بخشی از مقاله
انواع ديودهاي قدرت
در حالت ايده آل ديود نبايد هيچ زماني بازيابي معكوسي داشته باشد كه هزينه ساخت ديود را افزايش مي دهد . در بسياري از كاربردهاي اثرات زمان بازيابي معكوس چندان اهميت ندارند و مي توان از ديود از ديودهاي ارزان استفاده كرد . بسته به مشخصه هاي بازيابي و روشهاي ساخت ، ديودهاي قدرت را به سه گروه مي توان تقسيم كرد . مشخصه ها و محدوديت هاي عملي هر گروه كاربردشان را مشخص مي كند .
1- ديودهاي استاندارد يا همه منظوره
2- ديودهاي بازيابي سريع
3- ديودهاي شاتكي
ديودهاي همه منظوره
ديودهاي يكسو كننده همه منظوره زمان بازيابي معكوس نسبتاً زيادي دارند كه در حدودs μ 25 است و در كاربردهاي سرعت پايين بكار مي روند كه زمان بازيابي چندان اهميتي ندارد (براي مثال در يكسو كننده ها و مبدلهاي ديودي در كاربردهاي فركانس رودي كم تا 1KHz ومبدلهاي كموتاسيون خط ) .محدوده جريان اين ديودها از كمتر از يك آمپر تا چند هزار آمپر و محدوده ولتاژ 50v تا حدود 5kv مي باشد . اين ديودها معمولاً به روش ديفيوژن ساخته مي شوند . با اين وجود يكسو كننده هاي آلياژي كه در منابع تغذيه دستگاههاي جوشكاري بكار مي روند از لحاظ هزينه به صرفه تر هستند و محدوده كاري آنها تا 300A و 1000V مي رسد .
ديودهاي بازيابي سريع
ديودهاي بازيابي سريع زمان بازيابي كوچكي (به طور معمول كمتر از s μ ) دارند . اين ديودها در مدارهاي مبدل dc به dc,dc,dc به ac كه سرعت بازيابي اغلب اهميت بحراني اي دارد بكار مي روند . محدوده جرياني كاركرد اين ديودها از كمتر از يك آمپر تا چند صد آمپر و محدوده ولتاژشان از 50 v تا حدود 3kv است .
براي محدوده ولتاژ بالاي 400v ،ديودهاي بازيابي سريع عموماً به روش ديفيوژن ساخته مي شوند و زمان بازيابي بوسيله ديفيوژن طلا يا پلاتين كنترل مي شود . براي محدوده ولتاژ كمتر از 400 v ديودهاي اپي تكسال سرعت كليد زني بيشتري نسبت به ديودهاي ديفيوژني دارند . ديودهاي اپي تكسال پهناي بيس كمي دارند كه باعث مي شود زمان بازيابي كوچكي در حدود 50ns داشته باشند .
ديودهاي شاتكي
مشكل ذخيره بار در پيوند p-n در ديودهاي شاتكي حذف (يا حداقل ) شده است . اين كار از طريق ايجاد يك سد پتانسيل كه ميان يك فلز و يك نيمه هادي متصل مي شود ، انجام مي پذيرد . يك لايه فلزي روي يك لايه اپي تكسيال باريك از سيليكون نوع n قرار داده مي شوند . سد پتانسيل رفتار يك پيوند p-n را شبيه سازي مي كند . عمل يكسو كنندگي فقط به حاملهاي اكثريت بستگي دارد و در نتيجه حاملهاي اقليت اضافي اي براي تركيب شدن وجود ندارند . اثر بازريابي منحصراً به خاطر ظرفيت خازني خودپيوند نيمه هادي است .
بار الكتريكي بازيابي يافته در يك شاتكي خيلي كمتر از يك ديود پيوند p-n معادل است . از انجايي كه اين بار ناشي از ظرفيت خازني پيوند است تا حد زيادي مستقل از di/dt معكوس مي باشد . ديودهاي شاتكي افت ولتاژ مستقيم نسبتاً كوچكي دارند .
جريان نشتي ديودهاي شاتكي بيشتر از ديودهاي پيوند p-n است . يك ديود شاتكي با ولتاژ هدايت نسبتاً كم ، جريان نشتي نسبتاً زيادي دارد و برعكس . در نتيجه حداكثر ولتاژ مجاز آن معمولاً به 100v محدود مي شود . محدوده جريان كاري ديودهاي شاتكي از 1 تا 300A مي باشد . ديودهاي شاتكي براي بكار گيري در منابع تغذيه dc با ولتاژ كم و جريان بالا ايده آل هستند . اگر چه به منظور بالا بردن بازده ، اين ديودها در منابع تغذيه با جريان كم نيز استفاده مي شوند .
اثرات زمان بازيابي معكوس و مستقيم
اهميت اين پارامترها را مي توان از روي شكل توضيح داد . اگر كليد sw در لحظه t=o بسته شود و به حد كافي بسته باقي بماند ، يك جريان حالت پايدار از بار خواهد گذشت و ديود هرز گرد Dm جريان خواهد يافت . حالا اگر كليد دوباره در t= t1 بسته شود ديود Dm مثل يك اتصال كوتا ه عمل مي كند . سرعت افزايش جريان مستقيم كليد (و ديود D1) و سرعت كاهش جريان مستقيم ديود Dm خيلي زياد خواهد بود و به بي نهايت ميل مي كند . پيك جريان معكوس ديود Dm مي تواند خيلي زياد باشد و ديود هاي D1 و Dm ممكن است آسيب ببيند .
اين مشكل را اغلب مي توان با اتصال يك سلف Ls محدود كننده di /dt حل كرد .
ديودهاي واقعي به زمان معيني براي روشن شدن نياز دارند تا اينكه تمامي سطح پيوند رسانا شود و di/dt بايد كم نگه داشته شود تا محدوديت زمان روشن شدن رعايت شود . اين زمان گاهي اوقات با نام زمان باز يابي مستقيم tf نيز ذكر مي شود .
انواع تريستورها
تريستورها تقريبا تنها به روش تزريق ساخته مي شوند . جريان آند براي انتشار از نزديكي گيت به تمام سطح پيوند ( هنگامي كه سيگنال جهت روشن كردن تريستور اعمال مي شود ) به زمان معيني نياز دارد .
سازندگان براي كنترل di/ dt ، زمان روشن شدن و زمان خاموش شدن ، از ساختارهاي متفاوتي براي گيت استفاده مي كنند . تريستورها بسته به ساختار فيزيكي و محوه روشن و خاموش شدن ، به 9 دسته زير تقسيم مي شوند :
1- تريستورهاي كنترل فاز ( SCR )
2- تريستورهاي كليد زني سريع ( SCR )
3- تريستورهاي خاموش شونده با گيت ( GTO)
4- تريستورهاي سه قطبيدو جهته ( TRIAC )
5- تريستورهاي هدايت معكوس ( RCT )
تريستورهاي كنترل فاز
اين نوع تريستورها عموما در فركانس خط كار مي كنند و بوسيله كموتاسيون طبيعي خاموش مي شوند . زمان خاموش شدن tq ، در محدوده 50 تا 100 u s مي باشد . اين تريستور بيشتر براي كليد زني در سرعتهاي كم مناسب است . نام ديگر اين تريستورها تريستور مبدا مي باشد . از آنجا كه اصولا تريستوريك وسيله كنترل شده از جنس سيليكون است ، اين دسته از تريستورها با نام يكسو كننده هاي كنترل شده سيليكوني نيز شناخته مي شوند .
ولتاژ حالت روشن VT غالباً بين 1.15V (براي ترانسفورماتورهاي 600V) تا 1.25V (براي ترانسفورماتورهاي 4000V) تغيير مي كند و براي يك تريستور 5500A و 1200V ، معمولاً در حدود 125V است .تريستورهاي جديد از يك تقويت كننده گيت استفاده مي كنند . به گجونهاي كه سيگنال ابتدا به گيت يك تريستور كمكي TA اعمال مي شود و خروجي تقويت شده TA به گيت تريستور اصلي TM اعمال مي گردد. استفاده از تقويت كننده گيت مشخصه هاي ديناميكي خوبي را به ما مي دهد ، تنها مشخصات ديناميكي تريستور را تا حدودي بهبود بخشيده و با كم كردن يا به حداقل رساندن اندازه سلفه محدود كننده di/dt و مدارهاي حفاظتي dv/dt باعث ساده شدن طراحي مي شود .
تريستورهاي كليدزني سريع
كاربرد اين دسته از تريستورها در كليد زني با سرعت بالا و همراه با كموتاسيون اجباري ست . زمان خاموش شدن اين تريستورها كم و بسته به محدوده ولتاژ 5 تا s μ 50 است . افت ولتاژ مستقيم تريستور در حالت روشن ، تقريباً تابع معكوسي از زمان خاموش شدن tq مي باشد . اين تريستورها را تحت عنوان تريستور اينورتر نيز مي شناسند .
اين تريستورها داراي dv/dt بالا در حد s μ 1000v/ و di/dt بالا در حد s μ 1000 A/ هستند . قطع سريع di/dt بالا عمل بسيار مهمي در كاهش اندازه و وزن مدار كموتاسيون و / يا اجزاي مدار راكتيو هستن . ولتاژ حالت روشن يك تريستور 2200A,1800V حدود 1.7V است . تريستورهاي اينورتري با قابليت سد كنندگي معكوس خيلي محدود در حد 10V و زمان قطع بسيسار سريع بين 3 تا 5 s μ با نام تريستورهاي نا متقارن شناخته مي شوند .
تريستورهاي خاموش شونده با گيت
هر تريستور خاموش شونده با گيت نظير يك SCR مي توان با اعمال يك سيگنال مثبت به گيت روشن شود . به علاوه با اعمال سيگنال منفي به گيت ،مي توانيم آن را خاموش كنيم . GTO يك عنصر تثبيت كننده است و مي تواند با مقادير جريان و ولتاژ نامي مشابه SCR ها ساخته مي شد . GTO با اعمال يك پالس كوچك مثبت به گيت روشن و با اعمال يك پالس منفي كوچك به گيت خاموش مي شود .
مزاياي GTO نسبت به SCR به اين شرح است :
1- حذف اجزاي كموتاسيون د ركموتاسيون اجباري كه حجم ، وزن و قيمت آنها را كاهش مي دهد .
2- كاهش نويز الكترومغناطيسي و نويز صوتي به دليل حذف چكهاي كموتاسيون .
3- قطع سريع تر ، كه كليد زني در فركانسهاي بالا را امكان پذير مي سازد .
4- بهبود بازده مبدلها .
در كاربردهاي توان پايين GTO ها نسبت به ترانزيستورهاي دو قطبي داراي مزيت زير هستند .
1- توانايي تحمل ولتاژهاي سد كنندگي بالاتر.
2- نسبت بالاي جريان پيك قابل كنترل به جريان متوسط
3- نسبت بالاي جريان خيزش پيك به جريان متوسط .
4- بهره حالت روشن بالا
5- سيگنال پالس گيت كوتاه . در شرايط خيزش ، GTO به دليل عمل نورزايي ، بيشتر با اشباع مي رود . در حالي كه در ترانزيستورهاي دو قطبي و در چنين شرايطي ، ترانزيستور سعي دارد از اشباع خارج شود .
GTO هنگام خاموش شدن بهره كمي دارد كه معمولاً در حدود 6 است و براي خاموش شدن به يك پالس جرياني منفي نسبتاً بزرگ نياز دارد. GTO نسبت به SCR داراي ولتاژ حالت روشن بالاتري است . به عنوان مثال ولتاژ حالت روشن يك GTO با مقادري نامي 550A,1200V برابر 3.4 V مي باشد . يك GTO با مقادير نامي 160A.200V از نوع 160PFT
جريان پيك حالت روشن قابل كنترل ITGQ ماكزيمم جريان حالت روشن است كه مي تواند با كنترل گيت خاموش شود . ولتاژ حالت خاموش بلافاصله پس از خاموش شدن دوباره اعمال مي شود و dv/dt دوباره اعمال شده تنها خازن مدار پيشگيري محدود مي شود . وقتي GTO خاموش مي شود ، جريان بار IL كه منحرف شده و خازن مدار محافظ را شارژ مي كند ، مقدار dv/dt دوباره اعمال گشته را تعيين مي كند.
كه در آن خازن مدار محافظ مي باشد .
تريستورهاي دو جهته يا ترياك
ترياك وسيله اي است كه مي تواند در هر دو جهت هدايت كند و غالباً در كنترل فاز ac استفاده مي شود . هر ترياك را مي توان به صورت اتصال موازي – معكوس دو SCR كه داراي گيت مشترك هستند ، در نظر گرفت .
از آنجا كه ترياك يك وسيله دو جهته است پايه هاي آن نامي تحت عنوان كاتد يا آند ندارند . اگر ترمينال MT2 نسبت به ترمينال MT1 مثبت باشد ، مي توان با اعمال سيگنال مثبت به گيت بين پايه هاي گيت G و ترمينال MT1 ترياك را روشن نمود . براي روشن كردن ترياك نياز نيست كه دو سيگنال مثبت و منفي براي گيت داشته باشيم و وجود سيگنال مثبت يا منفي كفايت مي كند . در عمل حساسيت ترياك از ربعي به ربع ديگر تغيير مي كند و به طور طبيعي در ربع I+ يا در ربع III فعاليت مي كند.
