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  1. 1. Lección 4 EL DIODO DE POTENCIA Sistemas Electrónicos de Alimentación 5º Curso. Ingeniería de Telecomunicación Universidad de Oviedo
  2. 2. • Operación con polarización directa con VO > V >> VT, siendo VO la tensión interna de equilibrio de la unión: • Polarización inversa con V << -VT i = IS·(e -1) V VT donde: VT = k·T/q IS = A·q·ni 2·(Dp/(ND·Lp)+Dn/(NA·Ln)) (dependencia exponencial) i  IS·e V VT (corriente inversa de saturación que es muy pequeña y casi independiente de la tensión) i  -IS • Ecuación característica del diodo: DIODOS DE POTENCIA Ideas generales sobre diodos de unión PN • Operación con polarización directa con V > VO >> VT: i  (V-Vg)/rd donde Vg es la tensión de codo del diodo y rd su resistencia dinámica
  3. 3. P N + - i V • Curva característica 0 1 1 -1 i [mA] V [V] (exponencial) -0,8 -1 0 i [A] V [V] (constante) DIODOS DE POTENCIA Ideas generales sobre diodos de unión PN (recta) Vg pendiente = 1/rd
  4. 4. -40 0 -2 i [A] V [Volt.] i + V - P N + - - + + - + - + - + - - + + - - + La corriente aumenta fuertemente si se producen pares electrón-hueco adicionales por choque con la red cristalina de electrones y huecos suficientemente acelerados por el campo eléctrico de la zona de transición • Avalancha primaria DIODOS DE POTENCIA Ideas generales sobre diodos de unión PN
  5. 5. Concepto de diodo ideal En polarización inversa, la corriente conducida es nula, sea cual sea el valor de la tensión inversa aplicada En polarización directa, la caída de tensión es nula, sea cual sea el valor de la corriente directa conducida Ánodo Cátodo i V i V + - curva característica DIODOS DE POTENCIA
  6. 6. El diodo semiconductor encapsulado Ánodo Cátodo Ánodo Cátodo Encapsulado (cristal o resina sintética) Terminal Terminal P N Marca señalando el cátodo Contacto metal- semiconductor Contacto metal- semiconductor Oblea de semiconductor DIODOS DE POTENCIA
  7. 7. Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA • Axiales DO 35 DO 41 DO 15 DO 201
  8. 8. Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA • Para usar radiadores
  9. 9. Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA • Para grandes potencias B 44 DO 5
  10. 10. Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA • Agrupaciones de 2 diodos 2 diodos en cátodo común 2 diodos en serie
  11. 11. Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA • Agrupaciones de 2 diodos (con varias conexiones)
  12. 12. Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA • Agrupaciones de 2 diodos (sin conectar) Nombre del dispositivo
  13. 13. Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA • Agrupaciones de 2 diodos. Diversos encapsulados para el mismo dispositivo Nombre del dispositivo Encapsulados
  14. 14. Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA • Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos) Dual in line
  15. 15. Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA • Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos)   + -   + -
  16. 16. Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA • Puentes de diodos. Toda la gama de Fagor
  17. 17. Encapsulados mixtos de diodos y otros dispositivos DIODOS DE POTENCIA • Dan origen a módulos de potencia - Adecuados para alta potencia y relativa alta frecuencia - Minimizan las inductancias parásitas del conexionado - Se usan en aplicaciones industriales, espaciales, militares, etc - Se pueden pedir a medida Control de Motores Electrónica militar
  18. 18. Circuito equivalente estático Vg rd Modelo asintótico ideal 0 i V Vg • Circuito equivalente asintótico Curva característica asintótica. Pendiente = 1/rd Curva característica ideal DIODOS DE POTENCIA Curva característica real
  19. 19. DIODOS DE POTENCIA Características fundamentales de cualquier diodo 1ª -Máxima tensión inversa soportada 2ª -Máxima corriente directa conducida 3ª -Caída de tensión en conducción 4ª -Corriente de inversa en bloqueo 5ª -Velocidad de conmutación Baja tensión 15 V 30 V 45 V 55 V 60 V 80 V Alta tensión 500 V 600 V 800 V 1000 V 1200 V 1ª Máxima tensión inversa soportada Media tensión 100 V 150 V 200 V 400 V Ejemplo de clasificación • Corresponde a la tensión de ruptura de la unión inversamente polarizada
  20. 20. DIODOS DE POTENCIA 1ª Máxima tensión inversa soportada • El fabricante suministra (a veces) dos valores: - Tensión inversa máxima de pico repetitivo VRRM - Tensión inversa máxima de pico no repetitivo VRSM La tensión máxima es crítica. Superarla suele ser determinante del deterioro irreversible del componente
  21. 21. DIODOS DE POTENCIA 2ª Máxima corriente directa conducida • El fabricante suministra dos (y a veces tres) valores: - Corriente eficaz máxima IF(RMS) - Corriente directa máxima de pico repetitivo IFRM - Corriente directa máxima de pico no repetitivo IFSM Depende de la cápsula
  22. 22. DIODOS DE POTENCIA • La caída de tensión en conducción (obviamente) crece con la corriente directa conducida. A corrientes altas crece linealmente 3ª Caída de tensión en conducción i V Vg rd ideal ID VD 5 A
  23. 23. DIODOS DE POTENCIA 3ª Caída de tensión en conducción • La caída de tensión en conducción crece con la máxima tensión soportable por el diodo
  24. 24. DIODOS DE POTENCIA 3ª Caída de tensión en conducción • Se obtiene directamente de las curvas tensión corriente IF(AV) = 4A, VRRM = 200V IF(AV) = 5A, VRRM = 1200V 1,25V @ 25A 2,2V @ 25A • En escala lineal no son muy útiles • Frecuentemente se representan en escala logarítmica
  25. 25. DIODOS DE POTENCIA 3ª Caída de tensión en conducción • Curva característica en escala logarítmica 0,84V @ 20A 1,6V @ 20A IF(AV) = 25A, VRRM = 200V IF(AV) = 22A, VRRM = 600V
  26. 26. DIODOS DE POTENCIA 3ª Caída de tensión en conducción • Los Schottky tienen mejor comportamiento en conducción para VRRM < 200 (en silicio) 0,5V @ 10A
  27. 27. DIODOS DE POTENCIA 3ª Caída de tensión en conducción • Schottky de VRRM relativamente alta 0,69V @ 10A La caída de tensión en conducción no sólo va creciendo al aumentar VRRM, sino que se aproxima a la de un diodo PN
  28. 28. DIODOS DE POTENCIA 3ª Caída de tensión en conducción Schottky Schottky PN Similares valores de VRRM y similares caídas de tensión en conducción
  29. 29. • Depende de los valores de IF(AV) y VRRM, de la tensión inversa (poco) y de la temperatura (mucho) • Algunos ejemplos de diodos PN DIODOS DE POTENCIA 4ª Corriente de inversa en bloqueo IF(AV) = 4A, VRRM = 200V IF(AV) = 5A, VRRM = 1200V IF(AV) = 8A, VRRM = 200V Crece con IF(AV) Crece con Tj
  30. 30. DIODOS DE POTENCIA 4ª Corriente de inversa en bloqueo IF(AV) = 10A, VRRM = 170V IF(AV) = 10A, VRRM = 40V • Dos ejemplos de diodos Schottky • Decrece con VRRM • Crece con IF(AV) • Crece con Tj
  31. 31. Transición de “a” a “b”, es decir, de conducción a bloqueo (apagado) a b V1 V2 R i V + - i V t t V1/R -V2 DIODOS DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación • Comportamiento ideal de un diodo en conmutación
  32. 32. a b V1 V2 R i V + - Transición de “a” a “b”, es decir, de conducción a bloqueo (apagado) i V t t trr V1/R -V2/R ts tf (i= -0,1·V2/R) -V2 ts = tiempo de almacenamiento (storage time ) tf = tiempo de caída (fall time ) trr = tiempo de recuperación inversa (reverse recovery time ) DIODOS DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación • Comportamiento real de un diodo en conmutación
  33. 33. a b V1 V2 R i V + - i td = tiempo de retraso (delay time ) tr = tiempo de subida (rise time ) tfr = td + tr = tiempo de recuperación directa (forward recovery time ) tr 0,9·V1/R td 0,1·V1/R tfr El tiempo de recuperación directa genera menos problemas reales que el de recuperación inversa DIODOS DE POTENCIA Transición de “b” a “a”, es decir, de bloqueo conducción (encendido) • Comportamiento real de un diodo en conmutación 5ª Velocidad de conmutación
  34. 34. DIODOS DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación IF(AV) = 8A, VRRM = 200V • Información suministrada por los fabricantes • Corresponde a conmutaciones con cargas con comportamiento inductivo
  35. 35. DIODOS DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación • Más información suministrada por los fabricantes STTA506D
  36. 36. DIODOS DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación • La velocidad de conmutación (valorada con la trr) ayuda a clasificar los diodos • Standard • Fast • Ultra Fast • Schottky VRRM trr IF 100 V - 600 V 100 V - 1000 V 200 V - 800 V 15 V - 150 V > 1 s 100 ns – 500 ns 20 ns – 100 ns < 2 ns 1 A – 150 A 1 A – 50 A 1 A – 50 A 1 A – 50 A Las características de todos los semiconductores (por supuesto, también de los diodos) se pueden encontrar en Internet (pdf) www.irf.com www.onsemi.com www.st.com www.infineon.com Direcciones web
  37. 37. DIODOS DE POTENCIA Pérdidas en diodos • Son de dos tipos: - Estáticas en conducción (en bloqueo son despreciables) - Dinámicas Vg rd ideal iD Potencia instantánea perdida en conducción: pDcond (t) = vD (t)·iD (t) = (Vg + rd · iD(t)) · iD(t) PDcond = Vg·IM + rd · Ief 2 IM : Valor medio de iD(t) Ief : Valor eficaz de iD(t) Pérdidas estáticas en un diodo iD Forma de onda frecuente   T 0 Dcond Dcond dt )· t ( p T 1 P Potencia media en un periodo: 
  38. 38. trr DIODOS DE POTENCIA • Las conmutaciones no son perfectas • Hay instantes en los que conviven tensión y corriente • La mayor parte de las pérdidas se producen en la salida de conducción iD t VD t Pérdidas dinámicas (pérdidas de conmutación) en un diodo 0,8 V -200 V 10 A 3 A Potencia instantánea perdida en la salida de conducción: pDsc (t) = vD (t)·iD (t) =   rr t 0 Dsc D dt )· t ( p T 1 P Potencia media en un periodo:
  39. 39. DIODOS DE POTENCIA • Estáticas Información de los fabricantes sobre pérdidas (de las hojas de características (Datasheet) del diodo STTA506)
  40. 40. DIODOS DE POTENCIA • Dinámicas Información de los fabricantes sobre pérdidas (de las hojas de características (Datasheet) del diodo STTA506)
  41. 41. DIODOS DE POTENCIA • Dinámicas Información de los fabricantes sobre pérdidas (de las hojas de características (Datasheet) del diodo STTA506)
  42. 42. DIODOS DE POTENCIA Características Térmicas • Las pérdidas generan calor y éste debe ser evacuado • El silicio pierde sus propiedades semiconductoras a partir de 175-150ºC Si j Unión (oblea) c Encapsulado a Ambiente P (W) • Magnitudes térmicas: - Resistencias térmicas, RTH en ºC/W - Increm. de temperaturas, ΔT en ºC - Potencia perdida, P en W • Ley “de Ohm” térmica: ΔT=P·RTH RTHjc RTHca • Magnitudes eléctricas: - Resistencias eléctricas, R en Ω - Difer. de tensiones, V en voltios - Corriente, I en A RTH  R ΔT  V P  I Equivalente eléctrico
  43. 43. DIODOS DE POTENCIA Características Térmicas Ambiente Si j Unión c Encapsulado a P (W) RTHjc RTHca RTH  R ΔT  V P  I Equivalente eléctrico P RTHjc RTHca Ta j c a 0 K TC TJ Por tanto: ΔT = P·ΣRTH Tj-Ta = P·(RTHjc + RTHca) Y también: Tj-TC = P·RTHjc y Tc-Ta = P·RTHca
  44. 44. DIODOS DE POTENCIA Características Térmicas • La resistencia térmica unión-cápsula es baja ( 0,5-5 ºC/W) • La resistencia térmica cápsula-ambiente es alta ( 30-100 ºC/W) • Para reducir la temperatura de la unión hay que disminuir la resistencia térmica entre la cápsula y el ambiente. • Para ello se coloca un radiador en la cápsula. IF(AV) = 5A, VRRM = 1200V Cápsula TO 3 TO 5 TO 66 TO 220 TOP 3 RTHca [ºC/W] 30 105 45 60 40
  45. 45. DIODOS DE POTENCIA Características Térmicas j c P RTHjc RTHca Ta a 0º K TC TJ Por tanto: Tj-Ta = P·[RTHjc + (RTHcaRTHrad)/(RTHca+RTHrad)] Y también: Tj-TC = P·RTHjc y Tc-Ta = P·(RTHcaRTHrad)/(RTHca+RTHrad)] Ambiente Si j Unión c Encapsulado a P (W) RTHjc RTHca RTHrad RTHrad

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