Жаропонижающие средства для детей назначаются педиатром. Но бывают ситуации неотложной помощи при лихорадке, когда ребенку нужно дать лекарство немедленно. Тогда родители берут на себя ответственность и применяют жаропонижающие препараты. Что разрешено давать детям грудного возраста? Чем можно сбить температуру у детей постарше? Какие лекарства самые безопасные?
При быстрых изменениях напряжения на полупроводниковом диоде на основе обычного p-n перехода значение тока через диод, соответствующее статической вольт-амперной характеристике, устанавливается не сразу. Процесс установления тока при таких переключениях обычно называют переходным процессом. Переходные процессы в полупроводниковых диодах связаны с накоплением неосновных носителей в базе диода при его прямом включении и их рассасывании в базе при быстром изменении полярности напряжения на диоде. Так как электрическое поле в базе обычного диода отсутствует, то движение неосновных носителей в базе определяется законами диффузии и происходит относительно медленно. В результате кинетика накопления носителей в базе и их рассасывание влияют на динамические свойства диодов в режиме переключения.
При превышении заданного напряжения сопротивление диода увеличивается, что приводит к смещению диода и действует как открытый выключатель. Всякий раз, когда напряжение, приложенное ниже опорного напряжения, сопротивление диода получает уменьшается, что делает диод смещен в прямом направлении, и он действует как замкнутый переключатель.
Следующая схема объясняет диод, действующий как переключатель. 
Чем выше ток утечки, тем больше потери. Это условие звонка является потерей и, следовательно, должно быть минимизировано. Для этого следует понимать времена переключения диода. При изменении условий смещения диод подвергается временному отклику. Реакция системы на любое внезапное изменение положения равновесия называется переходной реакцией.
Рассмотрим изменения тока I при переключении диода с прямого напряжения U на обратное напряжение. На рисунке 4.20 показаны эпюры изменения напряжения и тока на диоде.
Рис. 4.20. Эпюры изменения напряжения и тока при переключении диода:
а) напряжение; б) ток
В стационарном случае величина тока в диоде описывается уравнением 
. После завершения переходных процессов величина тока в диоде будет равна J 0 .
Внезапное изменение от прямого к обратному и от обратного к прямому смещению влияет на схему. Время, необходимое для реагирования на такие внезапные изменения, является важным критерием для определения эффективности электрического переключателя. Время, затраченное до того, как диод восстанавливает свое устойчивое состояние, называется временем восстановления. Интервал времени, отсчитываемый диодом для переключения из состояния обратного смещения в состояние смещения вперед, называется временем восстановления вперед. Интервал времени, используемый диодом для переключения из состояния прямого смещения в обратное смещенное состояние, называется обратным временем восстановления. Концентрация носителей заряда меньшинства экспоненциально уменьшается по мере удаления от соединения.
Рассмотрим кинетику переходного процесса, то есть изменение тока p-n перехода при переключении с прямого напряжения на обратное. При прямом смещении диода на основе несимметричного p-n перехода происходит инжекция неравновесных дырок в базу диода.
Изменение во времени и пространстве неравновесных инжектированных дырок в базе описывается уравнением непрерывности:
Когда напряжение накладывается, из-за прямого предвзятого состояния, основные носители одной стороны движутся к другой. Они становятся носителями меньшинства с другой стороны. Эта концентрация будет больше на стыке. Рассмотрим несколько обозначений. Во время форвардного предвзятого состояния - неосновные носители являются более близким соединением и менее удалены от перехода. Приведенный ниже график объясняет это.
Во время условия обратного смещения - несущие большинства не проводят ток через соединение и, следовательно, не участвуют в текущем состоянии. Переключающий диод ведет себя как короткое замыкание для экземпляра в обратном направлении. Меньшие носители перейдут через соединение и проведут ток, который называется. Следующий график представляет условие во время обратного смещения.
(4.25)
В момент времени t = 0 распределение инжектированных носителей в базе определяется из диффузионного уравнения и имеет вид:
(4.26)
Из общих положений ясно, что в момент переключения напряжения в диоде с прямого на обратное величина обратного тока будет существенно больше, чем тепловой ток диода. Это произойдет потому, что обратный ток диода обусловлен дрейфовой компонентой тока, а ее величина в свою очередь определяется концентрацией неосновных носителей. Эта концентрация значительно увеличена в базе диода за счет инжекции дырок из эмиттера и описывается в начальный момент уравнением (4.26).
На приведенном выше рисунке пунктирная линия представляет собой равновесные значения, а сплошные линии представляют собой фактические значения. Время, необходимое для изменения диода от смещения вперед до обратного смещения, называется временем обратного восстановления. На следующих графиках подробно объясняются времена переключения диодов.
Из приведенного выше рисунка рассмотрим график диодного тока. Следующий период времени - это время перехода. Время перехода - это время, в течение которого диод полностью переходит в состояние разомкнутой цепи. Таким образом, время, необходимое для полного завершения работы схемы.
С течением времени концентрация неравновесных носителей будет убывать, следовательно, будет убывать и обратный ток. За время t 2 , называемое временем восстановления обратного сопротивления или временем рассасывания, обратный ток придет к значению, равному тепловому току.
Для описания кинетики этого процесса запишем граничные и начальные условия для уравнения (4.25) в следующем виде.
Факторы, влияющие на время переключения диодов
Время обратного восстановления больше, чем время восстановления. Диод работает как лучший коммутатор, если это время обратного восстановления меньше. Давайте просто рассмотрим определения периодов времени. Время хранения - период времени, в течение которого диод остается в состоянии проводимости даже в обратном смещенном состоянии, называется временем хранения. Время перехода - время, прошедшее с возвратом в состояние некондукции, т.е. обратное смещение в устойчивом состоянии, называется временем перехода. - Время, необходимое для изменения диода от смещения вперед до обратного смещения, называется. Время прямого восстановления - время, необходимое для изменения диода от смещения по прямой к смещению вперед, называется временем восстановления вперед. Существует несколько факторов, влияющих на время переключения диодов, например.
В момент времени t = 0 справедливо уравнение (4.26). При установлении стационарного состояния в момент времени t → ∞ стационарное распределение неравновесных носителей в базе описывается соотношением: 
.
Обратный ток обусловлен только диффузией дырок к границе области пространственного заряда p-n перехода:
Зенеровский диод имеет узкую область истощения, чем лавинный диод, что делает первый более удобным. Существует множество приложений, в которых используются схемы диодной коммутации, такие как -. Диод Шоттки - очень полезная форма диода. Он широко используется в электронных схемах, поскольку он имеет некоторые особенно полезные характеристики.
Характеристики диода Шоттки
Его характеристики означают, что его можно использовать там, где другие формы диода не работают так успешно. Диод Шоттки - это то, что называется основным несущим устройством. Это дает ему огромные преимущества в плане скорости, поскольку он не полагается на рекомбинацию дырок или электронов, когда они входят в область противоположного типа, как в случае обычного диода. Этот фактор является основной причиной того, что они настолько популярны в радиочастотных приложениях.
(4.27)
Процедура нахождения кинетики обратного тока следующая. Учитывая граничные условия, решается уравнение (4.25) и находится зависимость концентрации неравновесных носителей в базе p(x,t) от времени и координаты. На рисунке 4.21 приведены координатные зависимости концентрации p(x,t) в различные моменты времени.
Это означает, что падение прямого напряжения ниже, делая диод идеальным для использования в приложениях для выпрямления энергии. Его главный недостаток находится в уровне его обратного тока, который относительно высок. Для многих применений это может и не быть проблемой, но это фактор, который стоит посмотреть при его использовании в более требовательных приложениях.
Можно видеть, что диод Шоттки имеет типичную характеристику прямого полупроводникового диода, но с гораздо меньшим включением напряжения. При высоких уровнях тока он выравнивается и ограничивается последовательным сопротивлением или максимальным уровнем тока.
Рис. 4.21. Координатные зависимости концентрации p(x,t) в различные моменты времени
Подставляя динамическую концентрацию p(x,t) в (4.27), находим кинетическую зависимость обратного тока J(t).
Зависимость обратного тока J(t) имеет следующий вид:
(4.28)
Здесь - дополнительная функция распределения ошибок, равная . Первое разложение дополнительной функции ошибок имеет вид: .
В обратном направлении пробой происходит выше определенного уровня. Как прямые, так и обратные характеристики показывают более высокий уровень производительности. Однако главным преимуществом включения защитного кольца в конструкцию является улучшение характеристики обратного пробоя. Существует различие в пробивном напряжении 4: 1 между двумя - защитное кольцо, обеспечивающее четкое улучшение обратного пробоя.
Характеристики характеристик диода Шоттки
Прямое падение напряжения: ввиду низкого падения прямого напряжения на диоде это параметр, который вызывает особую озабоченность. Соответственно, любая спецификация дает прямое падение напряжения для данного тока. Если эти цифры превышены, то есть вероятность того, что диод войдет в обратный пробой. Обычно области контактов диодов Шоттки малы и, следовательно, емкость мала. Типичные значения нескольких пикофарад являются нормальными. Поскольку емкость зависит от любых зон истощения и т.д. Емкость должна быть задана при заданном напряжении. Обратное время восстановления: этот параметр важен, когда диод используется в приложении переключения. Заряд, который течет за это время, называется «платой за восстановление». Время для этого параметра для диода Шоттки обычно измеряется в наносекундах, нс. Фактически, какое небольшое время восстановления требуется, главным образом, возникает из емкости, а не для основной несущей рекомбинации. В результате при переходе от состояния прямой передачи к состоянию блокировки в обратном направлении происходит очень мало перерегулирования по току перепада. Это меньше, чем у обычных кремниевых диодов. Необходимо следить за тем, чтобы теплоизоляция силовых диодов не позволяла превышать эту цифру. Обратный ток утечки: параметр обратной утечки может быть проблемой с диодами Шоттки. Обнаружено, что повышение температуры значительно увеличивает параметр тока обратной утечки.
Пример характеристик диода Шоттки
Обратный пробой: диоды Шоттки не имеют высокого напряжения пробоя. . Чтобы дать некоторое представление о характеристиках, ожидаемых от диодов Шоттки, приведено несколько реальных примеров.Разложим функцию (4.28) в ряд в случаях малых и больших времен: t > τ p . Получаем :
(4.29)
(4.30)
Из соотношения (4.30) следует, что в момент t = 0 величина обратного тока будет бесконечно большой. Физическим ограничением для этого тока будет служить максимальный ток, который может протекать через омическое сопротивление базы диода r Б при обратном напряжении U. Величина этого тока, называемого током среза J ср, равна: J ср = U/r Б.
Они суммируют основные спецификации и дают представление об их эффективности. Быстрое восстановление диода является диодом, который имеет быстрое время восстановления. Какое быстрое время восстановления будет объяснено ниже. Одним из наиболее распространенных применений диода является исправить 60 Гц синусоидальные волны. Большинство стандартных обычных диодов сконструированы так, что они обеспечивают наилучшую производительность на относительно низких частотах.
Большинство диодов могут обрабатывать низкочастотные сигналы, так как временные периоды каждого цикла не очень велики, они не очень быстрые. Поэтому в низкочастотных приложениях время восстановления диода не особенно важно. Однако чем больше частота сигнала, тем короче период времени каждого цикла. Чем короче период времени, тем меньше времени на диоде приходится восстанавливать из каждого цикла. На очень высоких частотах это может стать проблемой, поскольку большинство диодов не могут быстро восстановиться из каждого цикла.
Рис. 4.22. Зависимость обратного тока от времени при переключении диода
Время, в течение которого обратный ток постоянен, называют временем среза.
Для импульсных диодов время среза τ ср и время восстановления τ в обратного сопротивления диода являются важными параметрами. Для уменьшения их значения существуют несколько способов. Во-первых, можно уменьшать время жизни неравновесных носителей в базе диода за счет введения глубоких рекомбинационных центров в квазинейтральном объеме базы. Во-вторых, можно делать базу диода тонкой для того, чтобы неравновесные носители рекомбинировали на тыльной стороне базы.
Это происходит в высокочастотных приложениях, например, в телевизионных схемах обратного хода. В подобных случаях время восстановления может стать очень важным. Это связано с тем, что диод должен реагировать на очень короткие импульсы с очень коротким периодом отдыха между соседними шипами. Обычный диод может привести к неправильной или неправильной работе схемы. Для лучшей и более надежной работы в высокочастотных цепях используется специальный диод, называемый быстрым восстановительным диодом.
Ниже показано разное время восстановления между быстрым восстановительным диодом и стандартным диодом. Обычный диод занимает несколько микросекунд для восстановления. Опять же, это нормально для низкочастотных приложений. Однако для быстрого восстановления диода требуется всего лишь наносекунд. Это очень важно в высокочастотных приложениях. На приведенной выше диаграмме вы можете увидеть, как быстрее восстанавливаются быстрые восстановительные диоды.
в полумостовых и мостовых схемах
Дополнение к книге
"Силовая электроника для любителей и профессионалов"
М.СОЛОН-Р 2001 г. "Анализируя формулу для Рпер, приведенную на стр.92, я пришел к выводу, что на конечный результат оказывает сильное влияние Qrr. Предположив, что у меня плохой ПТ, я обратился к электронной документации International Rectifier и обнаружил следующее: для разных типов ПТ приводятся конкретные значения Qrr, приблизительно равные 6 мкКл, в то время как в перечне принятых сокращений этой же документации Qrr упоминается в нКл. Не хотелос бы считать "нКл" правдой только потому, что в такой размерности мощность переключения ПТ оказывается правдоподобной".
Стрыгин М.А., г.Краснодар
Замечено абсолютно верно: коммутационные потери в полумостовых и мостовых схемах в значительной степени зависят от характеристик оппозитных диодов, имеющихся в транзисторах MOSFET. Характеристики этих диодов в части заряда обратного восстановления Qrr, а значит и времени обратного восстановления trr, оставляют желать лучшего - примерно таких параметров, какие имеют диоды HEXFRED. Как было сказано в книге, фирмы-производители электронных компонентов пытаются разными технологическими приемами улучшить характеристики обратного восстановления оппозитных диодов, и им это в какой-то степени удается. Но окончательно исключить эти потери не получается, поэтому здесь мы подробно рассмотрим механизм формирования этих потерь.
Для сравнения в таблицу 1 сведены характеристики обратных диодов некоторых наиболее распространенных на отечественном рынке транзисторов MOSFET, а в таблицу 2 - характеристики диодов HEXFRED.
| Таблица 2 | |||||
| Тип HEXFRED | If, А | Ifm, А | Ufm, В | trr, нс | Qrr, нКл |
| HFA06TB120 | 8,0 | 80,0 | 3,0 | 80 | 320 |
| HFA08TB60C | 8,0 | 60,0 | 2,1 | 55 | 138 |
| MUR1020CT | 5,0 | 50,0 | 1,2 | 25 | 88 |
| HFA30PB120 | 30,0 | 120,0 | 3,0 | 135 | 675 |
| HFA70NH60 | 100,0 | 400,0 | 1,5 | 120 | 900 |
Обозначения в таблицах:
Is, If - номинальный постоянный прямой ток;
Ism, Ifm, - максимальный неповторяющийся пиковый ток;
Usd, Ufm - падение напряжения в открытом состоянии;
trr - время обратного восстановления;
Qrr - заряд обратного восстановления.
Приведенный в таблице 1 транзистор типа IRF740 достаточно часто используется в современных источниках питания, в том числе в источниках полумостового и мостового типа, так как выпускается давно. Рассчитаем мощность, выделяющуюся на этапе обратного восстановления его оппозитного диода при работе в полумосте. Согласно формуле, приведенной на странице 92, она составляет:
Мы пошли на упрощение и не стали учитывать мощность, выделяющуюся при переключении, а также статические потери на сопротивлении транзистора в открытом состоянии. Нетрудно подсчитать, что при питании напряжением 310 В и частоте 20 кГц мощность, выделяющая при обратном восстановлении, составляет 25 Вт при допустимой мощности рассеяния 125 Вт. С повышением частоты мощность обратного восстановления растет, что представляет собой серьезное препятствие для повышения рабочей частоты преобразователей.
Создается впечатление, что потери обратного восстановления не отрегулировать никакими схемотехническими методами, кроме снижения частоты переключения и понижения напряжения, при котором происходит обратное восстановление - в расчетной формуле более нет параметров, которые так или иначе могут этому способствовать. Следовательно, нужно выбирать транзистор с максимально улучшенными показателями заряда обратного восстановления, или проектировать большой радиатор, что, конечно, далеко не всегда доступно.
Если подойти к анализу ситуации немного глубже, то окажется, что заряд обратного восстановления (и, соответственно, время обратного восстановления) - величины непостоянные. Но чтобы понять, почему это так, давайте проанализируем процесс появления этих потерь в полумостовых и мостовых схемах.
Наиболее характерный случай, когда транзисторы работают в так называемом "тяжелом режиме переключения", является коммутация большой индуктивной нагрузки (пример - обмотка электрического двигателя). В этом случае длительность открытого состояния "верхнего" и "нижнего" ключевых элементов полумоста и моста могут быть неравными, и в предельном случае открывающие импульсы одного из элементов вообще исчезают. К примеру, если коммутируется только "верхний" ключ, схема превращается в "чоппер", а роль разрядного диода, поддерживающего индуктивный ток, выполняет оппозитный диод "нижнего" ключа. В чоппере разрядный диод выбирается специально, здесь же свойствами диода управлять нет возможности - какой диод есть, такой есть. Что происходит в этом случае, подробно описано в главе "Подводные камни коммутационных процессов". Именно эти потери учитываются формулами на стр.92 книги.
В случае работы мостов и полумостов в инверторах и преобразователях напряжения ситуация описывается несколько сложнее. Поскольку ток в первичной обмотке трансформатора меняет свое направление, причем управляющие импульсы симметричны, и ситуация "тяжелого переключения" не возникает, поскольку вслед за открыванием обратного диода открывается и транзистор, шунтированный этим диодом. Ток в индуктивности "разворачивается". Конечно, необходимо учитывать этот прямой ток через диод, так как он выделяет на диоде мощность в виде тепла.
А теперь вернемся к "тяжелому переключению" транзисторов и рассмотрим процесс обратного восстановления по документации фирмы International Rectifier. Фирма приводит достаточно мало информации по параметрам оппозитных диодов. Поэтому придется изучить этот процесс на примере HEXFRED диодов, учитывая, что процессы обратного восстановления диодов качественно похожи. Итак, график обратного восстановления диода, приведенный на рис.2
, был достаточно подробно рассмотрен в книге.
Еще один интересный график (рис.4 ) отражает скорость спадания тока восстановления в зависимости от изменения прямого тока. Таким образом, чем меньше скорость изменения прямого тока, тем меньше площадь под кривой на рис.2 - тем меньше заряд обратного восстановления.
Литература
1. А.И.Колпаков "В лабиринте силовой электроники" СПб, 2000 г.
2. под ред.В.В.Токарева "Силовые полупроводниковые приборы" Воронеж, 1995 г. (по материалам фирмы International Rectifier".
3. S.Clemente, B.Pelly "Преобразователь для управления скоростью двигателя, использующий параллельно соединенные мощные MOSFET", AN-941B, International Rectifier.
4. HFA06TB120 "Ultrafast Soft Recovery Diode". PD -2.382 rev. C 01/2000. International Rectifier.
