دیودهای قدرت چیست؟

دیودهای قدرت چیست؟

دیود قدرت

دیود قدرت به دیودی اطلاق می‌شود که در مدارهای الکترونیک قدرت استفاده می‌شود و قادر به پردازش جریان‌های بیشتر از دیودهای عادی است. این دیود دو سرآمد دارد و فقط در یک جهت جریان را هدایت می‌کند و ساختار آن برای کاربردهای با توان بالاتر طراحی شده است.

برای درک بهتر دیودهای قدرت، بیایید دوباره به نحوه عملکرد یک دیود استاندارد نگاه کنیم. دیود به عنوان ساده‌ترین دستگاه نیمه‌رسانا تعریف می‌شود که دو لایه، دو سرآمد و یک جونکشن دارد.

دیودهای سیگنال عادی یک جونکشن دارند که از یک نیمه‌رسانا نوع p و یک نیمه‌رسانا نوع n تشکیل شده است. سیم متصل به نوع p به آنود و سیم متصل به نوع n به کاتود معروف است.

شکل زیر ساختار یک دیود عادی و نماد آن را نشان می‌دهد.

دیودهای قدرت نیز مشابه دیودهای عادی هستند، اگرچه ساختار آنها کمی متفاوت است.

در دیودهای عادی (که به آنها "دیود سیگنال" نیز گفته می‌شود)، سطح دوپینگ P و N یکسان است و بنابراین یک جونکشن PN بدست می‌آید، اما در دیودهای قدرت، جونکشنی بین یک P با دوپینگ سنگین و یک N+ که روی یک N با دوپینگ سنگین رشد اپیتاکسیال یافته است، تشکیل می‌شود. بنابراین ساختار به صورت زیر خواهد بود.

لایه N- ویژگی کلیدی دیود قدرت است که آن را برای کاربردهای با توان بالا مناسب می‌کند. این لایه بسیار کم دوپینگ شده و تقریباً ذاتی است و بنابراین دستگاه نیز به عنوان یک دیود PIN شناخته می‌شود، که i به معنای ذاتی است.

همانطور که در شکل بالا می‌بینیم، حفظ بار خنثی فضای باری همچنان حفظ می‌شود مانند دیود سیگنال، اما ضخامت منطقه فضای باری بسیار زیاد است و عمیقاً به داخل منطقه N- نفوذ می‌کند.

این به دلیل کم دوپینگ بودن آن است، زیرا می‌دانیم که ضخامت منطقه فضای باری با کاهش سطح دوپینگ افزایش می‌یابد.

افزایش ضخامت منطقه فضای باری یا منطقه خالی به دیود کمک می‌کند تا ولتاژ معکوس بیشتری را مسدود کند و بنابراین ولتاژ شکست بیشتری داشته باشد.

با این حال، اضافه کردن این لایه N- مقاومت اهمی دیود را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد که منجر به تولید گرما بیشتر در حالت هدایت پیشرو می‌شود. بنابراین دیودهای قدرت با انواع مختلف جوشکاری برای تخلیه حرارتی صحیح عرضه می‌شوند.

اهمیت لایه N-

لایه N- در دیودهای قدرت کم دوپینگ شده است، که ضخامت منطقه فضای باری را افزایش می‌دهد و اجازه می‌دهد ولتاژهای معکوس بیشتری تحمل شوند.

ویژگی‌های ولتاژ-جریان

شکل زیر ویژگی‌های ولتاژ-جریان یک دیود قدرت را نشان می‌دهد که تقریباً مشابه دیود سیگنال است.

در دیودهای سیگنال، در حالت هدایت پیشرو، جریان به صورت نمایی افزایش می‌یابد، اما در دیودهای قدرت، جریان پیشرو بالا منجر به افت اهمی بالا می‌شود که رشد نمایی را غلبه می‌کند و منحنی به صورت تقریباً خطی افزایش می‌یابد.

بیشترین ولتاژ معکوس که دیود می‌تواند تحمل کند توسط VRRM، یعنی ولتاژ تکراری معکوس نشان داده می‌شود.

فوق این ولتاژ، جریان معکوس به طور ناگهانی بسیار زیاد می‌شود و چون دیود برای تخلیه چنین مقدار زیادی گرما طراحی نشده است، ممکن است تخریب شود. این ولتاژ ممکن است به عنوان ولتاژ معکوس قله‌ای (PIV) نیز شناخته شود.

زمان بازیابی معکوس

شکل زیر ویژگی بازیابی معکوس یک دیود قدرت را نشان می‌دهد. هرگاه دیود خاموش شود، جریان از IF به صفر کاهش می‌یابد و سپس به دلیل بارهای ذخیره شده در منطقه فضای باری و منطقه نیمه‌رسانا در جهت معکوس ادامه می‌یابد.

این جریان معکوس به IRR رسیده و دوباره به صفر نزدیک می‌شود و در نهایت دیود پس از زمان trr خاموش می‌شود.

این زمان به عنوان زمان بازیابی معکوس تعریف می‌شود و زمان بین لحظه‌ای که جریان پیشرو به صفر می‌رسد و لحظه‌ای که جریان معکوس به 25٪ از IRR کاهش می‌یابد، تعریف می‌شود. پس از این زمان، دیود توانایی مسدود کردن معکوس خود را به دست می‌آورد.

ضریب نرمی

ضریب نرمی دیودهای قدرت نسبت زمان‌های حذف بار از نیمه‌رسانا و منطقه فضای باری است که نشان‌دهنده تغییرات ولتاژ در زمان خاموش شدن است.