту как можно ближе к его зажимам. Фирма SGS-Thomson производитдлязащиты оборудования автомобилей специальные типы защитных диодов - LD24AS , LD24M. Их отличие от диодов обычногоприменения заключается в мощной металлической конструкции. Диоды имеют полупроводниковый кристалл больших размеров и выдерживают большую температуру. Это, однако, не означает, чтов автомобиле нельзя использовать обычные диоды TRANSIL .
 

Защита транзисторов

Диоды TRANSIL удобно использовать для защиты биополярных и МОП-транзисторов. Диоды TRANSIL можно использовать для защиты как управляющего электрода МОП-транзисторов, так и самого перехода. В данном случае всегда следует учитывать характер импульсов перенапряжения - однократные или переодические.
 

Защита сетевого распределительного устройства - сеть 220 В

В настоящее время диоды TRANSIL широко применяются для защиты оборудования, подключенного к сетевому распределителю. За счет небольшого вложения средств представляется возможность защититьдорогостоящее оборудование. Одним из основных источников перенапряжений в таких сетях являются атмосферные помехи. Применение диодов TRANSIL является особенно полезным для защиты объектов, подключенных к воздушным линиям. Для этих целей обычно применяют двунаправленные диоды TRANSIL, в часности 1.5KE440CA или P6E440CA.
 

Защита линий передач данных

Защита линий передач данных - важная область применения диодов TRANSIL. Разработанны наборы диодов TRANSIL, которые могут применяться как для защиты TTL-схем параллельного ввода/вывода, в частности, ТРВ220, так и для линий последователь ной передачи, например, сетевых карт ESDA6V1S3 фирмы SGS-Thomson.
 

Диоды TIRISIL

Диоды TIRISIL предназначены для защиты электронного оборудования от перенапряжений главным образом в области телекоммуникаций. Диоды разработанные фирмой SGS-Thomson в 1983 году и изготавливаются исключительно этой фирмой. Вольтамперная характеристика диодов TRISIL напоминает характеристику компонентов DIAK.
 

Диоды TRISIL выпускаются только в двунаправленном направлении и подключаются параллельно защищаемому оборудованию.
 

Описание функционирования диодов TRISIL

В рабочем состоянии через диод TRISIL протекает незначительный ток. Припревышении определенного (порогового) значения напряжения, импеданс диода скачкообразно изменяется и происходит ограничение напряжения. Работа на этом участке волтамперной характеристики сходна с работой двунаправленного диода TRANSIL.
 

При дальнейшем незначительном увеличении тока происходит резкое снижение импеданса до десятков Ом, что практически закорачивает цепь, тем самым "срезая" полезную часть импульса перенапряжения.
 

Основные параметры диодов TRISIL

Vrm - максимальное непрерывное рабочее напряжение, при котором ток, проходящий через компонент, не вызывает повреждений. Для данного напряжения в спецификации указывается соответствующий ток Irm.

Vbr - пробивное напряжение ( Breakdown Voltage) - напряжение при котором происходит резкое увеличение проходящего через TRISIL тока, причем скорость изменения тока выше, чем скорость нарастания напряжения. Этому напряжению соответствует ток Ibr=1мА.
 

Vbo - напряжение опрокидывания (Breakover Voltage). В точке Vво происходит резкое изменение импеданса от большого неопределенного значения до нескольких от большого неопределенного значения до нескольких Ом. В спецификации для данного напряжения указан ток Iво.
 

Iн - при падении тока ниже данного значения происходит обратное увеличение импеданса диода TRISIL.
 

Ipp - предельное значение тока для определения формы импульса - относительно10/1000 мкс, экспоненциальная форма.

Электрические схемы трамвайных вагонов и троллейбусов предусматривают использование нагревательных элементов для поддержания заданной температуры в кабине водителя и салоне в зимний период. Мощность отопительных систем может достигать 8кВт для кабины водителя и 12-для салона. Столь значительная мощность отопителя кабины водителя учитывает возможность наступления  сильных морозов, и избыточна для оттепелей. Необходимость  регулирования мощности обогревателей очевидна. В салоне на температуру влияют помимо всего прочего частые открывания дверей, изменение количества пассажиров и т.д. Приемлемым способом стабилизации температуры является циклическое включение нагревателей по сигналу датчика температуры; исполнительным элементом, осуществляющим подключение нагревателей к напряжению контактной сети является в существующей практике электромеханические контакторы. Поскольку речь идет о коммутации токов 10-20 Ампер при напряжении постоянного тока до 900 Вольт - к коммутирующему аппарату предъявляются жесткие требования по электрической износоустойчивости. Учитывая принципиально большое количество циклов включения в системах регулирования температуры, подходящим к этому случаю, были бы твердотельные реле - электронные переключатели. Все известные реле, однако, рассчитаны на применение в цепях переменного тока, где коммутация  (при помощи тиристора) происходит легко при переходе через ноль тока в нагрузке; коммутаторы цепей постоянного тока известны по применениям в автомобильной, низковольтной электронике и совершенно не пригодны для коммутации цепей постоянного тока электротранспортных средств. Отдельные предприятия изготавливают  ключи постоянного тока, но это вовсе не массовые внедрения, а скорее эпизоды, пробы. Эти пробы дают сильно различающиеся ценовые показатели, которые отчасти связаны с принятыми схемотехническими решениями, а отчасти с местом и условиями производства. Относительная новизна темы и желание наладить поставки конкурентоспособных с электромеханическими контакторами" твердотельных" изделий привели к разработке изделий под названием ЕВРО (электронный выключатель регулятора отопления). Ниже представлены основные технические характеристики

ТЕСТИРОВАНИЕ МОЩНЫХ ДИОДОВ

Давайте рассмотрим, как происходит подготовка к тестированию мощных диодов на основе простого переносного оборудования. Измерение характеристик этих приборов создает определенные трудности, если не используется необходимая аппаратура.

Измерительное оборудование

Одним из лучших способов измерения этих приборов является развертка, тока и напряжения на подходящем дисплее. Используя развертку, можно определить, исправен прибор или нет, измерением пробивных напряжений, токов утечки, прямого напряжения и т. д. Однако индикатор развертки типа Тектроникс 576 является дорогостоящей частью оборудования, которое используется почти неограниченно для мощных приборов. Таким образом, многие компании не располагают ресурсами, необходимыми для приобретения этого комплекта оборудования.

Теперь представим дилемму - как измерить эти приборы без использования характериографа. Возможно ли использование омметра или мегомметра? Для чрезвычайно ограниченных случаев - да, для исследования глубинных процессов в приборах - нет. В частности, если прибор полностью закорочен, тогда этот тест будет работать.

Однако, если прибор закорочен не полностью, полученные результаты сомнительны вследствие малых тестовых токов и /или напряжений. Это может вести к ошибкам или неверному заключению, так как годные приборы могут иметь измеренное сопротивление с изменением в 3-4 раза или даже иметь показатели разомкнутой схемы.

Часты случаи отбраковки годных приборов из-за применения этих недостоверных методов. Дефектные приборы могут держать напряжение вплоть до 100В, а затем отказывают до достижения рабочего напряжения.

В качестве альтернативы применения омметра или мегомметра может быть собрана простая схема, позволяющая ограниченное тестирование мощных приборов на годность.

Настоящая заметка представляет три простых схемы для тестирования этих приборов: от исключительно простой до слегка усложненной.

Тестирование

При тестировании тиристоров два параметра являются критериями работоспособности прибора: IGT - постоянный ток затвора, необходимый для запуска тиристора, IH - ток удержания, необходимый для проводимости тиристора, как только он будет запущен.

При комнатной температуре для большинства современных тиристоров, IGT менее 150мА, a IH - менее 500мА. В случае сомнения полистайте, пожалуйста, справочные данные тиристора для уверенности в том, что тестовая схема обеспечивает необходимые токи нагрузки и управления.

Первая схема, показанная на первом рисунке, является простой 6-вольтовой осветительной батарейкой, приспособленной для измерения работоспособности тиристора.

Это чрезвычайно удобная тестовая схема для применения в полевых условиях. В частности, тиристор соединен последовательно с лампой и батареей с моментальным переключением, обеспечивающим импульс на затворе, необходимый для запуска тиристора.

Тестовая схема втором рисунке предназначена для тестирования диодов.

Две лампы накаливания соединены в виде нагрузок, они являются и индикаторами. Если диод не исправен и не способен выдерживать обратное напряжение, обе лампы будут гореть, указывая на отказ диода. Наоборот, левая лампа будет гореть при полном функционировании диода. Для работы пригодна любая 12В лампа, в качестве D1 и D2 могут использоваться любые диоды. Эта схема имеет ограничения за счет малых тестовых токов и напряжений.

Наконец, на третьем рисунке представлена более сложная тестовая схема:

Выпрямленное напряжение подается на тестируемый прибор (тиристор или диод), для уверенности двуполюсный сдвоенный переключатель выбирает прямое или обратное включение. Обратный тест подтверждает, что тиристор или диод находятся под обратным напряжением. Если в течение этого теста лампы горят, то измеряемый прибор не держит обратного напряжения и не исправен.

Эта схема более сложная, чем две предыдущих, но обеспечивает лучшие результаты, так как в ней используется более высокое напряжение для измерения характеристик. Прямой тест используется только для тиристоров путем тестирования по затвору тиристора.

Лампа не должна светиться вплоть до момента переключения, во время которого лампа должна вспыхнуть. Лампа будет гаснуть, как только переключение закончится.

Корпус

Для сверхбольших уровней мощности можно порекомендовать корпус типа Hockey PuK. Это очень удобный, с низким тепловым сопротивлением корпус, в котором контакт обеспечивается внешним давлением с фиксатором.

Попытки измерить характеристики этого корпуса без правильного размещения в фиксаторе приводят к ошибочным замерам (подобно открытой схеме), так как при этом не обеспечивается необходимое контактирование.

Заключение

Применяя схемные идеи, изложенные здесь, можно определить работоспособность мощных приборов. Не требуется применение омметра или мегомметра.

К тому же вышеприведенные тесты обеспечивают более надежную информацию по функционированию этих приборов, так как только с помощью характериографа могут быть получены приемлемые результаты.

Схема с контрольной лампой (рис. 1) идеальна для быстрого контроля на качественном уровне вследствие ее простоты.

Схема на рис. 3 в наибольшей степени пригодна для лабораторий, которые часто тестируют тиристоры и диоды, но не имеют средств на характериограф.

Заключение
Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы - диоды,
транзисторы, тиристоры основаны на использовании замечательных материалов с
электронной или дырочной проводимостью.
Широкое применение полупроводников началось сравнительно недавно, а
сейчас они получили очень широкое применение. Они преобразуют световую и
тепловую энергию в электрическую и, наоборот, с помощью электричества
создают тепло и холод. Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном
радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной
батарее и в микропроцессорах.
Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей,
переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой
позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств,
снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность. Силовая электроника – это новая отрасль человеческой деятельности, производятся все больше больших и сложных электротехнических объектов, функционирование которых не возможно без значительных энергетических затрат. А, значит, промышленная электроника должна обеспечивать эти технические средства надежными приборами защити, в том числе и против пробоев и загораний.  Именнодля этих целей и нужно внедрять новые технологии изготовления и управления сверх мощными диодами.

Список литературы

Полупроводниковые диоды. Параметры. Методы измерений, М., 1968; Федотов Я. А.,

 Основы физики полупроводниковых приборов, М., 1970;

 Пасынков В. В., Чиркин Л. К., Шинков А. Д., Полупроводниковые приборы, М., 1973;

F.Wakeman, K.Billett, R.Irons и M.Evans, ‘Electromechanical characteristics of a bondless pressure contact IGBT’ APEC 1999

Мартыненко В. А., Чумаков Г. Д. Новые вы­сокомощные диоды и тиристоры для про­мышленности, транспорта и энергетики // Силовая электроника. 2005. № 1.

Ю.С. Забродин “Промышленная электроника”

#"#">#"#">Диоды и их зарубежные аналоги.  

У.С.Иванов «Компоненты силовой электроники » 2006г , Москва

Н. Н. ГОРЮНОВА, Ю. Р. НОСОВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ диоды. ПАРАМЕТРЫ, мЕТОДЫ   иЗМЕРЕНИЙ, «СОВЕТСКОЕ РАДИО» МОСКВА—1968

Страницы: 1, 2, 3, 4