מהן דיודות כוח?

מה הם דיודהי כוח?

דיודה כוח

דיודה כוח מוגדרת כדיודה המשמשת במעגלים אלקטרוניים של כוח, המסוגלת להתמודד עם זרמים גבוהים יותר מאשר דיודות רגילות. יש לה שתי נקודות מגע והיא מולכת זרם בכיוון אחד, עם תכנון מתאים ליישומים בעומס גבוה.

כדי להבין טוב יותר את דיודות הכוח, נעבור על איך עובדת דיודה סטנדרטית. דיודה מוגדרת כמכשיר מוליך למחצה פשוט ביותר, עם שתי שכבות, שתי נקודות מגע ואחד מפגש.

דיודות אות רגילות מכילות מפגש שנוצר על ידי מוליך למחצה מסוג P ומוליך למחצה מסוג N. הנעוץ המחובר לשכבת הטיפוס P נקרא אנודה, והנעוץ המחובר לשכבת הטיפוס N נקרא קתודה.

האיור להלן מציג את מבנה הדיודה הרגילה ואת הסמל שלה.

דיודות כוח דומות לדיודות רגילות, אם כי הן משתנות מעט בתכנונן.

בדיודות רגילות (ידועות גם כ"דיודות אות"), רמת הדופינג משני הצדדים P ו-N היא אותה רמה ולכן מקבלים מפגש PN, אבל בדיודות כוח, יש לנו מפגש שנוצר בין P מדופג חזק לבין N+ מדופג קלות - השכבה שגדלה אפיטקסיאלית על שכבה של N מדופג חזק. לכן המבנה נראה כמו שמוצג באיור למטה.

שכבת ה-N- היא התכונה המרכזית בדיודה כוח שהופכת אותה למושלמת ליישומים בעומס גבוה. השכבה הזו מדופגת קלות מאוד, כמעט אינטרינסית ולכן המכשיר ידוע גם כ-Diode PIN, כאשר i מייצגת אינטרינסית.

כפי שאפשר לראות באיור למעלה, שווי המשקל האלקטרוני של אזור המטען עדיין נשמר כפי שהיה במקרה הדיודה האות, אך עובי אזור המטען הוא גבוה מאוד ונחצץ עמוק לתוך אזור ה-N-.

זה קורה בשל רמת הדופינג הנמוכה שלה, כפי שאנו יודעים שעובי אזור המטען עולה עם ירידת רמת הדופינג.

העובי הגובר של אזור ההתרוקנות או אזור המטען מסייע לדיודה לחסום מתח הפכי גדול יותר ולכן יש לה מתח פיצול גבוה יותר.

עם זאת, הוספת שכבה זו של ה-N- מגבירה משמעותית את ההתנגדות אוהמית של הדיודה וגורמת להפקת חום רבה במהלך מצב ההולכה קדימה. לכן דיודות כוח מגיעות עם התקנים שונים להפחתת החום.

חשיבות שכבה ה-N-

שכבת ה-N- בדיודות כוח מדופגת קלות, מגבירה את עובי אזור המטען מאפשרת מתח הפכי גבוה יותר.

מאפיינים V-I

האיור להלן מציג את מאפייני ה-V-I של דיודה כוח שהם כמעט זהים לאלו של דיודה אות.

בדיודות אות עבור אזור מוטה קדימה, הזרם גדל בצורה מעריכית אך בדיודות כוח זרם קדמי גבוה גורם לעלייה אוהמית שתמידת את הצמיחה המעריכית והגרף גדל כמעט באופן ליניארי.

המתח הפכי המרבי שהדיודה יכולה לעמוד מתואר על ידי VRRM, כלומר מתח הפכי מרבי חוזר.

מעל למתח הזה, הזרם הפכי נהיה מאוד גבוה באופן פתאומי וכשהדיודה אינה מתוכננת להפיץ כמות גבוהה כל כך של חום, היא עלולה להתפרק. מתח זה עשוי גם להיות קרוי מתח הפכי מרבי (PIV).

זמן החלפה הפכית

האיור מתאר את מאפייני זמן ההחלפה הפכית של דיודה כוח. בכל פעם שהדיודה מופעלת, הזרם מתכלה מהזרם הקדמי IF לאפס וממשיך בכיוון הפוך עקב המטענים שנשמרים באזור המטען והאזור מוליך למחצה.

הזרם הפכי מגיע לשיא IRR ואז מתחיל להתקרב לאפס עד שהדיודה מופעלת לאחר זמן trr.

זמן זה מוגדר כזמן החלפה הפכית והוא מוגדר כזמן בין הרגע בו הזרם הקדמי מגיע לאפס והרגע בו הזרם הפכי מתכלה ל-25% מ-IRR. אחרי זמן זה הדיודה נחשבת כמי שיש לה יכולת חסימה הפכית.

גורם רכות

גורם הרכות בדיודות כוח הוא יחס הזמן של הסרת המטענים מהאזור מוליך למחצה ומתחום ההתרוקנות, המצביע על תנודות מתח בעת כיבוי.