Выпрямители: Особенности выбора выпрямительных диодов

При выборе диодов выпрямителя необходимо учитывать целый набор факторов, определяемых: принципиальной схемой выпрямителя, частотой и величиной входного переменного напряжения, величинами напряжения и тока нагрузки, условиями эксплуатации (температура, влажность, устойчивость входного напряжения и т.п.), характером нагрузки (емкостная, индуктивная), наличием коммутационных перегрузок в цепи нагрузки, параметрами применяемого трансформатора и т.д.

В первую очередь необходимо рассчитать значение максимального обратного напряжения, прикладываемого к силовым диодам при работе выпрямителя выбранного типа, а также оценить среднее значение протекающего через них прямого тока (это можно сделать по приближенным формулам, приводимым в таб. 3.4-1). Полученные таким образом значения необходимо откорректировать в зависимости от характера нагрузки.

Таб. 3.4-1. Режимы работы диодов в различных выпрямителях

При наличии активно-емкостной нагрузки (а это чаще всего именно так) амплитудное и действующее значения тока силовых диодов могут существенно превышать его расчетное среднее значение. Так, например, при допустимом уровне пульсаций на выходе порядка 0,1% в однофазном мостовом выпрямителе с емкостным фильтром амплитудное значение тока выпрямительных диодов может достигать \({15} \cdot I_{пр ср max}\) . В целях исключения перегрузки диодов по величине действующего и амплитудного значений токов и их перегрева, необходимо ужесточить требования к максимальному прямому среднему току (\(I_{пр ср max}\)) применяемых диодов. Практически, для однополупериодного выпрямителя используется коэффициент 2,2, а для двухполупериодного 1,1 (т.е. используемые диоды должны иметь значение \(I_{пр ср max}\) как минимум в 1,1 раза большее, чем это следует из значений, полученных по формулам из таб. 3.4-1).

Величина максимально допустимого повторяющегося обратного напряжения (\(U_{обр и п max}\)) используемых диодов также подвержена влиянию нагрузки (характер этого влияния может быть вычислен по формулам, приводимым далее). Во избежание ее превышения в начальный момент времени после включения выпрямителя и во время его работы (в т.ч. и на холостом ходу), силовые диоды должны выбираться с некоторым запасом и по этому параметру.

Опираясь на найденные значения \(I_{пр ср max}\) и \(U_{обр и п max}\) (не забывая также о предполагаемой частоте входного переменного напряжения), по таблицам справочных данных производят предварительный выбор силовых диодов. Немаловажное значение для характеристик выпрямителя имеет тип выбранных выпрямительных диодов. Напомним, что в качестве выпрямительных могут использоваться кремниевые, германиевые или арсенид-галлиевые диоды с \(p\)‑\(n\)‑переходом (в т.ч. лавинные диоды), а также кремниевые или арсенид-галлиевые диоды с переходом Шоттки.

Германиевые выпрямительные диоды довольно широко использовались 10..20 лет назад. В настоящее время они практически полностью вытеснены более совершенными кремниевыми и арсенид-галиевыми приборами. И только в некоторых довольно редких случаях немногие положительные свойства германиевых диодов могут обусловить их применение в выпрямителях. Основными свойствами германиевых диодов с \(p\)-\(n\)-переходом являются:

• низкое прямое падение напряжения (на германиевом диоде при максимально допустимом прямом токе падение напряжения приблизительно в два раза меньше, чем на аналогичном кремниевом диоде), что является существенным, но, к сожалению, единственным преимуществом перед кремниевыми выпрямительными диодами;
• существование явно выраженного тока насыщения при обратном включении диода;
• значительно большая величина обратного тока по сравнению с аналогичными кремниевыми диодами;
• пробивное напряжение уменьшается с ростом температуры (большие обратные токи германиевых диодов являются причиной теплового характера их пробоя), а значение этого напряжения меньше пробивных напряжений кремниевых диодов.
• верхний предел диапазона рабочих температур германиевых диодов составляет приблизительно 75 °C, что значительно ниже по сравнению с тем же параметром кремниевых диодов.

Существенным недостатком германиевых диодов является то, что они плохо выдерживают даже кратковременные импульсные перегрузки по обратному напряжению. Определяется это механизмом пробоя германиевых диодов — тепловым пробоем, происходящим при шнуровании тока с выделением большой удельной мощности в месте пробоя.

Кремниевые выпрямительные диоды с \(p\)-\(n\)-переходом — это наиболее распространенный в настоящее время вид диодов, применяемых во всех классах выпрямителей (однако они постепенно вытесняются более эффективными диодами с переходом Шоттки). Их основные свойства:

• максимально допустимые прямые токи кремниевых диодов различных типов составляют 0,1...1600 А, падение напряжения на диодах при этих токах не превышает обычно 1,5 В;
• с увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается;
• обратная ветвь ВАХ кремниевых диодов не имеет ярко выраженного участка насыщения;
• пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер, поэтому пробивное напряжение с увеличением температуры увеличивается (для некоторых типов кремниевых диодов при комнатной температуре пробивное напряжение может составлять 1500...2000 В);
• диапазон рабочих температур для кремниевых выпрямительных диодов ограничен значениями –60...+125 °C.

Лавинный характер пробоя кремниевых диодов позволил создать такие приборы, которые безболезненно переносят многократные перегрузки по обратному напряжению — лавинные диоды. Если условия эксплуатации разрабатываемого выпрямителя очень тяжелы с точки зрения стабильности питающего напряжения или тока нагрузки (что возможно при коммутации различных емкостей и индуктивностей в цепях нагрузки), то применение лавинных диодов становится практически неизбежным. Они обеспечивают гашение кратковременных импульсов высокого напряжения, проникающих в выпрямитель из внешних цепей. Альтернативой использованию лавинных диодов может быть добавление в выпрямитель стабилитрона или ограничителя напряжения (см. раздел “Диоды в ограничителях напряжения”).

Выпрямительные диоды, изготовленные из материала с большой шириной запрещенной зоны, обладают существенными преимуществами в свойствах и параметрах. С этой точки зрения, относительно недавно появившиеся выпрямительные диоды с \(p\)-\(n\)-переходом из арсенида галлия являются очень перспективными приборами. Параметры выпускаемых арсенид-галлиевых выпрямительных диодов пока еще далеки от теоретически возможных (например, для диодов типа АД112 максимально допустимый прямой ток равен всего 300 мА, а максимально допустимое обратное напряжение — 50 В), поэтому очевидно, что новые приборы такого типа будут значительно превосходить своих предшественников.

К основным свойствам арсенид-галлиевых приборов следует отнести:

• значительный диапазон рабочих температур (до 250 °C);
• лучшие частотные свойства (арсенид-галлиевые диоды могут работать в качестве выпрямителей малой мощности до частоты 1 МГц и выше);
• повышенное (более 3 В) падение напряжения при прямом смещении.

Выпрямительные диоды с барьером Шоттки — наиболее перспективный вид полупроводниковых выпрямительных диодов. Они могут изготавливаться из кремния или арсенида галлия. Очевидно, что по мере совершенствования и удешевления технологии изготовления диоды с барьером Шоттки будут все более вытеснять выпрямительные диоды с \(p\)-\(n\)-переходом. Основными свойствами выпрямительных диодов Шоттки являются:

• малое падение напряжения при прямом смещении (около 0,6 В);
• большая максимально допустимая плотность тока, что связано как с меньшим падением напряжения на диоде, так и с особенностями его конструкции, обуславливающими хороший отвод тепла от выпрямляющего перехода;
• способность выдерживать значительные перегрузки по току по сравнению с аналогичными диодами с \(p\)-\(n\)-переходом;
• кремниевые и особенно арсенид-галлиевые диоды Шоттки имеют пока относительно маленькие значения пробивных напряжений (20...70 В), но по мере совершенствования технологии их изготовления этот недостаток постепенно устраняется.