CC BY
137
УДК 621.9.048
ПЕРЕХОДНЫЙ ПРОЦЕСС ВКЛЮЧЕНИЯ ДИОДА
Н.М. Сапрунова, Т.А. Козина
г. Челябинск, Южно-Уральский государственный университет
TRANSIENT PROCESS OF DIODE SWITCHING-ON
N.M. Saprunova, T.A. Kozina Chelyabinsk, South Ural State University
Приводится расчет и экспериментальное исследование переходных процессов включения диода с учетом явлений, происходящих в базе и на р-п-переходе. Ключевые слова: диод, база, р-п-переход, переходный процесс включения.
There are presented a calculation and an experimental research of the transient process of diode switching-on considering base and p-n junction effects.
Keywords: a diode, a base, p-n junction, switching-on transient process.
Полупроводниковые диоды средней и большой мощности широко применяются в широтноимпульсных преобразователях и автономных инверторах. При использовании полевых транзисторов типа КП, ТМ08 диодная структура р+-п~-п+ получается при обратной полярности напряжения сток-исток. Характер процессов, происходящих в схемах преобразователей, приводит к тому, что к диодам прикладывается напряжение, имеющее большое значение Си/ск. В связи с этим рассмотрение переходных характеристик диодов является актуальной задачей.
Пусть диод переключается в схеме с активной нагрузкой Я (рис. 1, а). Схема замещения диода приведена на рис. 1, б, где гб - сопротивление базы, грп- дифференциальное сопротивление р-п-перехода, С - емкость р-п-перехода.
При включении диода следует рассматривать две составляющие напряжения: напряжение на базе и напряжение на р-п - переходе [1]:
иь (9).
Ub (0)
"і - L ln г I Л 1+± •Vi - e-9
ю К 10 У
(І)
Upn (9) фг
= ln
1+-
I
л-і
(2)
ОУ
где 9 = //т - относительное значение времени, т -постоянная времени диода, 10 - тепловой ток диода, фг - температурный потенциал, Ь - диффузионная длина, ю - ширина базы, Ь/ю - относительное значение диффузионной длины,
Обычно входное напряжение больше прямого напряжения диода, поэтому появляется начальный скачок тока, создающий начальное напряжение на базе иь(0). Условия существования функции иь (9)/иь (0) определим из неравенства
L
ln
ю
1+-
І1
•V1-79
< 1.
(З)
ОУ
Для значений Ь/ю в диапазоне 0,1-2,0, значений 1-^/10 в диапазоне 104-106, значений 0 - в диапазоне 0,02-1,5 на рис. 2 построена указанная область. Когда Ь/ю = 0,5, неравенство (3) выполняется при 0 < 0,04 и 10 = 104. При увеличении
а) б)
Рис. 1. Схемы: а) с активной нагрузкой, б) замещения диода
Сапрунова Н.М., Козина Т.А.
Переходный процесс включения диода
L/ ю > О,5, когда ширина базы становится соизмерима с диффузионной длиной, функции
Ub (9)1 Ub (О) не существует. Это означает, что
напряжение на диоде определяется p-n - переходом. Соответственно получена функция
Ub (9)/Ub (О).
Относительные значения напряжения на базе Ub (9), на p-n - переходе Upn и результирующее напряжение на диоде Ud для двух значений I^jI^ приведены на рис. З, 4.
Экспериментальное исследование переходного процесса включения проведено для выпрямительных кремниевых диодов и диода Шоттки. В опыте использовался генератор прямоугольных импульсов с фронтом от 75О нс. Начальный скачок напряжения представляет собой линейно нарастающее напряжение. С момента протекания тока
диода характер изменения напряжения на диоде соответствует расчетной кривой (рис. 4).
Было проведено исследование процесса включения диода, работающего в схеме широтноимпульсного преобразователя постоянного напряжения (рис. 5). В исследуемой схеме диод ¥2 выполняет функцию обратного диода, включенного параллельно нагрузке Хн-Ян. Процесс включения исследован с транзисторами трех типов: биполярным, полевым с индуцированным каналом и транзистором ЮБТ. Характер переходного процесса во всех случаях соответствует расчетному. Что касается работы диода с полевыми транзисторами, то здесь требуются дополнительные теоретические исследования, учитывающие процесс включения транзисторов. Экспериментальные исследования подтвердили правильность теоретической оценки характера переходного процесса включения в диодах.
yl (9 )
l-Oj 0 |_1.5 J
Рис. 2. Область существования функции Ub (0)/Ub (O)при L/ю = 0,1:
y1 (0) - при IllIo = 104, y2 (0) - при IllIo = 105, y3 (0) - при I1/I0 = 106
1
О
1О
.8.3О6
9
8
7
Ub( 9) 6
Upn (9) 5
Ud( 9) 4
З
2
1
О
✓
1
I с
■ГЛ--
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
^ 9 ,.1.5 ,
Рис. 3. Относительные значения напряжения на базе иь (9), на р-п-переходе ирп (9)
и результирующее напряжение на диоде ил (9) при /1//0 = 104
Серия «Энергетика», выпуск 18
141
Краткие сообщения
.9.991
Ub( 9) Upn(9) Ud( 9)
lPj
9
О.74
Рис. 4. Относительные значения напряжения на базе Ub(0), на p-n -переходе Upn(0) и результирующее напряжение
на диоде Ud(0) при /1//0 = 106
Рис. 5. Схема широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения
Вывод
Предложенная и экспериментально проверенная методика расчета переходного процесса включения диода позволяет путем несложных вычислений корректно определять время включения диода и напряжение на нем, что может быть полезным при выборе диодов для работы в широтно-
импульсных преобразователях и автономных инверторах.
Литература
1. Степаненко, И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем / И.П. Степаненко. - М.: Советское радио, 1978.
Поступила в редакцию 14.04.2012 г.
Сапрунова Надежда Михайловна - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск. Контактный телефон: +7 351 267-93-21
Saprunova Nadezhda Mikhailovna - Candidate of Engineering Science, associate professor of Electric Drive and Automation of Industrial Plant Department of South Ural State University, Chelyabinsk. Contact telephone number: +7 351 267-93-21.
Козина Татьяна Андреевна - аспирант кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск.
Kozina Tatyana Andreevna - post-graduate student of Electric Drive and Automation of Industrial Plant Department of South Ural State University, Chelyabinsk.
