ไดโอดไฟฟ้าคืออะไร

อะไรคือไดโอดไฟฟ้ากำลัง?

ไดโอดไฟฟ้ากำลัง

ไดโอดไฟฟ้ากำลังถูกกำหนดว่าเป็นไดโอดที่ใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์กำลัง สามารถรองรับกระแสไฟฟ้าที่สูงกว่าไดโอดปกติ มีสองเทอร์มินัลและนำกระแสในทิศทางเดียว โครงสร้างออกแบบมาสำหรับการใช้งานในแอปพลิเคชันที่มีกำลังสูง

เพื่อให้เข้าใจไดโอดไฟฟ้ากำลังได้ดียิ่งขึ้น ลองกลับไปทบทวนการทำงานของไดโอดมาตรฐาน ไดโอดถูกกำหนดว่าเป็นอุปกรณ์กึ่งตัวนำที่เรียบง่ายที่สุด มีสองชั้น สองเทอร์มินัล และหนึ่งจังหวะ

ไดโอดสัญญาณทั่วไปมีจังหวะที่เกิดจากกึ่งตัวนำชนิด p และ n สายที่เชื่อมต่อกับ p-type เรียกว่า anode และสายที่เชื่อมต่อกับ n-type เรียกว่า cathode

ภาพด้านล่างแสดงโครงสร้างของไดโอดทั่วไปและสัญลักษณ์ของมัน

ไดโอดไฟฟ้ากำลังคล้ายคลึงกับไดโอดปกติ แม้ว่าจะแตกต่างกันเล็กน้อยในโครงสร้าง

ในไดโอดทั่วไป (หรือเรียกว่า "ไดโอดสัญญาณ") ระดับการย้อมสีของทั้ง P และ N เป็นแบบเดียวกัน ทำให้เราได้ PN junction แต่ในไดโอดไฟฟ้ากำลัง เราจะมีจังหวะที่เกิดระหว่าง P ที่ย้อมสีหนักและ N+ ซึ่งเป็นชั้นที่เติบโต epitaxially บน N ที่ย้อมสีหนัก ดังนั้นโครงสร้างจะดูเหมือนในภาพด้านล่าง

ชั้น N- เป็นคุณสมบัติสำคัญของไดโอดไฟฟ้ากำลังที่ทำให้มันเหมาะสมสำหรับแอปพลิเคชันที่มีกำลังสูง ชั้นนี้ย้อมสีเบาๆ แทบจะเป็น intrinsic ดังนั้นอุปกรณ์นี้ยังเรียกว่า PIN diode โดย i หมายถึง intrinsic

ตามที่เห็นในภาพด้านบน ความเป็นกลางของประจุในพื้นที่ space charge ยังคงอยู่เช่นเดียวกับในไดโอดสัญญาณ แต่ความหนาของพื้นที่ space charge สูงมากและแทรกเข้าไปใน N- region ลึกๆ

เนื่องจากมีการย้อมสีเบา ความหนาของพื้นที่ space charge จะเพิ่มขึ้นเมื่อความเข้มของการย้อมสีลดลง

ความหนาของพื้นที่ depletion หรือ space charge ที่เพิ่มขึ้นช่วยให้ไดโอดสามารถป้องกันแรงดัน reverse-biased ที่สูงขึ้น และมี breakdown voltage ที่สูงขึ้น

อย่างไรก็ตาม การเพิ่มชั้น N- นี้ทำให้ความต้านทานโอห์มของไดโอดเพิ่มขึ้น ทำให้เกิดความร้อนเพิ่มขึ้นในสถานะการนำกระแสไปข้างหน้า ดังนั้นไดโอดไฟฟ้ากำลังจึงมาพร้อมกับการติดตั้งหลากหลายเพื่อการระบายความร้อนที่เหมาะสม

ความสำคัญของชั้น N-

ชั้น N- ในไดโอดไฟฟ้ากำลังมีการย้อมสีเบาๆ ทำให้ความหนาของพื้นที่ space charge เพิ่มขึ้นและสามารถทนแรงดัน reverse-biased ที่สูงขึ้น

คุณสมบัติ V-I

ภาพด้านล่างแสดงคุณสมบัติ V-I ของไดโอดไฟฟ้ากำลัง ซึ่งคล้ายคลึงกับไดโอดสัญญาณ

ในไดโอดสัญญาณ สำหรับภูมิ forward biased กระแสจะเพิ่มขึ้นแบบเอกซ์โพเนนเชียล แต่ในไดโอดไฟฟ้ากำลัง กระแส forward ที่สูงทำให้เกิด ohmic drop ซึ่งครอบงำการเติบโตแบบเอกซ์โพเนนเชียลและกราฟจะเพิ่มขึ้นแบบเส้นตรงเกือบๆ

แรงดัน reverse สูงสุดที่ไดโอดสามารถทนได้แสดงโดย VRRM หรือ peak reverse repetitive voltage

เหนือแรงดันนี้ กระแส reverse จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และเนื่องจากไดโอดไม่ได้ออกแบบมาเพื่อระบายความร้อนจำนวนมาก อาจทำให้ไดโอดเสียหาย แรงดันนี้อาจเรียกว่า peak inverse voltage (PIV) ได้

เวลาการฟื้นฟูในทิศทางตรงข้าม

ภาพแสดงคุณสมบัติการฟื้นฟูในทิศทางตรงข้ามของไดโอดไฟฟ้ากำลัง เมื่อไดโอดถูกปิด กระแสจะลดลงจาก IF ไปเป็นศูนย์ และต่อเนื่องในทิศทางตรงข้ามเนื่องจากประจุที่สะสมอยู่ในพื้นที่ space charge และพื้นที่กึ่งตัวนำ

กระแส reverse นี้จะถึงจุดสูงสุด IRR และเริ่มเข้าใกล้ศูนย์ และสุดท้ายไดโอดจะปิดหลังจากเวลา trr

เวลานี้ถูกกำหนดว่าเป็นเวลาการฟื้นฟูในทิศทางตรงข้าม และถูกกำหนดเป็นเวลาระหว่างขณะที่กระแส forward ถึงศูนย์ และขณะที่กระแส reverse ลดลงเหลือ 25% ของ IRR หลังจากเวลานี้ไดโอดจะมีความสามารถในการป้องกันในทิศทางตรงข้าม

ตัวประกอบความนุ่มนวล

ตัวประกอบความนุ่มนวลของไดโอดไฟฟ้ากำลังคืออัตราส่วนของเวลาการกำจัดประจุจากพื้นที่กึ่งตัวนำและพื้นที่ depletion ซึ่งระบุแรงดันชั่วคราวเมื่อปิด