Co jsou výkonové diody?

Co jsou výkonové diody?

Výkonová dioda

Výkonová dioda je definována jako dioda používaná v obvodech výkonové elektroniky, schopná zpracovat vyšší proudy než běžné diody. Má dvě terminály a vede proud v jednom směru, s konstrukcí navrženou pro vysokovýkonné aplikace.

Abychom lépe pochopili výkonové diody, připomeňme si, jak funguje standardní dioda. Dioda je definována jako nejjednodušší polovodičové zařízení se dvěma vrstvami, dvěma terminály a jedním spojem.

Běžné signální diody mají spoj tvořený p-typem polovodiče a n-typem polovodiče. Vodič spojený s p-typem se nazývá anoda a vodič spojený s n-typem se nazývá katoda.

Následující obrázek znázorňuje strukturu běžné diody a její symbol.

Výkonové diody jsou podobné běžným diodám, i když se mírně liší svou konstrukcí.

U běžných diod (také známých jako "signální diody") je úroveň dopingu na obou stranách P a N stejná, což vede k PN spoji, ale u výkonových diod máme spoj tvořený silně dotovaným P a lehce dotovaným N+ – vrstva, která je epitaxiálně vyroste na silně dotované vrstvě N. Tedy struktura vypadá, jak je znázorněno na následujícím obrázku.

N- vrstva je klíčovým prvkem výkonové diody, který ji činí vhodnou pro vysokovýkonné aplikace. Tato vrstva je velmi lehce dotovaná, téměř intrinsická, a proto se toto zařízení také nazývá PIN dioda, kde i znamená intrinsická.

Jak můžeme vidět na obrázku výše, netočivost prostorového nabitého regionu je stále zachována, jak bylo tomu u signální diody, ale tloušťka prostorového nabitého regionu je poměrně vysoká a hluboce proniká do N- regionu.

To je způsobeno jeho lehkou koncentrací dopingu, jak víme, tloušťka prostorového nabitého regionu roste s poklesem koncentrace dopingu.

Tento zvýšený tloušťka deplečního regionu nebo prostorového nabitého regionu pomáhá diodě blokovat větší reverzní napětí a tedy mít vyšší přelomové napětí.

Nicméně, přidání této N- vrstvy značně zvyšuje ohmový odpor diody, což vede k většímu teplu generovanému během přepínání do předního stavu. Proto výkonové diody přicházejí s různými montážemi pro správné odpadávání tepla.

Důležitost N- vrstvy

N- vrstva v výkonových diodách je lehce dotovaná, což zvyšuje tloušťku prostorového nabitého regionu a umožňuje vyšší reverzní napětí.

V-I charakteristiky

Následující obrázek ukazuje v-i charakteristiky výkonové diody, které jsou téměř shodné s těmi u signální diody.

U signálních diod v předním polarizačním stavu proud exponenciálně roste, zatímco u výkonových diod vysoký přední proud vede k vysokému ohmovému spádu, který dominuje nad exponenciálním růstem a křivka roste téměř lineárně.

Maximální reverzní napětí, které dioda může snést, je znázorněno VRRM, tj. vrcholové reverzní opakovatelné napětí.

Při vyšším napětí se reverzní proud rychle zvýší a protože dioda není navržena pro odvod tepelné energie v takovém rozsahu, může být zničena. Toto napětí může být také nazváno vrcholové inverzní napětí (PIV).

Reverzní obnovovací čas

Obrázek znázorňuje reverzní obnovovací charakteristiku výkonové diody. Když je dioda vypnuta, proud klesá od IF na nulu a dále pokračuje v reverzním směru díky nábojům uloženým v prostorovém nabitém regionu a polovodičovém regionu.

Tento reverzní proud dosáhne vrcholu IRR a opět se blíží k nulové hodnotě a konečně, dioda je vypnuta po čase trr.

Tento čas je definován jako reverzní obnovovací čas a definuje se jako čas mezi okamžikem, kdy přední proud dosáhne nuly, a okamžikem, kdy reverzní proud klesne na 25% IRR. Po tomto čase se říká, že dioda dosáhla své reverzní blokovací schopnosti.

Faktor měkkosti

Faktor měkkosti výkonových diod je poměr časů odstranění náboje z polovodičového a deplečního regionu, což indikuje napěťové transienční efekty při vypnutí.