Расчет параметров силового диода по вольтамперной характеристике

1. Условия для решения задачи

Дана классификационная вольтамперная характеристика (ВАХ) силового диода (рисунок 1.1.1). По осям отложены средние значения величин. Необходимо определить:

1) напряжение пробоя

2) повторяющееся импульсное обратное напряжение (Urrm)

3) класс диода (К)

4) рабочее импульсное обратное напряжение (Urwm)

5) неповторяющееся импульсное обратное напряжение (URSM)

6) максимально допустимый средний прямой ток (IFAV M)

7) импульсное прямое падение напряжения (UFM)

8) пороговое напряжение (U(TO))

9) дифференциальное сопротивление (r_t)

10) повторяющийся импульсный обратный ток (Iмм),

11) мощность потерь в вентиле при IFAV M

12) температуру р-п перехода при 1_{FAV M}, коэффициенте формы тока К_Ф = 3, температуре окружающей среды Т_а=25°С и тепловом сопротивлении «пере­ход-среда» Rthja = 0,5 / N °С/Вт (где N - номер варианта);

13) величины, полученные в пунктах 1, 2, 4 - 10, показать на ВАХ диода.

2. Пример решения задачи

Перерисуем ВАХ применительно к данному варианту.

Рисунок 1.1.1. Статическая ВАХ заданного силового диода

Прежде чем решать задачу, необходимо определить, как связаны между собой амплитудные значения токов и напряжений, которые действуют в схеме, и средние значения этих величин.

Известно, что при снятии классификационной ВАХ вентиля в схему по­дается напряжение от однополупериодной схемы выпрямления (рисунок 1.1.2).

Рисунок 1.1.2. Временная диаграмма напряжения u_F и тока i_F, среднее и максимальное значения напряжения U_FM, U_CP и тока, I_FM при однополупериодной схеме выпрямления.

Среднее значение какой-либо величины пропорционально площади S_i фигуры, ограниченной графиком. Зная изменения величины при перемеще­нии по оси абсцисс, найдем площадь фигуры за время 2π и применим к пло­щади S₂прямоугольника с основанием 2π и высотой U_cp

Аналогично (1.1)

1. Определим напряжение пробоя, т.е. такое напряжение, при приложении которого к диоду, диод выходит из строя. Пробой диода происходит в точке Е. Проекция точки Е на ось напряжений даст нам среднее значение напряжения пробоя Ucp-3000 В. При помощи выражения (1.1) найдем искомое напряжение

2. Для нелавинных диодов напряжение пробоя и повторяющееся импульсное обратное напряжение, т.е. такое, которое может выдержать диод не
чаще, чем 1 раз за период (0,02 сек.), связаны между собой следующим соотношением

(1.2)

Отсюда получим

(1.3)

3. По повторяющемуся импульсному обратному напряжению нетрудно
определить класс данного диода

(1.4)

Округляя полученное значение в меньшую сторону, найдем, что у данно­го диода 70 класс.

4. Для определения обратного рабочего импульсного напряжения, т.е. та­кого, которое длительно может выдерживать диод, воспользуемся следующим
выражением

(1.5)

5. У силовых нелавинных диодов неповторяющиеся, т.е. такое, которое
может выдержать диод не чаще, чем 1 раз за 50 периодов (1 сек.), и повторяющиеся импульсные обратные напряжения связаны между собой следующим соотношением

(1.6)

6. Из рисунка 1.1.1. следует, что максимально допустимый средний прямой ток данного диода соответствует проекции на ось токов точки А ВАХ и равен

7. Среднее прямое падение напряжения при протекании по диоду тока
Ifavm соответствует проекции точки А на ось напряжений (рисунок 1.1.1). Оно равно

В соответствии с (1.1.1), импульсное прямое падение напряжения определится следующим образом

(1.7)

8. Для определения порогового напряжения диода необходимо провести
касательную к линейному участку прямой ветви его ВАХ. На рисунке 1.1.1 это линия KL. Точка пересечения этой линии с осью напряжений (точка L) даст нам искомую величину.

9. Чтобы найти дифференциальное сопротивление диода, нужно построить на линейном участке прямой ветви ВАХ характеристический треугольник, например АВС на рисунке 1.2. Проекции его катетов на оси напряжения и тока

Тогда

10. Повторяющийся импульсный обратный ток - это ток, протекающий
по диоду в обратном направлении, когда к нему приложено повторяющееся
импульсное напряжение. Так как по осям на рисунке 1.2 отложены средние
значения токов и напряжений, то по выражению (1.1) найдем среднее значение
повторяющегося напряжения

По обратной ветви ВАХ (рисунок 1.1.1) определим средний повторяющийся обратный ток, который соответствует напряжению

После этого по выражению (1.1) определим повторяющийся импульсный обратный ток

11. Мощность, которая выделяется в диоде при протекании по нему тока , может быть найдена по следующей формуле

12. Температура p-n перехода при токе Ifav mопределяется выражением

13. Так как параметры, определенные в п. 6, п. 8, п. 9, являются средними
величинами, то они могут быть отложены на рисунке 1.1.1. Параметры, рассчитанные в других пунктах, являются импульсными значениями. Для того, чтобы показать их на ВАХ, требуется построить рисунок 1.1.1 для амплитудных значений токов и напряжений, т.е. увеличить масштаб по осям в п раз (рис. 1.1.3).

Рисунок 1.1.3. Классификационная ВАХ заданного силового диода класса