Electronică de putere

Lucrarea de laborator numărul 1

Dispozitive de putere. Dioda

1. Scopul lucrării

Lucrarea îşi propune o introducere în universul dispozitivelor semiconductoare de putere şi analiza experimentală a fenomenului de comutaţie a diodei.

Rezultatele experimentale se vor compara cu cele obţinute prin simulare cu SPICE.

2. Introducere teoretică

2.1. Dioda

2.1.1. Dioda cu joncţiune

Siliciul este materialul semiconductor utilizat pentru obţinerea dispozitivelor de comutaţie. Siliciul dopat uşor n- constituie uzual materialul de bază pentru obţinerea dispozitivelor semiconduc-toare. Rezistenţa materialului depinde de rezistivitatea sa (), de grosimea stratului (l) şi de aria totală (A):

Prin adăugarea unui strat p se obţine dioda cu secţiunea transversală dată în figura 1.1. Structura diodei conţine o joncţiune pn a cărei comportare este bine cunoscută de la cursul de dispozitive (figura 1.1).

Comutaţia diodei

Pentru aplicaţii în circuite de comutaţie, timpul de tranziţie al diodelor din starea de conducţie directă (on) în starea de blocare (off) trebuie să fie cât mai redus.

Fenomenele care însoţesc tranziţia unei joncţiuni pn (diode) din starea "on" în starea "off" sunt ilustrate în figura 1.2.

Până la momentul t=0 dioda este polarizată direct, dispozitivul fiind parcurs de curentul de conducţie IF . În momentul t=0 comutatorul trece instantaneu din poziţia 1 în poziţia 2. Ca urmare, se întrerupe curgerea curentului IF şi se forţează trecerea prin joncţiune a curentului invers IR. Valoarea acestui curent (IR= ER/ RR ) este determinată de sursa de tensiune ER şi de rezistenţa RR. Curentul invers prin diodă îşi păstrează constantă valoarea IR până la momentul t=t1. Intervalul de timp (0,t1), când tensiunea la bornele diodei scade de la VF (tensiunea pe diodă în polarizare directă) la 0, este determinat de procesul de evacuare a purtătorilor minoritari existenţi în exces în joncţiunea diodei şi poartă denumirea de timp de stocare ts. După momentul t1 curentul invers prin diodă începe să scadă, iar tensiunea la bornele diodei devine negativă, tinzând către valoarea sursei de polarizare inversă (–ER). Durata intervalului de timp (t1,t2) în cursul căruia dioda îşi restabileşte capabilitatea de blocare în invers, poartă numele de timp de tranziţie tt. Timpul de revenire inversă trr este trr=ts+tt.

Din punct de vedere practic, tranziţia unei diode din starea de blocare în starea de conducţie, raportându-se la durata timpului de blocare toff =trr, are loc aproape instantaneu.

Producătorii de diode de putere specifică de regulă valoarea timpului de revenire inversă trr (reverse recovery time).

În cazul blocării pe sarcină inductivă fenomenele sunt ilustrate în figura 1.3.

Caracteristica curent-tensiune la nivele mari de injecţie

Funcţionarea dispozitivelor cu joncţiuni pn la un nivel mare de injecţie (în conducţie directă) se caracterizează prin faptul că valoarea concentraţiei purtătorilor minoritari în straturile dispozitivului este comparabilă cu cea a purtătorilor majoritari.

Rezultatele experimentale obţinute cu diode redresoare din siliciu se reprezintă sub următoarea dependenţă a densităţii de curent:

unde este factorul de idealitate al diodei ( la nivele mari de injecţie).

Străpungerea joncţiunii pn

La aplicarea unei tensiuni inverse de valoare suficient de mare joncţiunea semiconductoare se străpunge: structura pn îşi pierde proprietăţile de redresare, curentul invers crescând foarte mult.

Există următoarele mecanisme de străpungere a unei joncţiuni pn:

- străpungerea prin avalanşă (ionizare prin şoc);

- străpungerea prin pătrundere sau atingere (punch-through sau reach-through);

- străpungerea Zener (prin tunelare).

Puterea totală disipată de diodă

Puterea disipată de o diodă în conducţie directă se exprimă prin relaţia:

unde:

- VT este tensiunea de prag a diodei;

- rD este rezistenţa internă a diodei în polarizare directă;

- IF(AV) este curentul direct mediu prin diodă;

- IF(RMS) este curentul direct efectiv prin dioda.

Puterea disipată de o diodă în comutaţie, mai precis pe durata comutaţiilor inverse, se poate exprima aproximativ prin:

unde:

- f este frecvenţa comutărilor;

- ER este tensiunea inversă aplicată la blocare;

- QRR este sarcina de revenire care trebuie eliminată din joncţiune pentru ca dioda să se blocheze.