Тепловая модель полупроводника

Полупроводниковый диод, как элемент выпрямительного

Устройства

    Рассмотрим вольт- амперную характеристику (ВАХ) полупроводникового диода и его схему замещения.

Основными параметрами полупроводникового диода являются:

- динамическое сопротивление диода ,

-  обратное (статическое) сопротивление – ,

I_пр - предельно допустимый средний прямой ток при включении п/п диода в однополупериодную схему выпрямителя с активной нагрузкой , частотой питающего напряжения 50 Гц с естественным охлаждением элемента и нормальной температурой окружающей среды,

U_пр- среднее прямое напряжения (падение на диоде) в открытом состоянии диода,

U_пор- пороговое напряжение, т.е противоЭДС, которая характеризует начальное смещение ВАХ диода и препятствует нарастанию прямого тока,

U_обр – максимально допустимое обратное напряжение, которое может выдержать диод длительно в закрытом состоянии, не подвергаясь опасности пробоя.

Для увеличения среднего прямого тока (I_пр) используют параллельное включение диодов с выравнивающими элементами.

При параллельной работе диодов из-за несовпадения их ВАХ, токи в них распределяются неравномерно (в одном из них будет преобладать средневыпрямленный ток ). Это может привести к выходу из строя одного из диодов.

Для выравнивания токов используются дополнительные элементы: для средней мощности – резисторы, для большой мощности - уравнительный реактор.

Величина резисторов R_В должна быть больше дифференциального сопротивления любого из диодов, чтобы ток в ветви определял именно резистор, а не диод.

Уравнительные реакторы работают так. Под действием токов ( ), протекающих по обмоткам W₁, W₂, в них наводится ЭДС. За счет разностного тока образуется поток DФ, который вызывает появление ЭДС самоиндукции. Там, где произошло превышение тока, ЭДС самоиндукции уменьшает скорость его нарастания, а где уменьшение – ток увеличивается.

Для увеличения U_обр диоды включают последовательно с выравнивающими элементами.

Для выравнивания напряжений (U_обр), в маломощным выпрямителях, последовательно включенные диоды шунтируются резисторами, сопвротивления которых равны и в несколько раз меньше обратного сопротивления диода (ток резистивного делителя I_дел должен быть больше тока I_обр). Для выпрямителей большой мощности этот способ выравнивания обратных напряжений не пригоден из- за больших потерь в резисторах. Поэтому для мощных выпрямительных устройств применяют реактивные (конденсаторные) делители напряжения.

Тепловая модель полупроводника

Во время работы полупроводника в нём рассеивается мощность (Р) и происходит его нагрев, для охлаждения используют радиатор. Расчет площади радиатора ведется с помощью тепловой модели. Тепло, выделяемое в полупроводнике (П) передается на корпус (К) и далее в окружающую среду (С) через ряд конструктивных элементов.

Величины тепловых сопротивлений (размерность градус/ватт) в соответствии с типом элемента и радиатора приводятся в справочной литературе. Тепло, распространяющееся от пластины П в окружающую среду, создает на элементах температурный перепад Dt

Температуру кремниевой пластины можно определить как сумму температуры окружающей среды и перепадов температуры на отдельных элементах:

Для обеспечения нормального функционирования диода необходимо выполнение условия t_п< t_доп.

Потери мощности на диоде суммируются из потерь от прямого тока (P_пр), потерь на преодоления противо-ЭДС (Pпор) и коммутационных потерь (P_ком):

,

    В низкочастотных выпрямительных устройствах коммутационные потери составляют небольшую долю по отношению к остальным потерям, поэтому принимаем