Силовые диоды: разбираем виды, типы и характеристики полупроводников

В мире электроники существует четкое разделение компонентов по задачам. Если сигнальные элементы работают с информацией, то задача силовых компонентов - коммутировать энергию без лишних потерь и перегрева. Полупроводниковый прибор в этом случае работает как мощный обратный клапан для больших токов.

От правильного выбора элемента зависит надежность всего устройства, будь то сварочный инвертор или зарядка для электрокара. Ошибка в подборе типа полупроводника приведет к тепловому пробою и выходу оборудования из строя.

При выборе также стоит учитывать особенности производителя и ассортимент оборудования – например, завод «Силовые диоды» выпускает не только силовые модули, тиристоры и сами диоды, но и охладители к ним. То есть, сразу можно приобрести весь необходимый комплект элементов для подключения.

Конструктивные особенности и принцип работы

Главное отличие мощного компонента от малосигнального собрата кроется в физике кристалла. Чтобы пропустить через себя десятки или сотни ампер, p-n переходу требуется значительная площадь. Большая площадь кристалла позволяет снизить плотность тока, но добавляет паразитную емкость.

Из-за размеров кристалла возникают специфические требования к корпусу. Обычный пластик здесь часто не справляется с отводом тепла. В промышленных схемах качественные силовые диоды монтируются на массивные радиаторы для эффективного охлаждения. Для этого используют корпуса с металлическим основанием или резьбовым креплением "под болт".

Тепловой режим - это основной ограничитель для таких полупроводников. При протекании тока на переходе неизбежно падает напряжение, которое превращается в тепло. Если не отвести эту энергию, кристалл деградирует за считанные секунды.

Низкочастотные выпрямители и диоды Шоттки

Самый распространенный класс - это стандартные выпрямительные диоды. Они рассчитаны на работу в сетях с частотой 50-60 Гц и отлично справляются с высокими обратными напряжениями. Их ставят в диодные мосты на входе блоков питания или в промышленные выпрямительные установки.

Такие приборы отличаются высокой перегрузочной способностью. Кратковременный скачок тока они переживут без последствий, но быстро переключаться они не умеют. Если подать на них высокую частоту, прибор просто не успеет закрыться и начнет греться.

Для низковольтных цепей с высокими требованиями к КПД инженеры выбирают диоды Шоттки. У них другое строение перехода (металл-полупроводник), что дает два жирных плюса:

• малое падение напряжения - от 0.2 до 0.5 Вольт против 0.7-1.1 у кремниевых аналогов;
• мгновенное переключение - отсутствие накопления заряда позволяет работать на огромных частотах.

Однако у Шоттки есть и слабая сторона. Они крайне чувствительны к превышению обратного напряжения. Если обычный кремниевый диод может выдержать короткий всплеск, то Шоттки часто пробивается мгновенно и навсегда.

Быстродействующие и лавинные типы

В импульсных блоках питания и инверторах стандартные решения не работают. Там нужны быстровосстанавливающиеся диоды. Время обратного восстановления у них измеряется наносекундами. Это позволяет им работать в связке с полевыми транзисторами на частотах в сотни килогерц без перегрева.

Отдельного внимания заслуживают лавинные диоды. Это настоящие "броневики" в мире силовой электроники. Конструкция полупроводника позволяет им нормированно пробиваться при скачках напряжения, рассеивая энергию импульса, а затем возвращаться в рабочее состояние.

Лавинные приборы незаменимы там, где возможны мощные индуктивные выбросы. Их часто применяют на железнодорожном транспорте и в электроприводе тяжелых станков. Способность выживать при перенапряжениях делает их отличным выбором для нестабильных сетей.