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功率二极管9-浪涌电流额定值

使用晶体管时,脉冲幅度和负载发生变化,如果还进一步进行调制处理的话,问题就会变得比较复杂。因此,有的产品规定为容许如连续值的四倍为止的数值(MOSFET等)。这种场合下没有规定多少次为止的次数限制,因此称之为连续额定值。与此相反,二极管的数据表中记载的是原则上只限一次的非重复浪涌电流额定值。这里所指的一次设想的是事故等通常不会发生的极端罕见的情况。虽然流动该电流不会发生损坏,但无法确保其后的可靠性,因此需要您更换该器件。
二极管的浪涌电流额定值的示例
二极管的浪涌电流额定值的示例
这里介绍一个二极管浪涌电流额定值的示例。以50Hz或60Hz正弦半波为对象。此时请您注意,此额定值是冷启动还是热启动,此外,是单纯流动电流、还是施加了反向电压(热启动中有时会把
反向电压施加表现为全负荷时)。根据反向电压施加的有无,容许值会稍有变化,但设想厂商一方所留出富余能够覆盖这一差异,而不在这里考虑该因素。热启动(高温工作时)与冷启动(常温时)相比容许值最大会降低20%左右。也就是说,冷启动时50A的器件会变为40A。有关此参数,请预想发生事故时的情形,充分验证二极管是否不会发生损坏。
前面介绍的ATX电源的交流输入部分采用PTC抑制浪涌电流。PTC在高温时电阻会降低,因此无法期待冷启动时的电流抑制效果。与此相关还需要注意的是电源线的瞬间断电。虽然日本一年也可
能不会发生一次这种现象,但瞬间断电意味着热启动。也就是说,即使冷启动时经过验证不会发生损坏,由于瞬间断电意味着热启动,如果不在容许值中留出富余,可能会发生原因不明的损坏事故。对于与交流线直接相连的整流电路,选定其中使用的二极管时,应充分考虑这一因素。
I²t和I²√t
浪涌电流额定值是供商用频率整流电路使用的参数,因此不对应50Hz时10ms以内、60Hz时8.3ms以内的脉冲幅度。1ms至10ms(8.3ms) 的容许值以I² t和I²√t的形式规定。两者都包含I² 项目。这是由于在大电流领域会失去半导体的性质,而变成单纯的电阻,如果其电阻值为r,则损耗为I² r。也就是说I²表示损耗成分。因此,I² t以能量一定来规定容许值。而I²√t以保持温度上升一定为原
则。这是由于时间t的过渡热阻可以近似为a√t的缘故。(a是器件的固有常数)I² t在保险丝处也有所规定,因此如果所使用的二极管及晶闸管的I² t大于保险丝的I² t,即使保险丝熔断,这些器件也会得到保护。(有“协调保护”的说法)
通常将半导体的热破坏视为芯片温度到达某一等级时发生的现象,而不是能量到达某一等级时发生的现象。从这个意义上讲,在考虑浪涌电流容许值时,I²√t是更为有效的衡量标准。在这里,让我们试着计算一下50Hz正弦半波一循环的额定浪涌电流45A(峰值)的二极管的I² t和I²√t。脉冲幅度为10ms,此时I为有效值,因此为
I2t=(45/√2)2×0.01=10.125A2s
I2√t=(45/√2)2×√0.01=101.25A2s1/2
以上述参数为常数得出的10ms以内的正弦半波电流峰值如图所示。
用I2t和I2√t表示的10ms以下的浪涌电流容许值
用I²t和I²√t表示的10ms以下的浪涌电流容许值
I²和I²√t的计算值之间在1ms时有接近50A的差异。这与保证值相对于破坏值所留出的富余有关。如果将I²√t向上位移富余成分的量,两根曲线则会变为相近似的曲线。
使用本I²√t一定的衡量方法,对于二极管以外的功率半导体,也可以估测脉冲幅度变短时容许值的变化程度。
用Spice仿真求得I²√t
实际电路中电流为正弦波的场合十分有限。作为实际可行的电流示例,在这里用Spice仿真尝试计算电容的充电电流的I²√t。虽然无法直接与二极管的I²√t相对照,但可以对二极管的选定有所帮
助。
在该电路中,对于47μF、100μF、220μF、以及470μF的四种C,计算它们的充电电流及其I²√t。另外,设想电容及电路的杂散电阻为3Ω。由于该电阻值会很大程度上影响结果,请参照电容的资料尝试设定适当的数值。
电容充电电流
电容充电电流
C Discharge Vswitch
V0 1 0 370volts
S1 1 3 2 3 SW1
.MODEL SW1 VSWITCH(RON=0.01 ROFF=1E6)
Vg 2 3 pwl(0,0 0.1u,1 5000u,1)
Ds 3 4 10EDB60
Rs 4 5 3
Ls 5 6 10uH
Cs 6 0 {KCs} IC=0V
.PARAM KCs=1E-6
.STEP PARAM KCs LIST 47E-6 100E-6 220E-6
470E-6
*
* 10EDB D model
.MODEL 10EDB60 D
+ IS=2.8596E-9
+ N=1.1806
+ RS=1.0000E-3
+ CJO=1.0000E-12
+ M=.3333
+ VJ=.75
+ ISR=100.00E-12
+ BV=800
+ IBV=100.00E-6
+ TT=5.0000E-9
*
.TRAN 0.01us 5000us
.PROBE
.END
以该电路文件仿真后得出的放电电流(等于二极管电流)如上图所示。
以√t为横轴,为了对I²积分而显示此s()函数后,竖轴本身便成为I²√t。
二极管中流动的电容放电电流
二极管中流动的电容放电电流
电容放电电流的I2t
电容放电电流的I²t
从仿真结果可知,47μF 时的I² √ t 为89A²s1/2 。10EDB60是1A 600V二极管,一周期的浪涌电流是45A,因此从前面的计算可以得出I² √ t 为101A²s1/2。以本结果为基础在实际电路上进行验证时,发现至少在100μF以上时,如果不使用更大的二极管,容易发生损坏。有关一循环的浪涌电流,2A 的20KDA60 为75A,3A 的30PDA60 为100A。各自的I2√t分别为281A2s1/2和500A2s1/2。与仿真结果得出的I2√t相比,大体可以了解到哪个参数应成为考虑对象。在本例中,即使二极管不同,由于电源电压比二极管正向电压高得多,仿真时二极管的差异对结果没有太大的影响。
虽然在这里求得的是I2√t,采用相同的时间轴,用同样的方法也可以计算I2t。此外,也可以应用该方法求得脉冲幅度调制的电流流动时的平均损耗。
 

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