1) El documento describe las características fundamentales de los diodos de potencia, incluyendo su operación con polarización directa e inversa, su curva característica, encapsulados y aplicaciones. 2) Explica conceptos como caída de tensión en conducción, corriente de inversa en bloqueo y velocidad de conmutación. 3) También cubre temas como pérdidas estáticas y dinámicas en diodos, y sus características térmicas.

1. Lección 4
EL DIODO DE POTENCIA
Sistemas Electrónicos de Alimentación
5º Curso. Ingeniería de Telecomunicación
Universidad de Oviedo

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. 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. -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. 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. 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. Encapsulados de diodos
DIODOS
DE
POTENCIA
• Axiales
DO 35 DO 41 DO 15 DO 201

8. Encapsulados de diodos
DIODOS
DE
POTENCIA
• Para usar radiadores

9. Encapsulados de diodos
DIODOS
DE
POTENCIA
• Para grandes potencias
B 44
DO 5

10. Encapsulados de diodos
DIODOS
DE
POTENCIA
• Agrupaciones de 2 diodos
2 diodos en cátodo común 2 diodos en serie

11. Encapsulados de diodos
DIODOS
DE
POTENCIA
• Agrupaciones de 2 diodos (con varias conexiones)

12. Encapsulados de diodos
DIODOS
DE
POTENCIA
• Agrupaciones de 2 diodos (sin conectar)
Nombre del dispositivo

13. Encapsulados de diodos
DIODOS
DE
POTENCIA
• Agrupaciones de 2 diodos. Diversos encapsulados
para el mismo dispositivo
Nombre del
dispositivo
Encapsulados

14. Encapsulados de diodos
DIODOS
DE
POTENCIA
• Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos)
Dual in line

15. Encapsulados de diodos
DIODOS
DE
POTENCIA
• Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos)


+ -


+ -

16. Encapsulados de diodos
DIODOS
DE
POTENCIA
• Puentes de diodos. Toda la gama de Fagor

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. DIODOS
DE
POTENCIA 3ª Caída de tensión en conducción
Schottky
Schottky
PN
Similares valores
de VRRM y similares
caídas de tensión
en conducción

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. 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. 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. 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. 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. 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. DIODOS
DE
POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación • Más información suministrada por
los fabricantes
STTA506D

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. 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. 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. DIODOS
DE
POTENCIA
• Estáticas
Información de los fabricantes sobre pérdidas
(de las hojas de características (Datasheet) del diodo STTA506)

40. DIODOS
DE
POTENCIA
• Dinámicas
Información de los fabricantes sobre pérdidas
(de las hojas de características
(Datasheet) del diodo STTA506)

41. DIODOS
DE
POTENCIA
• Dinámicas
Información de los fabricantes sobre pérdidas
(de las hojas de características
(Datasheet) del diodo STTA506)

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. 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. 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. 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