Fast, Ultrafast, Soft, Standard, Schottky: выбор правильного выпрямителя
Это часть 2 статей из двух частей, посвященных различным типам выпрямителей мощности, их статическим и динамическим характеристикам и тому, что разработчик схемы должен понимать, чтобы сделать соответствующие выборы. Эта вторая статья представляет собой более глубокое погружение в характеристики восстановления выпрямителей, связанные с скоростью, и то, как это динамическое поведение оказывает значительное влияние на схемы, в которых размещается выпрямитель.
Введение
Концепция идеального диода может обмануть дизайнера, не обращая внимания на важность указания правильного выпрямителя мощности для удовлетворения требований к его / ее схемам. В отличие от простых «однонаправленных клапанов для тока», выпрямители реального мира представляют собой набор параметров, влияющих на схему.
В этой серии статей из двух частей мы изучаем, как эти параметры определяют типы выпрямителей и стимулируют разработку выпрямительной технологии. По пути мы обрести понимание, необходимое для разумного выбора для наших проектных проектов.
Здесь, во второй части, мы исследуем динамическое поведение, определяющее «мягкое» восстановление и «прямое» восстановление, затем сравниваем динамическое поведение барьеров Шоттки и выпрямителей PN-перехода. Мы также рассмотрим прогресс технологии выпрямителей в прошлом веке.
Прежде чем продолжить, прочитайте первую часть этой серии: Быстрая, сверхбыстрая, стандартная, мягкая, Шоттки: Какой правильный выпрямитель для вашей силовой схемы «мягкое» восстановление?
Согласно стандарту JEDEC № JESD282B.01, выпрямители мощности «могут обладать одним из двух типов характеристик восстановления. После того, как обратный ток достигнет своего пикового значения … он может сразу или через некоторое время резко уменьшиться (внезапное восстановление), или он может медленно и плавно уменьшаться до его стационарного значения блокировки заднего хода (мягкое восстановление) ».
Чтобы получить более интуитивное понимание того, что мы подразумеваем под «мягким восстановлением» и почему это важно, давайте рассмотрим грубую аналогию со скоростью (v), заменяющей ток (I). Предположим, вы рассматривали прыжок с банджи с высоты 500 футов над землей и предположили, что вам предложили два варианта, чтобы остановить ваш отвес к земле: 100-футовая длина жесткой веревки или 100-футовая длина соответственно эластичного шнур банджи. Оба будут препятствовать тому, чтобы ваше тело ударилось о землю.
Однако выбор неупругой веревки, конечно, привел бы к катастрофическому и, вероятно, фатальному исходу из-за очень высокого изменения скорости вращения v v / dt, когда веревка внезапно станет напряженной в конце вашего падения. Разумеется, вы выбрали бы эластичную банджи, так как это привело бы к возврату к нулевой скорости в ad v / dt, который, скорее всего, был бы выживаемым.
Точно так же, как высокое торможение d v / dt может повредить физические системы с помощью ударных сил (потому что Force = m (d v / dt)), токи с высоким dI / dt могут вызвать всплески высокого напряжения в цепях с индуктивностью, поскольку напряжение = L (dI / дт). (И любая схема реального мира будет иметь некоторую индуктивность, даже если это только паразитная индуктивность.)
Давайте перейдем к нашей форме сигнала JEDEC t rr и сравним мягкое восстановление с резким восстановлением:
Image
Мягкие или внезапные формы волны восстановления (изображение адаптировано и перерисовано из стандарта JEDEC № JESD282B.01, рис. 6.1)
На первый взгляд, у нас может возникнуть соблазн подумать, что мы можем определить «мягкость» нашей характеристики восстановления как простое отношение t rrr к t rrf. Мы можем видеть, что это соотношение было бы небольшим для мягкого диода (например, ~ 1/3 или ~ 0, 33) и большого (например, ~ 3/1 или ~ 3) для крутого диода в этих двух примерах сигналов. Разумеется, сжатие времени для восстановления тока от I rm обязательно сделает его более резким, при этом все остальные остаются неизменными.
Но давайте рассмотрим еще две формы обратного восстановления, причем оба они имеют отношение rrr / t rrf, которое близко соответствует примеру нашего мягкого восстановления:
Image
Еще два примера резких сигналов восстановления (изображение, адаптированное из стандарта JEDEC JESD282B.01, рис. 6.1)
Вы можете видеть из этих последних двух сигналов, что простое отношение rrr / t rrf не будет содержать ключевую физическую точку: это кривая кривой, dI / dt, это важно!
Поэтому стандарт JEDEC определяет коэффициент мягкости мягкой обратной связи (RRSF) для выпрямителей как отношение «максимальной абсолютной величины dI / dt в пределах области t rrr к области в области t rrf ».
Чтобы растянуть аналогию с банджи еще немного (каламбур не предназначен), некоторые производители называют это отношение «коэффициентом привязки», а значения, которые считаются «мягкими» для сверхбыстрого выпрямителя, обычно представляются цифрами, превышающими 0, 5 (т. Е. 1/2), При анализе данных выпрямителя следует помнить, что t rrr и t rrf часто аннотируются как «t a » и «t b » соответственно; и хотя это устаревшая нотация, она по-прежнему встречается во многих последних таблицах данных.
Форвардное восстановление
В начале мы говорили, что существует два типа восстановления. Мы обсуждали обратное восстановление в некоторой степени, но давайте не будем забывать говорить о другом типе: форвардное восстановление.
Возвращаясь к понятию теоретически идеального диода, такое устройство, конечно, будет проводить ток без какого-либо сопротивления или прямого падения напряжения в тот момент, когда анод становится положительным по отношению к катоду. Однако, как и при обратном восстановлении, для того, чтобы PN-переход установил себя в противоположном предвзятом состоянии, требуется конечное количество времени. Внешнее электрическое поле должно иметь время для впрыскивания носителей в зону истощения (приведение перехода в прямое смещение).
Прямое восстановление определяется как время, необходимое для напряжения на диоде, чтобы достичь определенного уровня, близкого к его установившемуся значению V F, когда применяется крутой импульс прямого тока. До тех пор, пока диод не достигнет конечного времени восстановления, t fr, падение напряжения может ненадолго подняться до V FRM, что во много раз превышает его установившееся значение V F.
Приведенный ниже рисунок был адаптирован и переработан из стандарта JEDEC № JESD282B.01, рис. 5.13.
Image
Форма сигнала восстановления JEDEC
Но для того, чтобы обеспечить обратное восстановление, цепь, в которой должен выполняться выпрямитель, должна была бы представить dI / dt, по меньшей мере, десятков усилителей за микросекунду. Тем не менее, существуют приложения, в которых речь идет о том, что это случайные диоды (так называемые обратные диоды, зажимные диоды, демпферы), являющиеся заметными примерами.
Выпрямитель Schottky
На этом этапе нам нужно обсудить характеристики восстановления выпрямителя Шоттки. Проще говоря, их нет! По крайней мере, если мы определим обратное восстановление как время, необходимое для того, чтобы соединение было очищено от носителей заряда, а зона истощения была восстановлена и расширена.
До сих пор мы обсуждали характеристики восстановления кремниевого переходного выпрямителя. Эти характеристики восстановления обусловлены физикой полупроводникового соединения PN. Однако поведение выпрямителя Шоттки не основано на PN-соединении. Скорее, его способность исправлять основана на барьерном соединении Шоттки (иногда известном как соединение металл-кремний).
В отличие от PN-перехода, соединение Шоттки не имеет зоны истощения. Поэтому выпрямители Шоттки могут иметь типичные значения t rr 10 нс или менее для некоторых устройств с умеренным током. С выпрямителями Шоттки переключение может по существу считаться мгновенным, причем единственная задержка - от емкости перехода (которая обычно мала). И поскольку небольшое количество времени восстановления, которое у них есть, в основном связано с емкостью, что восстановление является мягким, а также быстрым.
Ограничения выпрямителей Шоттки
Так что если выпрямители Шоттки настолько быстры и быстры, и они невелики V F, почему они не всегда лучший выбор? Ну, к сожалению, ответ заключается в том, что они подвержены самоуничтожению посредством теплового убегания, если не учитывать должного учета рассеивания мощности, теплоотвода и температуры рабочей среды. Это связано с тем, что их обратная утечка экспоненциально возрастает с температурой.
Например, типичный Шоттки, который имеет значение I r 0, 25 мА при 25 ° C, будет иметь этот баллон для утечки до 30 мА при 125 ° C, что более чем на 100 процентов!
Тем не менее, Шоттки может быть хорошим выбором при следующих условиях:
если ваше требование V R является скромным (т. е. ожидается только низкое напряжение в цепи)
если вы можете терпеть некоторую существенную утечку (и тепло, которое создаст продукт V R × I r)
если вы уверены, что можете точно опустить тепло, чтобы поддерживать низкую рабочую температуру в любых предсказуемых условиях
Сравнение ключевых параметров
Некоторые из них быстрее, некоторые из них мягкие, а некоторые дешевые, в то время как другие могут быть дорогими. Нам нужно организовать наши мысли и убрать наш страх; Сейчас мне кажется, что здесь есть таблица. (Приношу свои извинения за свободный, перевернутый ямбический пятиметровый стих, но эта таблица заслуживает специального введения).
Мы представили здесь в матричной форме ключевые дифференцирующие параметры (заданные как типичные значения и типичные диапазоны) для общедоступных одноадресных выпрямителей в категориях, которые мы обсуждали.
Image
Ключевые параметры для разных типов выпрямителей (типичные значения / диапазоны)
История технологии выпрямителя
Прежде чем мы закончим обсуждение того, как выбрать правильный выпрямитель мощности, я думаю, что будет выяснено, какие варианты доступны для предыдущих поколений инженеров и дизайнеров. В приведенной ниже таблице представлен обзор высокого уровня прошлого столетия технологического прогресса в выпрямителях мощности.
Примечание. Для этой цели мы будем узко определять выпрямители как «силовые диоды» и игнорировать механические средства ректификации конца XIX века, такие как резонансные звуковые вибраторы, синхронные контакты с двигателем и двигатели-генераторы. Аналогичным образом, мы будем игнорировать современные схемы, такие как синхронное выпрямление, где МОП-транзисторы заменяют выпрямители.
Эти оговорки на месте, приведенная ниже диаграмма показывает относительную эффективность (в%) и относительный физический объем (в см 2) по вертикальной оси по сравнению с технологией и применимые десятилетия, используемые на горизонтальной оси. Шкала нормализована для устройств, способных доставлять нагрузку мощностью 100 Вт.
Image
Выпрямители 20-го века
Мы начинаем нашу диаграмму в начале 20-го века с электролитических выпрямителей. Хотя электролитические выпрямители были коммерчески произведены и легко доступны в начале 1900-х годов, домашние DIY-версии были обычно найдены в ветчинах-лачугах любительских радиооператоров и других предприимчивых энтузиастов энергии. Они были легко и экономично сконструированы путем смешивания буры (тетрабората натрия) в пинтовой банке с водой и погружения алюминиевой пластины и свинцовой пластины в электролит на противоположных сторонах банки.
В течение первых нескольких минут работы переменного тока между двумя электродами происходит процесс формования, в котором алюминиевый электрод взаимодействует с раствором для достижения тонкого поверхностного покрытия, которое позволяет только ток протекать в одном направлении и, таким образом, обеспечивает выпрямляющее действие, (Ведущий электрод не образует покрытия, он просто обеспечивает соединение с электролитом.) Эффективность этих электролитических выпрямителей была фактически больше, чем вакуумные выпрямители, которые в конечном итоге вытеснили их.
Выпрямители вакуумной трубки были немного меньше по объему и не были склонны к проливанию или утечке жидкостей. Выпрямители вакуумной трубки были распространены в большинстве бытовой электроники в первой половине 20-го века, и на самом деле у них все еще есть поклонники среди хардкорных аудиофилов.
Выпрямители оксида меди и селена стали коммерческой альтернативой вакуумным трубчатым выпрямителям и часто выбирались дизайнерами для их компактных размеров и механической прочности, а также их повышенной эффективности. Тем не менее, они были подвержены деградации с течением времени и вызвали непоправимый фол и острый запах при неудаче.
Полупроводниковые выпрямители (первый германий, а затем кремний и Шоттки) стали основой для коммерческих, промышленных и автомобильных применений на протяжении второй половины 20-го века, и сегодня они по-прежнему являются составными частями конструктора.
Вывод
Теперь у вас должно быть понимание того, как скорость переключения, схема dI / dt и поведение диода как в статических, так и в динамических рабочих условиях будут приводить ваш выбор выпрямителя. Помните, что вам всегда нужно начинать с определения максимального устойчивого постоянного тока I O, который должен поддерживать ваш выпрямитель, а также постоянного напряжения блокировки V R.
Вооружившись этой информацией и понимая характеристики восстановления выпрямителя, вы будете готовы погрузиться в таблицы данных различных производителей, сравнить их и сравнить с ними и сделать свой выбор.
Не то, чтобы вам это нужно сейчас, но вот список пулей, чтобы обеспечить отправную точку при выборе типа выпрямителей мощности, наиболее подходящих для использования в следующем мощном дизайне.
Высоковольтные источники питания с импульсным режимом (SMPS): используйте быстрые и сверхбыстрые выпрямители с низким t rr.
Релейные и соленоидные катушки и цепи демпфера: используйте быстрые выпрямители с низким уровнем трения.
Схемы диодов со свободным током: используйте сверхбыстрые выпрямители с низким напряжением и низким уровнем trr.
Текущее рулевое управление, питание OR-ing и защита от обратной полярности: используйте стандартные выпрямители для высоковольтных применений и Schottky для низковольтных приложений.
Приводы переменного тока 50/60 Гц: Используйте стандартные выпрямители для восстановления.
Автомобильная, ветровая турбина, микрогидроо и другие трехфазные генераторы: Используйте стандартные выпрямители выпрямителя.
Следите за предстоящими статьями по смежным темам (таким как кремниевые выпрямители (SCR), триаки и другие тиристоры энергии).
