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los diodos
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Lección 4
EL DIODO DE POTENCIA
Sistemas Electrónicos de Alimentación
5º Curso. Ingeniería de Telecomunicación
Universidad de Oviedo
• 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)
VVT
donde: VT = k·T/q IS = A·q·ni2·(Dp/(ND·Lp)+Dn/(NA·Ln))
(dependencia exponencial)i IS·eVVT
(corriente inversa de saturación que es muy pequeña y casi independiente de la tensión)
i -IS
• Ecuación característica del diodo:
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
Ideas generales sobre diodos de unión PN
• Operación con polarización directa con V > VO >> VT:
i (V-V)/rddonde V es la tensión de codo del diodo y rd su resistencia dinámica
P
N
+
-
i
V
• Curva característica
0
1
1 -1
i [mA]
V [V]
(exponencial)
-0,8
-1 0
i [A]
V [V]
(constante)
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
Ideas generales sobre diodos de unión PN
(recta)
V
pendiente = 1/rd
-40
0
-2
i [A]V [Volt.]
i + V -
PN
+ -
- +
+ -
+ -
+
-
+
- -
++- -+
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
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
Ideas generales sobre diodos de unión PN
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
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
El diodo semiconductor encapsulado
Ánodo
Cátodo
Ánodo
Cátodo
Encapsulado (cristal o resina sintética)
Terminal
Terminal
PN
Marca señalando el cátodo
Contacto metal-semiconductor
Contacto metal-semiconductor
Oblea de semiconductor
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
Encapsulados de diodos D
IOD
OS
DE
PO
TE
NC
IA
• Axiales
DO 35 DO 41 DO 15 DO 201
Encapsulados de diodos D
IOD
OS
DE
PO
TE
NC
IA
• Para usar radiadores
Encapsulados de diodos D
IOD
OS
DE
PO
TE
NC
IA
• Para grandes potencias
B 44
DO 5
Encapsulados de diodos D
IOD
OS
DE
PO
TE
NC
IA
• Agrupaciones de 2 diodos
2 diodos en cátodo común 2 diodos en serie
Encapsulados de diodos D
IOD
OS
DE
PO
TE
NC
IA
• Agrupaciones de 2 diodos (con varias conexiones)
Encapsulados de diodos D
IOD
OS
DE
PO
TE
NC
IA
• Agrupaciones de 2 diodos (sin conectar)
Nombre del dispositivo
Encapsulados de diodos D
IOD
OS
DE
PO
TE
NC
IA
• Agrupaciones de 2 diodos. Diversos encapsulados para el mismo dispositivo
Nombre del dispositivo
Encapsulados
Encapsulados de diodos D
IOD
OS
DE
PO
TE
NC
IA
• Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos)
Dual in line
Encapsulados de diodos D
IOD
OS
DE
PO
TE
NC
IA
• Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos)
+ -+ -
Encapsulados de diodos D
IOD
OS
DE
PO
TE
NC
IA
• Puentes de diodos. Toda la gama de Fagor
Encapsulados mixtos de diodos y otros dispositivos D
IOD
OS
DE
PO
TE
NC
IA
• 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
Circuito equivalente estático
V
rd
Modelo asintótico
ideal
0
i
V
V
• Circuito equivalente asintótico
Curva característica asintótica.
Pendiente = 1/rd
Curva característica ideal
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
Curva característica real
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
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
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
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
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
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
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
• 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
V
rd
ideal
ID
VD
5 A
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
3ª Caída de tensión en conducción
• La caída de tensión en conducción crece con la máxima tensión soportable por el diodo
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
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
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
3ª Caída de tensión en conducción
• Curva característica en escala logarítmica
0,84V @ 20A1,6V @ 20A
IF(AV) = 25A, VRRM = 200V
IF(AV) = 22A, VRRM = 600V
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
3ª Caída de tensión en conducción
• Los Schottky tienen mejor comportamiento en conducción para VRRM < 200 (en silicio)
0,5V @ 10A
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
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
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
3ª Caída de tensión en conducción
Schottky
Schottky
PN
Similares valores de VRRM y similares caídas de tensión
en conducción
• Depende de los valores de IF(AV) y VRRM, de la tensión inversa (poco) y de la temperatura (mucho)
• Algunos ejemplos de diodos PN
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
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
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
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
Transición de “a” a “b”, es decir, de conducción a bloqueo (apagado)
a b
V1
V2
Ri
V+
-i
V
t
t
V1/R
-V2DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
5ª Velocidad de conmutación
• Comportamiento ideal de un diodo en conmutación
a b
V1
V2
Ri
V+
-
Transición de “a” a “b”, es decir, de conducción a bloqueo (apagado)
i
V
t
t
trr
V1/R
-V2/Rts
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 )
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
5ª Velocidad de conmutación
• Comportamiento real de un diodo en conmutación
a b
V1
V2
Ri
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 inversaD
IOD
OS
DE
PO
TE
NC
IA
Transición de “b” a “a”, es decir, de bloqueo conducción (encendido)
• Comportamiento real de un diodo en conmutación
5ª Velocidad de conmutación
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
5ª Velocidad de conmutación
IF(AV) = 8A, VRRM = 200V
• Información suministrada
por los fabricantes
• Corresponde a
conmutaciones con cargas
con comportamiento inductivo
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
5ª Velocidad de conmutación • Más información suministrada por
los fabricantesSTTA506D
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
5ª Velocidad de conmutación
• La velocidad de conmutación (valorada con la trr) ayuda a clasificar los diodos
• Standard
• Fast
• Ultra Fast
• Schottky
VRRM trrIF
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
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
Pérdidas en diodos
• Son de dos tipos:
- Estáticas en conducción (en bloqueo son despreciables)
- Dinámicas
V
rd
ideal
iD
Potencia instantánea perdida en conducción:
pDcond (t) = vD (t)·iD (t) = (V + rd · iD(t)) · iD(t)
PDcond = V·IM + rd · Ief2
IM : Valor medio de iD(t)
Ief : Valor eficaz de iD(t)
Pérdidas estáticas en un diodo
iD
Forma de onda frecuente
T
0
DcondDcond dt)·t(pT
1P
Potencia media en un periodo:
trr
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
• 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 APotencia instantánea perdida en la salida de conducción:
pDsc (t) = vD (t)·iD (t) =
rrt
0
DscD dt)·t(pT
1P
Potencia media en un periodo:
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
• Estáticas
Información de los fabricantes sobre pérdidas
(de las hojas de características (Datasheet) del diodo STTA506)
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
• Dinámicas
Información de los fabricantes sobre pérdidas
(de las hojas de características (Datasheet) del diodo STTA506)
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
• Dinámicas
Información de los fabricantes sobre pérdidas
(de las hojas de características (Datasheet) del diodo STTA506)
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
Características Térmicas
• Las pérdidas generan calor y éste debe ser evacuado
• El silicio pierde sus propiedades semiconductoras a partir de 175-150ºC
Si
jUnión (oblea)
cEncapsulado
aAmbiente
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 RΔT VP I
Equivalente eléctrico
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
Características Térmicas
Ambiente
Si
jUnión
cEncapsulado
aP
(W)
RTHjcRTHca
RTH RΔT VP I
Equivalente eléctrico
P
RTHjc RTHca
Taj c
a
0º K
TCTJ
Por tanto: ΔT = P·ΣRTH Tj-Ta = P·(RTHjc + RTHca)
Y también: Tj-TC = P·RTHjc y Tc-Ta = P·RTHca
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
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
DIO
DO
S D
E P
OT
EN
CIA
Características Térmicas
j c
P
RTHjc
RTHcaTa
a
0º K
TCTJ
Por tanto: Tj-Ta = P·[RTHjc + (RTHcaRTHrad)/(RTHca+RTHrad)]
Y también: Tj-TC = P·RTHjc y Tc-Ta = P·(RTHcaRTHrad)/(RTHca+RTHrad)]
Ambiente
Si
jUnión
cEncapsulado
aP (W)
RTHjc RTHca
RTHrad
RTHrad
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