Два стабилитрона

Когда слышишь ?два стабилитрона?, первая мысль — последовательное включение для повышения напряжения стабилизации. Но на практике, особенно в силовой электронике, всё часто сложнее. Многие коллеги, особенно начинающие, думают, что это просто арифметика: Uстаб1 + Uстаб2. Однако температурный дрейф, разброс параметров и, что критично, динамические характеристики при коммутационных процессах — вот где кроются подводные камни. В OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий при отработке технологических процессов для силовых стабилитронов мы постоянно сталкиваемся с тем, что поведение пары в реальной схеме отличается от идеальной модели из учебника.

Почему просто сложить напряжения недостаточно?

Возьмём, к примеру, задачу стабилизации в цепях с высоким dV/dt. Допустим, нужен опорный уровень около 40В. Логично взять два стабилитрона на 20В. Но если один из них, скажем, из партии с чуть более резкой ВАХ, он может начать ?забирать? на себя большую часть напряжения при резком скачке, фактически входя в пробой раньше наносекунды. Это не проблема для DC, но для импульсных блоков питания — потенциальный источник шума и даже пробоя.

В наших лабораториях в Жугао мы не раз видели на осциллографе, как при тестовых бросках напряжения два стабилитрона работают несимметрично. И это не всегда брак. Это вопрос согласования динамического импеданса. Для продукции, которую мы разрабатываем, например, серий стабилитронов и TVS-диодов, мы проводим дополнительный подбор пар по этому параметру для критичных применений. Но об этом редко пишут в даташитах.

Ещё один момент — тепловая связь. Если смонтировать их рядом на плате без учёта теплового режима, нагрев одного изменяет его напряжение стабилизации, нагрузка перераспределяется на второй, и он тоже греется. Получается каскадный уход от номинала. Поэтому в силовых модулях мы часто рекомендуем разносить их или, что надёжнее, использовать один специализированный высоковольтный стабилитрон, где p-n переход оптимизирован под однородный пробой. Но иногда схематика или требования по надёжности (резервирование) диктуют именно использование двух элементов.

Опыт из практики: случай с защитой цепи управления

Был у меня проект, связанный с драйвером затвора IGBT. Требовалась защита от перенапряжения на уровне 18В. Взял, по привычке, два стабилитрона на 9В1 последовательно. Собрал макет, всё работает. Но при длительных циклических испытаниях на тепловой камере после нескольких тысяч циклов один из стабилитронов вышел из строя. Причина — не идентичный отвод тепла из-за разницы в монтаже (паяное соединение одного было чуть хуже).

Разбирая этот случай, мы в Ванфэн Электроникс пришли к выводу, что для таких ответственных мест лучше использовать стабилитроны в одном корпусе (сдвоенные), где кристаллы находятся в идентичных тепловых условиях. Или, как вариант, применять продукцию с более жёстким допуском по ТКС. У нас в ассортименте, кстати, есть такие серии — их как раз разрабатывали, учитывая подобные прецеденты.

Этот опыт заставил пересмотреть подход к тестированию. Теперь при валидации схем с последовательными стабилитронами мы обязательно проводим термоциклирование и смотрим не просто на конечное состояние, а на изменение параметров каждого диода в паре в процессе. Часто помогает простая вещь — установка выравнивающих резисторов параллельно каждому стабилитрону, но это добавляет потери и не всегда приемлемо.

Взаимодействие с другими элементами: MOSFET и обратное восстановление

Особенно интересная картина возникает, когда два стабилитрона используются для ограничения выброса напряжения на стоке MOSFET. Здесь они работают в паре с паразитной индуктивностью цепи и ёмкостью самого транзистора. Казалось бы, их задача проста — ?срезать? пик. Но скорость их срабатывания должна быть согласована.

Если один стабилитрон срабатывает чуть быстрее, он берёт на себя весь импульсный ток, что может привести к локальному перегреву и деградации. В силовой электронике, где мы в OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий специализируемся на разработке технологических процессов, этот нюанс критичен. Для наших MOSFET и стабилитронов мы предоставляем данные по времени отклика в специфических условиях, чтобы инженеры могли более точно моделировать такое взаимодействие.

Более того, в схемах с быстрыми диодами Шоттки или диодами быстрого восстановления обратный ток восстановления последних может ?подпитывать? переходный процесс, и стабилитроны должны его успевать гасить. Нередко видишь в чужих схемах просто поставленные стабилитроны без учёта этого — и вроде на стенде работает, а в поле при определённой нагрузке начинаются отказы.

Выбор компонентов: не все стабилитроны одинаково полезны

Вот здесь как раз проявляется важность компетенции производителя в технологических процессах. Стабилитрон — не просто диод в обратном включении. От технологии легирования, пассивации p-n перехода зависит его шумность, стабильность напряжения и, что важно для нашего случая, повторяемость параметров от экземпляра к экземпляру.

Когда нужна пара, я всегда смотрю на данные по разбросу. Например, для некоторых наших серий стабилитронов, которые мы поставляем в том числе на рынок СНГ через сайт wfdz.ru, мы гарантируем узкий разброс по ТКС в партии. Это значит, что взяв два случайных прибора из одной коробки, вероятность их идеальной работы в последовательном включении будет выше. Это результат контроля на всех этапах — от выращивания кристалла до финального тестирования.

Частая ошибка — брать стабилитроны из разных партий или, что хуже, от разных производителей. У одного может быть более ?мягкий? пробой, у другого — ?резкий?. В статике напряжение сложится, а при скачке они будут вести себя как чужие. На сайте нашей компании https://www.wfdz.ru можно найти детальные спецификации, которые помогают избежать таких ошибок — мы стараемся давать максимально полные динамические характеристики.

Альтернативы и когда они оправданы

Иногда проще и надёжнее не использовать два стабилитрона, а обратиться к другим решениям. Например, к TVS-диодам на нужное напряжение. Они изначально рассчитаны на поглощение импульсной энергии, имеют более предсказуемую динамику. Или к специализированным ИМС-стабилизаторам.

Но есть ситуации, где альтернатив нет. Скажем, в высоковольтных цепях, где требуется стабилизация на уровне нескольких сотен вольт, и доступные TVS-диоды имеют слишком большую ёмкость. Тогда каскад из нескольких стабилитронов — вынужденное решение. Здесь уже нужно думать о симметрировании не только по напряжению, но и по паразитной ёмкости, что ещё сложнее.

Итог моего опыта таков: два стабилитрона — это не просто ?сложил и забыл?. Это система, требующая внимания к деталям: к выбору компонентов из одной технологической партии, к анализу их работы в динамике, к тепловому режиму и к взаимодействию со схемой в целом. Часто именно такие, казалось бы, мелочи отличают работающий прототип от надёжного серийного изделия. В OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий, фокусируясь на глубокой проработке технологических процессов, мы видим своей задачей как раз предоставление компонентов, которые минимизируют эти скрытые риски, делая работу инженера более предсказуемой.