Dioda de putere

Dioda de putere

Structura diodei pn (fig 2.1) a carei comportare este bine cunoscuta in literatura de specialitate.

Fig. 2.1. Structura si simbolul diodei semiconductoare

Cand anodul este pozitiv fata de catod prin dioda trece un curent de sarcina

apreciabil.Cand catodul este pozitiv jonctiunea pn este blocata si permite

trecerea unui curent invers foarte mic de ordinul a cativa mA[Is].

Caracteristica statica curent-tensiune (fig. 2.2) este compusa din doua ramuri:

ramura 1 corespunde conductiei diodei polarizata direct iar ramura 2

blocariidiodei polarizata invers.Tensiunea nominala de blocare UR0 este

tensiunea inversa de durata admisibila la blocare, la forma sinusoidala a

tensiunii de alimentare.Curentul nominal este valoarea medie a curentului

admisibil de durata.In conductie directa pe dioda apare o cadere de tensiune

care la diodele cu siliciu poate fi de 1.1,5V.

Caracteristicile de conductie si blocare depind de temperatura jonctiunii.

Temperatura maxima admisibila la blocarea diodei este de 150.2000C. Diodele

de putere cu siliciu pot avea tensiunea de blocare de ordinul Kilovoltilor iar

curentul de durat poate sa ajunga pana la 1000A.

Fig. 2.2. Caracteristica statica curent-tensiune

2.1.1 Modelarea si analiza regimurilor de comutatie

ale diodei smiconductoare

Modelarea diodei semiconductoare

Caracteristica statica curent tensiune a diodei

Ecuatia caracteristicii ideale poate fi aproximata cu relatia:

Reprezentarea grafica este data in figura 2.3 pentru cazul in care curentul de

saturatie are valoarea Is=7*10-9A.

Fig.2.3. Caracteristica statica

In cadrul convertoarelor statice de putere dioda se modeleaza prin

caracteristica sa statica simplificata sub forma unor segmente de dreapta

caracterizate conform figurii 2.4 de parametrii ei de catalog:

VT0 -tensiune de prag numita si tensiune de deschidere a diodei;

-rezistenta dinamica a diodei.

Fig. 2.4. Liniarizarea caracteristicii statice curent-tensiune a diodei

Practic tensiunea de prag VT0 a diodei este egala cu diferenta de potential

intern Vj a jonctiunii respective.In regim static de conductie la tensiuni anodice

peste valoarea tensiunii de prag dioda se modeleaza printr-un comutator ideal

On-Off pus pe pozitia On , o sursa de tensiune de valoare egala cu valoarea

tensiunii de prag si o rezistenta inseriata RON . In stare de blocare dioda se

modeleaza printr-o rezistenta ROFF si comutatorul pus pe pozitia Off se

determina cu relatiile:

Fig. 2.5. Modelul circuitului echivalent simplificat al diodei

unde: VRRM -tensiunea inversa repetitiva maxima;

VFM -tensiunea directa maxima;

IRM -curent invers maxim;

VMD -tensiunea anodica maxima;

IFAVM -curent nominal.

Ca exemplu se considera o dioda redresoare de 10 A pentru care se citesc din

catalog [8] urmatoarele valori caracteristice : VRRM =600V, VFM=1,4 V, VTO

=0,85V si IRM=3mA la o temperatura a jonctiunii Tvj=1500 C . Daca tensiunea

maxima anodica este VMD=300V parametrii de model sunt:

Analiza regimului de comutatie al diodei

Caracteristicile importante ale diodei semiconductore de putere pentru regimul

de comutatie rezulta din analiza regimului tranzitoriu ce apare la trecerea diodei

din starea de conductie in stare de blocare sau invers.

Regimul tranzitoriu de comutatie din stare de blocare in stare de conductie este

rapid si depinde de tipul diodei si elementele circuitului de comutatie in care

lucreaza dioda.

Variatia tranzitorie a curentului prin dioda la comutatia in direct a diodei se

prezinta in figura 2.6 fiind caracterizata simplificat de o ecuatie de forma:

Fie tON un timp pentru care iF(tON)=0,9*iF .Se poate stabili un model de circuit

echivalent (fig 2.7) al diodei cu o inductivitate echivalenta L inseriata cu

rezistenta RON de valoare estimata aproximativ cu relatia:

Curentul direct prin dioda :

Formele de unda corespunzatoare comutatiei in invers sunt prezentate in fig

2.8 .Comutatia diodei din starea de conductie in stare de blocare se face intr-un

timp tiT denumit timp de revenire in invers al diodei si care depinde de sarcina

stocata in jonctiune QS . Sarcina stocata in jonctiune este precizata in catalog [8]

pentru diodele normale iar pentru diodele rapide este dat si timpul de revenire in

invers.In figura 2.8 se marcheaza si timpul de stocare ts .

Sarcina stocata in jonctiune se determina cu relatia:

In catalog se prezinta dependenta sarcinii Qs in functie de viteza de descrestere

a curentului direct :

Fig. 2.6. Variatia curentului la comutatia in direct a diodei

Fig. 2.7. Modelul circuitului echivalent simplificat al diodei la comutatie directa

Fig. 2.8. Variatia in timp a curentului si tensiunii la comutatia in invers a diodei

Modelul SPICE al diodei si studiul de comutatie cu circuit de test

In SPICE dioda este modelata utilizand si o rezistenta ohmica in serie .

Caracteristicile regimului de curent continuu ale diodei sunt determinate de

parametrii : IS-curentul de saturatie,N-coeficientul de emisie electronica si RS

rezistenta ohmica.Efectele sarcinii stocate in jonctiune asupra regimului

tranzitoriu de comutatie sunt determinate de durata regimului tranzitoriu TT,

capacitatea jonctiunii CJO potentialul jonctiunii VJ si coeficientul de grad M.

Dependenta temperaturii de curentul de saturatie este definita prin parametrii

EG-energie de activare si XTI - exponentul de saturatie al curentului cu

temperatura.Strapungerea in invers a diodei este modelata cu cresterea

exponentiala a curentului invers si este determinata prin tensiunea inversa

accidentala BV si curentul corespunzator tensiunii accidentale IBV.

Formatul de model este:

D<nume><NA><NC><tip model>[aria][OFF][IC=uD][TEMP=t]

Exemple : D2 1 2 DN4001

DCLMP 3 7 DMOD 3 IC=0.2V TEMP=50

Nodul NA este anodul si nodul NC este catodul.Aria este factorul de suprafata,

OFF este un cuvant optional pentru conditia initiala in regim de curent

continuu.Prin TEMP se specifica valoarea la care functioneaza dispozitivul

semiconductor.Se exemplifica in continuare un model de dioda pentru care sunt

specificati parametrii setati ai unei diode si unitatile de masura corespunzatoare.

In cazul in care utilizatorul doreste poate sa modifice oricare dintre acesti

parametrii introducand prin optiune valoarea acestora.Ceilalti parametrii raman

neschimbati la valoarea definita in modelul de subcircuit al diodei.

Nume Parametrii unitati exemplu

IS curentul de saturatie A 1.0 e-14

RS rezistenta inseriata W 10

N coeficientul de emisie - 1.0

TT timpul de tranzit sec 1.0 ns

CJO capacitatea jonctiunii fara polarizare F 2pF

VJ potentialul intern al jonctiunii V 0.6

M exponentul factorului de tensiune

pentru CJO 0

EG energia de activare eV 1.11 Si

XTI exponentul factorului termic - 3.0

BV tensiunea inversa accidentala V 40.0

IBV curentul la tensiune accidentala A 1.0 e-3

TNOM temperatura 􀔨 50

KF coeficient pentru zgomot de licarire - 0

Analiza in regim de curent continuu presupune determinarea caracteristicii

statice curent-tensiune a diodei.Circuitul este prezentat in fig 2.9. Fisierul de

circuit este:

CIRCUIT DE TEST

*SPICE_NET

*INCLUDE DIODE.LIB

.DC V1 0 5 0.001

.PRINT DC I(V3)

*ALIAS V(1)=VIN

V3 3 0

R2 2 3 1K

V1 1 0

D3 1 2 DN4148

.END

Fig. 2.9. Circuitul de test pentru determinarea caracteristicii statice a diodei

Caracteristica statica curent-tensiune ale diodei la polarizare directa si respectiv inversa sunt prezentate in fig 2.10 si 2.11.

Fig. 2.10. Caracteristica statica curent-tensiune a diodei la polarizare directa

Fig. 2.11. Caracteristica statica curent-tensiune a diodei la polarizare inversa

Fisierul de circuit folosit pentru studiul comutatiei diodei pe sarcina rezistiva

este prezentat in continuare.Circuitul de test este prezentat in fig 2.12.

CIRCUIT DE TEST

.TRAN .5N 100N

.PRINT TRAN I(V3) V(2) V(1)

V3 3 0

R2 1 2 1K

V1 1 0 PULSE 10 -10 .02U 1P 1P

D3 2 3 DN4148

.MODEL DN4148 D(RS=.8 CJO=4PF+IS=7E-09 N=2 VJ=.6V TT=6E-09+

M=.45 BV=100V)

.END

Fig. 2.12. Circuitul de test pentru comutatia diodei pe sarcina rezistiva

Rezultatul simularii comutatiei in invers a diodei DN4148 este prezentat in fig 2.13.

Fig. 2.13. Comutarea diodei in blocare pe sarcina rezistiva

Daca dioda DN4148 comuta pe o sarcina rezistiv inductiva , rezistenta avand

valoarea de 1KW iar inductivitatea de 1mH se constata o durata crescuta a

regimului tranzitoriu si un grad mare de oscilatie a tensiunii pe dioda si a

curentului prin circuitul de test (fig 2.14)