Leccion 4 El Diodo

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


(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


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


IOD

OS

DE

PO

TE

NC

IA

• Para usar radiadores


IOD

OS

DE

PO

TE

NC

IA

• Para grandes potencias

B 44

DO 5


IOD

OS

DE

PO

TE

NC

IA

• Agrupaciones de 2 diodos

2 diodos en cátodo común 2 diodos en serie


IOD

OS

DE

PO

TE

NC

IA

• Agrupaciones de 2 diodos (con varias conexiones)


IOD

OS

DE

PO

TE

NC

IA

• Agrupaciones de 2 diodos (sin conectar)

Nombre del dispositivo


IOD

OS

DE

PO

TE

NC

IA

• Agrupaciones de 2 diodos. Diversos encapsulados para el mismo dispositivo

Nombre del dispositivo

Encapsulados


IOD

OS

DE

PO

TE

NC

IA

• Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos)

Dual in line


IOD

OS

DE

PO

TE

NC

IA

• Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos)

+ -+ -


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


• La caída de tensión en conducción crece con la máxima tensión soportable por el diodo

DIO

DO

S D

E P

OT

EN

CIA


• Se obtiene directamente de las curvas tensión corriente

IF(AV) = 4A, VRRM = 200V


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


• Curva característica en escala logarítmica

0,84V @ 20A1,6V @ 20A



DIO

DO

S D

E P

OT

EN

CIA


• Los Schottky tienen mejor comportamiento en conducción para VRRM < 200 (en silicio)

0,5V @ 10A

DIO

DO

S D

E P

OT

EN

CIA


• 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


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




Crece con IF(AV)

Crece con Tj

DIO

DO

S D

E P

OT

EN

CIA

4ª Corriente de inversa en bloqueo



• 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


• 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


DIO

DO

S D

E P

OT

EN

CIA



• 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


• 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



DIO

DO

S D

E P

OT

EN

CIA

• Dinámicas



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


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


• 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.


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


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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