Лекция 4 - Конспекты

ГЛАВА 4ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯСоставитель:к.т.н. Родин М.В.Москва – 2017Электропитание РЭАГлава 4СОДЕРЖАНИЕ4.1 Введение ............................................................................................................. 34.2 Активные компоненты ....................................................................................

–4.2.1 Общие сведения............................................................................................... –4.2.2 Неуправляемые вентили ................................................................................. –4.2.3 Вентили с неполным управлением ............................................................... 124.2.4 Вентили с полным управлением ...................................................................

174.3 Магнитные и моточные компоненты ......................................................... 324.4 Конденсаторы ................................................................................................. 524.5 Защитные компоненты ................................................................................. 614.5.1 Элементы для ограничения токов ..................................................................

–4.5.2 Элементы для ограничения перенапряжений .............................................. 642Электропитание РЭАГлава 44.1 ВведениеДостигнутыйзапоследниедесятилетияуровеньразвитиятакойнаукоёмкой и быстроразвивающейся области техники как силовая электроникавыдвинул её на передовые рубежи высоких технологий. В частности, это сталовозможным за счёт появления новых и совершенствования известных активныхсиловых приборов, а также магнитных и пассивных компонентов.Целью настоящей лекции является знакомство с элементной базойсовременных источников электропитания (ИЭП) радиоэлектронной аппаратуры(РЭА).4.2 Активные компоненты4.2.1 Общие сведенияВсе современные преобразователи электроэнергии преимущественновыполняют на силовых полупроводниковых вентилях: неуправляемых иуправляемых.

Управляемые вентили разделяют на два класса:- вентили с неполным управлением;- вентили с полным управлением.Одним из условий значительного улучшения качественных показателейИЭПявляетсясовершенствованиесиловыхвентилей.Действительно,исторически прослеживается эволюционная цепочка: электровакуумная лампа,кенотроны, ртутные вакуумные приборы, магнитный усилитель, тиристор,биполярный транзистор, полевой транзистор.

Каждый из этих приборов, посуществу, открывал новые возможности, благодаря которым непрерывно, а вмомент появления нового прибора скачком росли качественные показателиИЭП.4.2.2 Неуправляемые вентилиДиод – это неуправляемый вентиль, проводящий ток в одномнаправлении при приложении к нему прямого напряжения. Различаютэлектровакуумныедиоды(кенотроны),3газонаполненные(газотроны,Электропитание РЭАигнитроны),большинствеГлава 4полупроводниковые.случаеввРЭАВнастоящееприменяютвремявподавляющемполупроводниковыедиоды.Обозначение на схемах, структура, а также внешний вид некоторыхполупроводниковых диодов приведены на рисунке 4.1.а)б)в)Рисунок 4.1 – Обозначение на схеме (а), структура (б) и внешний виднекоторых полупроводниковых диодов (в)Электроды диода носят названия анод и катод.

Если к диоду приложенопрямоенапряжение(тоестьанодимеетположительныйпотенциалотносительно катода), то диод открыт (через диод течёт прямой ток, диод имеетмалоесопротивление).Напротив,если к диоду приложено обратноенапряжение (катод имеет положительный потенциал относительно анода), тодиод закрыт (сопротивление диода велико, обратный ток мал и может считатьсяравным нулю во многих случаях). Типовые вольтамперные характеристики(ВАХ) реального и идеального диодов приведены на рисунке 4.2.В силовой электронике находят широкое применение так называемыевыпрямительные и быстровосстанавливающиеся диоды.Выпрямительныедиоды содержатодинp-n-переходи являютсяотносительно простыми полупроводниковыми приборами.

В зависимости от4Электропитание РЭАГлава 4рабочей частоты (быстродействия), такие диоды делят на низкочастотные (до1 кГц), высокочастотные и импульсные (быстродействующие).а)б)Рисунок 4.2 – Типовая ВАХ реального (а) и идеального (б) диодаОсновными параметрами выпрямительных диодов являются:- максимально допустимое обратное повторяющееся напряжение URRM;- максимально допустимый выпрямленный прямой средний/прямойэффективный (среднеквадратичный) ток – IF(AV)/IF(RMS);- максимально допустимый импульсный ток IFSM – для повторяющихсяили единичных импульсов диодов;- прямое падение напряжения на включенном диоде UFM;- допустимая рабочая частота fmax.Максимально допустимая мощность рассеяния, как правило, не задаётсяи определяется стандартными типами корпусов диодов (с определённымизначениями теплового сопротивления переход-корпус Rth°C). В большинствеслучаев выпрямительные диоды крепят к теплоотводящему радиатору(охладителю), а при таблеточной конструкции корпуса – с двух сторон.

Отводтепла обеспечивается путём естественной конвекции или принудительнойвентиляции.5Электропитание РЭАГлава 4Для сетевых выпрямителей обычно выбирают диоды (или диодныесборки) с максимально допустимым обратным напряжением URRM = 600-800 Вдля однофазной (~220 В) и 800-1000 В для трёхфазной (~220/380 В) сетипеременного тока.Предельные характеристики на сегодняшний день для выпрямительныхдиодов составляют 10 кВ/8 кА. Примечательно, что их выпускают чаще всего ввиде сборок и модулей, внутри которых диоды соединены тем или инымобразом (рисунок 4.3).

Внешний вид таких сборок приведён на рисунке 4.4а)б)в)г)Рисунок 4.3 – Схемы силовых диодных модулей:одиночного (а); полумостового (б); трёхфазного мостового (в); трёхфазногополумостового (г)Рисунок 4.4 – Внешний вид диодных силовых модулей6Электропитание РЭАГлава 4Совершенно очевидно, что выпрямительные диоды будут игратьзначительную роль для ИЭП и в будущем.

И хотя это достаточнопроработанный класс приборов силовой электроники, их развитие будетнепрерывно продолжаться.Отечественные низкочастотные диоды имеют хорошо отработаннуютехнологию, достаточно надёжны и сравнительно недороги, например, диодысерий Д1ХХ, Д2ХХ, Д3ХХ и т. д. Эти диоды перекрывают диапазоннапряжений URRM = 100-10000 В и токи IF(AV) = 10-9100 А.

Диоды выпускаются вштыревом(металлостеклянныекорпусаSD1-SD3,металлокерамическиекорпуса SD4-SD7), таблеточном и модульном исполнении. Одним из основныхпроизводителейсиловыхдиодовявляютсяАО "Электровыпрямитель"(г. Саранск) и АО "Электрум АВ" (г. Орёл).Быстровосстанавливающиеся диоды (fast recovery diod – FRED) делят надиоды с "тонкой базой" по эпитаксиально-планарной технологии (fast-FRED иultrafast-FRED) и диоды Шоттки.Как правило, FRED-диоды имеют планарную структуру и легируютсяплатиной, чтобы гарантировать высокую производительность, прочность инадёжность характеристик. Максимальная рабочая температура перехода,предусмотренная технологией, составляет 175°C. Используя самые последниеразработки в области эпитаксиальной структуры и передовые технологииобработки, HEXFRED-диоды (запатентованная разновидность FRED-диодов)позволяют разработчикам значительно упростить демпфирующие цепочки,уменьшить количество компонентов схемы и размер радиатора охлаждения.В диодах с барьером Шоттки (диоды Шоттки) вместо p-n-переходаиспользуется контакт металлической поверхности с полупроводником.

В местеконтакта возникают обеднённые носителями заряда слои полупроводника,которые называются запорными.Диоды Шоттки отличаются от диодов с p-n-переходом следующимипараметрами:7Электропитание РЭАГлава 4- более низкое прямое падение напряжение UFM;- более низкое обратное напряжение URRM;- более высокий ток утечки (обратный ток) IR;- почти полностью отсутствует заряд обратного напряжения QR.Главное отличие диодов Шоттки от других диодов состоит в том, что в ихструктуре практически отсутствуют неосновные носители заряда, которые, какраз, и влияют на величину времени обратного восстановления trr.

Также вдиодах Шоттки прямое падение напряжения является функцией обратногонапряжения.УсовременныхдиодовШотткимаксимальноеобратноенапряжение составляет около 150-200 В, а прямое падение напряжения меньше,чем у диодов с p-n-переходом, на 0,2-0,35 В.Диоды Шоттки незаменимы при проектировании мощных низковольтных(на практике до 27-48 В) и сильноточных высокочастотных выпрямителейблагодаря более низкому прямому падению напряжения и отсутствию зарядаобратного напряжения.Время восстановления обратного сопротивления диода trr являетсяосновным параметром быстровосстанавливающихся диодов, определяющих ихинерционные свойства.

При изменении полярности приложенного к диодунапряжения обратный ток диода может увеличиваться в десятки раз. Величинаtrr в определённой степени зависит от "мягкости" ("плавности") характеристикивосстановления и нормируется при конкретной величине прямого тока иобратного тока. При некорректном выборе диодов в части величины trr ичастоты коммутации fк в устройствах силовой электроники с увеличениемчастоты существенно возрастают динамические потери. Особенно это важно втаких устройствах, как импульсные ИЭП.На рисунке 4.5 показана типовая кривая обратного восстановлениябыстровосстанавливающегосядиода.Вмоментоткрыванияключевоготранзистора начинается спадание тока диода iD, затем ток достигает нулевогозначения, меняет знак и далее достигает значение IRmax, называемое в8Электропитание РЭАГлава 4технической документации пиковым током обратного восстановления (peakreverse recovery current).

Процесс спадания и нарастания тока обратноговосстановлениязанимаетвремяtrr,называемоевременемобратноговосстановления диода.Рисунок 4.5 – К определению времени обратного восстановления диодаВ таблице 4.1 приведены характеристики и особенности некоторыхсовременных быстровосстанавливающихся диодов. Отечественные диоды исборки представлены продукцией АО "Воронежский завод полупроводниковыхприборов – Сборка" (АО "ВЗПП-С") и ЗАО "Группа Кремний-Эл".Таблица 4.1 – Характеристики современных диодов№п/п12Тип диода,производитель2Д678БС93(АО "ВЗПП-С")MEO 450-12 DAFRED модуль("IXYS")9URRM, ВIF, Аtrr, нс60060-1200453450Электропитание РЭА№п/п345678910111213Тип диода,производитель2Д272И1Диод Шоттки(АО "ВЗПП-С")2ДШ2134АС4Диод Шоттки(АО "ВЗПП-С")HFA04TB120HEXFRED(ex-"International Rectifier","Vishay")249NQ150Диод Шоттки("Vishay")MBR7030WTGДиод Шоттки("Fairchild")IDW100E60Emitter Controlled Diode("Infineon")МКД2-100-17SiC модуль(ЗАО "Группа Кремний-Эл")IDH03SG60CSiC диод Шоттки("Infineon")IDW40G120C5BSiC диод Шоттки("Infineon")PCFFS20120AFSiC диод Шоттки("Fairchild")DSA300I200NAДиод Шоттки("IXYS")Глава 4URRM, ВIF, Аtrr, нс30015-10040-1200626150240-3070-6001001201200100-6003<10120040<10120020-200300-В последние годы замедлился процесс улучшения характеристикбыстровосстанавливающихся диодов на базе кремния (Si).

Текущее состояние ивозможности быстровосстанавливающихся диодов определяют "канавочные"(траншейные – trench) структуры, ячеистые pin-диоды Шоттки и некоторыедругие технологии.Также в последние годы ведутся широкие исследования новыхматериалов для приборов силовой электроники – арсенида галлия, карбида10Электропитание РЭАГлава 4кремния, III-нитридов. Диоды из арсенида галлия (GaAs) заняли своюспецифическую нишу на рынке и будут оставаться там.