Czym są diody mocne?

Czym są diody mocy?

Dioda mocy

Diodą mocy nazywamy diodę stosowaną w obwodach elektroniki mocy, zdolną do obsługiwania wyższych prądów niż zwykłe diody. Ma ona dwa zaciski i przepuszcza prąd w jednym kierunku, a jej konstrukcja jest zaprojektowana do zastosowań o wysokiej mocy.

Aby lepiej zrozumieć diody mocy, przypomnijmy, jak działa standardowa dioda. Dioda to najprostsze półprzewodnikowe urządzenie, składające się z dwóch warstw, dwóch zacisków i jednego styku.

Zwykłe diody sygnałowe mają styk utworzony przez półprzewodnik typu p i n. Przewód łączący półprzewodnik typu p nazywany jest anodem, a przewód łączący półprzewodnik typu n nazywany jest katodą.

Poniższy rysunek przedstawia strukturę zwykłej diody oraz jej symbol.

Diody mocy są również podobne do zwykłych diod, choć ich konstrukcja różni się nieco.

W przypadku zwykłych diod (znanych również jako „diody sygnałowe”), poziom domieszkowania zarówno stron P, jak i N jest taki sam, co daje nam styk PN, ale w diodach mocy mamy styk utworzony między mocno domieszkowanym P i słabo domieszkowanym N+ – warstwą, która jest epitaksjalnie rosnąca na mocno domieszkowanej warstwie N. Stąd struktura wygląda tak, jak pokazano na poniższym rysunku.

Warstwa N– jest kluczowym elementem diody mocy, który sprawia, że jest ona odpowiednia do zastosowań o wysokiej mocy. Ta warstwa jest bardzo słabo domieszkowana, prawie intrinsiczna, stąd urządzenie nazywane jest również diodą PIN, gdzie i oznacza intrinsic.

Jak możemy zobaczyć na powyższym rysunku, całkowita neutralność ładunku regionu ładunkowego jest nadal zachowana, jak było to w przypadku diody sygnałowej, ale grubość regionu ładunkowego jest dość duża i głęboko penetruje do regionu N–.

To jest wynikiem jej niskiego poziomu domieszkowania, ponieważ wiemy, że grubość regionu ładunkowego wzrasta wraz ze spadkiem domieszkowania.

Zwiększone grubości regionu wyczerpanego lub regionu ładunkowego pomaga diodzie blokować większe napięcia odwrócone i tym samym ma większą napięcie przebicia.

Jednak dodanie warstwy N– znacznie zwiększa opór ohmiczny diody, prowadząc do większego generowania ciepła w stanie przepuszczania. Stąd diody mocy wyposażone są w różne montażowe rozwiązania do właściwej dyspersji ciepła.

Znaczenie warstwy N–

Warstwa N– w diodach mocy jest słabo domieszkowana, zwiększając grubość regionu ładunkowego i pozwalając na wyższe napięcia odwrócone.

Charakterystyka V-I

Poniższy rysunek przedstawia charakterystykę V-I diody mocy, która jest prawie identyczna z charakterystyką diody sygnałowej.

W diodach sygnałowych dla obszaru przepuszczania, prąd rośnie wykładniczo, jednak w diodach mocy wysoki prąd przepuszczający prowadzi do wysokiego opadu ohmicznego, który dominuje nad wykładniczym wzrostem i krzywa rośnie niemal liniowo.

Maksymalne napięcie odwrócone, które dioda może znieść, jest przedstawione przez VRRM, czyli maksymalne powtarzalne napięcie odwrócone.

Powyżej tego napięcia, prąd odwrócony staje się nagłym, bardzo wysokim, a ponieważ dioda nie jest zaprojektowana do rozpraszać tak dużej ilości ciepła, może zostać zniszczona. To napięcie może być również nazywane maksymalnym napięciem odwróconym (PIV).

Czas odzyskiwania odwróconego

Rysunek przedstawia charakterystykę odzyskiwania odwróconego diody mocy. Za każdym razem, gdy dioda jest wyłączana, prąd maleje od IF do zera, a następnie kontynuuje w kierunku odwrotnym ze względu na ładunki zgromadzone w regionie ładunkowym i regionie półprzewodnika.

Ten prąd odwrócony osiąga szczyt IRR i ponownie zaczyna zbliżać się do wartości zero, a w końcu dioda jest wyłączona po czasie trr.

Ten czas jest definiowany jako czas odzyskiwania odwróconego i jest definiowany jako czas między momentem, gdy prąd przepuszczający osiąga zero, a momentem, gdy prąd odwrócony maleje do 25% IRR. Po tym czasie dioda osiąga swoją zdolność blokowania odwróconego.

Wskaźnik miękkości

Wskaźnik miękkości diod mocy to stosunek czasów usuwania ładunków z regionu półprzewodnika i regionu wyczerpanego, wskazujący transjencje napięcia przy wyłączaniu.