دیود قدرت (Power Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود قدرت (Power Diode) :
دیود قدرت (Power Diode) نوعی دیود است که برای تحمل ولتاژهای بسیار بالا (تا چند کیلوولت) و جریان های بسیار بالا (تا چند هزار آمپر) طراحی شده است. این دیودها در کاربردهای صنعتی قدرتمند مانند یکسوسازی در منابع تغذیه صنعتی، درایوهای موتورهای بزرگ، جوشکاری الکتریکی، کوره های القایی و سیستم های انتقال انرژی DC ولتاژ بالا (HVDC) استفاده می شوند.
ساختار داخلی دیودهای قدرت با دیودهای سیگنال کوچک تفاوت اساسی دارد. برای تحمل ولتاژ بالا، ناحیه تهی (Depletion Region) باید بسیار گسترده باشد، بنابراین از یک لایه میانی با خلوص بالا (ناحیه ذاتی یا با آلایش بسیار کم) استفاده می شود که عملا ساختاری شبیه به دیود PIN (P-type, Intrinsic, N-type) ایجاد می کند. این ساختار امکان تحمل ولتاژهای معکوس بالا را فراهم می کند.
برای تحمل جریان بالا، سطح اتصال (Junction Area) دیود قدرت بسیار بزرگ است. در دیودهای قدرت با جریان چند صد آمپر، سطح اتصال می تواند به چندین سانتی متر مربع برسد. همچنین برای اتصال به مدار خارجی، از پایه های ضخیم و هادی های قوی استفاده می شود تا بتوانند جریان بالا را بدون گرم شدن بیش از حد تحمل کنند. برخی دیودهای قدرت به صورت فشاری (Press-Pack) ساخته می شوند که در آنها اتصال الکتریکی از طریق فشار مکانیکی برقرار می شود.
مدیریت حرارتی در دیودهای قدرت بسیار حیاتی است. تلفات توان در این دیودها می تواند به چند کیلووات برسد. برای دفع این حرارت، دیودهای قدرت معمولا بر روی هیت سینک های بزرگ نصب می شوند و گاهی از خنک کاری اجباری با هوا یا حتی خنک کاری با مایع استفاده می شود. در دیودهای فشاری، حرارت از طریق دو سطح فلزی بزرگ به هیت سینک منتقل می شود.
یکی از پارامترهای مهم در دیودهای قدرت، مشخصه بازیابی معکوس (Reverse Recovery Characteristic) است. در دیودهای قدرت معمولی (Standard Recovery)، زمان بازیابی معکوس طولانی است (چند میکروثانیه) که باعث تلفات سوئیچینگ بالا در فرکانس های بالا می شود. برای کاربردهای فرکانس بالا، از دیودهای قدرت بازیابی سریع (Fast Recovery Power Diodes) استفاده می شود که با تزریق ناخالصی هایی مانند طلا یا پلاتین، زمان بازیابی را کاهش می دهند.
افت ولتاژ مستقیم (Forward Voltage Drop) در دیودهای قدرت معمولا بین ۰.۸ تا ۱.۵ ولت است. اگرچه این مقدار به ظاهر کم است، اما در جریان های هزار آمپر، تلفات توان به ۱.۵ کیلووات می رسد! بنابراین حتی یک کاهش کوچک در افت ولتاژ می تواند تأثیر زیادی در بازده سیستم داشته باشد. دیودهای شاتکی با ولتاژ بالا (High Voltage Schottky) و دیودهای کاربید سیلیکون (SiC) افت ولتاژ کمتری دارند و در کاربردهای جدید مورد توجه هستند.
دیودهای قدرت در برابر اضافه جریان و اضافه ولتاژ باید محافظت شوند. جریان هجومی (Surge Current) در هنگام راه اندازی یا اتصال کوتاه می تواند چندین برابر جریان نامی باشد. دیودهای قدرت معمولا می توانند این جریان های هجومی را برای مدت کوتاهی (چند سیکل) تحمل کنند. همچنین برای محافظت در برابر اضافه ولتاژ، از مدارات اسنابر (Snubber) که ترکیبی از مقاومت و خازن هستند، استفاده می شود تا نوسانات ولتاژ را محدود کنند.
از نظر فناوری ساخت، دیودهای قدرت مدرن عمدتا با استفاده از ویفرهای سیلیکونی با قطر زیاد و تکنیک های انتشاری عمیق (Deep Diffusion) یا اپیتاکسی (Epitaxy) ساخته می شوند. دیودهای قدرت مبتنی بر کاربید سیلیکون (SiC) نیز به دلیل قابلیت تحمل ولتاژ و دمای بالاتر، در حال گسترش هستند. این دیودها می توانند در ولتاژهای بالای ۱۰۰۰ ولت با افت ولتاژ بسیار کم و زمان بازیابی نزدیک به صفر (به دلیل خاصیت Unipolar) کار کنند.
کاربردهای دیودهای قدرت بسیار متنوع است. در یکسوسازهای صنعتی سه فاز، از پل های دیودی قدرتی برای تبدیل AC به DC در ورودی درایوهای موتور استفاده می شود. در منابع تغذیه جوشکاری، دیودهای قدرت جریان DC بالا را برای ایجاد قوس الکتریکی فراهم می کنند. در سیستم های HVDC، دیودهای قدرتی سری و موازی می شوند تا ولتاژها و جریان های بسیار بالا را یکسو کنند. در قطارهای برقی و مترو، از دیودهای قدرت در سیستم های ترمز دینامیکی استفاده می شود تا انرژی را به مقاومت های ترمز هدایت کنند.
در نهایت، انتخاب دیود قدرت مناسب یک فرآیند پیچیده است که شامل بررسی پارامترهایی مانند حداکثر ولتاژ معکوس تکراری (V_RRM)، حداکثر جریان مستقیم متوسط (I_F(AV))، جریان هجومی غیرتکراری (I_FSM)، زمان بازیابی معکوس (t_rr)، افت ولتاژ مستقیم (V_F)، مقاومت حرارتی اتصال به بدنه (R_thJC) و محدوده دمای کاری است. با توجه به اهمیت این پارامترها، مشاوره با تولیدکنندگان و استفاده از نرم افزارهای شبیه سازی حرارتی برای اطمینان از عملکرد مطمئن دیود در شرایط کاری واقعی ضروری است.
