Анализ характеристик и применения диодов в переключательных схемах

2025-11-16

Диод в цепи действует как интеллектуальный выключатель: проводит ток при прямом смещении и блокирует его при обратном смещении, однако на практике существуют проблемы прямого падения напряжения и обратного тока утечки. Выбор диода Шоттки позволяет оптимизировать скорость переключения; его способность к быстрому восстановлению в схемах понижающего преобразователя в сочетании с конструкцией мягкого восстановления эффективно снижает высокочастотные потери и защищает МОП-транзисторы.

Переключательные характеристики диода

Диод играет решающую роль в переключательных схемах. Когда диод находится в состоянии прямого смещения, он проводит ток, позволяя ему беспрепятственно проходить, что похоже на замкнутое состояние выключателя; а когда диод находится в состоянии обратного смещения, он запирается, препятствуя прохождению тока, что подобно разомкнутому состоянию выключателя. Эта характеристика позволяет диоду выполнять в цепи функцию, аналогичную функции выключателя.

Однако идеальный ключ при включении должен иметь нулевое сопротивление и нулевое падение напряжения, а при выключении — бесконечное сопротивление и нулевой ток. Кроме того, эти характеристики должны сохраняться при высокоскоростном переключении без требований ко времени переключения.

Но на самом деле, диод при прямом смещении проводит ток, но имеет прямое сопротивление и падение напряжения; при обратном смещении он заперт, но обратное сопротивление не бесконечно, что ограничивает скорость переключения. Потому что когда диод проводит ток в прямом направлении, его прямое сопротивление и прямое падение напряжения не равны нулю; а при обратном запирании его обратное сопротивление не бесконечно, а обратный ток также не равен нулю. Кроме того, для переключения диода между открытым и закрытым состояниями требуется определенное время, что в некоторой степени ограничивает его скорость переключения.

Поэтому при выборе диода в качестве ключа следует отдавать предпочтение тем диодам, которые имеют малое прямое сопротивление, большое обратное сопротивление и короткое время переключения. Обычно можно выбрать диоды с малым прямым сопротивлением и большим обратным сопротивлением, отдавая приоритет короткому времени переключения, часто используют диоды Шоттки.

Применение диода в схеме Buck

В таких схемах, как понижающие (Buck) и повышающие (Boost) преобразователи, быстродействующие диоды часто используются в качестве диодов свободного хода, включаясь параллельно с быстродействующими мощными MOSFET-транзисторами для работы с индуктивными нагрузками, такими как катушки индуктивности, трансформаторы и электродвигатели. Эти схемы в основном управляются с помощью широтно-импульсной модуляции, и из-за характеристик индуктивной нагрузки ток, протекающий через диод свободного хода, является непрерывным. Диоды свободного хода используются в понижающих и повышающих преобразователях для работы с индуктивными нагрузками и предотвращения короткого замыкания на входе. При включении MOSFET-транзистора цепь свободного хода должна быть разомкнута для предотвращения короткого замыкания на входе.

Далее мы подробно рассмотрим коммутационные характеристики диода, изучая процесс переключения диода свободного хода в схеме понижающего преобразователя.

Когда MOSFET-транзистор находится в проводящем состоянии, диод свободного хода блокирует ток; по мере перехода диода из непроводящего состояния в проводящее состояние внутри него происходит изменение электрического поля от обратного смещения к прямому;

C: При выключении MOSFET-транзистора диод свободного хода начинает проводить, обеспечивая путь для свободного протекания тока в цепи; после проведения тока в течение некоторого времени диод снова выключается, завершая один коммутационный цикл.

Когда транзистор Q находится в открытом состоянии, напряжение на выводах обратного диода имеет обратное смещение, то есть Vin. Как и у всех полупроводниковых приборов, у диода существует небольшой ток утечки IR между анодом и катодом, величина которого зависит от напряжения смещения, рабочей температуры PN-перехода диода и технологического процесса. Общие потери мощности, вызванные обратным напряжением смещения, можно выразить как: PSP = VIN · IR.

Когда транзистор MOSFET Q выключается, благодаря свойству индуктора, при котором ток не может изменяться скачкообразно, ток индуктора IL остаётся неизменным. В то же время напряжение на диоде постепенно уменьшается, переходя от обратного смещения к прямому, что приводит к постепенному увеличению тока. Этот процесс увеличения тока синхронизирован с процессом уменьшения тока в транзисторе MOSFET.

В момент выключения большое количество заряда, накопленное в PN-переходе диода, уносится носителями заряда, что приводит к уменьшению сопротивления PN-перехода при увеличении тока. Поэтому при прямом включении диода возникает всплеск напряжения. Величина этого всплеска напряжения зависит от температуры кристалла, -diF/dt и технологического процесса кристалла. Следует отметить, что всплеск напряжения при включении увеличивает напряжение на транзисторе MOSFET и потери при выключении.

Кроме того, всплеск напряжения VFR является ключевым фактором, определяющим коммутационные потери диода. Эти потери линейно возрастают с увеличением частоты коммутации, но следует отметить, что увеличение частоты коммутации также способствует уменьшению размеров индуктора.

Когда диод находится в открытом состоянии и проводит ток, возникает прямой ток IF. Величина этого прямого тока зависит от порогового напряжения PN-перехода и сопротивления полупроводника, что определяет прямое падение напряжения VF. Следует отметить, что величина этого прямого падения напряжения тесно связана с температурой кристалла, прямым током IF и технологическим процессом производства.

Хаактеристики выключения диода существенно отличаются от характеристик включения, особенно в высокочастотных приложениях, где выбор подходящего диода в основном зависит от параметров его характеристик выключения. При включении MOSFET-транзистора скорость изменения прямого тока диода IF равна скорости нарастания тока транзистора di/dt.

Следует отметить, что диоды с мягкими характеристиками восстановления способствуют снижению потерь. У платинодопированных диодов обратный ток восстановления уменьшается быстро, а у золотодопированных диодов их управляемые характеристики неосновных носителей заряда приводят к относительно мягким характеристикам восстановления. Быстрое уменьшение тока восстановления вызывает в цепи высокие всплески напряжения, и если это максимальное напряжение превышает допустимое напряжение MOSFET-транзистора, необходимо использовать снабберные цепи для обеспечения безопасной работы устройства.

В BUCK-цепях обычно используются диоды Шоттки, которые не только имеют низкое прямое напряжение включения, около 0,3 В, но и обладают очень коротким временем обратного восстановления. Рисунки (a) и (b) наглядно демонстрируют преимущества золотодопированных диодов с мягкими характеристиками восстановления, особенно их низкий ток восстановления. Благодаря этим характеристикам диоды с мягкими характеристиками восстановления могут значительно снизить потери в диоде и MOSFET-транзисторе.

Предыдущий Следующий

Последние новости