Исследование основных свойств и характеристик высокоэффективных импульсных блоков питания

В предельных режимах  эксплуатации источника питания  токовая нагрузка по каналу +5 В имеет  значение в десятки ампер. На выпрямительных элементах в этом случае происходит выделение значительной тепловой мощности. Для повышения общего КПД источника и улучшения работы его теплового режима в импульсных преобразователях применяются матрицы на основе диодов Шоттки. Эти диоды обладают улучшенными импульсными рабочими характеристиками, что способствует снижению временного интервала нахождения : обоих выпрямительных диодов в проводящем состоянии во время изменения полярности импульсного напряжения. Прямое падение напряжения на них не выше 0,6В. Параллельно каждому из диодов в сборке SBD1 подключены демпфирующее RC цепочки, снижающее уровень паразитных колебаний, возникающих на фронтах импульсов. К выводам обмоток W4 и WS трансформатора подключен пропорционально-интегрирующей фильтр на элементах R33 и С21. В схеме выпрямителей каналов +12 и -12В применяются обычные диоды с улучшенными импульсными характеристиками. С помощью пропорционально интегрирующего фильтра R33, С21 происходит «затягивание» фронтов импульсов и создаются более благоприятные условия для переключения диодов как в сборке SBD2, так и диодов D21 и D22. В течение увеличенного фронта импульса происходит восстановление полного обратного сопротивления диодов.

К выходу стабилизированного напряжения +12 В подключен вентилятор блока питания, используемый для охлаждения металлических радиаторов. на которых установлены силовые транзисторы Q5, Q6 и диодные сборки выпрямителей SBD1 и SBD2. На общем радиаторе могут устанавливаться элементы с различными напряжениями на корпусе. Поэтому все компоненты крепятся на радиаторах через электроизолирующее теплопроводящие прокладки. Для улучшения теплового контакта с радиатором дополнительно применяется теплопроводящая паста, изготовленная на основе кремнийорганических соединений.

С точки соединения катодов  диодов сборки SBD2, выхода выпрямителя канала +12В, снимается импульсное напряжение и через диод D18 подается на емкостной фильтр на элементах С17, С18 и R31. Выход этого фильтра соединяется с выводом IC1/12 внутреннего питания микросхемы ТТТИМ преобразователя.

Представленное техническое  решение (см. Принципиальную схему импульсного  блока питания) реализации вторичных  цепей импульсных источников питания  не является единственным. Разнообразие наблюдается в выполнении схем выпрямителей и в использовании дополнительных интегральных стабилизаторов для поддержания постоянного уровня напряжения в каналах с наименьшей токовой нагрузкой. Наиболее часто дополнительные стабилизаторы устанавливаются в канале -5В.

Ниже представлен первый вариант принципиальной схемы вторичной цепи импульсного источника питания. Схема имеет ряд особенностей по сравнению с рассмотренной выше. Вторичная цепь также содержит две вторичные обмотки W1 и W2 трансформатора Т. Средняя точка каждой из них соединена с общим проводом вторичной цепи. Обмотка W1 полностью используется только для формирования напряжения +5В.

Рис. 24. Принципиальная схема вторичной цепи (вариант 1)

Остальные вторичные  напряжения получают после выпрямления  и преобразования исходного импульсного  напряжения обмотки W2. Причем фильтрация отрицательных напряжений производится общей цепью Г-образного индуктивно-емкостного фильтра на Ll. L3. C7.Для обеспечения групповой стабилизации вторичных напряжений в схему фильтра введен дроссель L1. который содержит три обмотки, намотанные в одном направлении на общем магнитопроводе. Две обмотки дросселя L1 включены в цепи фильтрации напряжений +5 и +12В, третья- в цепь сглаживающего фильтра отрицательных напряжений.

В канале фильтрации напряжения +5 В использовано два последовательно соединенных Г-образных фильтра. Первый включает в себя обмотку дросселя L1 и конденсатор С4, параллельно которому установлен балансный резистор R4. Второй фильтр образован дискретным дросселем L4 и группой электролитических конденсаторов С8, С9 и С10. Стабилизация напряжений вторичной цепи производится слежением за состоянием выходного уровня канала +5В

Схема выпрямителя и  фильтра канала напряжения +12В аналогична схеме импульсного блока питания. Вентилятор подключается также к  выходу стабилизированного напряжения этого канала. Последовательно с вентилятором включен токоограничивающий резистор R7. Типовое значение номинала этого резистора составляет 10 Ом при максимальной рассеиваемой мощности 0,5Вт.

Наибольшее отличие  от других схемотехнических решений наблюдается в построении каналов с отрицательными номиналами выходных напряжений. Общий фильтр для двух отрицательных напряжений также выполнен в виде двух Г-образных индуктивно-емкостных фильтров. К выходу стабилизированного напряжения -12В через диод D5 подключен интегральный стабилизатор на микросхеме IC1 типа 7905. Схема интегрального стабилизатора для канала -12В одновременно выполняет роль балансного резистора, обеспечивающего частичный разряд конденсатора С7. Выходное напряжение -5В параметрического стабилизатора на IC1 дополнительно сглаживается конденсатором СП.

Такой вариант включения  обмотки позволяет применить  в выпрямительной схеме канала +12 В диоды Шоттки. В этих диодах при работе с импульсными напряжениями -50 В происходит возрастание обратных токов, что и диктует необходимость снижения импульсного напряжения на них. При включении выпрямителя согласно схеме, приведенной ниже, снижается амплитуда импульсов, воздействующих на выпрямительную схему, до уровня, при котором диоды сборки работают достаточно эффективно.

Рис. 25. Принципиальная схема вторичной цепи (вариант  2)

Источниками вторичных  импульсных напряжений в схеме являются три обмотки W1, W2 и W3 трансформатора Т. Обмотка W1 используется для получения только напряжения +5 В. С обмотки W2 снимается импульсное напряжение, из которого после фильтрации получают стабилизированное постоянное напряжение +12В. Обе обмотки W1 и W2 нагружены на выпрямительные сборки, состоящиеe из диодов Шоттки. Цепи фильтрации импульсного входного напряжения во всех каналах построены на основе индуктивно-емкостных Г-образных фильтров. В канале напряжения +5 В единственным индуктивным элементом в фильтре является одна из обмоток дросселя L1. Все остальные каналы дополнены отдельными дросселями, включенными последовательно с обмотками дросселя групповой стабилизации L1.

Выводы комбинированной  обмотки W3 присоединяются к катодам обычных импульсных выпрямительных диодов DI - D4. Средняя точка обмотки W3 подключена к общему проводу вторичной цепи питания. Диоды D1 и D4 образуют двухполупериодный выпрямитель канала напряжения -12В. Аналогичная выпрямительная схема для канала -5В выполнена на диодах D2 и D3. Во вторичную цепь введен дроссель L1 групповой стабилизации вторичных напряжений по взаимным магнитным потокам. Несмотря на это, в каждом канале напряжений с отрицательными значениями включены интегральные стабилизаторы на IC1 и IC2. Между входом и выходом каждого интегрального стабилизатора подключаются демпфирующее диоды

В схемах, где возбуждение микросхемы управления TL494 производится первичным импульсом, напряжение питания этой микросхемы и промежуточного усилителя снимается с выхода выпрямительной схемы канала +12 В. Каскады фильтрации данного напряжения аналогичны приведенным на Принципиальной схеме вторичной цепи (вариант 1) и на этом рисунке не показаны. Амплитуда импульсов на выходе выпрямителя составляет ~60 В. Уровень отфильтрованного постоянного напряжения непосредственно на ШИМ преобразователе будет зависеть от длительности выпрямленного импульса и промежутка между импульсами «мертвой зоны». Диапазон изменения постоянного напряжения составляет примерно от +25 до +30 В.

Физические  основы работы диодов Шоттки

Диод Шотки  – это полупроводниковый диод, выпрямительные свойства которого основаны на использовании выпрямляющего электрического перехода между металлом и полупроводником

Для многих видов  диодов (таких как выпрямительные плоскостные низкочастотные диоды, импульсные диоды и т.д.), основным физическим процессом, ограничивающим диапазон рабочих частот, оказывался процесс накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе диода. Другой физический процесс – перезаряд барьерной ёмкости выпрямляющего электрического перехода – имел в рассмотренных диодах второстепенное значение и сказывался на их частотных свойствах только при определенных условиях. Поэтому были выдвинуты требования к конструкции и технологии изготовления диодов, выполнение которых обеспечивало бы ускорение рассасывания накопленных в базе за время действия прямого напряжения неосновных носителей заряда. Понятно, что если исключить инжекцию неосновных носителей заряда при работе диода, то не было бы накопления этих неосновных носителей в базе и соответственно относительно медленного процесса их рассасывания. Здесь можно перечислить несколько возможностей практически полного устранения инжекции неосновных носителей заряда при сохранении выпрямительных свойств полупроводниковых диодов.

1. Использование в качестве выпрямляющего электрического перехода (гетероперехода), т.е. электрического перехода, образованного в результате контакта полупроводников с различной шириной запрещённой зоны. Инжекция неосновных носителей при прямом включении будет отсутствовать при выполнении ряда условий и, в частности, при одинаковом типе электропроводности полупроводников, образующих гетеропереход. Этот способ устранения инжекции неосновных носителей заряда пока не нашел широкого применения в промышленном производстве монокристаллических полупроводниковых диодов из-за технологических трудностей.
2. Использование для выпрямления эффекта туннелирования.
3. Инвертирование диодов, т.е. использование для выпрямления только обратной ветви ВАХ вместе с участком, соответствующим лавинному пробою. Этот способ не нашёл применения из-за необходимости иметь для каждого диода своё напряжение смещения, почти равное напряжению пробоя. Кроме того, в начальной стадии лавинного пробоя в диоде возникают шумы.
4. Использование выпрямляющего перехода Шотки, т.е. выпрямляющего электрического перехода, образованного в результате контакта между металлом и полупроводником. На таком переходе высота потенциального барьера для электронов и дырок может существенно отличаться. Поэтому при включении выпрямляющего перехода Шотки в прямом направлении прямой ток возникает благодаря движению основных носителей заряда полупроводника в металл, а носители другого знака (неосновные для полупроводника) практически не могут прейти из металла в полупроводник из-за высокого для них потенциального барьера на переходе.

Таким образом, на основе выпрямляющего перехода Шотки могут быть созданы выпрямительные, импульсные и сверхвысокочастотные полупроводниковые диоды, отличающиеся от диодов с p-n-переходом лучшими частотными свойствами.

Выпрямительные  диоды Шотки

На частотные  свойства диодов Шотки основное влияние должно оказывать время перезарядки барьерной ёмкости перехода. Постоянная времени перезарядки зависит и от сопротивления базы диода . Поэтому выпрямляющий переход Шотки целесообразнее создавать на кристалле полупроводника с электропроводностью n-типа – подвижность электронов больше подвижности дырок. По той же причине должна быть большой и концентрация примесей в кристалле полупроводника.

Однако толщина  потенциального барьера Шотки, возникающего в полупроводнике вблизи границы  раздела с металлом, должна быть достаточно большой. Только при большой толщине потенциального барьера (перехода Шотки) можно будет, во-первых, устранить вероятность туннелирования носителей заряда сквозь потенциальный барьер, во-вторых, получить достаточные значении пробивного напряжения и, в-третьих, получить меньшие значения удельной (на единицу площади) барьерной ёмкости перехода. А толщина перехода или потенциального барьера зависит от концентрации примесей в полупроводнике: чем больше концентрация примесей, тем тоньше переход. Отсюда следует противоположное требование меньшей концентрации примесей в полупроводнике.

Учёт этих противоречивых требований к концентрации примесей в исходном полупроводнике приводит к необходимости создания двухслойной базы диода Шотки (рис. 1). Основная часть кристалла – подложка толщиной около 0,2 мм – содержит большую концентрацию примесей и имеет малое удельное сопротивление. Тонкий монокристаллический слой того же самого полупроводника (толщиной в несколько микрометров) с той же электропроводностью n-типа может быть получен на поверхности подложки методом эпитаксиального наращивания. Концентрация доноров в эпитаксиальном слое должна быть значительно меньше, чем концентрация доноров в подложке.

Рис. 1. Варианты структур диодов Шотки с двухслойной базой

В качестве исходного  полупроводникового материала для  выпрямительных диодов Шотки можно  использовать кремний или арсенид  галлия. Однако в эпитаксиальных слоях  арсенида галлия не удаётся пока достичь  малой концентрации дефектов и достаточно низкой концентрации доноров. Поэтому пробивное напряжение диодов Шотки на основе арсенида галлия оказывается низким, что является существенным недостатком для выпрямительных диодов.

Металлический электрод на эпитаксиальный слой полупроводника обычно наносят методом испарения в вакууме с последующим осаждением на поверхность эпитаксиального слоя. Перед нанесением металлического электрода целесообразно методами фотолитографии создать окна в оксидном слое на поверхности полупроводника. Так легче получить выпрямляющий переход Шотки необходимой площади и конфигурации.

Выпрямительные  низкочастотные диоды предпочтительнее изготовлять с p-n-переходом. Выпрямительные диоды Шотки в области низких частот могут в перспективе иметь преимущество перед диодами с p-n-переходом, связанное с простотой изготовления.

Наибольшие  преимущества перед диодами с p-n-переходом диоды Шотки должны иметь при выпрямлении больших токов высокой частоты. Здесь кроме лучших частотных свойств диодов Шотки следует отметить такие их особенности: меньшее прямое напряжение из-за меньшей высоты потенциального барьера для основных носителей заряда полупроводника; большая максимально допустимая плотность прямого тока, что связано, во-первых, с меньшим прямым напряжением и, во-вторых, с хорошим теплоотводом от выпрямляющего перехода Шотки. Действительно, металлический слой, находящийся с одной стороны перехода Шотки, по своей теплопроводности превосходит любой сильнолегированный слой полупроводника. По этим же причинам выпрямительные диоды Шотки должны выдерживать значительно большие перегрузки по току по сравнению с аналогичными диодами с p-n-переходом на основе того же самого полупроводникового материала.