Основные параметры выпрямительных диодов

Для выпрямления низкочастотных переменных токов, то есть для превращения переменного тока в постоянный или пульсирующий, служат выпрямительные диоды, принцип действия которых основан на односторонней электронно-дырочной проводимости p-n-перехода. Диоды данного типа применяются в умножителях, выпрямителях, детекторах и т. д.

Производятся выпрямительные диоды с плоскостным либо с точечным переходом, причем площадь непосредственно перехода может составлять от десятых долей квадратного миллиметра до единиц квадратных сантиметров, в зависимости от номинального для данного диода выпрямленного за полупериод тока.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода имеет прямую и обратную ветви. Прямая ветвь ВАХ практически показывает связь тока через диод и прямого падения напряжения на нем, их взаимозависимость.

Обратная ветвь ВАХ отражает поведение диода при подаче на него напряжения обратной полярности, где ток через переход очень мал и практически не зависит от величины приложенного к диоду напряжения, пока не будет достигнут предел, при котором случится электрический пробой перехода и диод выйдет из строя.

Первой и главной характеристикой выпрямительного диода является максимально допустимое обратное напряжение. Это то напряжение, приложив которое к диоду в обратном направлении, можно будет еще уверенно утверждать, что диод его выдержит, и что данный факт не скажется отрицательно на дальнейшей работоспособности диода. Но если данное напряжение превысить, то нет гарантии, что диод не будет пробит.

Данный параметр для разных диодов отличается, лежит он в диапазоне от десятков вольт до нескольких тысяч вольт. Например для популярного выпрямительного диода 1n4007 максимальное постоянное обратное напряжение равно 1000В, а для 1n4001 – составляет всего 50В.

Диод выпрямляет ток, поэтому следующей важнейшей характеристикой выпрямительного диода будет средний ток диода — средняя за период величина выпрямленного постоянного тока, текущего через p-n-переход. Для выпрямительных диодов данный параметр может составлять от сотен миллиампер до сотен ампер.

Максимальный импульсный ток диода — Ifsm (единичный импульс) и Ifrm (повторяющиеся импульсы)

Максимальный импульсный ток диода — это пиковое значение тока, которое данный выпрямительный диод способен выдержать только определенное время, которое указывается в документации вместе с этим параметром. Например, диод 10А10 способен выдержать единичный импульс тока в 600А длительностью 8,3мс.

Что касается повторяющихся импульсов, то их ток должен быть таким, чтобы средний ток уложился бы в допустимый диапазон. Например, повторяющиеся прямоугольные импульсы с частотой 20кГц диод 80EBU04 выдержит даже если их максимальный ток составит 160А, однако средний ток должен оставаться не более 80А.

Средний обратный ток диода показывает средний за период ток через переход в обратном направлении. Обычно это значение меньше микроампера, максимум — единицы миллиампер. Для 1n4007, к примеру, средний обратный ток не превышает 5мкА при температуре перехода +25°С, и не превышает 50мкА при температуре перехода +100°С.

Среднее прямое напряжение диода — Vf (падение напряжения на переходе)

Среднее прямое напряжение диода при указанном значении среднего тока. Это то напряжение, которое оказывается приложено непосредственно к p-n-переходу диода при прохождении через него постоянного тока указанной в документации величины. Обычно не более долей, максимум — единиц вольт.

Например в документации для диода EM516 приводится прямое напряжение в 1,2В для тока в 10А, и 1,0В при токе 2А. Как видим, сопротивление диода нелинейно.

Дифференциальное сопротивление диода

Дифференциальное сопротивление диода выражает отношение приращения напряжения на p-n-переходе диода к вызвавшему это приращение небольшому приращению тока через переход. Обычно от долей Ома до десятков Ом. Его можно вычислить по графикам зависимости падения напряжения от прямого тока.

Например, для диода 80EBU04 приращение тока на 1А (от 1 до 2А) дает приращение падения напряжения на переходе в 0,08В. Следовательно дифференциальное сопротивление диода в этой области токов равно 0,08/1 = 0,08Ом.

Средняя рассеиваемая мощность диода Pd

Средняя рассеиваемая мощность диода — это средняя за период мощность, рассеиваемая корпусом диода, при протекании через него тока в прямом и обратном направлениях. Данная величина зависит от конструкции корпуса диода, и может варьироваться от сотен милливатт до десятков ватт.

Например, для диода КД203А средняя рассеиваемая корпусом мощность составляет 20 Вт, данный диод можно даже установить при необходимости на радиатор для отвода тепла.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Введение в электронику (54 стр.)

Рис. 20-3. Диод на основе р-n перехода при прямом смещении.

В изображенной цепи отрицательный вывод источника тока соединен с материалом n-типа. Это заставляет электроны двигаться от вывода по направлению к р-n переходу. Свободные электроны, накопившиеся на р-стороне перехода притягиваются к положительному выводу. Это уменьшает количество отрицательных зарядов на р-стороне, потенциальный барьер уменьшается, что дает возможность для протекания тока. Ток может течь только тогда, когда приложенное напряжение превышает потенциальный барьер.

Источник тока создает постоянный поток электронов, который дрейфует через материал n-типа вместе с содержащимися в нем свободными электронами. Дырки в материале р-типа также дрейфуют по направлению к переходу. Электроны и дырки собираются на переходе и взаимно уничтожаются. Однако в то время как электроны и дырки взаимно компенсируются, на выводах источника тока появляются новые электроны и дырки. Большинство носителей продолжает двигаться по направлению к р-n переходу, пока приложено внешнее напряжение.

Поток электронов через p-часть диода притягивается к положительному выводу источника тока. Как только электроны покидают материал р-типа, создаются дырки, которые дрейфуют по направлению к р-n переходу, где они взаимно компенсируются с другими электронами. Когда ток течет от материала n-типа к материалу р-типа, то говорят, что диод смещен в прямом направлении.

Ток, текущий через диод, смещенный в прямом направлении, ограничен сопротивлением материалов р— и n-типа и внешним сопротивлением цепи. Сопротивление диода невелико. Следовательно, подсоединение источника тока к диоду в прямом направлении создает большой ток. При этом может выделиться такое количество тепла, которого достаточно для разрушения диода. Для того, чтобы ограничить ток, последовательно с диодом необходимо включить резистор.

Когда диод начинает проводить ток, на нем появляется падение напряжения. Это падение напряжения равно потенциальному барьеру и называется прямым падением напряжения (Е р ). Падение напряжения равно 0,3 вольта для германиевого диода и 0,7 вольта для кремниевого диода. Величина прямого тока (I к ) является функцией приложенного напряжения (Е), прямого падения напряжения (Е р ) и внешнего сопротивления (R). Это соотношение можно получить с помощью закона Ома:

I = E/R,

ПРИМЕР: К кремниевому диоду, последовательно соединенному с резистором 150 ом, приложено напряжение смещения 12 вольт. Чему равен прямой ток через диод?

Е = 12 В; R = 150 Ом; ЕF = 0,7 В.

Решение:

IF = 0,075 А или 75 мА.

В диоде, на который подано напряжение смещения в прямом направлении, отрицательный вывод внешнего источника тока соединен с материалом n-типа, а положительный вывод с материалом р-типа. Если эти выводы поменять местами, диод не будет проводить ток и про него говорят, что он смещен в обратном направлении (рис. 20-4).

Рис. 20-4.Диод на основе р-n перехода при обратном смещении.

В этой конфигурации свободные электроны в материале n-типа притягиваются к положительному выводу внешнего источника тока, что увеличивает количество положительных ионов в области р-n перехода, а, следовательно, увеличивает ширину обедненного слоя со стороны материала n-типа р-n перехода. Электроны также покидают отрицательный вывод источника тока и поступают в материал р-типа. Эти электроны заполняют дырки вблизи р-n перехода и служат причиной перемещения дырок по направлению к отрицательному выводу, что увеличивает ширину обедненного слоя со стороны материала р-типа р-n перехода. В результате обедненный слой становится шире, чем в несмещенном или смещенном в прямом направлении диоде.

Приложенное в обратном направлении напряжение смещения увеличивает потенциальный барьер. Если напряжение внешнего источника равно величине потенциального барьера, электроны и дырки не могут поддерживать протекание тока. При обратном напряжении смещения течет очень маленький ток, этот ток утечки называется обратным током (I R ) и существует благодаря наличию неосновных носителей. При комнатной температуре неосновных носителей очень мало. При повышении температуры создается больше электронно-дырочных пар. Это увеличивает количество основных носителей и ток утечки.

20-2. Вопросы

1. Что такое напряжение смещения?

2. Чему равно минимальное напряжение, необходимое для того, чтобы вызвать ток через диод на основе р-n перехода?

3. В чем разница между прямым и обратным смещением?

4. Что такое ток утечки диода на основе р-n перехода?

20-3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДА

Как германиевый, так и кремниевый диоды могут быть повреждены чрезмерным нагреванием или высоким обратным напряжением. Производители указывают максимальный прямой ток (I F max), который может безопасно течь через диод. Они также указывают максимальное обратное напряжение (пиковое обратное напряжение). Если превысить пиковое обратное напряжение, то через диод потечет большой обратный ток, создающий избыточный нагрев и повреждающий диод.

При комнатной температуре обратный ток мал. При повышении температуры обратный ток увеличивается, нарушая работу диода. В германиевых диодах обратный ток выше, чем в кремниевых диодах, удваивается при повышении температуры приблизительно на 10 градусов Цельсия.

Схематическое обозначение диода показано на рис. 20-5.

Рис. 20-5.Схематическое обозначение диода.

На рис. 20-6 показано включение диода, смещенного в прямом направлении. Отрицательный вывод источника тока подсоединен к катоду. Положительный вывод подсоединен к аноду. Это позволяет току течь в прямом направлении. Резистор (R s ) включен последовательно с диодом для ограничения прямого тока до безопасного значения.

Рис. 20-6.Цепь с диодом, смещенным в прямом направлении.

На рис. 20-7 показано включение диода, смещенного в обратном направлении. Отрицательный вывод источника тока подсоединен к аноду. Положительный вывод подсоединен к катоду. Через диод, смещенный в обратном направлении течет малый обратный ток (I R ).

Источник

Р-n переход при внешнем напряжении, приложенном к нему

Внешнее напряжение нарушает динамическое равновесие токов в p-n-переходе. p-n переход переходит в неравновесное состояние. В зависимости от полярности напряжения приложенного к областям в p-n-перехода возможно два режима работы.

При протекании прямого тока основные носители заряда р-области переходят в n-область, где становятся неосновными. Диффузионный процесс введения основных носителей заряда в область, где они становятся неосновными, называется инжекцией, а прямой ток – диффузионным током или током инжекции. Для компенсации неосновных носителей заряда накапливающихся в p и n-областях во внешней цепи возникает электронный ток от источника напряжения, т.е. принцип электронейтральности сохраняется.

При увеличении U ток резко возрастает, — температурный потенциал, и может достигать больших величин т.к. связан с основными носителями концентрация которых велика.

2) Обратное смещение, возникает когда к р- области приложен минус, а к n-области плюс, внешнего источника напряжения (рис. ).

Этот ток мал по величине т.к. связан с неосновными носителями заряда, концентрация которых мала. Таким образом, p-n перехода обладает односторонней проводимостью.

При обратном смещении концентрация неосновных носителей заряда на границе перехода несколько снижается по сравнению с равновесной. Это приводит к диффузии неосновных носителей заряда из глубины p и n-областей к границе p-n перехода. Достигнув ее неосновные носители попадают в сильное электрическое поле и переносятся через p-n переход, где становятся основными носителями заряда. Диффузия неосновных носителей заряда к границе p-n перехода и дрейф через него в область, где они становятся основными носителями заряда, называется экстракцией. Экстракция и создает обратный ток p-n перехода- это ток неосновных носителей заряда.

Величина обратного тока сильно зависит: от температуры окружающей среды, материала полупроводника и площади p-n перехода.

Температурная зависимость обратного тока определяется выражением , где — номинальная температура, — фактическая температура, — температура удвоения теплового тока .

Тепловой ток кремниевого перехода много меньше теплового токо переехода на основе германия (на 3-4 порядка). Это связано с j_к материала.

С увеличением площади перехода возрастает его обьем, а следовательно возрастает число неосновных носителей появляющихся в результате термогенерации и тепловой ток.

ВАХ р-n перехода

Это зависимость тока через р-n переход от напряжения на нём i=f(u).

Аналитически, при прямом и обратном смещении ВАХ записывают в виде

Часто ВАХ, для наглядности, представляют в виде графиков.

График вольт амперной характеристики приведен на рис.1.15. Для наглядности прямая и обратная ветви показаны в разных масштабах, например, по току масштабы отличаются в тысячу раз. Главное свойство p-n перехода – это его односторонняя проводимость, т.е. способность пропускать ток в прямом направлении и практически не пропускать в обратном.

,

где — ёмкость, при , — обратное напряжение, — зависит от типа p-n перехода (n=1/2 – для резкого, n=1/3 – для плавного перехода), ε — диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала; П — площадь р-n-перехода.

Эта зависимость связана с тем, что при увеличении обратного напряжения p-n переход расширяется. Из формулы (1.8) следует, что барьерная емкость зависит от площади перехода П, напряжения на переходе U, а также от концентрации примесей.

Модельным аналогом барьерной емкости может служить емкость плоского конденсатора, обкладками которого являются р- и n-области, а диэлектриком служит р-n-переход, практически не имеющий подвижных зарядов. Значение барьерной емкости колеблется от десятков до сотен пикофарад, а изменение этой емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины.

б) Диффузионная ёмкость, преобладает (С_диф>>С_бар) при прямом смещении p-n-перехода и характеризуется накоплением неосновных носителей зарядов вблизи p-n-перехода при протекании прямого диффузионного тока (тока инжекции)

, ,

где — время жизни неосновных носителей заряда, — время, в течение которого протекает прямой ток I_пр.

Значения диффузионной емкости могут иметь порядок от сотен до тысяч пикофарад.

В целом, если сравнивать диффузионную и барьрную емкости, то выполняется соотношение С_диф>>С_бар. Это связано с тем, что диффузионная емкость связана с прямым, диффузионным током (током основных носителей заряда), который может достигать больших величин.

На практика используется лишь барьерная ёмкость, т.к. диффузионная емкость обладает малой добротностью, поскольку параллельно этой ёмкости включён p-n переход, смещённый в прямом направлении с малым прямым сопротивлением.

1.2.7. Пробой p-n перехода

Электрический пробой обратимый, т.е. после уменьшения величины обратного напряжения p-n-переход восстанавливает свои первоначальные свойства. Тепловой пробой, необратимый. Он сопровождается разрушением кристаллической решетки p-n-перехода, после чего p-n-переход не восстанавливает свои первоначальные свойства.

Туннельный пробой происходит в сильнолегированных, “узких”, p-n-переходах, и состоит в отрыве под действием сильного электрического поля валентных электронов, в результате чего в объёме p-n-перехода образуются новые свободные носители заряда.

Тепловой переход возникает вследствие разогрева p-n-перехода собственным обратным током. Тепловой пробой возникает, когда мощность, подводимая к переходу Р_подв=U_обрI₀ становится больше отводимой Р_отв. При протекании обратного тока температуры p-n-перехода повышается, это ведет к усилению процесса термогенерации, т.е. к росту числа неосновных носителей заряда. Это приводит к новому увеличению J_обр, что приводит к ещё большему разогреву p-n-перехода. Этот процесс развивается лавинообразно, в результате чего температура повышается и происходит расплавление p-n-перехода.

Контрольные вопросы

Источник

Ограничение напряжения на ключевом транзисторе в однотактных преобразователях напряжения

Из наиболее известных широко применяются два типа однотактных преобразователей напряжения: с «обратным» включением выпрямительного диода (ОПО) и с «прямым» включением диода (ОПП).

Силовой трансформатор TV выполняет функцию накопителя энергии тока, отбираемого от источника U_п (рис. 1). При открытом транзисторе VT импульс тока длительностью t_п = γ* Т_п накапливает энергию в индуктивности L₁ первичной обмотки w1 силового трансформатора TV. Выпрямительный диод VD при этом закрыт. Ток через транзистор нарастает линейно по закону, определяемому значением индуктивности L₁, а напряжение в нагрузке U_н на этом этапе поддерживается конденсатором C_Ф выходного фильтра. После того как транзистор VT закрывается, полярность напряжения на обмотке w₂ изменяется, а ранее накопленная в индуктивности L₁ энергия поступает через диод VD в нагрузку и заряжает конденсатор C_Ф. При этом напряжение на закрытом транзисторе VT определяется выражением

Рис. 1. Однотактный преобразователь напряжения с «обратным» включением диода

В открытом состоянии транзистора VT энергия от источника питания U_п через силовой трансформатор TV и выпрямительный диод VD₂ поступает в нагрузку, накапливается в элементах фильтра, а также в магнитном поле сердечника силового трансформатора TV (рис. 2). После закрытия транзистора VT открывается диод VD₃, шунтирующий вход фильтра, а накопленная в дросселе L_Ф энергия отдается в нагрузку. Диод VD₂ при этом закрывается, а энергия, запасенная силовым трансформатором, рекуперируется в источник питания U_п через обмотку w_р (в случае ее применения) и диод VD1. В этой схеме силовой трансформатор работает на несимметричном частном цикле без накопления магнитного потока в сердечнике. Иными словами, после закрытия транзистора VT наступает этап рекуперации, на котором происходит уменьшение магнитного потока до исходного состояния, характеризуемого остаточной индукцией B_r. Этот процесс должен быть завершен к моменту очередного открытия транзистора VT. Напряжение на закрытом транзисторе VT, в схеме с размагничивающей обмоткой, определяется коэффициентом транС_Формации TV по цепи размагничивающей обмотки:

Рис. 2. Однотактный преобразователь напряжения с «прямым» включением диода и размагничивающей обмоткой

Обе эти схемы преобразователей напряжения могут работать в двух режимах: в режиме прерывистых токов (ПТ) и в режиме непрерывных токов (НТ). Если за время интервала t_п ток индуктивностей L₁ (для первой схемы) и L_Ф (для второй схемы) спадает до нуля, то в схеме имеет место режим ПТ. Тогда открытие транзистора VT происходит при нулевом значении тока. В противном случае имеет место режим НТ.

Коммутационный импульс напряжения

Из-за наличия индуктивности рассеивания L_S силового трансформатора TV при закрытии транзистора VT на его стоке возможно появление коммутационного импульса напряжения. Так как до закрытия силового транзистора VT через него протекал ток I_cm, то энергия, накопленная в индуктивности рассеивания L_S:

Закрытие транзистора VT сопровождается увеличением напряжения Uси. Так как спад тока транзистора происходит за пренебрежимо малое время, то увеличение напряжения вследствие наличия индуктивности L_S и емкости сток-исток C_си транзистора подчиняется синусоидальному закону (рис. 3). Амплитуда колебаний:

где Т_к=2π√L_S×C_си — период собственных колебаний резонансного контура L_SC_си (принято C_си = const.);

β = R_k/2×L_S — коэффициент затухания колебательного контура;

R_k — активное последовательное сопротивление колебательного контура.

Рис. 3. Диаграмма колебаний напряжения на стоке транзистора при его выключении

Анализ выражений (3) и (4) показывает, что для уменьшения энергии, запасенной в L_S, и, следовательно, мощности, рассеиваемой демпфирующей цепью, целесообразно преимущественное уменьшение тока I_cm. В режиме непрерывных токов ток I_cm всегда меньше, чем в режиме прерывистых токов, что определяет преимущество первого с точки зрения уменьшения энергии W_S. Увеличение индуктивности дросселя фильтра L_Ф ведет к уменьшению тока I_cm и энергии W_S. Однако в ОПО увеличение L2 приводит к увеличению L_S, вследствие чего может возрасти и энергия W_S.

Амплитуда импульса U_с.имп может быть уменьшена увеличением емкости транзистора C_си или увеличением активного сопротивления контура RК. Увеличение сопротивления контура серьезно ухудшает энергетические характеристики преобразователей напряжения.

Величина индуктивности L_S зависит от качества исполнения, проектирования и конструктивных параметров силового трансформатора.

Ограничение напряжения на транзисторе в ОПО

Основным способом ограничения напряжения на транзисторе в этой схеме является применение демпфирующих RCD-цепей. При этом они работают только на ограничение коммутационного выброса напряжения (рис. 4).

Рис. 4. Основные схемы RCD-цепей

На рис. 4, а показана простейшая демпфирующая цепь, состоящая из резистора и конденсатора. Для расчета параметров этой RC-цепи необходимо предварительно определить частоту колебаний резонансного контура L_SC_си, обусловленных паразитными параметрами цепи:

Значение емкости конденсатора RC-цепи

Значение сопротивления резистора

Другая простейшая цепь показана на рис. 4, б, в ней использован стабилитрон VD с напряжением стабилизации U_ст, до уровня которого и ограничивается амплитуда импульса напряжения стока транзистора. Стабилитрон должен быть рассчитан на протекание импульсного тока I_cm. Мощность, рассеиваемая стабилитроном:

Стабилитрон может подключаться также параллельно первичной обмотке силового трансформатора (так называемая ZD-цепь). В этом случае напряжение стабилизации стабилитрона должно удовлетворять условию:

Широко применяется RCD-цепь, показанная на рис. 4, в. В момент закрытия транзистора VT реактивная энергия, запасенная в индуктивности L_S, передается через диод VD в конденсатор C. Во время открытого состояния транзистора VT диод VD закрыт, а конденсатор C разряжается в резистор R. Исходя из условий равенства энергии индуктивности и конденсатора, емкость конденсатора:

где ΔU_кон — изменение напряжения на конденсаторе.

Среднее напряжение на конденсаторе равно:

Сопротивление разрядного резистора:

RCD-цепь, показанная на рис. 4, в, дороже ZD-цепи, но более эффективна. Демпфирующая цепь на рис. 4, г по своему действию аналогична цепи на рис. 4, в. Отличие от предыдущей схемы состоит в том, что конденсатор C разряжается через резистор R в источник питания. Среднее напряжение на конденсаторе в этом случае:

Отсюда видно, что для данной схемы необходим более высоковольтный конденсатор, что может вызвать определенные затруднения при ее реализации, особенно при высоком входном напряжении.

Ограничение напряжения на транзисторе в ОПП

Основными способами ограничения напряжения на транзисторе в этой схеме являются:

Схема однотактного преобразователя напряжения с размагничивающей обмоткой приведена на рис. 2. Размагничивающая обмотка может и отсутствовать, однако в этом случае сужается диапазон возможного изменения рабочей индукции ΔВ магнитного материала сердечника силового трансформатора, что приводит к значительному увеличению его массы и габаритов. Изменяя соотношение витков между первичной и размагничивающей обмотками, можно значительно ограничить напряжение на ключевом транзисторе. Недостатком такого способа является то, что при значительном увеличении числа витков размагничивающей обмотки относительно первичной увеличивается напряжение, вырабатываемое между этими обмотками, что требует усиления изоляции между ними. Диод, включенный последовательно с размагничивающей обмоткой, испытывает такое же напряжение и, следовательно, должен иметь соответствующий номинал. К тому же это вызовет появление существенной паразитной индуктивности и собственной емкости между первичной и размагничивающей обмотками. Это приводит к увеличению налагаемых на импульсы тока и напряжения высокочастотных колебаний, а эти колебания трудноустранимы. Поэтому на практике для уменьшения индуктивности рассеяния и, следовательно, снижения амплитуды коммутационного импульса напряжения на стоке ключевого транзистора при его закрывании, первичная и размагничивающая обмотки выполняются с одинаковым количеством витков. Поэтому напряжение на транзисторе в закрытом состоянии Uси = 2U_п и максимальный коэффициент заполнения γmax = 0,5.

Самой применяемой в ОПП является RCD-цепь, представленная на рис. 4, в. Эта цепь работает в данной схеме не только на ограничение коммутационного выброса напряжения, но и на ограничение так называемого «колокола», обусловленного процессом размагничивания сердечника силового трансформатора. Емкость конденсатора в данном случае:

где I_μ — ток намагничивания первичной обмотки силового трансформатора.

Напряжение на конденсаторе при непрерывном токе намагничивания первичной обмотки:

Сопротивление разрядного резистора:

где U_max — максимальное входное напряжение;

γ_min — минимальный коэффициент заполнения.

RCD-цепь ограничивает напряжение на транзисторе, величина которого в основном определяется коэффициентом заполнения. При применении RCD-цепи в ОПП размагничивающую обмотку можно исключить, что значительно упрощает конструкцию силового трансформатора.

Схема активного ограничения напряжения на ключевом транзисторе в ОПП представлена на рис. 5. На рис. 6 представлены диаграммы, поясняющие работу схемы при непрерывных изменениях магнитных потоков в сердечниках дросселя L_Ф и силового трансформатора TV. Транзистор VT1 выполняет функцию основного ключа, транзистор VT2 — вспомогательного. Они управляются противофазно: когда транзистор VT1 открыт, транзистор VT2 закрыт, и наоборот. В открытом состоянии транзистора VT1 (интервал времени γt_п) энергия от источника входного напряжения U_п через силовой трансформатор по обмотке w2 и через открытый диод VD1 передается в нагрузку и накапливается в индуктивностях дросселя L_Ф и силового трансформатора L₁. После закрывания транзистора VT1 и открывания VT2 диод VD1 закрывается, и энергия, запасенная в дросселе L_Ф, через диод VD₂ отдается в нагрузку. При этом через конденсатор Cог протекает ток, равный разности мгновенных значений тока намагничивания силового трансформатора и тока дросселя, приведенного к первичной обмотке w₁. То есть ток конденсатора Cог представляет собой разность пульсаций тока намагничивания силового трансформатора и пульсаций тока дросселя фильтра, приведенных к первичной обмотке w1. Этот ток в первую половину интервала времени (1–γ) x t_п замыкается через внутренний диод транзистора VT2, а вторую половину — через сам транзистор VT2 в противоположном направлении, тем самым намагничивая сердечник. При этом энергия, запасенная в конденсаторе C_or, не передается в нагрузку.

Рис. 5. Схема однотактного преобразователя напряжения с прямым включением диода и активным ограничением напряжения

Рис. 6. Формы напряжений и токов в преобразователе напряжения с активным ограничением

Для коммутации транзисторов VT1 и VT2 с минимальными напряжениями на них вводятся временные паузы между их моментами переключения (рис. 7).

Рис. 7. Временные интервалы включения транзисторов

При переходе от основного ключа к вспомогательному длительность паузы t_п1 не очень важна, так как в течение первой половины интервала закрытого состояния основного ключа проводит внутренний диод вспомогательного ключа, и длительность этого промежутка времени определяется только временами переключения ключей и элементов схемы управления. Переход от вспомогательного ключа к основному ключу предъявляет более жесткие требования на длительность паузы t_п2. Запасенная энергия в индуктивности намагничивания силового трансформатора с окончанием интервала (1–γ) x t_п используется для разряда собственной емкости основного ключа в течение паузы t_п2. Оптимальная длительность этой паузы составляет четверть периода резонанса, определяемого собственной емкостью основного ключа и индуктивностью намагничивания силового трансформатора. Поэтому следующее открытие основного ключа происходит при напряжении на нем ниже, чем входное (режим мягкого переключения). Тем самым снижается мощность потерь в транзисторе при его открытии. Оптимальная длительность паузы не зависит от условий работы, а в основном определяется для каждой конкретной конструкции. В резонансный процесс могут включаться и другие паразитные элементы схемы, причем до такой степени, что переключение на нуле напряжения становится невозможным.

Емкость конденсатора C_ог определяется с достаточной для инженерных расчетов точностью без учета пульсации напряжения на нем по формуле:

Напряжение на основном ключе при выполнении этих условий составляет

Анализируя последнее выражение, можно увидеть, что при входном напряжении до 370 В можно применить транзистор с допустимым максимальным напряжением сток-исток 600 В, тогда как при других способах ограничения необходимо применять транзистор с более высоким допустимым напряжением сток-исток.

При реализации схемы с активным ограничением по схеме на рис. 5 необходимо обеспечить гальваническую развязку затворной цепи транзистора VT2. Это можно сделать при помощи силового трансформатора или применением специальных микросхем. С помощью микросхемы драйвера верхнего уровня с плавающим питанием фирм International Rectifier или ST-Microelectronics это можно легко реализовать.

На основании вышеизложенного можно сделать следующий вывод. Применение RCD-цепей в однотактных преобразователях напряжения позволяет существенно снизить перенапряжения на полупроводниковых приборах при относительно невысоких затратах. Основным недостатком этого способа является ухудшение энергетических характеристик преобразователей напряжения и увеличение постоянной составляющей тока намагничивания силового трансформатора.

Применение активного ограничения в однотактных преобразователях напряжения значительно снижает напряжение на ключевом транзисторе, упрощает конструкцию силового трансформатора, позволяет при этом работать с большим размахом индукции в сердечнике, чем в других схемах. Активное ограничение позволяет увеличить коэффициент заполнения до 0,7 по сравнению с 0,5 для базовой топологии. За счет мягкого переключения транзистора значение КПД выше, а уровень помех на входе преобразователя напряжения ниже по сравнению с другими однотактными преобразователями напряжения.

Источник