آموزش الکترونیک

دیود های توان Power چه هستند؟ (مشخصات و ضرایب)

دیود توان چیست؟

دیود توان نوعی دیود است که معمولا در مدارهای الکترونیک توان استفاده می شود. درست مانند یک دیود معمولی، یک دیود توان دارای دو ترمینال است و جریان را در یک جهت هدایت می کند. یک دیود توان در ساخت و ساز از یک دیود استاندارد متفاوت است تا میزان جریان بالاتر را ممکن کند.

برای درک بهتر اینکه چگونه یک دیود توان با یک دیود معمولی متفاوت است، بیایید نحوه عملکرد یک دیود استاندارد را مجددا بررسی کنیم.

دیودها ساده ترین المان های نیمه هادی هستند که فقط دو لایه، دو ترمینال و یک پیوند دارند.

دیودهای سیگنال معمولی دارای یک پیوند هستند که توسط نیمه هادی نوع p و نیمه هادی نوع n تشکیل شده است، پیوند نوع p آند و طرف دیگر که به نوع n متصل می شود کاتد نامیده می شود.

دیود توان

دیودهای توان نیز مشابه دیودهای معمولی هستند، اگرچه در ساختار کمی متفاوت هستند.

در دیودهای معمولی (که به عنوان «دیود سیگنال» نیز شناخته می شود)، سطح دوپینگ هر دو طرف P و N یکسان است و از این رو ما یک پیوند PN داریم، اما در دیودهای توان، ما یک پیوند تشکیل شده بین یک P+ و یک دوپینگ شدید داریم. N به آرامی دوپ شده و لایه ای که به صورت همپایی روی یک لایه N+ بسیار دوپ شده، رشد می کند.

دیود قدرت

لایه N ویژگی کلیدی دیود توان است که آن را برای کاربردهای با توان بالا مناسب می کند. این لایه بسیار کم دوپ شده است، تقریباً ذاتی است و از این رو دستگاه به عنوان دیود پین نیز شناخته می شود، که i مخفف intrinsic یا ذانی است.

خنثی بودن بار خالص ناحیه بار فضایی همچنان حفظ می شود، همانطور که در دیود سیگنال نیز چنین بود، اما ضخامت ناحیه بار فضایی بسیار زیاد است و عمیقاً در ناحیه N- نفوذ می کند.

دیود توان تصویر

این امر به دلیل غلظت دوپینگ پایین آن است، زیرا می دانیم که ضخامت ناحیه بار فضایی با کاهش غلظت دوپینگ افزایش می یابد.

این افزایش ضخامت ناحیه تخلیه یا ناحیه بار فضایی به دیود کمک می کند تا ولتاژ بایاس معکوس بزرگتر را مسدود کرده و در نتیجه ولتاژ شکست بیشتری ایجاد شود.

با این حال، افزودن این لایه N- به طور قابل توجهی مقاومت اهمی دیود را افزایش می دهد که منجر به تولید گرمای بیشتر در طول حالت انتقال مستقیم می شود. از این رو دیودهای توان دارای پایه های مختلفی برای اتلاف مناسب گرما هستند.

مشخصه های V-I دیودهای توان

مشخصه های v-i یک دیود توان تقریباً مشابه دیود سیگنال است.

اگر در مورد این مطلب سوالی دارید در قسمت نظرات بپرسید

نمودار دیود توان

در دیودهای سیگنال بایاس مستقیم، جریان به صورت تصاعدی افزایش می ‌یابد، اما در دیودهای توان، جریان بایاس مستقیم بالا منجر به افت اهمی بالا می ‌شود که بر رشد نمایی غالب است و منحنی تقریباً به صورت خطی افزایش می ‌یابد.

حداکثر ولتاژ معکوس که دیود می تواند تحمل کند با VRRM نشان داده می شود، یعنی حداکثر ولتاژ تکراری معکوس.

در ولتاژهای بالاتر، جریان معکوس به طور ناگهانی بسیار زیاد می ‌شود و از آنجایی که دیود برای دفع چنین مقدار زیادی گرما طراحی نشده است، ممکن است از بین برود. این ولتاژ را می توان ولتاژ معکوس پیک (PIV) نیز نامید.

ویژگی های بازیابی معکوس دیودهای توان

ویژگی های بازیابی معکوس دیودهای توان

هر زمان که دیود خاموش می شود، جریان از IF به صفر کاهش می یابد و به دلیل بارهای ذخیره شده در ناحیه شارژ فضایی و ناحیه نیمه هادی، در جهت معکوس ادامه می یابد.

این جریان معکوس به یک پیک IRR می رسد و دوباره شروع به نزدیک شدن به مقدار صفر می کند و در نهایت دیود پس از زمان trr خاموش می شود.

این زمان به عنوان زمان بازیابی معکوس تعریف می شود و زمانی تعریف می شود که بین جریان مستقیم لحظه ای به صفر و لحظه ای که جریان معکوس به 25 درصد IRR کاهش یابد، قرار گیرد. پس از این زمان گفته می شود که دیود به قابلیت مسدود کردن معکوس خود می رسد.

می توان اثبات کرد:

دیود توان

  • ta ← زمان حذف شارژ از ناحیه تخلیه
  • tb ← زمان حذف شارژ از ناحیه نیمه هادی

همچنین می توان گفت:

فرمول دیود توان

که:

نرخ تغییر جریان معکوس است.

ناحیه محدود شده توسط ناحیه مثلثی شکل بالا، کل شارژ ذخیره شده یا شارژ بازیابی معکوس، QR را نشان می دهد. از این رو می توانیم بنویسیم:

فرمول دیود قدرت

حالا برای

با قرار دادن معادله 1 و ترکیب آن با معادله 2 خواهیم داشت:

فرمول دیود قدرت واقعی

و با قرار دادن معادله 3 در معادله 1:

خواهیم داشت:

فرمول نهایی دیود توان

از معادله 3 و 4 می بینیم که trr و IRR به QR بستگی دارند که به نوبه خود به جریان اولیه دیود مستقیم IF بستگی دارد.

یکی دیگر از پارامترهای جالب برای دیودهای توان از ویژگی های خاموش شدن آن به نام ضریب نرمی (S-factor) تعریف شده است که به عنوان نسبت بار tb و ta تعریف می شود.

از این رو،

مشخصات دیود توان

اگر یک دیود دارای ضریب S برابر با واحد باشد، به عنوان دیود بازیابی نرم و برای ضریب S کمتر از واحد، به عنوان دیودهای بازیابی سریع یا به اختصار سریع شناخته می شود.

ضریب S به طور غیرمستقیم ولتاژ گذرا را نشان می دهد که هنگام خاموش شدن دیود رخ می دهد. ضریب S پایین دلالت بر اضافه ولتاژ گذرا بالا دارد در حالی که ضریب S بالا دلالت بر ولتاژ معکوس نوسانی کم دارد.

مجموع تلفات توان در هنگام خاموش شدن حاصل ضرب جریان و ولتاژ دیود در طول trr است. بیشتر تلفات توان در طول tb اتفاق می افتد.

در یک دیتاشیت معمولی دیودهای توان، مهمترین پارامترهای داده شده عبارتند از IF avg، IF RMS، VRRM، رتبه بندی I2t، دمای اتصال TJ، trr، S-factor، IRR. جدا از این پارامترها و نمودارهای بسیار دیگری نیز ارائه شده است.

دیودهای توان را می ‌توان به دسته ‌های زیر بر اساس ویژگی ‌هایشان طبقه ‌بندی کرد که در جدول زیر خلاصه شده ‌اند:

نوع نرخ های ولتاژ (VRRM) نرخ های جریان (IF) زمان بازیابی معکوس (trr) کاربردها توضیحات
هدف عمومی دیود 50-5000 V 1 آمپر تا چند هزار آمپر ~ 25 میکرو ثانیه یو پی اس، شارژر باتری، جوشکاری، کشش و غیره
دیود بازیابی سریع 50-3000 V 1 آمپر تا چند هزار آمپر <5µs SMPS، مدارهای کموتاسیون، چاپرها، گرمایش القایی دوپینگ با استفاده از پلاتین یا طلا انجام می شود
دیودهای شاتکی تا 100 ولت 1 تا 300 آمپر ~ns منابع تغذیه سوئیچینگ فرکانس بسیار بالا و ابزار دقیق اتصال فلز-نیمه هادی، معمولاً از نوع Al-Si (نوع n)، دستگاه حامل اکثریت، بنابراین زمان خاموش شدن بسیار کم
5 (2 نفر)

برای دریافت مطالب جدید کانال تلگرام یا پیج اینستاگرام ما را دنبال کنید.

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید قرار بدهم. سوالات مربوط به این مطلب را در قسمت نظرات همین مطلب اعلام کنید. سعی میکنم در اسرع وقت به نظرات شما پاسخ بدهم.

2 نظر

    1. سلام عزیز
      خوشحالم که رضایت داشتین

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *