Расчет диаметра выпрямительного элемента и выбор конструкции корпуса диода

 

Расчет диаметра выпрямительного элемента производится исходя из средней мощности прямых потерь в диоде и максимально возможной отводимой мощности, обеспечиваемой выбранной конструкцией корпуса диода.

При определении потерь мощности в прямом направлении обычно пользуются так называемой кусочно-линейной аппроксимацией прямой ВАХ диода [1]. В этом случае средняя мощность потерь при протекании предельного тока определяется выражением

, (1.4.1)

 

где прямое падение напряжения на диоде при протекании постоянного тока, равного .

При работе в стационарном режиме тепловая энергия, выделяемая в выпрямительном элементе, должна выводиться из внутренних областей диода наружу, к поверхности корпуса, а затем в окружающую среду. Способность к такому отводу тепла характеризуется внутренним тепловым сопротивлением прибора R_thjc. Эта величина определяется многими факторами, но в большей мере она обусловливается теплофизическими характеристиками материалов корпуса прибора, а не полупроводникового кристалла. Значения R_thjc для различных типов корпусов можно взять из [1].

Максимальная мощность, отводимая от выпрямительного элемента к внешним поверхностям полупроводникового прибора, находится из выражения

 

. (1.4.2)

 

Для силовых выпрямительных диодов значения Т_jm и Т_c устанавливаются в зависимости от величины повторяющегося импульсного обратного напряжения U_RRM (таблица 1.4.1).

 

Таблица - 4.1 Максимально допустимые температуры р — n-перехода и корпуса кремниевых силовых выпрямительных диодов

URRM, B	Tjm, °C	Tc, °C
До 1800
1800 – 3000
Свыше 3000

 

Очевидно, что в стационарных режимах работы выпрямительных диодов максимально возможная отводимая мощность должна превышать выделяемую мощность в диоде. В этом случае температура р — n-перехода не превысит максимально допустимое значение Т_jm. Поэтому критерием тепловой устойчивости и работоспособности прибора служит соотношение

. (1.4.3)

Для определения диаметра выпрямительного элемента по критерию (1.4.3) необходимо вычислить среднюю мощность прямых потерь в диоде

P_ВЫД = I_FAV U_F (2,5I_FAV) (1.4.4) при различных диаметрах выпрямительного элемента [1]. Для этого поступают следующим образом. Задаются значением d_В рассчитывают активную площадь структуры, через которую протекает основной прямой ток. В случае планарной структуры активная площадь диода совпадает с площадью р — n-перехода. Для мезаструктуры с фаской ситуация несколько иная (рисунок 1.4.1).

 

1- омические контакты.

Рисунок 1.4.1 Структура выпрямительного элемента с фаской:

 

Так как выпрямительные диоды при предельном токе в большинстве случаев работают при высоком уровне инжекции в базах, область объемного заряда в таком режиме работы исчезает, и сопротивление диода определяется объемным сопротивлением кремниевой пластины. Основная часть тока в этом случае будет протекать в сечении, ограниченном верхним омическим контактом. Растекание тока в боковые области будет незначительным, особенно при малых углах фаски.

Поэтому за активную площадь структуры принимается площадь меньшего омического контакта [1]:

 

. (1.4.5)

 

Учитывая погрешности в расчете прямой ВАХ диода, более строго определять активную площадь не имеет смысла.

Рассчитав S_АКТ, находят плотность тока через выпрямительный элемент при I = 2,5 I_FAV:

 

. (1.4.6)

 

Затем по вольт амперной характеристике (ВАХ) диода единичной площади, определяют значение прямого падения напряжения.

При проектирования выпрямительных диодов ВАХ нужна в относительно узком диапазоне токов, близких к предельному току диода. Это позволяет использовать аналитические выражения, пригодные в ограниченном диапазоне токов и напряжений.

Одна из таких ВАХ в кремнии представлена ниже [1]:

 

, (1.4.7)

, (1.4.8)

 

где U_F - падение напряжения в прямом направлении, В; j_F — плотность прямого тока, А/см²; W_SI — толщина выпрямительного элемента, мкм.

Выражение (1.4.7) записано для р⁺ — n — n⁺-структуры и предполагает, что выпрямительный элемент содержит сильнолегированный приконтактный слой n⁺-типа, который при низком уровне инжекции не оказывает влияния на ВАХ, если толщина умереннолегированной n-базы превышает (2 — З)L_p. Однако при высоком уровне инжекции на n — n⁺-переходе падает часть приложенного напряжения, какой бы ни была ширина базы.

Первое слагаемое в (1.4.7) выражает суммарное падение напряжения на р^+_ n- и n^+_ n-переходах структуры.

Второе слагаемое дает падение напряжения на n-базе в предположении, что имеет место обычная рекомбинация Шокли - Холла - Рида через глубокие центры, т. е. Оже-рекомбинация не существенна. Это допустимо для плотностей тока 300 — 400 А/см². Чтобы падение напряжения на n-базе оставалось приемлемым, необходимо выбирать достаточно большое значение времени жизни. Критерием такого выбора может служить соотношение [1]

 

, (1.4.9)

 

где W_SI дается в микрометрах, а τ_р — в микросекундах.

Третье слагаемое в (1.4.7) представляет вклад электронно-дырочного рассеяния.

После построения ВАХ, по полученному графику либо по (1.4.7) определяют значение прямого падения напряжения при I = 2,5 I_FAV и выделяемую мощность потерь по (1.4.4).

После этого строят зависимость Р_выд от d_В. Затем, исходя из максимально допустимой температуры р — n-перехода и температуры корпуса (таблица 1.4.1), рассчитывают значения максимальной мощности, отводимой от выпрямительного элемента к внешним поверхностям полупроводникового прибора:

. (1.4.10)

 

Внутренние тепловые сопротивления R_thjc типовых корпусов полупроводниковых диодов определяются экспериментально и приводятся в таблицах [1]. Далее, исходя из критерия Р_ВЫД < P_ОТВ и габаритных ограничений, выбирают тип корпуса, обеспечивающий необходимые условия теплоотвода, и диаметр выпрямительного элемента.

Корпуса силовых выпрямительных диодов в настоящее время унифицированы и выпускаются нескольких типов для разных значений диаметра выпрямительного элемента. Причем внутреннее тепловое сопротивление корпуса R_thjc зависит от d_В [1]. Для определения диаметра выпрямительного элемента в данном случае необходимо построить зависимости Р_ОТВ от d_В для различных типов корпусов. Точка пересечения Р_вьд и Р_отв определяет искомый диаметр выпрямительного элемента, для обеспечения тепловой устойчивости диаметр следует выбирать несколько большим, чем дает точка пересечения. При этом нужно иметь в виду, что значения диаметра тоже стандартизированы, поэтому за d_В следует принимать первое разрешенное значение в сторону увеличения. Если окажется, что с учетом указанных критериев подходят несколько корпусов то можно выбрать вариант с меньшим диаметром выпрямительного элемента.