Studiul Comutației Diodelor

1. Scopul lucrării.

Se studiază principalele fenomene care au loc la comutaţia diodelor de putere, evidenţiindu-se principalele mărimi de care acestea depind şi efectele pe care le determină în diferite circuite ce conţin diode care comută.

2. Descrierea lucrării.

2.1. Comutarea în conducţie.

În momentul în care o diodă semiconductoare se comută din blocare în conducţie nu există purtători prezenţi în joncţiune şi ca urmare căderea directă de tensiune pe diodă poate deveni rapid mare. Pe măsură ce sarcina stocată în joncţiune creşte, are loc modularea conductivităţii şi tensiunea directă pe diodă scade rapid la valoarea din starea staţionară. Prin urmare, la aducerea în conducţie dioda poate fi asimilată cu o rezistenţă a cărei valoare scade în timp. Valoarea rezistenţei este legată de concentraţia de purtători minoritari injectaţi. Cu cât zona centrală a joncţiunii este mai groasă (deci cu cât dioda este de tensiune mai mare) cu atât vârful de tensiune la aducerea în conducţie va fi mai mare. Capacitatea şi inductivitatea diodei au o influenţă minoră în procesul de comutare în conducţie. Parametrii care vor influenţa comutarea în conducţie sunt:

 curentul direct iF.

 viteza de creştere (panta) diF/dt a curentului direct.

 temperatura joncţiunii.

 tehnologia de realizare a joncţiunii.

Parametrii care se măsoară şi se dau în cataloage sunt vârful de tensiune VfP şi timpul de comutaţie la aducere în conducţie, tfr , definiţi în figura 1. Pentru tfr primul moment de timp care îl defineşte este cel în care curentul a atins 10% din valoarea de palier. Al doilea moment de timp nu are o accepţiune unanimă. De exemplu firma Thomson îl defineşte ca fiind momentul în care tensiunea pe diodă a scăzut la 2 V, în timp ce firma IXYS îl defineşte ca fiind momentul în care tensiunea pe diodă ia valoarea de 110% din tensiunea din starea staţionară.

Fig. 1. Definirea principalilor parametri la aducerea în conducţie.

2.2. Blocarea.

Dacă o diodă semiconductoare a condus suficient de mult timp, astfel încât să se atingă starea staţionară, în joncţiune există stocată o sarcină datorată purtătorilor minoritari prezenţi. Pentru ca dioda să se poată bloca această sarcină trebuie în prealabil extrasă. Aceasta se face în două moduri:

 prin recombinare internă (de regulă numai un mic procent).

 printr-un curent invers, care de fapt reprezintă principalul mecanism de evacuare a sarcinii stocate. Acest curent invers, împreună cu tensiunea inversă existentă pe diodă, determină pierderi de comutaţie suplimentare. La frecvenţe mici (până la aproximativ 500 Hz) pierderile de comutaţie la blocare se pot ignora. În schimb la frecvenţe înalte şi pentru semnale dreptunghiulare pierderile de comutaţie pot reduce substanţial randamentul circuitelor de putere.

Forma de undă tipică a curentului prin diodă la blocare este reprezentată în fig. 2. Principalii parametri pe care fabricantul îi specifică în cataloage sunt: timpul de blocare, trr, sarcina stocată, Qs (notată şi QR sau Qrr în unele cataloage,), şi curentul invers maxim, IRM (notat în cataloage şi cu IRRM ).

În ceea ce priveşte parametrul trr acesta este diferenţa dintre timpii t2 şi t1. Dacă t1 este unanim acceptat ca fiind momentul de anulare al curentului, pentru t2 firmele producătoare dau definiţii diferite în paginile cataloagelor. Prezentăm în continuare trei dintre ele, cu observaţia ca nici acestea nu sunt unicele.