Analiza comutatiei diodelor de putere

Analiza comutatiei diodelor de putere

O dioda ideala va bloca complet tensiunea de o polaritate (polarizare inversa) si va permite trecerea curentului fara pierderi de putere la o tensiune de polaritate opusa (polarizare directa). In cazurile reale apar pierderi pe parcursul:

starii de blocare ("OFF")

comutatiei din blocare in conductie ("OFF" "ON");

starii de conductie ("ON")

starii de comutatie din conductie in blocare ("ON" "OFF").

Principalele date nominale ale diodelor sunt urmatoarele.

Pentru tensiune sunt folositi termenii:

V_F - tensiunea directa si

V_R - tensiunea inversa

V_RRM -tensiunea maxima inversa repetitiva

V_PIV - tensiunea de varf inversa, maxima.

Pentru curent se folosesc marimile:

I_F - curent direct (ca valoare medie) si

(I_R) - curent invers.

Valoarea medie admisa a curentului diodei descreste cu cresterea temperaturii, figura 1 si depinde de numarul de faze ale circuitului de redresare.

"Revenirea" (recovery) diodei este procesul in care dioda, dupa o comutatie, devine din nou apta sa lucreze in starea de blocare sau in stare de conductie. Exista o "revenire in sens direct" si o "revenire in sens invers".

Parametrii revenirii in sens invers (la blocare) apar la tranzitia din starea de conductie in starea "blocat", figura 2.a. Curentul scade de la valoarea "maxima", data de parametrii si de elementele circuitului la valoarea negativa (cea mai mica) a curentului, numita curent de curgere (-I_RM), iar tensiunea scade de la valoarea directa (V_F) la valoarea de polarizare inversa .

Asadar, cand dioda se blocheaza (datorita unei tensiuni externe negative, de polaritate inversa), curentul direct descreste cu viteza si apare un curent inversat pana cand jonctiunea isi "revine" la momentul (t_rr), in timp ce tensiunea inversa "creste" la si apoi ramane la .

Timpul de revenire la polarizare inversa (t_rr) creste odata cu cresterea temperaturii. Valorile tipice pentru acest parametru sunt:

t_rr = 0,1 (msec) pentru diode Schottky;

t_rr = 0,3 (msec) pentru diode cu revenire rapida si

t_rr = 1,5 (msec) pentru diode 'standard' (de joasa frecventa).

Evolutia curentului anodic la revenirea in sens invers este prezentata comparativ in figura 3 pentru: 1. diode SCHOTTKY; 2,3 diode cu revenire rapida si 4. diode standard.

Parametrii de revenire la polarizare directa sunt importanti cand o tensiune (pozitiva) in treapta este aplicata diodei. Curentul nu apare instantaneu datorita gradientului timpului de tranzitie al jonctiunii. Tensiunea directa nu descreste la noua stare stabila pana in momentul (t_fr), cand se ajunge la revenirea in sens direct, figura 2 b.

Practic t_fr=[0,1 msec) pentru dispozitive de tensiune joasa si t_fr=(0,3 msec) pentru dispozitive de tensiune mare.

In procesul de comutatie pierderile pe diode constau in :

unde:

si

, in care (T_C) este perioada de comutatie a circuitului care contine dioda, (t_on) este durata in care dioda conduce, (t_off) este intervalul in care dioda este blocata, iar T_C = t_on+t_off.

Valorile exacte ale pierderilor in comutatie (P_comutatie) sunt mai dificil de calculat si nu se prezinta relatii de calcul.

In [7] este data o relatie (aproximativa) de calcul a pierderilor totale:

(1)

Observatii:

1. Pentru cele mai multe aplicatii practice putem considera intrarea in conductie a diodei ca fiind instantanee. Dar blocarea necesita, precum am vazut, o analiza aparte, deoarece are un efect semnificativ asupra performantelor celor mai multor tipuri de convertoare statice. La proiectarea echipamentelor electronice de putere se accepta o evolutie simplificata a tensiunii si curentului diodei, figura 4.

La momentul (t=t₀), este aplicata o tensiune externa inversa: (V=V_R); curentul pe dioda scade si la (t=t₁) se anuleaza. Datorita purtatorilor de sarcina, dioda continua sa conduca si dupa t=t₁, in sens invers (I_A<0) si doar la (t=t₂), purtatorii de sarcina in exces sunt neutralizati, iar jonctiunea diodei apare ca un condensator electric incarcat. Practic, numai dupa momentul (t₂) curentul invers scade la zero, iar dioda este apta sa blocheze tensiunea inversa. Curentul care curge in intervalul (t₂ - t₃) poate fi considerat ca un curent al purtatorilor de sarcina care "incarca capacitatea" jonctiunii diodei. Timpul de revenire in sens invers este: .

2. Consecintele majore ale proceselor de revenire a diodelor in convertoare de putere sunt:

a)      cresterea curentului tranzitoriu in semiconductoarele controlate (tranzistoare, tiristoare, etc.) care stabilesc tensiunea inversa si /sau directa pe diode;

b)      supratensiuni de varf ("spike") pe dioda si

c)      limitarea frecventei maxime de comutatie a convertoarelor de putere, de aceea pentru aplicatii de frecventa inalta sunt necesare diode cu timpi scurti de revenire ('diode rapide').