Разработка блока аппаратно-программного комплекса для исследования вольт-амперных характеристик диодов в прямом направлении

Рисунок 35 - ВАХ модели испытуемого диода, определенная с помощью формирования одного импульса тока (Tj= 60 0C)

Определяем зависимость IF(UF) модели испытуемого диода методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока при iC = 0 (Tj = 60 0C). Результаты заносим в таблицу 14.



Таблица 14 - Зависимость IF(UF) модели диода при температуре ПС Tj=60 0C, определенная методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока при iC = 0

UF, B	IF, A
0	0
0,12	0,10
0,43	0,74
0,57	1,58
0,70	3,43
0,77	5,35
0,83	8,27
0,91	13,17
0,98	18,10
1,03	23,00
1,08	27,92
1,13	32,82

По значения таблицы 14 строим ВАХ модели испытуемого диода при температуре полупроводниковой структуры Tj = 60 0C (рисунок 36).

Рисунок 36 - ВАХ модели испытуемого диода, определенная методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока с постепенно увеличивающейся амплитудой при iC=0 (Tj = 60 0C)

Из рисунка 36 определено, что значения порогового напряжения U(TO) и дифференциального сопротивления rT модели испытуемого диода при температуре структуры Tj = 60 0С соответственно равны, U(TO) = 0,76 В, rT =11 мОм.

Определяем зависимость IF(UF) модели испытуемого диода, формируя трапецеидальный импульс прямого тока с постепенно увеличивающейся амплитудой при температуре ПС Tj = 60 0C. Результаты измерений заносим в таблицу 15.

Таблица 15 - Зависимость IF(UF) модели диода при температуре ПС Tj =60 0C, формируя трапецеидальный импульс прямого тока с постепенно увеличивающейся амплитудой

UF, B	IF, A
0	0
0,43	0,74
0,65	2,49
0,74	4,39
0,79	6,32
0,83	8,28
0,90	12,20
0,98	18,10
1,04	24,04
1,14	33,93

По таблице 15 строим ВАХ модели испытуемого диода, изображенную на рисунке 37.

Рисунок 37 - ВАХ модели испытуемого диода, определенная методом подачи трапецеидальных импульсов тока (Tj = 60 0C)

Из рисунка 37 определено, что значения порогового напряжения U(TO) и дифференциального сопротивления rT модели испытуемого диода при температуре структуры Tj = 60 0С соответственно равны, U(TO) = 0,76 В, rT =11 мОм.

На рисунке 38 изображена ВАХ модели испытуемого диода, определенная с помощью метода формирования одного полусинусоидального импульса тока значением, равным 3,14IFAVm при температуре ПС Tj = 80 0C.

Рисунок 38 - ВАХ модели испытуемого диода, определенная с помощью формирования одного импульса тока (Tj= 80 0C)

Определяем зависимость IF(UF) модели испытуемого диода методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока при iC = 0 (Tj = 80 0C). Результаты заносим в таблицу 16.

Таблица 16 - Зависимость IF(UF) модели диода при температуре ПС Tj=80 0C, определенная методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока при iC = 0

UF, B	IF, A
0	0
0,11	0,11
0,41	0,76
0,63	2,51
0,72	4,40
0,77	6,34
0,82	8,28
0,85	10,24
0,94	16,12
1,00	21,00
1,08	27,90
1,14	32,79



По значения таблицы 16 строим ВАХ модели испытуемого диода при температуре полупроводниковой структуры Tj = 80 0C (рисунок 39).

Рисунок 39 - ВАХ модели испытуемого диода, определенная методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока с постепенно увеличивающейся амплитудой при iC=0 (Tj = 80 0C)

Из рисунка 39 определено, что значения порогового напряжения U(TO) и дифференциального сопротивления rT модели испытуемого диода при температуре структуры Tj = 80 0С соответственно равны, U(TO) = 0,75 В, rT =12 мОм.

Определяем зависимость IF(UF) модели испытуемого диода, формируя трапецеидальный импульс прямого тока с постепенно увеличивающейся амплитудой при температуре ПС Tj = 80 0C. Результаты измерений заносим в таблицу 17.

Таблица 17 - Зависимость IF(UF) модели диода при температуре ПС Tj =80 0C, формируя трапецеидальный импульс прямого тока с постепенно увеличивающейся амплитудой

UF, B	IF, A
0	0
0,412	0,758
0,627	2,513
0,678	3,45
0,716	4,41
0,773	6,34
0,816	8,29
0,853	10,25
0,885	12,21
0,914	14,2
0,942	16,15
1,017	22,07
1,085	27,99
1,15	33,9

По таблице 17 строим ВАХ модели испытуемого диода, изображенную на рисунке 40.

Рисунок 40 - ВАХ модели испытуемого диода, определенная методом подачи трапецеидальных импульсов тока (Tj = 80 0C)

Из рисунка 40 определено, что значения порогового напряжения U(TO) и дифференциального сопротивления rT модели испытуемого диода при температуре структуры Tj = 80 0С соответственно равны, U(TO) = 0,75 В, rT =12 мОм. На рисунке 41 изображена ВАХ модели испытуемого диода, определенная с помощью метода формирования одного полусинусоидального импульса тока значением, равным 3,14IFAVm при температуре ПС Tj = 125 0C.

Рисунок 41 - ВАХ модели испытуемого диода, определенная с помощью формирования одного импульса тока (Tj= 125 0C)



Определяем зависимость IF(UF) модели испытуемого диода методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока при iC = 0 (Tj = 125 0C). Результаты заносим в таблицу 18.

Таблица 18 - Зависимость IF(UF) модели диода при температуре ПС Tj=125 0C, определенная методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока при iC = 0

UF, B	IF, A
0	0
0,10	0,11
0,51	1,64
0,63	3,49
0,67	4,45
0,73	6,38
0,78	8,32
0,84	11,24
0,87	13,20
0,95	18,10
1,02	22,97
1,15	32,70

По значения таблицы 18 строим ВАХ модели испытуемого диода при температуре полупроводниковой структуры Tj = 125 0C (рисунок 42)

Рисунок 42 - ВАХ модели испытуемого диода, определенная методом подачи измерительных полусинусоидальных импульсов тока с постепенно увеличивающейся амплитудой при iC=0 (Tj = 125 0C)



Из рисунка 42 определено, что значения порогового напряжения U(TO) и дифференциального сопротивления rT модели испытуемого диода при температуре структуры Tj = 125 0С соответственно равны, U(TO) = 0,7 В, rT =14 мОм.

Определяем зависимость IF(UF) модели испытуемого диода, формируя трапецеидальный импульс прямого тока с постепенно увеличивающейся амплитудой при температуре ПС Tj = 125 0C. Результаты измерений заносим в таблицу 19.

Таблица 19 - Зависимость IF(UF) модели диода при температуре ПС Tj =125 0C, формируя трапецеидальный импульс прямого тока с постепенно увеличивающейся амплитудой

UF, B	IF, A
0	0
0,378	0,79
0,581	2,56
0,672	4,45
0,732	6,38
0,779	8,33
0,856	12,24
0,921	16,17
1	22,1
1,09	27,99
1,162	33,9

По таблице 19 строим ВАХ модели испытуемого диода, изображенную на рисунке 43.



Рисунок 43 - ВАХ модели испытуемого диода, определенная методом подачи трапецеидальных импульсов тока (Tj = 125 0C)

Из рисунка 43 определено, что значения порогового напряжения U(TO) и дифференциального сопротивления rT модели испытуемого диода при температуре структуры Tj = 125 0С соответственно равны, U(TO) = 0,7 В, rT =14 мОм.

При исследовании ВАХ модели диода при различных температурах были определены основные параметры ВАХ: пороговое напряжение U(TO) и дифференциальное сопротивление rT. В таблице 20 показаны зависимости этих параметров от температуры.

Таблица 20 - Температурные зависимости порогового напряжения U(TO) и дифференциального сопротивления rT

T, 0С	rТ, мОм	V(TO), B
-40	7	0,88
-20	8	0,86
0	8,5	0,85
20	9	0,82
40	10	0,79
60	11	0,76
80	12	0,75
125	14	0,7

Для более подробного рассмотрения температурной зависимости ВАХ СПП построим характеристики модели испытуемого диода при разных температурах на одном графике (рисунок 44).



Рисунок 44 - ВАХ модели испытуемого диода при трех температурах: T1 = 125 0C; T2= 20 0C; T3= -40 0C

По результатам таблицы 20 построим графики температурных зависимостей порогового напряжения U(TO) и дифференциального сопротивления rT.

Рисунок 45 - Температурная зависимость порогового напряжения U(TO)

Рисунок 46 - Температурная зависимость дифференциального сопротивления rT

При низком уровне инжекции носителей заряда преобладает падение напряжения на переходах диода и, следовательно, температурная зависимость прямого напряжения отрицательна. При высоком уровне инжекции возрастает падение напряжения на базе диода, температурная зависимость становится положительной и при некотором значении тока происходит инверсия температурной зависимости. На рисунке 44 точка А - точка инверсии температурной зависимости. На рисунках 45, 46 видим, что температурные зависимости порогового напряжения U(TO) и дифференциального сопротивления rT линейны.

Сравним ВАХ модели испытуемого диода, снятых методом подачи трапецеидальных импульсов тока и с помощью формирования одного импульса тока величиной 3,14IFAVm при температуре 20 0С и 80 0С. Для этого аппроксимируем графики, изображенные на рисунках 29, 38.

Аппроксимируем ВАХ, изображенную на рисунке 31, т.к. она исключает реактивную составляющую тока iF. Разбиваем данную ВАХ на два участка ОА и АВ для более точного описания кривой (рисунок 47). Участок кривой ОА описывается выражением:

(2.3)

Соответственно, участок АВ описывается формулой (2.4)

(2.4)

Рисунок 47 - ВАХ модели испытуемого диода с участками для аппроксимации (Tj = 20 0C)

Проводя расчеты по вышеуказанным формулам, заносим значение погрешности измерения в таблицу 21.



Таблица 21 - Погрешность измерения ВАХ, снятой с помощью формирования одного полусинусоидального импульса тока, при температуре ПС Tj =20 0C

UF, B	IF, A	IF1, A	IF2, A	Погрешность измерения для IF1 , %	Погрешность измерения для IF2, %
0	0	0	0	0	0
0,5	0,98	3,75	1,81	73,7	85
0,6	1,75	4,83	2,7	63,8	52
0,7	2,76	6,02	3,65	54,1	35
0,8	5,27	7,73	6,34	31,7	19
0,9	10,42	11,77	11,5	11,5	11
1	18,73	20,03	17,52	6,5	7,2
1,1	29,69	30,47	28,66	2,5	3,6

Проанализировав таблицу 21, приходим к выводу, что для измерения ВАХ диода на 10 А при температуре ПС Tj = 20 0C неприемлемо проводить измерения с помощью формирования одного полусинусоидального импульса тока, т.к. погрешность измерения превышает 5 %.

Аппроксимируем ВАХ, изображенную на рисунке 40, т.к. она исключает реактивную составляющую тока iF. Разбиваем данную ВАХ на два участка ОА и АВ для более точного описания кривой (рисунок 48). Участок кривой ОА описывается выражением:

(2.5)

Соответственно, участок АВ описывается формулой (2.6)

(2.6)



Рисунок 48 - ВАХ модели испытуемого диода с участками для аппроксимации (Tj = 80 0C)

Проводя расчеты по вышеуказанным формулам, заносим значение погрешности измерения в таблицу 22.

Таблица 22 - Погрешность измерения ВАХ, снятой с помощью формирования одного полусинусоидального импульса тока, при температуре ПС Tj =80 0C

UF, B	IF, A	IF1, A	IF2, A	Погрешность измерения для IF1 , %	Погрешность измерения для IF2, %
0	0	0	0	0	0
0,5	1,4	4,4	0,6	68	75
0,6	2,3	5,5	1,26	59	82
0,7	4,1	7,1	3	44	35
0,8	7,6	9,8	6,3	22	21
0,9	13,2	15	11,7	12	13
1	21	22,5	19,4	8	8,6
1,1	29,4	31	28,2	4	4,4

Проанализировав таблицу 22, приходим к выводу, что для измерения ВАХ диода на 10 А при температуре ПС Tj = 80 0C неприемлемо проводить измерения с помощью формирования одного полусинусоидального импульса тока, т.к. погрешность измерения превышает 5 %.

Подводя итоги моделирования модели диода с предельным значением тока IFAVm = 10 A, полагаем, что наиболее оптимальным методом для снятия ВАХ СПП является метод подачи трапецеидальных импульсов тока до значения I = 3,14 IFAVm. При использовании данного метода упрощается снятие контрольных точек измерения. Это обусловлено тем, что на вершине трапецеидальных импульсов выполняется условие

Для реализации данного метода требуется более простое в исполнении оборудование в отличии от метода формирования полусинусоидальных импульсов тока. Это обусловлено тем, что формирование идеальных синусоидальных импульсов на практике довольно проблематично. И учитывая, что измерение напряжения должно производиться в точке, выполняющей условие А для выполнения этого условия требуется АЦП с высокой частотой дискретизации.

Анализируя метод снятия ВАХ СПП одним импульсом тока, приходим к выводу, что измерения осуществляются с большой погрешностью измерения (из анализа таблиц 21,22), что не соответствует требованиям ГОСТ, т.к. в стандартах прописано, что погрешность измерения не должна превышать 5%.

3. Разработка схемных решений блока аппаратно-программного комплекса для исследования ВАХ диода в прямом направлении

3.1 Разработка структурной схемы аппаратно-программного комплекса

Устройство представляет собой аппаратно-программный комплекс, реализованный с помощью средств, предлагаемых компанией National Instruments. Управление устройством и сбор информации осуществляется персональным компьютером (ПК). Программная часть выполнена в среде графического программирования LabVIEW. Связь ПК с аппаратной частью осуществляется с помощью универсальной системы сбора данных NI CompactDAQ.

Функциональная схема аппаратно-программного комплекса представлена на рисунке 49.

Рисунок 49 - Функциональная схема аппаратно-программного комплекса для исследования ВАХ диодов в прямом направлении

Определение ВАХ СПП осуществляется следующим образом:

1. С платы NI CompactDAQ на вход ОУ подается импульс напряжения заданной амплитуды. Длительность данного импульса ограничивается временем измерения.

2. Спустя определенный промежуток времени на светодиод подается импульс тока с источника тока, управляемого напряжением. Амплитуда импульса регулируется персональным компьютером ПК.

3. С шунта Ш снимается информация о токе ID.

4. Непосредственно с выводов СПП снимается прямое падение напряжения.

5. Через определенный промежуток времени, необходимый для охлаждения СПП, процесс повторяется с новым значением амплитуды импульса тока.

3.2 Выбор и расчет схемы управляемого источника тока

В качестве управляемого источника тока выбран источник тока управляемый напряжением на основе ОУ и полевого транзистора. Схема данного источника тока имеет широкое распространение из-за её простоты, точности и глубины регулирования тока.

Применение ОУ в различных схемах приводит не только к упрощению схем, но и улучшает их электрические показатели и надёжность. Для уменьшения потерь в регулирующем элементе необходимо применять быстродействующий ОУ. Предприятием АО «Тонди-электроника» выпускается быстродействующий ОУ КР544УД2А со скоростью нарастания выходного напряжения 80 В/мкс, что вполне удовлетворяет нашим требованиям.

При поступлении импульса на неинвертирующий вход ОУ DA1, ОУ начинает открывать транзистор VT3 IRF830 и от источника напряжения +15В и резистор обратной связи R6 начинает протекать ток. На резисторе R6 от протекания тока создаётся падение напряжения, которое отслеживает ОУ инвертирующим входом и в зависимости от разности напряжений на входах ОУ либо приоткрывает транзистор VT1 при уменьшении тока стока, либо соответственно призакрывает при увеличении тока.



Рисунок 50 - Электрическая принципиальная схема источника тока

Коэффициент усиления по напряжению:

(3.1)

В установившемся режиме напряжение на резисторе R6 равно напряжению на неинвертирующем входе ОУ. Из этого условия найдём сопротивление резистора R6:

(3.2)

Мощность, выделяемая на шунте R6, прямо пропорциональна частоте измерения, которая, в свою очередь, зависит от времени включения исследуемого транзистора и длительности паузы между измерениями, необходимой для исключения нагрева транзистора импульсами тока. Для различных мощных ПТ это время включения не превышает 200 нс. Следовательно, импульс тока продолжительностью 200 мкс гарантировано позволит провести измерение. Пауза между измерениями в 1 мс предотвратит нагрев транзистора импульсами тока. Исходя из этих данных, вычислим выделяющуюся мощность на резисторе обратной связи:

(3.3)

Значения входных сопротивлений R2, R3 и корректирующей RC-цепочки R1, C1 возьмём из справочника [8], рекомендованные для данного ОУ:

R2 =30 кОм,

R3 = 10 кОм;

R1 = 1 кОм; С1 = 4,7 нФ.

Конденсаторы С1, С2, С5 -- предназначены для предотвращения провалов напряжения питания в момент коммутации, что необходимо для обеспечения требуемой скорости нарастания импульса: С2 = С4 = С6=С7 = 0,1 мкФ.

Сигнал с ОУ поступает на двухтактный эмиттерный повторитель, который работает следующим образом. Транзистор VТ1 открыт при положительных сигнала, транзистор VТ2 - при отрицательных. При нулевом входном напряжении коллекторного тока нет и мощность не рассеивается.

3.3 Расчет импульсного трансформатора

Действующие значение тока:

(3.4)

Габаритная мощность импульсного трансформатора:

(3.5)

Выберем тороидальный ферритовый сердечник марки 2000НМ1 со следующими параметрами материала:

- индукция насыщения Bs = 0,38 Тл;

- остаточная индукция Br = 0,14 Тл;

- магнитная проницаемость µ = 1233.

Объём магнитопровода:

(3.6)

где - длина средней магнитной линии магнитопровода (D и d - внешний и внутренний диаметры магнитопровода). Требованию объема отвечает кольцо типоразмера К45Ч28Ч48.

Поперечное сечение:

(3.7)

Длина средней магнитной линии магнитопровода:

(3.8)

Количество витков в первичной обмотке:

(3.9)

Зададимся плотностью тока в обмотках трансформатора равной j = 3 А/мм2.

Площадь поперечного сечения провода первичной обмотки:



(3.10)

Диаметр поперечного сечения провода первичной обмотки:

(3.11)

Определим количество витков вторичной обмотки:

(3.12)

(3.13)

Площадь поперечного сечения провода вторичной обмотки:

(3.14)

Диаметр поперечного сечения провода вторичной обмотки:

(3.11)

Вторичная обмотка намотана литцендратом, состоящим из 10 проводов диаметр каждого d = 1,1 мм.

Литцендрат - это многожильный провод, особенностью которого является то, что каждая его жила изолирована от прочих. Обычно это лаковая изоляция. В таком проводе максимально уменьшены потери на скин эффекте. У него лучше показатели по потерям на высоких частотах по сравнению со сплошными проводниками.



4. Экспериментальные исследования

Для экспериментальных исследований были выбраны диоды Шоттки на карбиде кремния Д106-10Х-6, разработанные и изготовленные в ОАО "Электровыпрямитель".

Для исследования испытуемых диодов был использован аппаратно-программный комплекс, описанный в разделе 3.1. Измерение ВАХ диодов было проведено при температуре от +20 до +140 0С. Температурные зависимости вольт-амперных характеристик диодов показаны на рисунках 51 -54.

Рисунок 51 - Температурная зависимость ВАХ диода (образец 1)

Рисунок 52 - Температурная зависимость ВАХ диода (образец 2)

Рисунок 53 - Температурная зависимость ВАХ диода (образец 3)



Рисунок 54 - Температурная зависимость ВАХ диода (образец 4)

На рисунках 51 - 54 обозначены следующие данные:

Т1 = 20 0С;

Т2 = 65 0С;

Т3 = 110 0С;

Т4 = 140 0С.

Для данных ВАХ диодов были рассчитаны температурные коэффициенты по напряжению (ТКН). Результаты измерений показаны в таблице 23.

ТКН - изменение прямого напряжения диода при заданном токе при изменении температуры перехода на 1 градус.

Таблица 23 - ТКН испытуемых диодов

первый образец
I, А	U, В при T=200С	U, В	T, 0С	ТКН, %0С-1
20	1,75	1,83	65	0,09
	1,75	2,13	110	0,2
	1,75	2,33	140	0,21
второй образец
I, А	U, В при T=200С	U, В	T, 0С	ТКН, %0С-1
20	1,825	1,9	65	0,09
	1,825	2,13	110	0,16
	1,825	2,33	140	0,18
третий образец
I, А	U, В при T=200С	U, В	T, 0С	ТКН, %0С-1
20	1,75	1,83	65	0,09
	1,75	2,13	110	0,2
	1,75	2,33	140	0,21
четвертый образец
I, А	U, В при T=200С	U, В	T, 0С	ТКН, %0С-1
20	1,625	1,75	65	0,16
	1,625	2,11	110	0,26
	1,625	2,16	140	0,21

Заключение

В процессе выполнения данной выпускной квалификационной работы, в соответствии с заданием, проделана следующая работа и получены следующие результаты.

1. В программной среде Multisim промоделирован диод на 10 А при различных температурных условиях.

2. Исследована модель диода на 10 А. Выявлено, что при подачи синусоидальных импульсов тока большое влияние на полный ток оказывает емкостной ток. Это приводит к большой погрешности измерения. Для устранения влияния емкостной составляющей тока приняли подавать на ИП трапецеидальные импульсы тока.

3. Исследованы процессы в состоянии высокой проводимости в модели диода. Полученные зависимости распределений активного и ёмкостного тока от времени при различных значениях температуры структуры. Выявлено, что в этом состоянии в момент включения диода ёмкостной ток достигается больших значений порядка в отличии от активного тока. Этот ток необходимо учитывать при подборе силовых полупроводниковых приборов в устройствах силовой электроники.

4. Исследованы диоды Шоттки на карбиде кремния Д 106-10Х-6. Показаны ВАХ, определены ТКН исследуемых приборов.

Список использованных источников

1. Сережкин Ю. Н. Проектирование полупроводниковых низкочастотных выпрямительных диодов / Ю. Н. Сережкин, В. К. Ионычев. - Учебное пособие. - Саранск: Изд-во Мордов. Ун-та, 2000. - 60 с.

2. Капитонов С. С. Разработка методики подбора силовых полупроводниковых приборов по комплексу параметров для формирования групповых последовательных цепей устройств силовой электроники: дис. …канд. техн. Наук / С. С. Капитонов. - Саратов, 2013. - 201 с.

3. Евсеев Ю. А. Силовые полупроводниковые приборы / Ю. А. Евсеев, П. Г. Дерменжи. - М.: Энергоиздат, 1981. -472 с.

4. Тугов Н. М., Полупроводниковые приборы / Н. М. Тугов, Б. А. Глебов, Н. А. Чарыков. - М.: Энергоиздат, 1990. - 576 с.

5. Беспалов Н. Н. Диагностика и контроль параметров силовых полупроводниковых приборов / Н. Н. Беспалов, А. В. Мускатиньев, М. В. Ильин // Методы и средства управления технологическими процессами: МСУПТ - 2007: материалы IV Междунар. Конф., Саранск : Изд-во Мордов. Ун-та, 2007. - С. 88-91.

6. Беспалов Н. Н. Моделирование характеристик силовых полупроводниковых приборов в состоянии низкой проводимости / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин, С. С. Капитонов, И. И. Пьянзин // Электроника и информационные технологии. - 2010. - Вып. 2 (9). - http://fetmag.mrsu.ru/2010-2/pdf/LowConductivity.pdf-04201000067/0036.

Размещено на Allbest.ru

...