Съвременни токоизправители

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2009

Токоизправителите са сред първите електронни схеми, появили се в зората на електрониката, които продължават да имат своето голямо значение и днес. Те са задължителна част на всяко мрежово захранване, но това не ограничава областите на приложението им. Токоизправителите присъстват и в управлението на много индустриални машини и транспортни средства. В статията се разглеждат мостови токоизправители за фиксирано напрежение, управляеми и синхронни токоизправители, дискретните прибори и интегралните схеми (ИС) за реализацията им, както и модули на токоизправители.

Изправителни диоди
Точно определение за тях няма, но обикновено се приема че те са с максимален ток в права посока (Forward Current, Forward Continuous Current) IF или IFM, равен или по-голям от 0,2 А. Освен него за право свързване (отпушен диод) като параметри се дават максималният ток на еднократни импулси Surge Forward Current, Non-Repetitive Peak Forward Surge Current) IFSM, който е поне няколко пъти по-голям и е амплитудата на полусинусоида с продължителност 10 ms. Най-големият среден изправен ток (Average Rectifed Output Current) IFAV е валиден само за импулси с формата на полусинусоида. Напрежението в права посока (Forward Voltage) VF се дава при една или повече стойности на тока през диода, като някои производители предпочитат максимално възможната му стойност с означение VFM. Също за отпушен диод е в сила максималната разсейвана мощност (Power Dissipation) PDmax (или PD), която е валидна до определена температура на кристала или околна, аналогично на всички полупроводникови прибори. Специфичен параметър, заимстван от предпазителите, е топлинната енергия I2t, при която диодът  прекъсва поради разтопяване на връзките между кристала и изводите на корпуса.
Втора група параметри са в сила за запушен диод. Най-важните са максимално допустимото обратно напрежение, за което се дават няколко стойности – постоянно напрежение (Direct Reverse Voltage, DC Blocking Voltage) VR или VRD, постоянно повтарящо се импулсно напрежение (Repetitive Peak Reverse Voltage) VRRM и еднократно импулсно напрежение (Non-Repetitive Peak Reverse Voltage) VRSM. Понякога се дава и обратното напрежение за настъпване на пробив (Reverse Breakdown Voltage) V(BR)R, като за настъпване на пробива се приема достигане на определена стойност на обратния ток, давана в каталога. Класификацията на диодите в каталозите се прави в зависимост от VR. Обратният ток (Reverse Current, Leakage Current) IR е при определено обратно напрежение, по-малко от която и да е от горните стойности, и фиксирана температура, като бързо нараства с увеличаването й.
Трета група са параметрите при превключване, основният от които е времето за възстановяне на обратното съпротивление (Reverse Recovery Time) trr, изяснено чрез фиг. 1 - през отпушения диод протича определен ток IF, подава му се обратно напрежение Vbatt, след което обратният ток минава през максимум IRM и когато намалее до определена стойност iR (обикновено 2,5.10-3IRM) диодът се счита за запушен. В зависимост от стойността на trr има 4 вида изправителни диоди с p-n преход:
l стандартни (Standard Rectifier) c trr > 0,5 ms;
l бързи (Fast Rectifier, Fast Recovery Rectifier) c trr = 0,1 ё 0,5 ms с основни предимства по-голямо бързодействие и по-малка PD, което определя по-малки размери и цена и по-голям к.п.д. на токоизправителя.
l супербързи (Superfast Rectifier) c trr между 50 и 100 ns.
l ултрабързи (Ultrafast Rectifier) c trr <50 ns.
Протичането на обратния ток през времето trr обуслява преминаване през прехода на обратен заряд (Reverse Recovery Charge) Qrr - колкото по-малка е неговата стойност, толкова по-бързо се запушва диодът.
Нагряването на изправителните диоди в зависимост от разсейваната върху тях мощност PD се определя както при останалите полупроводникови прибори от топлинното им съпротивление. При диодите със сравнително малък IF то е кристал-околна среда RthJA, а при останалите - кристал-корпус RthJC. Възможен начин за охлаждане на диодите с пластмасов корпус е през изводите им, свързвани например към островче от печатната платка. Поради това често се дава топлинното съпротивление кристал-изводи (Resistance Junction to Leads) RthJL. Когато за време Dt мощността върху диода нарастне на PDS, температурата му се увеличава с DTS, чиято стойност се определя в зависимост от топлинния импеданс Zth (той също може да е JA или JC) според израза DTS = Zth(PDS - PD). За този импеданс в някои каталози се дават графики, един пример за които е на фиг. 2 - по абцисата е Dt, а стойностите на Zth са по ординатата. По същия начин се определя допълнителното нагряване на ИС и модули на токоизправители. За приложенията на изправителните диоди съществен параметър е  и максималната температура TJmax на кристала.
Характерна особеност е, че голяма част от изправителните диоди се произвеждат в серии, като във всяка те са с еднакви параметри и се различават само по стойността на VR (например между 50 и 1000 V).
Голямо е приложението на изправителните диоди пасивирани със стъкло (Glass Passivated Rectifier), чийто p-n преход в процеса на производство се покрива с тънък слой стъкло. Резултатът е намаляване на дефектите (по време на експлоатация) поради различните коефициенти на температурно разширение на диодната структура и съответно по-голяма надеждност и възможност за работа до по-високи TJ с типични стойности 175°С.
В табл. 1 са дадени основните параметри на изправителни диоди с p-n преход.
Сред характерните особености на изправителните диоди на Шотки (Schottky Rectifier, Schottky Barrier Rectifier) са по-малките стойности на тока IF (до няколко десетки А) и на напрежението VR (до 100 V), поради което параметърът I2t не се дава. Освен това токът IR е сравнително голям – отношението IF/IR обикновено е с около 1 порядък по-малко от това на диодите с p-n преход. Основното предимство на диодите на Шотки е около 2 пъти по-малкото VF, което води до намалени загуби на енергия и съответно по-голям к.п.д. Същевременно липсва пространствен заряд върху прехода и съответно параметрите trr и Qrr са по-малки. В токоизправителите диодите на Шотки се използват по-малко от тези с p-n преход.
В табл. 2 са дадени няколко примера за изправителни диоди на Шотки.
Сравнително най-малко разпространени са лавинните изправителни диоди (Avalanche Rectifier), които могат да бъдат с p-n преход или Шотки. Специфичните им приложения са изяснени чрез фиг. 3. Прекъсването например на веригата на индуктивен товар в момента t1 създава отскок Vm на напрежението (крива 1) и за да не се получи повреда запушените диоди, върху които то се получава, трябва да имат по-голямо VR. Реално това може да наложи те да са твърде високоволтови, а и голямото Vm може да е опасно за други електронни блокове. Това се избягва чрез използване на лавинни диоди, чието обратно напрежение на пробив VBR се избира да е по-малко от Vm (крива 2). Действието им в отпушено състояние не се различава от това на другите изправителни диоди. Специфичен параметър е максималната мощност на импулса при лавинен пробив (Repetitive Peak Avalanche Power) PARM или PRSM за определена продължителност tp на импулса. Някои фирмени изследвания показват, че при използването в ключови стабилизатори на диоди на Шотки с лавинен пробив вместо обикновено диоди на Шотки се получава увеличаване на к.п.д. с около 2 %. Друга особеност е, че вместо VR като параметър се използва напрежението на лавинен пробив VBR.
Примери за параметрите на лавинни изправителни диоди са дадени в табл. 3.

Двойни изправителни диоди
В съответствие с наименованието им те съдържат два диода в корпуса си, които могат да са самостоятелни (фиг. 4а), наричани OR-ing Diode, с общ анод (Common Anode - фиг. 4б), с общ катод (Common Cathode - фиг. 4в) и последователно свързани с извод от средната точка (фиг. 4г). Последната схема се нарича и полумост (Half Bridge). Диодите могат да са от всеки от трите вида, като тези на Шотки имат и приложения главно в синхронни токоизправители и ключови стабилизатори. Тъй като разсейваната мощност върху двойните диоди е 2 пъти по-малка от тази върху единичните (при осигуряване на еднаква изходна мощност), те трябва да имат 2 пъти по-малко топлинно съпротивление.
В табл. 4 са дадени параметрите на  двойни диоди. Трябва да се има предвид, че в някои каталози IF е за всеки от диодите, а в други – за целия мост. Някои производители наричат последния изходен ток (Output Current) и го означават с Io.

Еднофазни мостови токоизправители
Това са най-масово използваните токоизправители с основна схема на фиг. 5а и често използвано символично означение на фиг. 5б. Тя може да се реализира с дискретни диоди, с два полумоста, като ИС и като модул. По принцип е възможна реализация и с един двоен диод по схема с общ катод и един по схема с общ анод, но това се прави рядко, тъй като трябва двете двойки да са с еднакви параметри.
Еднофазните токоизправители се използват за осигуряване на мощност върху товара до няколко стотици W и сравнително рядко до 1 kW, а като и изключение повече. Освен това тези в електронни апаратури задължително изискват изходен кондензатор с голям капацитет, докато за захранване на индуктивни товари (например електродвигатели и индукционни пещи) той не се поставя. Сред появилите се в последните години приложения са захранване от локални мрежи (РоЕ), по които се подава променливото напрежение, в рутери, адаптeри за всякакви портативни устройства, в светодиодно осветление. Топлинното съпротивление на ИС или модул трябва да е 4 пъти по-малко от това на дискретните диоди, използвани за реализация на същия токоизправител. В реализацията на ИС и модули се използват диоди с p-n преход и на Шотки, а някои модули се реализират с лавинни диоди. Вече има, макар и все още рядко, ИС със диоди в SiC с р-n преход. При ползването на каталози трябва да се внимава, тъй като VF може да е напрежение върху всеки от диодите или на целия мост, което е отбелязано в каталога. Същевременно IF (или IFAV) и IFSM са за всеки от диодите, а максималният постоянен изходен ток на токоизправителя се означава с Io или ID(AV)M. Топлинните съпротивления са за целия мост, като понякога се използва това кристал-точка на запояване (Thermal Resistance Junction to Solder Point) RthJS.
В табл. 5 са дадени основните параметри на еднофазни мостови токоизправители, като при ползването й трябва да се има предвид, че когато съответният мост се търси в  каталога реално се намира серия с различни стойности на VR.

Трифазни мостови токоизправители
Основната им схема е показана на фиг. 6, а приложенията са за осигуряване на мощности върху товара над няколко стотици W с горна граница около 100 kW. Тези мощности определят реализацията практически само като модули. Съществено предимство спрямо еднофазните са значително по-малките пулсации на изходното напрежение, дължащи се на принципа на действие. Параметрите са аналогични на еднофазните, като твърде често част от тях (например IF, IFSM, trr и RthJC) не са в сила за целия мост, а за едно от трите му рамена. В този случай може в наименованието да е прибавено per leg, например Forward Voltage per Leg, а означенията са с добавка /leg (например VF/leg). В много каталози параметрите са още изходният ток (Output Current) Io на моста и неговото RthJC. Топлинните съпротивления RthJA и RthJL почти не се използват, но често се дава топлинното съпротивление корпус-радиатор (Thermal Resistance Case to Sink) RthCS. Поради работата на голяма част от трифазните токоизправители с високи напрежения специфичен параметър е най-голямата допустима средноквардратична стойност на изолационното напрежение (RMS Insulation Voltage) VISOL на всеки от изводите на модула спрямо корпуса му. Също параметър е и най-голямата допустима средноквадратична стойност на подаваното променливо напрежение (Alternating Input Voltage) VVRMS.
В табл. 6 са дадени основните параметри на типични трифазни токоизправители.

Еднофазни управляеми токоизправители
Предназначението на управляемите токоизправители е да осигурят регулируемо постоянно напрежение Uo чрез замяна на част или всички диоди на класическите мостове с тиристори. Идеята за управлението е класическа – вместо преминаване през товара на целите полувълни през него се пропуска само една тяхна част (фиг. 7), което означава намаляване на средната стойност на изходния ток на токоизправителя. Последната е обратно пропорционална на ъгъла на отпушване q на тиристорите. Поради добре познатите особености на управлението на тиристори регулирането на тока е приблизително в границите от 0,1Io до Io, където Io е токът на аналогичния диоден мост.
Както е известно, при прекъсване на веригата на индуктивни товари се получават големи отскоци на напрежението им. За предпазване от тях на запушените диоди и тиристори успоредно на моста (фиг. 8) се свързва предпазен диод Freewheeling Diode), който да ги дава накъсо. Друга характерна особеност на управляемите токоизправители е, че се реализират само като модули.
В еднофазните полууправляеми мостови токоизправители (Half-Controlled Single Phase Bridge Rectifier, Semi-Controlled Single Phase Bridge Rectifier) с тиристори се заменят само половината от диодите, като двете възможни схеми на свързване са дадени на фиг. 9а, б. Когато всички диоди се заменят с тиристори се получава изцяло управляем мостов токоизправител (Fully Controlled Single Phase Bridge Rectifier) със схема на фиг. 9в. Твърде често производителите предлагат токоизправители по трите схеми с еднакви параметри и конструктивно оформление. Те се използват за същите мощности, както неуправляемите еднофазни токоизправители.
Примери за еднофазни управляеми токоизправители са дадени в първите 4 реда на табл. 7.

Трифазни управляеми токоизправители
Принципът на управляване на Io e същият както при еднофазните токоизправители. Полумостовата схема (Semi-Controlled Three Phase Rectifier) е дадена на фиг. 10а, а пълната мостова схема (Fully Controlled Three Phase Rectifier) – на фиг. 10б. Съществуват и разновидности на двете схеми с вграден предпазен диод в съответствие с фиг. 8. По принцип тези токоизправители са предназначени за осигуряване на големи мощности върху товара, поради което се реализират за напрежения VRRM не по-малки от 400 V с горна граница 1600 V, а изходният ток е не по-малък от 20 А. Три примера за параметрите на такива токоизправители са дадени в последните редове на табл. 7.

Синхронни токоизправители
Основното приложение на синхронните токоизправители (Synchronous Rectifier) SR е в преобразувателите на постоянно в постоянно напрежение (DC/DC Converter), представляващи основния блок на всички съвременни ключови стабилизатори. Вместо изправителни диоди на Шотки в SR се използват работещи като ключове NMOS транзистори с индуциран канал, които синхронно един с друг се отварят и затварят за осигуряване на изправителното действие. Предимството на транзисторите е в по-малкото напрежение върху тях при работата им като затворен ключ и съответно по-малката разсейвана мощност, което се вижда от фиг. 11. Например при ток IF = 10 A напрежението върху транзистор в SR e 0,15 V и съответно се разсейва мощност 1,5 W, докато върху диод на Шотки има напрежение 0,44 V и мощност 4,4 W. Резултатът от това е повишаване на к.п.д. на стабилизатора до 3-4%. Едва при изходен ток над 30-40 А синхронните токиизправители вече нямат това предимство. Допълнително намаляване на мощността се постига чрез успоредно свързване на два NMOS транзистора, при което общото им съпротивление като затворен ключ е 2 пъти по-малко.
Една от най-простите и същевременно масово използвана схема е дадена на фиг. 12, в която за простота NMOS транзисторите са означени като ключове. Контролерът CNTR заедно с ключа S1 осигурява задължителното импулсно напрежение във вторичната намотка на трансформатора. При затворени S1 и S2 и отворен S3 протичат токове в първичната и вторичната намотка и съответно изходен ток Io през бобината L. Когато състоянието на ключовете се смени токовете през намотките се прекратяват, но Io продължава да тече поради натрупаната енергия в бобината. Резисторният делител създава задължителната отрицателна обратна връзка за получаване на стабилно изходно напрежение Ео.
По принцип могат да се използват всякакви мощни NMOS транзистори, но се предпочитат такива с колкото е възможно по-малко съпротивление ron като затворен ключ. Същевременно конструктивните изисквания правят особено подходящи транзистори за повърхнинен монтаж с достатъчно големи токове. Някои производители дори ги наричат Synchonous Rectifier. Типичен пример е IRHSLNA57064 на IR c ron = 6 mW и IF до 75 А при размери 17,7x13,5x3,58 mm.
Драйверите DR са специализирани ИС с много малко изходно съпротивление и значителен изходен ток, за да може бързо да презареждат значителният паразитен капацитет гейт-сорс на транзисторите. Независимо от това честотата на смяна на състоянието на транзисторите (която е работната честота на стабилизатора) трудно надхвърля 1 MHz, като е толкова по-малка колкото по-голям е Io. Пример за ИС на драйвер е STSR30 на STM. В съвременните синхронни токоизправители значително по-често DR са част от контролера, който определя цялото действие на токоизправителя. Типични ИС на контролери са SiP11203 на Siliconix и ТЕА1761Т на NXP.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top