ciąg dalszy w pliku - Serwis Elektroniki

Diody prostownicze we wspó³czesnych zasilaczach impulsowych
Diody prostownicze we wspó³czesnych zasilaczach
impulsowych (SMPS)
Bogus³aw Grubski
Ci¹g³y rozwój tranzystorów prze³¹czaj¹cych mocy
a w szczególnoœci tranzystorów POWER MOSFET
pozwala na konstruowanie zasilaczy impulsowych
pracuj¹cych na czêstotliwoœciach setek kHz. Powoduje to zwiêkszenie wymagañ dotycz¹cych nastêpnego co
do wa¿noœci podzespo³u - prostowniczej diody mocy.
Nie wystarczy ju¿ obecnie znajomoœæ takich podstawowych parametrów diody jak: napiêcie przewodzenia,
maksymalne napiêcie wsteczne, maksymalny pr¹d
przewodzenia, czy pr¹d udarowy.
Wstêp
Na pewno zdarzy³o nam siê przy naprawie zasilacza impulsowego obserwowaæ na ekranie oscyloskopu przebiegi na diodzie czy tranzystorze odbiegaj¹ce znacznie od spodziewanych.
Zastanawiamy siê wówczas czy obserwowane odstêpstwa s¹ w
normie, czy mo¿e w naszym uk³adzie nie wszystko jest w porz¹dku? Mo¿e zastosowana jako zamiennik „szybka” dioda nie
jest odpowiednia (nagrzewa siê bowiem nadmiernie)? Jak¿e
czêsto z zadumy wyrywa nas smu¿ka dymu zwiastuj¹ca z³¹
nowinê? Spróbujemy znaleŸæ odpowiedzi na powy¿sze pytania.
Na rys.1 pokazano zachowanie siê zwyk³ej diody dyfuzyjnej w uk³adzie prostownika jednopo³ówkowego.
a)
Napięcie źródła
D
v
R
f=1 kHz
Na rys.1a zachowanie diody przy prostowaniu przebiegu o
czêstotliwoœci 1kHz jest bliskie idea³u. Przy czêstotliwoœci
50kHz jest ju¿ znacznie gorzej (rys.1b). Zanim dioda przejdzie
w stan zaporowy up³ywa znaczna czêœæ pó³okresu. Tymczasem
na diodzie wystêpuje du¿e napiêcie wsteczne i jednoczeœnie
p³ynie pr¹d wsteczny porównywalny z pr¹dem przewodzenia,
a wiêc straty mocy w diodzie s¹ znaczne. Dioda nagrzewa siê
mocno i na nieszczêœcie nie trzeba bêdzie d³ugo czekaæ.
Zdarzy³o nam siê na pewno równie¿ wielokrotne uszkodzenie tranzystora w przetwornicy po wymianie duetu: dioda tranzystor. Wymieniaj¹c kolejne tranzystory nie przysz³o nam
do g³owy obwiniaæ za ich uszkodzenie diodê, bo przecie¿ dioda jest „dobra”. Spójrzmy na rys.2, na którym pokazano zachowanie siê diody dyfuzyjnej i diody epitaksjalnej w zasilaczu impulsowym pracuj¹cym z czêstotliwoœci¹ 50kHz. Na tym
samym rysunku pokazano równie¿ przebiegi napiêcia i pr¹du
wspó³pracuj¹cego z diod¹ tranzystora - klucza.
W przypadku diody epitaksjalnej przebiegi zarówno na niej
samej jak i na wspó³pracuj¹cym z ni¹ tranzystorze tylko nieznacznie odbiegaj¹ od idea³u. Zwróæmy uwagê na przebieg
pr¹du kolektora, który po niewielkim przerzucie na pocz¹tku
okresu przewodzenia, potem narasta ju¿ prawie liniowo.
Zupe³nie inaczej wygl¹da to w przypadku zastosowania diody dyfuzyjnej. Odnoœnie przebiegu pr¹du sytuacja jest podobna do tej z rys.1b. Bardzo interesuj¹cy jest przebieg pr¹du kolektora, gdzie przerzut po w³¹czeniu przekracza kilkakrotnie
wartoœæ pr¹du w stanie ustalonym. Zauwa¿my, ¿e w tym czasie
napiêcie na kolektorze nie zd¹¿y³o zmaleæ do zera. Tranzystor
znajduje siê wiêc w stanie aktywnym przewodz¹c nadmierny
pr¹d przy du¿ym napiêciu na kolektorze. Straty mocy s¹ znaczne, tranzystor mocno siê nagrzewa a nieszczêœcie jest „tu¿ za
rogiem”.
Prąd w obciążeniu
Wymagania stawiane diodom pracuj¹cym
we wspó³czesnych SMPS
b)
v
Dioda prostownicza w zasilaczu impulsowym o wysokiej
czêstotliwoœci pracy musi spe³niaæ nastêpuj¹ce wymagania:
· krótki czas odzyskiwania w³aœciwoœci zaporowych trr - odpowiedni do stosowanej czêstotliwoœci,
· niski spadek napiêcia w kierunku przewodzenia VF - dla
zwiêkszenia sprawnoœci zasilacza,
· ma³e straty przy prze³¹czaniu,
· ³agodny przebieg pr¹du w czasie odzyskiwania w³aœciwoœci zaporowych, z ma³ym dIR/dt, redukuj¹cy generacjê niepo¿¹danych zak³óceñ o czêstotliwoœciach radiowych.
Napięcie źródła
D
R
f=50 kHz
Prąd w obciążeniu
Rys.1. Przebiegi napiêcia i pr¹du zwyk³ej diody
dyfuzyjnej w uk³adzie prostownika.
5-4915 ELEKTRONIKI
Diody prostownicze we wspó³czesnych zasilaczach impulsowych
Dioda epitaksjalna
Dioda dyfuzyjna
0
Napiêcie
na diodzie
Napiêcie
na diodzie 0
10V/dz.
10V/dz.
Pr¹d
diody
0
Pr¹d
diody
2A/dz.
0
2A/dz.
Czas
Czas
5us/dz.
5us/dz.
Przebiegi na tranzystorze wspó³dzia³aj¹cym
z diod¹ dyfuzyjn¹
U CE
Przebiegi na tranzystorze wspó³pracuj¹cym
z diod¹ epitaksjaln¹
UCE
20V/dz.
20V/dz.
IC
IC
1A/dz.
1A/dz.
Czas
2us/dz.
Czas
2us/dz.
Rys.2. Porównanie diody dyfuzyjnej i diody epitaksjalnej pracuj¹cych w 50kHz SMPS.
Parametry charakteryzuj¹ce diody pracuj¹ce w SMPS
Straty podczas przewodzenia
Straty podczas przewodzenia s¹ g³ównym sk³adnikiem strat
w diodzie zasilacza impulsowego. Jest oczywiste, ¿e aby straty
te zminimalizowaæ, napiêcie VF powinno byæ jak najmniejsze.
Najlepsze s¹ pod tym wzglêdem diody Schottky’ego, lecz niestety nie jest mo¿liwe wytworzenie tych diod o wy¿szych ni¿
50V napiêciach wstecznych. W praktyce dla napiêæ wyjœciowych powy¿ej 10V stosowane s¹ najczêœciej szybkie diody
epitaksjalne. Przy pr¹dzie przewodzenia 10A, napiêcie VF tych
diod zawiera siê w zakresie: 0,75V do 1V.
Podczas przewodzenia pr¹du powstaje w diodzie ³adunek
z³o¿ony z elektronów i dziur, którego obecnoœæ zapewnia ma³¹
wartoœæ VF. Z drugiej jednak strony zgromadzony w czasie przewodzenia ³adunek utrudnia prze³¹czenie diody do stanu zaporowego. Dopiero po jego ca³kowitym usuniêciu dioda odzyskuje swoje w³aœciwoœci zaporowe. Usuwanie ³adunku trwa
pewien czas i objawia siê znacznym szpicem pr¹du wstecznego, który powoduje oscylacyjne przerzuty napiêcia wstecznego na diodzie.
pr¹d przewodzenia
dI f
dt
tr r
Odzyskiwanie w³aœciwoœci zaporowych
Czas odzyskiwania w³aœciwoœci zaporowych (trr), zgromadzony ³adunek (Qs) i szczytowy pr¹d wsteczny (Irrm ).
Najwa¿niejsz¹ po VF cech¹ diod prostowniczych wy¿szych
czêstotliwoœci s¹ parametry charakteryzuj¹ce odzyskiwanie
w³aœciwoœci zaporowych. Parametry te wp³ywaj¹ na w³aœciwoœci zasilacza impulsowego i jeœli nie s¹ optymalne to powoduj¹: zwiêkszone straty diody przy prze³¹czaniu, wy¿szy pr¹d
szczytowy przy w³¹czaniu tranzystora i wiêksze straty mocy w
tranzystorze, wy¿szy poziom generowanych zak³óceñ elektromagnetycznych i oscylacje w przebiegu napiêcia na wyjœciu.
VF
ta
tb
10%
QS
dI r
dt
pr¹d wsteczny
I RRM
napiêcie
VR
V RM
Rys.3. Przebiegi pr¹du i napiêcia na diodzie podczas
odzyskiwania w³aœciwoœci zaporowych.
5-4915 ELEKTRONIKI
t
Diody prostownicze we wspó³czesnych zasilaczach impulsowych
Na rys. 3 pokazane s¹ przebiegi pr¹du i napiêcia podczas
prze³¹czania diody ze stanu przewodzenia do stanu zaporowego.
Dioda wy³¹czana jest z szybkoœci¹ okreœlan¹ stosunkiem
dIF/dt (decyduje o tym szybkoœæ prze³¹czania wspó³pracuj¹cego tranzystora - klucza). Zgromadzony ³adunek zaczyna byæ
usuwany, gdy pr¹d przekroczy poziom „zero” i zaczyna p³yn¹æ
w przeciwnym kierunku. Od tego momentu ³adunek usuwany
jest zarówno w wyniku dzia³ania obwodu jak i w wyniku procesu rekombinacji wewn¹trz diody.
W pewnym momencie ³adunek maleje do takiego poziomu,
¿e powstaje warstwa zaporowa pozwalaj¹ca diodzie wytrzymaæ napiêcie wsteczne. Pr¹d wsteczny osi¹ga w tym momencie swoj¹ maksymaln¹ wartoœæ Irrm. Czas, od momentu w którym pr¹d przekracza zero do momentu gdy osi¹ga wartoœæ Irrm
oznaczany jest ta. Odt¹d dioda znajduje siê w stanie blokowania a pr¹d wsteczny maleje do zera (pozostaj¹cy jeszcze ³adunek usuwany jest g³ównie w wyniku rekombinacji). Czas, w
którym pr¹d wsteczny maleje od swojej maksymalnej wartoœci
do 10% tej wartoœci oznaczany jest tb. Suma: ta + tb = trr jest
czasem odzyskiwania w³aœciwoœci zaporowych.
Zgromadzony ³adunek reprezentowany jest przez powierzchniê pod krzyw¹ pr¹du wstecznego i wyra¿any jest w
nanokulombach (nC).
Czynniki wp³ywaj¹ce na odzyskiwanie w³aœciwoœci zaporowych
W praktyce trzy najwa¿niejsze parametry: trr, Qs i Irrm s¹ zale¿ne od warunków pracy diody:
· im wiêkszy pr¹d przewodzenia IF, tym wiêksze: trr, Qs i Irrm,
· zwiêkszenie dIF/dt przez u¿ycie szybszego tranzystora i
zmniejszenie indukcyjnoœci rozproszenia znacz¹co zmniejsza trr, lecz zwiêksza Qs i Irrm,
· zwiêkszenie temperatury Tj z³¹cza diody powoduje wzrost
wszystkich trzech parametrów,
· zmniejszenie napiêcia wstecznego na diodzie, równie¿ powoduje nieznaczny wzrost wszystkich trzech parametrów.
Wp³yw efektu odzyskiwania w³aœciwoœci zaporowych na
pracê SMPS
T1
Vi
L
D1
C Vo
Rys.4. Przetwornica jednotaktowa.
W celu przeanalizowania wp³ywu efektu odzyskiwania w³aœciwoœci zaporowych na pracê zasilacza impulsowego, rozwa¿ymy prost¹ przetwornicê jednotaktow¹ pokazan¹ na rys.4.
Dioda D1 przewodzi pr¹d w czasie gdy tranzystor jest wy³¹czony. Przebiegi na diodzie i tranzystorze w czasie gdy tranzystor w³¹czany jest ponownie pokazano na rys.5
Gdy tranzystor T1 jest w³¹czany, pr¹d narasta w nim liniowo, podczas gdy w diodzie pr¹d maleje liniowo, a nastêpnie
zmienia kierunek. Stromoœæ opadania pr¹du diody zale¿y g³ów-
napiêcie
Przebiegi
na tranzystorze
0
pr¹d
t
Straty
w tranzystorze
0
t
pr¹d
Przebiegi
na diodzie
ta
tb
napiêcie
0
t
0
t
Straty
w diodzie
Rys.5. Przebiegi na tranzystorze T1 i diodzie D1
podczas odzyskiwania przez ni¹ w³aœciwoœci
zaporowych.
nie od czasu narastania pr¹du tranzystora i od indukcyjnoœci
paso¿ytniczych. W okresie ta dioda nie ma jeszcze w³aœciwoœci
blokuj¹cych i dlatego na tranzystorze utrzymuje siê pe³ne napiêcie zasilania. W tym czasie tranzystor przewodzi pr¹d obci¹¿enia i pr¹d wsteczny diody co powoduje wydzielanie w nim
znacznej mocy. Po zakoñczeniu okresu ta dioda odzyskuje swoje
w³aœciwoœci blokuj¹ce i napiêcie na tranzystorze zaczyna opadaæ. Jest oczywiste, ¿e dioda, której Irrm równy jest po³owie IF
powoduje istotne zwiêkszenie mocy szczytowej rozpraszanej
w tranzystorze podczas jego w³¹czania. W krytycznych przypadkach, gdy zastosowano diodê o du¿ym stosunku Irrm/trr, mo¿e
nast¹piæ uszkodzenie tranzystora wskutek przekroczenia jego
szczytowego pr¹du lub rozpraszanej w nim mocy.
Zwróæmy uwagê na straty wystêpuj¹ce w diodzie podczas
odzyskiwania w³aœciwoœci zaporowych. S¹ one wynikiem Irrm i
wstecznego napiêcia na diodzie Ur. Im wiêkszy jest okres tb,
tym wiêksze s¹ straty w diodzie. W wiêkszoœci przypadków
dodatkowe straty w tranzystorze s¹ znacznie wiêksze ni¿ straty
w diodzie.
Nachylenie przebiegu pr¹du w czasie odzyskiwania w³aœciwoœci zaporowych (dIR/dt)
Oprócz wymienionych powy¿ej parametrów charakteryzuj¹cych odzyskiwanie przez diodê w³aœciwoœci zaporowych
wa¿ny jest równie¿ kszta³t przebiegu pr¹du w okresie tb. Maksymalne nachylenie tego przebiegu oznaczane jest jako dIR/dt i
jest szczególnie wa¿ne. Jeœli nachylenie to jest du¿e, to jest
ono powodem generowania zak³óceñ, które s¹ promieniowane, jak równie¿ przewodzone galwanicznie do uk³adów zasilanych. Mo¿e to byæ równie¿ powodem generowania na indukcyjnoœciach szeregowych przejœciowych przepiêæ, które mog¹
spowodowaæ zniszczenie diody lub tranzystora.
O diodach charakteryzuj¹cych siê du¿ym dIR/dt mówi siê,
¿e odzyskuj¹ swoje w³aœciwoœci zaporowe gwa³townie. Analogicznie diody o ma³ym dIR/dt odzyskuj¹ w³aœciwoœci zaporowe
³agodnie.
Parametrem pozwalaj¹cym na zakwalifikowanie diody do
jednej z w.w. kategorii jest wspó³czynnik ³agodnoœci: S = tb/ta.
5-4915 ELEKTRONIKI
Diody prostownicze we wspó³czesnych zasilaczach impulsowych
napiêcie tranzystora
If
90%
pr¹d tranzystora
10%
t
tr
Vf
pr¹d diody
t fr
t
Vfm
t1
100% 110%
t
t2
t3
Rys.7. Wp³yw odzyskiwania w³aœciwoœci przewodzenia na przebieg napiêcia na tranzystorze.
Rys.6. Przebiegi pr¹du i napiêcia na diodzie podczas
odzyskiwania w³aœciwoœci przewodzenia.
Dioda „gwa³towna” to taka, dla której S << 1, natomiast dioda
„³agodna” ma S > 1. Poza tym jego praktyczna przydatnoœæ jest
niewielka, poniewa¿ nie mo¿na na jego podstawie okreœliæ
dIR/dt. Diody o takiej samej wartoœci wspó³czynnika S mog¹
charakteryzowaæ siê zupe³nie ró¿nym dIR/dt a w konsekwencji
ró¿nym poziomem generowanych zak³óceñ.
W praktyce okazuje siê, ¿e z punktu widzenia generowanych zak³óceñ najlepiej jest gdy dIR/dt = dIF/dt.
Odzyskiwanie w³aœciwoœci przewodzenia
Odzyskiwanie w³aœciwoœci przewodzenia nie jest tak istotne jak odzyskiwanie w³aœciwoœci zaporowych, lecz w pewnych
specjalnych zastosowaniach mo¿e byæ krytyczne.
Dioda nie odzyskuje w³aœciwoœci przewodzenia natychmiast, poniewa¿ w momencie w³¹czenia wystêpuje brak noœników mniejszoœciowych w obszarze z³¹cza. A wiêc na pocz¹tku
przewodzenia impedancja diody jest du¿a i wystêpuje na niej
przerzut napiêcia. W miarê przewodzenia, powstaje ³adunek i
impedancja diody maleje a napiêcie na diodzie gwa³townie maleje do wartoœci odpowiadaj¹cej stanowi ustalonemu (patrz
rys.6)
Szczytowa wartoœæ napiêcia na diodzie w czasie przewodzenia oznaczana jest Vfm. Czas, od momentu gdy pr¹d przewodzenia osi¹ga 10% wartoœci stanu ustalonego, do momentu
gdy napiêcie przewodzenia spada do 110% wartoœci stanu ustalonego jest czasem odzyskiwania w³aœciwoœci przewodzenia.
Warunki pracy wp³ywaj¹ na w.w. parametry nastêpuj¹co:
· wiêkszy pr¹d przewodzenia powoduje wiêksze Vfm,
· szybciej narastaj¹cy pr¹d powoduje wiêksze Vfm.
Wp³yw efektu odzyskiwania w³aœciwoœci przewodzenia diody na pracê SMPS
Szybkoœæ narastania pr¹du w diodzie zale¿y od szybkoœci
prze³¹czania tranzystora. Gdy tranzystor jest wy³¹czany, napiêcie na nim roœnie a napiêcie polaryzuj¹ce diodê wstecznie maleje. Gdy dioda zostanie spolaryzowana w kierunku przewodzenia, to przewodzenie wyst¹pi z pewnym opóŸnieniem.
W tym czasie na tranzystorze pojawi siê przerzut napiêcia powy¿ej napiêcia zasilania. Zauwa¿my (rys.7), ¿e tranzystor w
tym czasie przewodzi jeszcze znaczny pr¹d, co powoduje zwiêkszenie strat, a w skrajnym wypadku mo¿e doprowadziæ do
uszkodzenia tranzystora.
}
5-4915 ELEKTRONIKI