Время обратного восстановления. Простой способ измерения емкости и времени обратного восстановления диода. Условия и режим измерений

Glen Chenier

На днях Линда из отдела снабжения зашла ко мне с проблемой: Лу из конструкторского отдела попросил ее найти замену для диода, сгоревшего в импульсном источнике питания. Чертова штука была маркирована странным номером, расшифровать который не помогло никакое гугление.

На корпусе был узнаваемый логотип изготовителя, но запросить у него справочные данные не представлялось возможным - маркировка типа осталась от давно проданной компании и в последующем никем не использовалась. Оставалось попытаться решить проблему самостоятельно.

Условия и режим измерений

Способна генерировать импульсные токи прямого смещения до 2А с последующим обратным импульсом смещения до -4А. Время перехода от смещения вперед к обратному смещению составляет менее 3 нс, что позволяет проверять сверхбыстрые выпрямители. Испытуемое устройство подключается последовательно с резистором 50 Ом. Напряжение на резисторе может контролироваться для наблюдения за сигналом тока диода. Общая схема соединений приведена ниже.

То есть, это правильное завершение, когда диод смещен вперед, но он не является надлежащим завершением, когда диод останавливается в обратном направлении. Однако, сохраняя длину коаксиального кабеля менее 8 дюймов, отражения импеданса-несоответствия минимальны.

По счастью в ЗиПе имелась вторая идентичная деталь, и Лу смог предоставить мне исправный диод того же типа. Теперь мне лишь оставалось выяснить, что же это такое. Обычный выпрямительный диод? Стабилитрон? Диод Шоттки? Какое обратное пробивное напряжение? Емкость перехода? Время восстановления?

Из размеров корпуса DO-41 несложно было заключить, что допустимая мощность составляет один ватт. Не составляло также труда пропустить различные токи и измерить прямое падение напряжения, чтобы убедиться, что это не диод Шоттки. Соединив последовательно несколько источников питания и постепенно увеличивая обратное напряжение (с токоограничительным резистором соответствующего сопротивления на случай достижения пробивного напряжения стабилитрона), я убедился, что это не стабилитрон - по крайней мере, в пределах испытательного напряжения 200 В.

Ниже приведены некоторые результаты для разных диодов. Во всех случаях переднее смещение составляет 100 В, а обратное смещение составляет -200 В, приблизительно. Верхняя волновая форма является входным сигналом тестового зажима, а нижняя форма волны является выходом.

Это более быстрый диодный диод, но с относительно резким переходным режимом.

Этот диод примечателен тем, что он быстро, но очень «мягкий» переходный переход.

Эти формы сигналов демонстрируют универсальность. Мы рассматриваем коммутационные потери, связанные с зарядом заряда диода, транзисторным переключением с зажатой индуктивной нагрузкой, емкостью устройства и утечкой, упаковкой и паразитными индуктивностями, а также кривой зависимости эффективности от частоты переключения.

Задача оценки требуемого максимально допустимого обратного напряжения могла быть решена путем первоначальной замены в схеме источника питания проверяемого прибора высоковольтным диодом и последующим измерением падающего на нем напряжения.

Таким образом, неизвестными остаются только емкость перехода C J и время восстановления обратного сопротивления T RR . Это время, в течение которого диод остается в проводящем состоянии после резкой смены прямого напряжения на обратное. Я должен был найти способ измерения этих параметров. И без какого-либо экзотического оборудования, лишь с тем, что необходимо для грубой оценки, другими словами, все, с чем я должен был работать - это функциональный генератор с временем спада 40 нс и 100-мегагерцовый осциллограф.

Переключающие характеристики диода во время выключения показаны на рис. Это время между тем, когда мгновенный ток прямого диода становится равным нулю, а мгновенный обратный ток восстановления уменьшается до 25% от его обратного максимального значения. Из уравнений 1 и 2 получаем.

Транзисторное переключение с зажатой индуктивной нагрузкой

Из уравнений 3 и 4 получаем. Из уравнений 5 и 2 получаем. Задержка во время включения или выключения связана с временем, которое занимает меньшая несущая для достижения подходящей точки плотности. Его характеристики переключения указаны в отношении схемы внешней нагрузки и формы сигнала для базового тока. Зафиксированная индуктивная схема коммутации с плоским базовым приводом показана на рис.

Измерительная установка была очень простой. На проверяемый диод подавались 5-вольтовые импульсы с таким постоянным смещением, чтобы диод открывался только на время положительных пиков импульсов. Осциллограф, подключенный к обоим выводам диода, синхронизировался отрицательным фронтом импульса генератора. Меняя постоянное напряжение смещения, можно было управлять прямым напряжением и током проводимости диода. Ток проводимости исследуемого диода измерялся по падению напряжения на последовательном сопротивлении 50 Ом.

Переключение потерь происходит во время включения и выключения, и они доминируют для операций быстрой коммутации. Волновые формы, показывающие изменение напряжения и тока во время перехода для резистивной и индуктивной нагрузки, показаны на рис. Переход напряжения и тока во время выключения для резистивной нагрузки с индуктивной нагрузкой.

Его следует поддерживать на определенном уровне после включения, чтобы сохранить его в состоянии насыщения, чтобы минимизировать потери проводимости. Как и в случае силового диода, время обратного восстановления зависит от сохраненного заряда и наклона тока.

Первые, что требовалось сделать - оценить работоспособность измерительной установки. Насколько адекватно эти доморощенные испытания отражают реальные характеристики диодов? Это было проверено путем измерений нескольких диодов с известными параметрами и сравнения результатов с информацией из технической документации. Я протестировал следующие диоды, и нашел результаты весьма интересными:

Если ток нагрузки постоянный в течение интервала переключения малой продолжительности, а также из-за индуктивной нагрузки; его можно рассматривать как источник с постоянным током. Затвор управляется идеальным источником напряжения. Кроме того, диод считается идеальным и, таким образом, не показывает никаких характеристик обратного восстановления.

Характеристики включения и выключения для зажимаемой индуктивной нагрузки показаны на рис. 10 и рис. Сохраненная энергия исчезает во время перехода на переход. Общая энергия, накопленная в конденсаторе, определяется. Блуждающие индуктивности: это индуктивности, которые появляются последовательно последовательно с переключателем, когда он начинает разомкнуться. Эта запасенная энергия исчезает во время перехода выключения.

- используемый в повседневной практике стандартный выпрямитель с указанным значением C J = 15 пФ и неизвестным T RR ;
- быстродействующий переключающий диод с указанными значениями C J = 4 пФ и T RR = 8 нс;
- сильноточный выпрямительный диод с быстрым восстановлением и указанными значениями C J = 300 пФ и T RR = 200 нс;
Загадочный объект.

Для удобства сравнения масштаб по оси времени для всех осциллограмм выбран одинаковым и равным 100 нс/дел.

Помимо этих потерь при включении и выключении переходов, могут возникать потери переключения из-за хранения диода, паразитных емкостей, паразитных индуктивностей и звонка. Мощность пропорциональна накопленной энергии, умноженной на частоту. Эффективность преобразователя уменьшается с увеличением частоты переключения. Но существует определенное критическое значение частоты, эффективность которой резко уменьшается.

Эффективность по сравнению с кривой частоты переключения. На днях Линда из «Скупкинга» пришла ко мне с проблемой: Лу из Операции потребовался для замены замены короткого диода на импульсном источнике питания. Заклятая вещь была отмечена странным номером части, которую не может расшифровать ни один из них.

Это наглядно демонстрирует, насколько хорошо стандартный выпрямительный диод подходит для частоты 50 или 60 Гц, где постепенное плавное изменение обратного смещения происходит за время, намного превышающее T RR . Но вы можете видеть, что в режиме резких переключений диод становится виртуальным коротким замыканием на значительную часть периода. Нехорошо.

Была распознаваемая маркировка логотипа, но производитель не смог предоставить лист данных. Номер детали был получен от ранее приобретенной компании и был уникален для конкретного клиента. К счастью, для ремонта был второй идентичный блок, и Лу смог снабдить меня хорошим диодом того же типа. Теперь мне нужно было выяснить, что это было. Обратный рейтинг пробоя напряжения?

Было также легко вводить различные токи и измерять прямое падение напряжения, чтобы определить, что это не диод Шоттки. Подключив несколько блоков питания последовательно и постепенно увеличивая обратное напряжение, доказал, что это не стабилитрон - по крайней мере, не ниже 200 вольт.

Теперь давайте, сравним предыдущие результаты с диодом 1N4148.

Постоянное смещение и амплитуда импульса установлены такими,
чтобы через открытый 1N4148 протекал ток, предельный для
используемого генератора. 50-омный согласующий резистор на входе
испытываемого диода был на время удален, чтобы получить
максимальный прямой ток 100 мА, однако даже при таких условиях
обратный ток был настолько мал, что измерить его не представлялось
возможным. Обратите внимание, что для этой осциллограммы масштаб
по вертикали был временно изменен на 5 В/дел.

Небольшое время T RR делает диод пригодным для использования в сильноточных переключающих схемах, но даже при этом одним из факторов, ограничивающих рабочую частоту, будет то, как быстро диод выходит из состояния проводимости. Обойти это ограничение можно заменой диодов синхронно управляемыми МОП-транзисторами.

Это время, когда диод остается проводящим, когда внезапно переключается с вперед на обратное смещение. Мне нужно было выяснить способ измерения этих параметров. Первое, что нужно сделать, это охарактеризовать тестовую настройку. Синий ток был обусловлен только емкостью и должен отличаться от обратного тока.

Большой шаг напряжения приводит к небольшому обратному току. Теперь обратный ток достигает 60 мА, и время восстановления стало очень заметным. Чем сложнее диод вперёд, тем длиннее время восстановления. Это показывает, как стандартный диод выпрямителя подходит для использования на частотах 50 или 60 Гц, где постепенное плавное изменение в обратном смещении занимает гораздо больше времени, чем диод. Но вы можете видеть, что в режиме внезапного переключения диод становится виртуальным короткое замыкание на большой процент от периода цикла.

И, наконец, мы возьмем неизвестный диод.

Как и в предыдущем опыте, неизвестный диод испытывался при предельном выходном токе генератора. Прямой и обратный токи одинаковы и равны 100 мА. Масштаб по вертикали на время был увеличен до 5 В/дел. Время восстановления обратного сопротивления осталось равным 200 нс.

Опираясь на проведенные измерения, можно было заключить, что хорошим выбором для замены неизвестного диода с быстрым восстановлением могут быть UF4004 или UF4007. Я попросил Линду приобрести оба и предложить Лу первым испробовать 1000-вольтовый UF4007, чтобы, измерив падающее на нем обратное напряжение, определить, можно ли там использовать 400-вольтовый , чья вольтамперная характеристика ближе к неизвестному диоду.

На этой граничной скорости невозможно измерить время обратного восстановления. Обратное время восстановления по-прежнему составляет 200 нс. Наконец, мы смотрим на неизвестный диод. Обратное время восстановления - 100 нс. Примененное устройство будет использоваться устройством для преодоления барьерного потенциала, который накладывается на него из-за наличия неподвижных носителей заряда в его области истощения. Теперь представьте, что один обратный смещает это напряжение, инвертируя полярности, связанные с терминалами.

То есть диод, который ведет в своем прямом направлении, как ожидается, прекратит проводку мгновенно. Тем не менее, это практически невозможно, так как поток большинства через диод не прекращается прямо в момент изменения смещения. На самом деле они будут занимать конечное время до остановки, и на этот раз известно.

Когда диод закрывается, сохраненный в нем заряд должен разрядиться, это приводит к росту тока диода в обратном направлении. Кривая этого тока характеризует режим обратного восстановления диода.

На рис.1.19 показана простейшая цепь для измерения режима.

Рис. 1.19
S - идеальный ключ, I L - источник тока, V K - источник напряжения, L K - индуктивность

Во время этого обратного времени восстановления диода видно, что через диод будет протекать довольно большое количество, но в противоположном направлении. Однако его величина уменьшается и становится насыщенной до значения обратного тока насыщения, как только линия времени пересекает обратное время восстановления диода. Графически можно описать обратное время восстановления диода как общее время, которое начинается с момента, когда обратный ток начинает течь через диод, до момента времени, до которого он достигает нуля при разложении, достигая своих отрицательных максимумов.

После закрывания ключа S, через диод будет протекать ток и напряжение, как это показано на рис.1.20. Этот график служит примером мягкого восстановления диода. На рис.1.21 показаны примеры характеристик диодного тока с резким изменением параметров. Кривая поясняется рисунком 1.20.

Рис.1.20 Характеристики тока и напряжения процесса «мягкого» восстановления диода в цепи на рис.1.19 и определение характеристик режима восстановления

Отношение этих двух факторов времени известно как коэффициент мягкости. В случае нормального диода время, затрачиваемое на распад тока, будет меньше по сравнению с временем, потребляемым током, для достижения его отрицательного пика. С другой стороны, для мягкого восстанавливающего диода ситуация будет обратная. Также видно, что коэффициент мягкости дает меру потерь, возникающих при переключении. Большее - это отношение, большее будет потерями переключения. Из этого можно сделать вывод, что при использовании диодов с мягким восстановлением потери, возникающие при переключении полупроводников, больше, чем те, которые возникают при использовании обычных диодов.

Скорость коммутации dI/dt определяется напряжением и индуктивностью:

- (dI/dt) = (V k /L k) (1.1)

В момент t 0 ток проходит через ноль. В момент tw диод начинает закрываться. При этом pn-переход диода освобождается от носителей заряда. При t irm ток падает до уровня тока утечки, характеристика тока зависит только от диода.

Время обратного восстановления t rr определяется интервалом между t 0 и моментом, когда ток достигает значения 20 % от I RRM . Интервалы t f и t s (рис.1.20) определяются количественными значениями для режима восстановления:

Этот феномен обратного восстановления представляет собой в основном паразитный эффект, наблюдаемый в случае диодов, и, как видно, он зависит от уровня легирования кремния и его геометрии. Кроме того, даже температура перехода, скорость, с которой падает прямой ток, и значение прямого тока непосредственно перед обратным смещением, также влияют на его значение. Большее время обратного восстановления, медленнее будет диод и наоборот. Таким образом, диоды с меньшим временем обратного восстановления предпочтительнее, особенно когда требование имеет высокую скорость переключения.

коэффициент «мягкости» s = t f / t s (1.2)

Этого определения недостаточно, потому что характеристика на рис.1.21а может быть резкой. Характеристику на рис.1.21b можно классифицировать как мягкую, t f > t s , но это жесткий срез.

Рис. 1.21. Характеристики тока для двух режимов быстрого восстановления диода

Кроме того, в течение этого временного интервала будет большой поток тока обратно к источнику питания, который подает питание на диод. Следовательно, обратное время восстановления диода является важным конструктивным фактором, который следует учитывать при проектировании источников питания. Одним из таких применений является электрический выключатель.

Электрические переключатели через механические переключатели

Электрические переключатели являются предпочтительным выбором по сравнению с механическими переключателями по следующим причинам. Механические выключатели подвержены окислению металлов, тогда как электрические выключатели не работают.

Механические переключатели имеют подвижные контакты.
Они более склонны к напряжению и напряжению, чем электрические выключатели.
Изношенные и порванные механические переключатели часто влияют на их работу.

Следовательно, электрический выключатель более полезен, чем механический переключатель.

Более точно можно найти коэффициент «мягкости»

Измерения нужно проводить при токе менее чем 10 % и при 200 % установленного тока. Это означает, что малые токи очень влияют на режим обратного восстановления. Перенапряжения можно найти по закону:

V ind = - L k · (dI r /dt) max (1.4)

Поэтому перенапряжения при некоторых условиях измерения или импульс напряжения V M = V K + V ind могут также рассматриваться как характеристики режима обратного восстановления. Но этого определения также недостаточно, так как не учитываются следующие параметры:

Температура. Высокие температуры оказывают негативное воздействие на режим восстановления. Но для некоторых быстрых диодов этот режим хуже при температуре окружающей среды или при низких температурах.
Приложенное напряжение. Высокое напряжение замедляет обратное восстановление.
Скорость нарастания тока dI/dt. Зависимость dI/dt во многом зависит от производителя диодов. Некоторые диоды реагируют более мягко на увеличение dI/dt, другие - более жестко.

Все эти факторы можно не суммировать при одном простом расчете. Поэтому схема на рис.1.19 и соотношения (1.2) или (1.3) применимы только для пояснения влияния какого-либо параметра на режим переключения. Общая оценка режима обратного восстановления может быть произведена только для определенного режима работы диода в схеме. Такая измерительная цепь приведена на рис.1.22.

Рис. 1.22

Рис. 1.23

Пока через IGBT проходит импульсный обратный ток IRPM, напряжение на IGBT все еще равно напряжению V k (1200 В на рис.1.24а). При этом потери мощности включенного состояния максимальны для IGBT.

Характеристику обратного восстановления диода можно разделить на две части:

Возрастание обратного импульса тока и соответственно обратного падения тока со скоростью dI r /dt. dI r /dt находится в пределах dI/dt насколько это позволяет диод. Импульсный обратный ток IRPM воздействует на ключ.
«Хвост», при этом обратный ток медленно снижается до нуля. Здесь нельзя определить t rr . Основные потери мощности диода возникают в «хвосте», когда напряжение уже приложено к диоду. Быстрый диод без хвостового тока обеспечит меньшие потери коммутации, но может быть непригодным в работе. В IGBT потери при коммутации в этой фазе не столь высоки, так как в этот момент приложенное напряжение уже уменьшилось.

По сравнению с потерями в IGBT, при работе потери в диоде меньше (потери при коммутации в диоде на рис.1.24а приводятся в том же масштабе, что потери в IGBT на рис.1.24b). Для максимального уменьшения потерь в IGBT и в диоде необходимо учесть малый импульс обратного тока и большую часть сохранившегося заряда, который был разряжен в хвостовой фазе. Предел этого - максимальная рассеиваемая мощность диода.

Рис. 1.24. Ток, напряжение и потери мощности при включении IGBT (а) и выключении диода (b), которые были измерены в схеме на рис.1.22

Импульсный обратный ток восстановления IRPM - наиболее важный параметр диода, влияющий на общие потери, поэтому его необходимо минимизировать.

V(t) = - Vk - L q ges · (dI r /dt) + V CE(t) (1.5)

На рис.1.25 приведен пример режима восстановления по этому способу. При этих условиях перенапряжения в CAL-диодах сравниваются с диодами, время жизни носителей заряда в которых устанавливается платиновой диффузией, CAL-диоды работают с мягкими условиями восстановления за счет уменьшенной эффективности р- эмиттера. Диоды с платиной становятся такими же «мягкими», как и CAL-диоды при номинальном токе (75 А).

Но меньшие токи вызовут максимальные перенапряжения, более 100 В при 10 % номинального тока из-за быстрых параметров переключения. Но в CAL-диодах не будет значительных перенапряжений при любых условиях.

Рис. 1.25. Выброс напряжения при коммутации в зависимости от прямого тока диода

Все дальнейшие объяснения в этом руководстве основаны на следующем определении: Диод работает в режиме мягкого восстановления, если при любых параметрах в схеме не возникает перенапряжений, вызванных спадом обратного тока диода. Любые параметры - это номинальный диапазон токов, все частоты коммутации схемы при температуре от -50°С до +150°С. Это определение верно, если dI/dt не слишком высоко (> 6 кА/мкс) или в схеме достаточно большая индуктивность (> 50 нГн), что также может вызвать выбросы напряжения.

Не менее важным требованием к обратным диодам на напряжение от 100 В (несмотря на мягкий режим коммутации) является динамическая устойчивость. На рис.1.24b показано, что пока через диод протекает хвост тока, к нему приложено почти все входное постоянное напряжение. Если IGBT переключается очень резко (малое сопротивление затвора RG), будут расти обратный и хвостовой токи, вместе с которыми уменьшается напряжение VCE на IGBT, которое коммутирует диод с большей скоростью dV/dt. Плотность проводящих ток носителей заряда (дыр) поэтому будет выше исходной плотности, вследствие чего произойдет пробой в полупроводнике при напряжении, намного ниже обратного уровня (динамический пробой). Для управления этими процессами существует характеристика динамической устойчивости обратных диодов. Динамическая устойчивость определяется следующим образом:

Динамическая устойчивость - способность диода выдерживать высокие скорости коммутации di/dt и высокие напряжения в одно и тоже время.

Если диод имеет незначительную динамическую устойчивость, ограничивает di/dt IGBT или работает только с максимальным обратным выбросом тока, допускается увеличение потерь на переключение.