Montagpena.ru

Строительство и Монтаж
5 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Чувствительность диодов Шоттки к ESD, эффективность по сравнению с диодами TVS

Чувствительность диодов Шоттки к ESD, эффективность по сравнению с диодами TVS

Я пытаюсь защитить компонент от ударов ESD — этот компонент особенно чувствителен, поэтому я также пытаюсь защитить от ударов sub-ns. Прямое напряжение (максимально допустимое) составляет 8 В, обратное — 2 В. Обычно работает на 7В.

Обычный подход состоит в том, чтобы указывать однонаправленную TVS, соответствующую ESD, подключенную параллельно как можно ближе к этому компоненту. Один с переменным быстрым переходным ответом.

Другое может заключаться в использовании высокоскоростного варистора (такого как Ceradiode TDK, заявленный отклик <0,5 нс), однако это является двунаправленным, и напряжение зажима может быть немного высоким.

Параллельное добавление керамического конденсатора также может помочь поглотить часть избыточной энергии.

После общения с кем-то на эту тему они настаивали на том, что анти параллельное соединение с диодом Шоттки является лучшим решением — их утверждение «нет ничего быстрее» может быть правдой, но у меня есть три проблемы:

  1. Диоды Шоттки могут быть повреждены самими этими переходными процессами.
  2. Он защитит только от ударов ОУР в одном направлении.
  3. Прямое напряжение Шоттки может быть ниже, но будет ли оно на самом деле быстрее или работать (чувствительность / ограничение ниже 2 В) лучше, чем диод TVS, созданный для такой работы , как эта ? (в одном направлении).

Прямое напряжение однонаправленных TVS, похоже, тоже не указано.

Мне интересно услышать, что люди думают о каждом из вышеперечисленных пунктов, особенно если будет какая-то польза от использования Шоттки в сочетании с вышеизложенным.

Питер Смит

Часть, на которую вы ссылаетесь, показывает внутреннюю проблему со всеми устройствами TVS; зажимное напряжение имеет огромный диапазон:

Напряжение прижима ТВС

Глядя на часть 7,5 В, она имеет обратное напряжение отключения 7,5 В (вполне разумно). При этом напряжении ток утечки не будет превышать 50 мкА, но максимальное напряжение зажима (при максимальном токе зажима) составляет 12,9 В.

Устройства Littelfuse очень быстродействующие (поскольку внутренние паразитные параметры сведены к минимуму), но я использовал некоторые детали, которые не зажимают должным образом в течение нескольких сотен наносекунд, даже несмотря на то, что модель производителя показала мгновенное зажатие (а тестирование молнии уничтожило несколько деталей, прежде чем было приручено добавлена ​​схема).

Чтобы гарантировать напряжение зажима, я обычно использовал бы пару диодов Шоттки с последовательным резистором (для ограничения тока зажима) и небольшим конденсатором (не всегда возможно — высокоскоростные линии передачи данных — это чертовски надежная защита).

схематический

С schottkys, будьте осторожны с обратной утечкой; Правильно выбранная деталь будет в порядке, но утечка экспоненциально зависит от температуры и в определенных обстоятельствах может привести к тепловому срыву.

Диоды параллельно или последовательно

Мне интересно, каковы будут эффекты параллельного подключения диодов или их последовательного соединения. (как текущие возможности, возможности напряжения и т. д.) Допустим, у меня есть таблица данных диода. Какие характеристики будут меняться? Моя оценка состоит в том, что параллельное подключение увеличит текущие возможности, но может оказать отрицательное влияние на обратную утечку. Я понятия не имею, прав ли я или как это проверить, поэтому любая информация о параллельных или последовательных диодах была бы отличной.

Последовательное подключение диодов ( AK-AK —|<—|<— ) увеличит прямое напряжение результирующего диода.

Последовательное подключение диодов ( AK-KA —|<—>|— ) приведет к разомкнутой цепи до тех пор, пока пиковое обратное напряжение (наименьший диод) не будет приложено к общему результату.

Параллельное подключение диодов ( AK/AK —|<— + —|<— ) увеличит пропускную способность диода. См. «Текущий обмен» документом ниже.

Параллельное подключение диодов ( AK/KA —|<— + —>|— ) не приведет к результирующей диодной проводимости с обеих сторон.

Диоды параллельно:

Диоды часто подключаются параллельно при переключении источников питания для распределения тока. Вот документ «Разделение тока в параллельных диодах» .

Диоды параллельно

Тепловая убегаемость действительно зависит от диодной упаковки и радиатора (рассеивания), на котором они установлены. Диод в моей руке прямо сейчас имеет максимальный Tj 150 C ( Vishay STPS30L60CW-N3 ). При условии достаточного рассеивания в конструкции, конструкция может обеспечивать более высокий ток в «параллельных диодах».

Последовательное подключение диодов добавит их вместе. В этой конфигурации обратная утечка (и емкость) должна уменьшаться.

Параллельно падение останется прежним (обратная утечка и емкость добавят), но текущая способность может быть не намного выше, из-за возможности теплового разгона (поскольку, когда диод нагревается, его Vf падает, тогда он потребляет больше тока по отношению к остальным, еще жарче, и тд). Этого можно избежать, поместив диоды в термический контакт друг с другом и / или используя последовательно последовательно каждый резистор.

То, что вы говорите, отчасти верно, но последовательное подключение двух диодов на 600 В не приводит к эффективной работе на 1200 В, если вы не устанавливаете балансировочные резисторы на каждом диоде.

Диоды в серии с одинаковой полярностью ведут себя не иначе, чем один диод. Падение напряжения и токовые возможности каждого диода остаются неизменными. Общее падение напряжения последовательной комбинации диодов будет равно сумме всех падений напряжения диода. Токовая способность диодов не меняется.

Диоды, подключенные параллельно с одинаковой полярностью, ведут себя не иначе, как один диод. Однако из-за того, что ток в каждом диоде ниже из-за правила деления тока, каждый диод будет иметь меньший ток, протекающий через него, и, следовательно, его падение напряжения будет ниже, поскольку это является характеристикой диодов. Следовательно, предполагая, что все диоды очень похожи по Vf, общее падение напряжения параллельной комбинации диодов будет ниже, чем это было бы для одного диода. Хотя токовые возможности каждого отдельного диода не меняются, параллельная комбинация диодов может обрабатывать больший ток в целом , опять же из-за правила деления тока.

Читайте так же:
Настройка регулятора давления воды в системе водоснабжения

Карбидокремниевые (SiC) высоковольтные диоды Шоттки компании CREE

В настоящее время большинство устройств силовой электроники работает на кремниевых диодах. Но потенциал кремня как материала для силовой электроники практически исчерпан. Разработки и научные поиски новых приборов на основе других полупроводниковых материалов ведутся уже несколько последних десятилетий. И только относительно недавно компания Cree выпустила на рынок первые полупроводниковые приборы на основе карбида кремния (SiC).

На рынке полупроводниковых устройств постоянно появляются новые разработки, но не всегда понятно, как и где новинки могут быть полезны в конкретных применениях. Зачастую, для реализации преимуществ следующего поколения полупроводниковых устройств требуется полностью переработать существующую схему, что бывает непростой задачей для разработчиков.

Спектр полупроводниковых приборов американской компании Cree, Inc. невелик. Она специализируется, в основном, на использовании новых полупроводниковых материалов. Компания CREE является одним из мировых лидеров в производстве электронных устройств на основе карбида кремния. Это один из самых перспективных полупроводниковых материалов, превосходящий другие полупроводниковые материалы по основным физическим свойствам.

Компания производит мощные ВЧ- и СВЧ-транзисторы, светодиоды повышенной светоотдачи, мощные высоковольтные диоды Шоттки (ДШ) на основе карбида кремния под торговой маркой Zero Recovery™ [1]. Последним и будет уделено внимание в данной статье.

ДИОДЫ ШОТТКИ КОМПАНИИ CREE

Уменьшение размера и веса электронных систем обусловлено возрастающими потребностями рынка в плотности мощности электронных устройств. Для того чтобы достигнуть этой цели без ущерба для функциональности, необходимо уменьшить размер и вес импульсного источника питания системы. В этом смысле карбидокремниевые диоды Шоттки (КК ДШ) обладают рядом замечательных свойств:

  • очень малое (практически нулевое!) время восстановления основных носителей заряда при переключениях;
  • более высокое напряжение про боя, чем у кремниевых приборов;
  • высокая температура функционирования (до 175°С);
  • высокая частота переключения (до 500 кГц), что позволяет уменьшить фильтр электромагнитных помех и размеры других пассивных компонентов;
  • уменьшение или исключение активных или пассивных демпферных цепей.

Главное преимущество высоковольтных диодов Шоттки состоит в их исключительных динамических характеристиках. Заряд обратного восстановления Оrr этих диодов чрезвычайно низок (менее 20 нКл), поэтому емкость перехода не сохраняет заряд. Кроме того, в отличие от кремниевых PiN-диодов скорость нарастания тока di/dt не зависит от величины прямого тока и температуры. Диоды нормально работают при максимальной температуре перехода 175°С. Сверхмалое значение заряда Orr карбидокремниевых диодов Шоттки приводит к уменьшению потерь на переключение в типичных применениях импульсной силовой электроники.

Компания выпускает три группы диодов Шоттки на основе карбида кремния: на напряжение 300, 600 и 1200 В. В первой группе всего два диода на ток 10 и 20 А, во второй — 12 ДШ с прямым током от 1 до 20 А, в третьей 4 диода с прямым током от 5 до 20 А.

Диоды выпускаются в стандартных пластмассовых корпусах ТО-220, DPAK, D2PAK, TO-247-3. Перечень диодов Шоттки компании CREE приведен в таблице 1 [1].

Высоковольтные диоды Шоттки компании Cree

КАРБИД КРЕМНИЯ
(немного физики)

Все уникальные свойства ДШ под торговой маркой Zero Recovery™ определяются свойствами полупроводникового материала карбида кремния. Рассмотрим их подробнее.

Карбид кремния SiC — бинарное соединение с большой шириной запрещенной зоны: 2,8. 3,1 эВ в зависимости от модификации. Карбид кремния является третьим по твердости веществом после алмаза. Полупроводниковые приборы на основе карбида кремния могут работать при высоких температурах вплоть до 600°С. Материал устойчив к окислению при температуре до 1400°С. При комнатной температуре он не взаимодействует ни с какими кислотами. Этим объясняется трудность изготовления полупроводниковых приборов на его основе.

Модификаций карбида кремния насчитывается около 170, но только две из них применяются в коммерческих продуктах — это 4H-SiC и 6H-SiC [2].

Сравнение с другими полупроводниками. Карбидокремниевые приборы способны функционировать при высоких температурах, высокой мощности, устойчивы к радиации. Все это определяет блестящие перспективы этого полупроводникового материала и приборов на его основе. Карбид кремния обладает следующими преимуществами по отношению к другим полупроводникам, например, кремнию или арсениду галлия (см. рис. 1):

  • в два-три раза большая ширина запрещенной зоны;
  • в 10 раз большее поле электрического пробоя;
  • способность работать при высоких температурах, до 600°С;
  • теплопроводность в 3 раза больше, чем у кремния, и почти в 10 раз больше, чем у арсенида галлия;
  • устойчивость к воздействию радиации;
  • стабильность электрических характеристик под воздействием температуры и времени.

Рис. 1. Физические свойства карбида кремния.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАРБИДОКРЕМНИЕВЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ДИОДОВ ШОТТКИ

Рассмотрим типичные кривые ВАХ при разных температурах ДШ с прямым током 10 А и обратным напряжением 600 В со структурой 4H-SiC (см. рис. 2).

Прямая ВАХ карбидокремниевого диода Шоттки

Рис. 2. Прямая ВАХ КК ДШ.

Сопротивление перехода в прямом смещении увеличивается с ростом температуры благодаря снижению подвижности электронов при повышенных температурах. При токе через диод 10 А падение напряжения составляет 1,5 В при температуре 25°С. При увеличении температуры ток уменьшается при том же значении прямого напряжения. Отрицательный температурный коэффициент прямого тока позволяет соединять диоды параллельно, неравномерного распределения токов при этом не возникает. Это поведение подобно поведению высоковольтных кремниевых PiN-диодов. Рассмотрим обратные ВАХ ДШ на основе карбида кремния (см. рис. 3).

Обратная ВАХ карбидокремниевого диода Шоттки

Рис. 3. Обратная ВАХ КК ДШ

Типичное значение тока утечки при 600 В и 25°С составляет менее 50 мкА, а при увеличении температуры до 200°С ток утечки увеличивается всего лишь до 70 мкА, что незначительно для такого широкого диапазона температур.

Устройства в корпусе ТО-220 имеют температурное сопротивление 1,1°С/Вт. Ограничение прямого тока при повышении температуры для диода, реализованного в этом корпусе, показано на рисунке 4.

Кривая ограничения тока для карбидокремниевого диода Шоттки Cree 10A-600В

Рис. 4. Кривая ограничения тока для 10A-600В КК ДШ.

Этот график рассчитан для диодов с максимальной температурой перехода 175°С. При температуре корпуса до 150°С температура перехода остается ниже 175°С. Если же температура корпуса становится более 150°С, ток необходимо уменьшить, чтобы сохранить температуру перехода ниже 175°С.

Рассмотрим зависимость емкости перехода карбидокремниевого диода Шоттки от обратного напряжения (см. рис. 5).

Рис. 5. Зависимость ёмкости от приложенного обратного напряжения для 10A-600В КК ДШ.

При 10В ёмкость составляет 240пФ, при 100В она падает до 90пФ и достигает насыщения 50пФ при 300В. Это поведение емкости сравнимо с поведением емкости кремниевого ДШ при малых напряжениях.

Диоды Шоттки на основе карбида кремния обладают превосходными динамическими характеристиками. Остановимся на них подробней. Сравним характеристики выключения КК ДШ с кремниевым FRED-диодом при разных температурах (см. рис. 6).

Рис. 6. Осциллограмма выключения КК ДШ 10A/600В

Диод на основе КК, как диод с переносом тока основными носителями, не имеет сохраненных неосновных носителей. Поэтому во время переходного процесса при выключении ток обратного восстановления КК ДШ отсутствует. Однако имеется небольшой ток смещения, требуемый для перезарядки емкости перехода Шоттки (переход М—п/п), который не завит от температуры, тока и скорости нарастания тока di/dt. По сравнению с КК ДШ у кремниевого FRED-диода имеется большой заряд обратного восстановления, который быстро увеличивается с ростом температуры, прямого тока и обратной скорости нарастания тока di/dt. Например, заряд Orr кремниевого FRED-диода при комнатной температуре примерно равен 160 нКл и увеличивается до 450 нКл при 150°С. Это избыточное количество электричества увеличивает потери на переключение и приводит к огромным нагрузкам на ключевом элементе или диоде в типичных импульсных схемах силовой электроники (корректоры коэффициента мощности или силовая часть привода).

В ключевых схемах диод будет подвергаться пиковым токам, значительно большим, чем средний ток через диод. На рисунке 7 показан импульсный прямой ток амплитудой 50А при температуре 25°С для КК ДШ с параметрами 10 А/600 В. Этот импульс, полуволна синусоиды частотой 60Гц, достигает пятикратного значения среднего тока через диод.

Рис. 7. Импульсный прямой ток амплитудой 50 А для КК ДШ 10A/600В

Качество пластин карбида кремния непрерывно улучшалось в течение 5 последних лет. Теперь возможно делать кристаллы большой площади. С использованием этих кристаллов удалось создать карбидокремниевый диод Шоттки на 30 А/600 В. Это устройство обладает током утечки 70 мкА при обратном смещении 600 В. Как было сказано выше, отрицательный температурный коэффициент тока делает возможным простое параллельное включение нескольких кристаллов в одном корпусе без проблем, связанных с перераспределением токов. Объединив три рассмотренных диода можно получить прибор с прямым током 80 А. Он будет иметь ток утечки 125 мкА при 600 В и 25°С. Таким образом, технология КК ДШ является масштабируемой и позволяет получать большие прямые токи через прибор. И пока технология изготовления карбидокремниевых полупроводниковых приборов совершенствуется, есть возможность получать нужные приборы путем их параллельного соединения в одном корпусе.

ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ ДИОДОВ НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ

Диоды Шоттки компании Cree находят применение в импульсной силовой электронике: в схемах корректоров коэффициента мощности, в приводах электродвигателей и др. Применение этих приборов оправдывает себя при работе на повышенных частотах. Благодаря уникальным свойствам диодов Шоттки на основе карбида кремния, корректоры коэффициента мощности могут работать на частотах вплоть до 500кГц при КПД устройства 92%, тогда как эффективность корректора мощности с использованием кремниевых приборов резко падает с повышением частоты (см. рис. 8).

Рис. 8. Эффективность использования КК ДШ

При работе на высоких частотах габариты индуктивностеи уменьшаются примерно на 30%. Благодаря отсутствию тока обратного восстановления снижаются электромагнитные помехи, что позволяет сэкономить на сетевом фильтре (см. рис. 9) [3].

Рис. 9. Уменьшение размеров индуктивностей с ростом частоты.

Кроме корпусированных диодов, компания поставляет свои кристаллы сторонним фирмам для использования их, например, в качестве антипараллельных диодов мощных транзисторов IGBT или MOSFET в составе силовых модулей.

Параллельное соединение диодов шоттки

вательных устройств и обеспечению их электромагнитнбй совместимости в составе технических систем. Получаемый за счет перехода на повышенные частоты технико-экономический эффект полностью компенсировал затраты на решение этих задач. Поэтому в настоящее время тенденция создания многих типов преобразовательных устройств с промежуточным высокочастотным звеном сохраняется.

Следует отметить, что использование полностью управдя-емых быстродействующих полупроводниковых приборов в традиционных схемах существенно расширяет их возможности в обеспечении новых режимов работы и, следовательно, новых функциональных свойств изделий силовой электронной техники.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 1.1. СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Основными элементами силовой электроники являются нелинейные элементы, вольт-амперные характеристики которых приближаются к идеализированной характеристике элемента ключевого или релейного типа, изображенной на рис. 1.1. Элементы с такими характеристиками имеют два явно выраженных состояния: включенное, соответствующее высокой проводимости, и выключенное, соответствующее низкой проводимости. В настоящее время функции ключевых элементов в силовой электронике выполняют полупроводниковые приборы различных типов. Эти приборы представляют собой сочетание полупроводящих слоев с различными типами электронной проводимости.

Преимущественно для нужд силовой электроники разработаны силовые полупроводниковые приборы. К ним относятся приборы с максимально допустимым средним или действующим током свыше 10 А или максимально допустимым импульсным током свыше 100 А.

Силовые полупроводниковые приборы можно классифицировать по различным признакам: принципу действия, степени управляемости, назначению, применении

По принципу действия силовые полупроводниковые приборы разделяют на три основных вида: диоды, тиристоры, транзисторы.

В свою очередь основные виды полупроводниковых приборов подразделяются на группы, определяемые особенностями конструктивного и технологического исполнения, характером физичес- рж ,. Вольт.амперная ких процессов и др. Например, среди характеристика идеально-тиристоров можно выделить запираемые го ключевого элемента

тиристоры, фототиристоры, симметричные и асимметричные тиристоры и др., а среди транзисторов — биполярные, МОП-транзисторы и др.

Внутри каждой группы приборы могут классифицироваться по назначению (низкочастотные, высокочастотные, импульсные и- др.).

В силовой электронике иногда классификацию производят по степени управляемости прибора, что удобно для выбора рациональных схем на основе того или иного прибора. Под признаком управляемости в таких случаях подразумевают возможность переводить прибор из проводящего состояния в, непроводящее и обратно посредством воздействия на него маломощным управляющим сигналом. По степени управляемости силовые управляемые приборы разделяют на следующие группы:

1)не полностью управляемые приборы, которые можно посредством управляющего импульса переводить только в проводящее состояние, но не наоборот, например широко распространенные тиристоры;

2)полностью управляемые приборы, которые можно переводить в проводящее состояние и обратно посредством управляющего импульса (транзисторы или запираемые тиристоры).

Силовые приборы разделяют также внутри отдельных групп по основным параметрам, например по напряжению или току, а также по другим характерным признакам.

1.1.1. СИЛОВЫЕ ДИОДЫ

I Принцип действия полупроводникового диода основан на использовании свойств р-п электронно-дырочного перехода, возникающего в полупроводниковой пластине между двумя слоями с различными типами электрической проводимости. На рис. 1.2 изображена вольт-амперная характеристика р-п

перехода. В ней можно выделить две ветви: прямую (А) и обратную (Б). Прямая ветвь характеризуется малыми значениями прямого напряжения на р-п переходе, а обратная— малыми значениями тока (называемого обратным), обусловленного неосновными носителями заряда. Однако если обратное напряжение, приложенное к р-п переходу, превысит определенное значение, то возникнет электрический

о. , т „пробой р-п перехода, характеризуйте. 1.2. Вольт-амперная харак- „ r 2 ,. i теристика полупроводниковогоющиися резким возрастанием об-диодаратного тока при незначительном

изменении обратного напряжения. В силовых диодах пробой обычно обусловлен ударной ионизацией атомов кристалла свободными носителями заряда и называется лавинным. Возникновение лавинного пробоя приводит к выходу диода из строя (из-за резкого повышения выделяемой при этом мощности), если при его изготовлении не предусмотрены специальные технологические мероприятия, которые позволяют ограничить выделяемую мощность при протекании обратного тока.

Диоды, рассчитанные на работу в условиях кратковременных обратных перенапряжений с наступлением лавинного пробоя, называются лавинными или с лавинной характеристикой. Такие диоды используются также в качестве стабилитронов, т. е. приборов, на которых при пробое сохраняется практически постоянное напряжение, несмотря на резкое возрастание обратного тока. При приложении прямого напряжения вольт-амперная характеристика лавинного диода такая же, как и у обычного диода (ветвь А на рис. 1.2).

Основными параметрами, характеризующими возможности диодов, являются предельно допустимые значения повторяющегося импульсного обратного напряжения и максимального среднего прямого тока (усредненного по всему периоду для периодических токов).

Кроме предельных параметров, важными параметрами являются:

прямое напряжение (напряжение на выводах диода, обусловленное прямым током);

обратный ток (ток через диод при приложении обратного напряжения);

время * обратного восстановления (параметр, характеризующий время восстановления блокирующих свойств диода).

Указанные параметры обычно приводятся в техническом паспорте на прибор, а более подробная информация о параметрах, характеристиках и эксплуатационных свойствах — в технических условиях на прибор.

При выборе диода по условиям предельно допустимого тока следует учитывать .эффективность охладителя, совместно с которым используется диод. —

Иначе говоря, предельное значение тока рассчитывается из условий охлаждения прибора для каждого конкретного типа охладителя.

Силовые диоды имеют различное конструктивное исполнение (штыревое, таблеточное и др.), которое в свою очередь определяет конструкцию охладителя.

Согласно [1 ], основные сведения о конструктивном исполнении и параметрах диода содержатся в его обозначении. Так, например, в условном обозначении диода Д161 -200-

5-1,25-1,35 буква Д соответствует виду прибора (если диод имеет лавинную вольт-амперную характеристику в зоне обратного напряжения, то к букве Д добавляется буква Л, а цифры 161 указывают на определенные конструктивные признаки. Остальные цифровые обозначения указывают на то, что максимально допустимый средний прямой ток 200 А, повторяющееся импульсное обратное напряжение 500 В (5-й класс прибора по напряжению), пределы изменения импульсного прямого напряжения от 1,25 В до 1,35 В. Информация о значениях прямого напряжения является важной для «диодов, . предназначенных для параллельной работы. Для диодов с нормируемым значением времени обратного восстановления (быст-ровосстанавливающихся) в обозначение добавляется цифра 4 и указывается группа, соответствующая конкретному значению времени восстановления. Например, обозначение Д4-161-200-5-2, в отличие от Д-161-200-5, свидетельствует о том, что диод нормирован не только по току (200 А) и классу обратного напряжения (500 В), но и имеет гарантированное значение времени обратного восстановления не менее 4 мкс, что соответствует группе 2 [1].

В настоящее время созданы силовые диоды на токи свыше 1000 А и напряжения свыше 1000 В.

При последовательном и параллельном соединениях диодов из-за несовпадения их вольт-амперных характеристик возникают неравномерные распределения напряжений или токов между отдельными диодами. На рис. 1.3 представлены схемы: последовательного (рис. 1.3, а) и параллельного (рис. 1.3,6) соединения двух диодов. Там же представлены прямые (рис. 1.3,г) и обратные (рис. 1.3,в) ветви вольт-амперных характеристик соединяемых диодов. Согласно приведенным вольт-амперным характеристикам при последовательном соединении диодов, приложенное к ним обратное напряжение ur при одинаковых обратных токах ir распределяется между диодами неравномерно: к диоду vdx прикладывается напряжение url, а к диоду vd2— напряжение ur2 (рис. 1.3, в). При параллельном соединении диодов протекающий через них общий ток if при одинаковых прямых падениях напряжения uf распределяется также неравномерно: через диод vd1 протекает ток 7F1, а через диод vd2 ток if2 (рис. 1.3,г). Для исключения выхода из строя диодов из-за перегрузки по току или перенапряжений принимают специальные меры по выравниванию указанных параметров между отдельными диодами. При последовательном соединении диодов для выравнивания напряжений обычно используются резисторы, включенные параллельно диодам, а при параллельном соединении — индуктивные делители различных типов.

Рис. 1.3. Последовательное и параллельное соединение диодов

Значительно более высоким быстродействием при сравнении с обычными кремниевыми диодами обладают диоды Шоттки (для мощных приборов десятки наносекунд). В основе механизма их Действия лежат электрофизические процессы, возникающие при контакте между металлом и полупроводником. Основным преимуществом по сравнению с обычными диодами с р-п переходом является отсутствие инжекции неосновных носителей при прямом смещении перехода. В результате этого накопление и рассасывание основных носителей имеют малую инерционность, обусловленную только барьерной емкостью контакта. Современные мощные диоды Шоттки выпускаются на низкие (десятки вольт) напряжения и токи (сотни ампер).

Кроме диодов Шоттки разработаны еще две группы быстродействующих диодов: диффузионные р-п диоды и эпи-таксиальные, в зависимости от технологии их изготовления. Эти приборы рассчитаны на более высокие напряжения. Наиболее высоковольтными (800—1600 В) являются диоды, изготовленные по диффузионной технологии. По значению прямого напряжения быстродействующие силовые диоды распределяются следующим образом: диоды Шоттки 0,5—0,9 ХВ; эпитаксиальные 0,8—1,3 В; диффузионные 1,1 —1,6 В.

Используем параллельное соединение нескольких MAX40200 в качестве идеального диода

В данной статье рассматривается возможность использования нескольких интегральных схем (ИС) MAX40200 производства Maxim Integrated в параллельном подключении, а также их комбинированные параметры. Совместное применение нескольких ИС MAX40200 в роли идеального диода должно суммарно обеспечивать такие же характеристики, как и у одного более крупного устройства.

Общие рекомендации

MAX40200 – это идеальный диодный токовый переключатель с настолько малым падением напряжения прямого смещения на полупроводниковом переходе, что оно почти на порядок меньше, чем у диодов Шоттки. В MAX40200 реализована защита самой ИС и подключенных к выходу цепей от превышения температуры. В отключенном состоянии (на выводе EN установлен низкий уровень) ИС блокирует прямое и обратное напряжения до 6 В, что делает ее пригодной для большинства низковольтных портативных электронных устройств. При обратном смещении диодного перехода MAX40200 ток утечки меньше, чем у многих сопоставимых диодов Шоттки. MAX40200 работает с напряжением питания 1,5…5,5 В.

Идеальный интегральный диод MAX40200 имеет целый ряд преимуществ, среди которых:

  • незначительный ток в дежурном режиме – 7 мкА;
  • малая рассеиваемая мощность – всего 125 мкА при токе 1 А;
  • небольшое падение напряжения (примерно 18 мВ) для прямого тока – до 100 мА;
  • время переключения между прямым и обратным напряжением смещения – менее 100 мкс;
  • компактный корпус типа WLP с четырьмя выводами;
  • отпирающий/запирающий сигнал и тепловая защита.

Одной из важных особенностей ИС MAX40200, применяемой в качестве идеальных диодов, является использование MOSFET вместо обычной биполярной полупроводникой технологии, что позволяет, по сути, обеспечить для нагрузки гальваническую развязку по току. В данной статье исследуются характеристики нескольких параллельно соединенных ИС MAX40200.

Комплект из нескольких идеальных диодов должен обеспечивать те же характеристики, что и один более мощный диод. Для этого необходимо подобрать некоторое количество MAX40200. Например, можно использовать две параллельно соединенных ИС для системы на 2 А и, соответственно, четыре параллельных ИС для системы на 4 А.

Экспериментальные результаты

На рисунке 1 показаны четыре параллельно подключенных MAX40200, которые обеспечивают ток до 4 А. Если все ИС размещены близко друг к другу, то они имеют почти одинаковую температуру. И, следовательно, при одинаковой температуре должны иметь сходные характеристики. На рисунке 2 показана зависимость падения прямого напряжения на ИС от протекающего постоянного тока. На рисунке 3 сравниваются графики зависимости напряжения от тока для одной и четырех ИС MAX40200, подтверждающие, что характеристики для одного устройства MAX40200 и для четырех MAX40200 очень похожи.

Рис. 1. Типичная схема параллельного подключения диодов для увеличения нагрузочной способности цепи по току

Рис. 1. Типичная схема параллельного подключения диодов для увеличения нагрузочной способности цепи по току

Рис. 2. Зависимость прямого падения напряжения на MAX40200 от величины протекающего через них прямого тока

Рис. 2. Зависимость прямого падения напряжения на MAX40200 от величины протекающего через них прямого тока

Рис. 3. Сравнение характеристик одного и четырех MAX40200

Рис. 3. Сравнение характеристик одного и четырех MAX40200

На рисунке 4 представлена схема с открытием и закрытием диодов для протекающего тока. На рисунках 5 и 6 представлены наблюдаемые результаты.

Рис. 4. Схема включения/выключения диодов

Рис. 4. Схема включения/выключения диодов

Рис. 5. Переходные процессы при открытом диоде (IFWD = 4 A)

Рис. 5. Переходные процессы при открытом диоде (IFWD = 4 A)

Рис. 6. Переходные процессы при открытом/закрытом диоде (IFWD = 4 A)

Рис. 6. Переходные процессы при открытом/закрытом диоде (IFWD = 4 A)

Обратите внимание, что VIN на рисунке 5 представляет важный переходный процесс. Это связано с тем, что переходная характеристика меняющейся нагрузки источника питания используется при токе 0…4 А. Этот переходный процесс также виден на VLOAD.

На рисунке 7 представлена схема для измерения переходных характеристик на нагрузке. Здесь могут возникать условия для появления кратковременной повышенной нагрузки, когда проводящее устройство должно быть способным обеспечить необходимый ток с незначительными колебаниями VFWD. Это связано с тем, что VLOAD (V) обычно является источником питания для последующих цепей. На рисунке 8 показаны переходные процессы при изменяющейся нагрузке.

Рис. 7. Схема для контроля переходных процессов на нагрузке

Рис. 7. Схема для контроля переходных процессов на нагрузке

Рис. 8. Переходные процессы на нагрузке (IFWD = 200 мА…3,8 A)

Рис. 8. Переходные процессы на нагрузке (IFWD = 200 мА…3,8 A)

В показанной на рисунке 9 схеме используется стандартный диод Шоттки CMCH5-20 (20 В, 5 А) вместе с четырьмя ИС MAX4200. Переходный процесс создан на участке VIN2, чтобы имитировать вариант схемы диодного «ИЛИ» для выбора пути тока.

Рис. 9. Диодная схема «ИЛИ» на основе стандартного диода и четырех устройств MAX40200

Рис. 9. Диодная схема «ИЛИ» на основе стандартного диода и четырех устройств MAX40200

Когда VIN2 (3,3 В) меньше чем VIN1 (3,6 В), выбранным источником напряжения будет VIN1 и диод D1 оказывается обратносмещенным. Когда VIN2 будет более 3,6 В, D1 переходит в проводящее состояние, а U1…U4 выключаются. На рисунках 10а и 10б отображены переходные характеристики схемы, представленной на рисунке 9.

Рис. 10. Переходные характеристики диодного соединения «ИЛИ»

Рис. 10. Переходные характеристики диодного соединения «ИЛИ»

Особенности трассировки печатной платы

На рисунке 11 показан типичный пример размещения дорожек на печатной плате для четырех параллельно соединенных ИС MAX40200. Как видно, цепи VDD и OUT на плате имеют медные площадки большого размера для уменьшения сопротивления и плотности тока. Обе цепи – VDD и OUT – размещены на верхней стороне платы без использования межслойных перемычек. Поскольку физический механизм, обеспечивающий разделение тока нагрузки, является тепловым, параллельно соединенные идеальные диоды должны располагаться как можно ближе друг к другу. Учитывая вероятность повышенных токов или отсутствия параллельно подключенных компонентов, следует использовать печатную плату с наиболее толстым слоем меди. Это помогает лучше рассеивать выделяющееся тепло и уменьшает падение напряжения при высоких токах. Обратите внимание, что корпус WLP оптимален для параллельного соединения нескольких устройств – этому способствуют его небольшие размеры и хорошая теплопроводность.

Рис. 11. Пример компоновки печатной платы

Рис. 11. Пример компоновки печатной платы

Как показано на рисунке 12, отдельные компоненты размещены с зазором в 12 мм, что гарантирует термическую равноценность всех ИС MAX40200. Параллельно соединенные ИС следует защитить от повышенного теплового воздействия внешних источников тепла. В противном случае все работающие при высокой температуре устройства будут иметь повышенное RON. Неравномерное распределение температуры на плате под установленными ИС приводит к неравному разделению тока. Не рекомендуется использовать переходные отверстия на основных проводящих участках платы (VDD или OUT), так как они добавляют паразитную индуктивность и увеличивают эффективное RON в основной цепи, таким образом повышая прямое падение напряжения (VFWD).

Рис. 12. Расстояние между размещенными рядом MAX40200

Рис. 12. Расстояние между размещенными рядом MAX40200

На рисунке 13 показана разница температур окружающей среды и платы с параллельно соединенными MAX40200. Обратите внимание что разность температур прямо пропорциональна прямому току нагрузки, проходящему через эти устройства. Данный результат был получен на плате, изображенной на рисунке 12.

Рис. 13. Температура печатной платы, изменяющаяся в зависимости от температуры окружающей среды

Рис. 13. Температура печатной платы, изменяющаяся в зависимости от температуры окружающей среды

Почему так хорошо работают блоки из нескольких параллельных диодов

Сопротивление открытого канала MOSFET имеет резко положительный температурный коэффициент, который гарантирует, что более горячий MOSFET имеет большее сопротивление, чем более холодный, что приводит к протеканию через него немного повышенного тока. Поэтому для двух таких MOSFET устанавливается тепловой баланс, соответствующий токовому балансу. Такой тепловой баланс гарантируется правильной компоновкой печатной платы. Вообще, плотное размещение компонентов является обоснованным. Но если на плате есть другое устройство, которое рассеивает много тепла, то вызванный им тепловой градиент изменяет баланс распределения тока для параллельно соединенных идеальных диодов.

Разница между обычным корпусом и WPL – корпусом на базе подложки кристалла

Описанное выше исследование было проведено для корпуса WLP (Wafer Level Package) и является оптимальным для параллельного использования нескольких корпусов, поскольку очень малый размер, электрические характеристики этого типа интегральной упаковки и хорошая теплопроводность позволяют обеспечить достаточную термическую связь, чтобы сделать такой подход более удобным с практической точки зрения.

Из-за более высокого теплового сопротивления в корпусе типа SOT23 (обусловленного сопротивлением внутреннего соединения проводов) распределение тока и прямое падение напряжения (VFWD) –несколько хуже, чем в случае с корпусом WPL. Значительное влияние, даже при плотно размещенных корпусах типа SOT, оказывают и любые дополнительные перепады температур. Для идеальных диодов в таком корпусе рекомендуется понизить размеры до 75% от указанных в спецификации.

Заключение

Интегральный диод MAX40200 одинаково хорошо показал себя при параллельном соединении как двух, так и четырех ИС. И статические, и переходные характеристики показывают, что распределение тока является близким к поведению идеального диода, а переходные характеристики не ухудшаются. Несколько MAX40200 могут быть применены в тех случаях, когда требуется повышенный ток или пониженное падение напряжения.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector