Universidad de Oviedo Leccin 4 EL DIODO DE

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Universidad de Oviedo Lección 4 EL DIODO DE POTENCIA Sistemas Electrónicos de Alimentación 5º

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

Ideas generales sobre diodos de unión PN • Ecuación característica del diodo: donde: VT

Ideas generales sobre diodos de unión PN • Ecuación característica del diodo: donde: VT = k·T/q V VT i = IS·(e -1) IS = A·q·ni 2·(Dp/(ND·Lp)+Dn/(NA·Ln)) DIODOS DE POTENCIA • Operación con polarización directa con VO > V >> VT, siendo VO la tensión interna de equilibrio de la unión: i IS·e V VT (dependencia exponencial) • Operación con polarización directa con V > VO >> VT: i (V-V )/rd donde V es la tensión de codo del diodo y rd su resistencia dinámica • Polarización inversa con V << -VT i -IS (corriente inversa de saturación que es muy pequeña y casi independiente de la tensión)

Ideas generales sobre diodos de unión PN • Curva característica + V (recta) 1

Ideas generales sobre diodos de unión PN • Curva característica + V (recta) 1 i pendiente = 1/rd i [m. A] (exponencial) P N DIODOS DE POTENCIA -1 0 V i [ A] -1 -0, 8 (constante) 0 V [V] 1 V [V]

Ideas generales sobre diodos de unión PN • Avalancha primaria + -- + +

Ideas generales sobre diodos de unión PN • Avalancha primaria + -- + + + DIODOS DE POTENCIA i + + - P + N + + V - 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 i [ A] V [Volt. ] -40 0 -2

Concepto de diodo ideal En polarización directa, la caída de tensión es nula, sea

Concepto de diodo ideal En polarización directa, la caída de tensión es nula, sea cual sea el valor de la corriente directa conducida DIODOS DE POTENCIA Ánodo i + V Cátodo i curva característica - V En polarización inversa, la corriente conducida es nula, sea cual sea el valor de la tensión inversa aplicada

El diodo semiconductor encapsulado Ánodo DIODOS DE POTENCIA Ánodo Terminal Encapsulado (cristal o resina

El diodo semiconductor encapsulado Ánodo DIODOS DE POTENCIA Ánodo Terminal Encapsulado (cristal o resina sintética) Contacto metalsemiconductor P N Cátodo Marca señalando el cátodo Oblea de semiconductor Contacto metalsemiconductor Cátodo Terminal

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

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

Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA • Para usar radiadores

Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA • Para usar radiadores

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

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

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

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

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

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

Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA • Agrupaciones de 2 diodos (sin conectar) Nombre

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

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

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

Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA • Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos)

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

Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA • Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos)

Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA • Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos)

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

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

Encapsulados mixtos de diodos y otros dispositivos • Dan origen a módulos de potencia

Encapsulados mixtos de diodos y otros dispositivos • 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 DIODOS DE POTENCIA - Se pueden pedir a medida Electrónica militar Control de Motores

Circuito equivalente estático Curva característica real i DIODOS DE POTENCIA Curva característica ideal Curva

Circuito equivalente estático Curva característica real i DIODOS DE POTENCIA Curva característica ideal Curva característica asintótica. Pendiente = 1/rd V 0 V ideal • Circuito equivalente asintótico Modelo asintótico rd V

Características fundamentales de cualquier diodo 1ª -Máxima tensión inversa soportada 2ª -Máxima corriente directa

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 DIODOS DE POTENCIA 1ª Máxima tensión inversa soportada • Corresponde a la tensión de ruptura de la unión inversamente polarizada Baja tensión Ejemplo de clasificación Media tensión Alta tensión 15 V 100 V 500 V 30 V 150 V 600 V 45 V 200 V 800 V 55 V 400 V 1000 V 60 V 80 V 1200 V

1ª Máxima tensión inversa soportada • El fabricante suministra (a veces) dos valores: -

1ª Máxima tensión inversa soportada • El fabricante suministra (a veces) dos valores: - Tensión inversa máxima de pico repetitivo VRRM DIODOS DE POTENCIA - Tensión inversa máxima de pico no repetitivo VRSM La tensión máxima es crítica. Superarla suele ser determinante del deterioro irreversible del componente

2ª Máxima corriente directa conducida • El fabricante suministra dos (y a veces tres)

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 DIODOS DE POTENCIA - Corriente directa máxima de pico no repetitivo IFSM Depende de la cápsula

3ª Caída de tensión en conducción • La caída de tensión en conducción (obviamente)

3ª Caída de tensión en conducción • La caída de tensión en conducción (obviamente) crece con la corriente directa conducida. A corrientes altas crece linealmente ideal rd DIODOS DE POTENCIA V i ID 5 A V VD

3ª Caída de tensión en conducción DIODOS DE POTENCIA • La caída de tensión

3ª Caída de tensión en conducción DIODOS DE POTENCIA • La caída de tensión en conducción crece con la máxima tensión soportable por el diodo

3ª Caída de tensión en conducción • Se obtiene directamente de las curvas tensión

3ª Caída de tensión en conducción • Se obtiene directamente de las curvas tensión corriente DIODOS DE POTENCIA IF(AV) = 4 A, VRRM = 200 V 1, 25 V @ 25 A IF(AV) = 5 A, VRRM = 1200 V • En escala lineal no son muy útiles • Frecuentemente se representan en escala logarítmica 2, 2 V @ 25 A

3ª Caída de tensión en conducción • Curva característica en escala logarítmica DIODOS DE

3ª Caída de tensión en conducción • Curva característica en escala logarítmica DIODOS DE POTENCIA IF(AV) = 25 A, VRRM = 200 V 0, 84 V @ 20 A IF(AV) = 22 A, VRRM = 600 V 1, 6 V @ 20 A

3ª Caída de tensión en conducción DIODOS DE POTENCIA • Los Schottky tienen mejor

3ª Caída de tensión en conducción DIODOS DE POTENCIA • Los Schottky tienen mejor comportamiento en conducción para VRRM < 200 (en silicio) 0, 5 V @ 10 A

3ª Caída de tensión en conducción DIODOS DE POTENCIA • Schottky de VRRM relativamente

3ª Caída de tensión en conducción DIODOS DE POTENCIA • Schottky de VRRM relativamente alta 0, 69 V @ 10 A La caída de tensión en conducción no sólo va creciendo al aumentar VRRM, sino que se aproxima a la de un diodo PN

3ª Caída de tensión en conducción Schottky DIODOS DE POTENCIA Schottky Similares valores de

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

4ª Corriente de inversa en bloqueo DIODOS DE POTENCIA • Depende de los valores

4ª Corriente de inversa en bloqueo DIODOS DE POTENCIA • Depende de los valores de IF(AV) y VRRM, de la tensión inversa (poco) y de la temperatura (mucho) Crece con IF(AV) • Algunos ejemplos de diodos PN Crece con Tj IF(AV) = 8 A, VRRM = 200 V IF(AV) = 4 A, VRRM = 200 V IF(AV) = 5 A, VRRM = 1200 V

4ª Corriente de inversa en bloqueo • Dos ejemplos de diodos Schottky IF(AV) =

4ª Corriente de inversa en bloqueo • Dos ejemplos de diodos Schottky IF(AV) = 10 A, VRRM = 40 V DIODOS DE POTENCIA IF(AV) = 10 A, VRRM = 170 V • Crece con IF(AV) • Crece con Tj • Decrece con VRRM

5ª Velocidad de conmutación • Comportamiento ideal de un diodo en conmutación R a

5ª Velocidad de conmutación • Comportamiento ideal de un diodo en conmutación R a DIODOS DE POTENCIA V 1 b V 2 i V 1/R V -V 2 i + V t t Transición de “a” a “b”, es decir, de conducción a bloqueo (apagado)

5ª Velocidad de conmutación • Comportamiento real de un diodo en conmutación Transición de

5ª Velocidad de conmutación • Comportamiento real de un diodo en conmutación Transición de “a” a “b”, es decir, de conducción a bloqueo (apagado) R a DIODOS DE POTENCIA V 1 b V 2 i + i V 1/R trr V - ts = tiempo de almacenamiento (storage time ) ts -V 2/R V tf = tiempo de caída (fall time ) trr = tiempo de recuperación inversa (reverse recovery time ) -V 2 t tf (i= -0, 1·V 2/R) t

5ª Velocidad de conmutación • Comportamiento real de un diodo en conmutación Transición de

5ª Velocidad de conmutación • Comportamiento real de un diodo en conmutación Transición de “b” a “a”, es decir, de bloqueo conducción (encendido) R a DIODOS DE POTENCIA V 1 b V 2 i i + 0, 9·V 1/R V - 0, 1·V 1/R td tr tfr td = tiempo de retraso (delay time ) tr = tiempo de subida (rise time ) tfr = td + tr = tiempo de recuperación directa (forward recovery time ) El tiempo de recuperación directa genera menos problemas reales que el de recuperación inversa

5ª Velocidad de conmutación • Información suministrada por los fabricantes DIODOS DE POTENCIA •

5ª Velocidad de conmutación • Información suministrada por los fabricantes DIODOS DE POTENCIA • Corresponde a conmutaciones con cargas con comportamiento inductivo IF(AV) = 8 A, VRRM = 200 V

5ª Velocidad de conmutación DIODOS DE POTENCIA STTA 506 D • Más información suministrada

5ª Velocidad de conmutación DIODOS DE POTENCIA STTA 506 D • Más información suministrada por los fabricantes

5ª Velocidad de conmutación • La velocidad de conmutación (valorada con la trr) ayuda

5ª Velocidad de conmutación • La velocidad de conmutación (valorada con la trr) ayuda a clasificar los diodos DIODOS DE POTENCIA VRRM IF trr • Standard 100 V - 600 V 1 A – 50 A > 1 s • Fast 100 V - 1000 V 1 A – 50 A 100 ns – 500 ns • Ultra Fast 200 V - 800 V 1 A – 50 A 20 ns – 100 ns • Schottky 15 V - 150 V 1 A – 150 A < 2 ns Las características de todos los semiconductores (por supuesto, también de los diodos) se pueden encontrar en Internet (pdf) www. irf. com Direcciones web www. onsemi. com www. st. com www. infineon. com

Pérdidas en diodos • Son de dos tipos: - Estáticas en conducción (en bloqueo

Pérdidas en diodos • Son de dos tipos: - Estáticas en conducción (en bloqueo son despreciables) - Dinámicas Pérdidas estáticas en un diodo DIODOS DE POTENCIA i. D Forma de onda frecuente ideal rd V Potencia instantánea perdida en conducción: p. Dcond (t) = v. D (t)·i. D (t) = (V + rd · i. D(t)) · i. D(t) Potencia media en un periodo: Þ PDcond = V ·IM + rd · Ief 2 IM : Valor medio de i. D(t) Ief : Valor eficaz de i. D(t)

Pérdidas dinámicas (pérdidas de conmutación) en un diodo • Las conmutaciones no son perfectas

Pérdidas dinámicas (pérdidas de conmutación) en un diodo • 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 10 A i. D trr DIODOS DE POTENCIA t 3 A 0, 8 V Potencia instantánea perdida en la salida de conducción: VD t p. Dsc (t) = v. D (t)·i. D (t) = Potencia media en un periodo: -200 V

Información de los fabricantes sobre pérdidas DIODOS DE POTENCIA • Estáticas (de las hojas

Información de los fabricantes sobre pérdidas DIODOS DE POTENCIA • Estáticas (de las hojas de características (Datasheet) del diodo STTA 506)

Información de los fabricantes sobre pérdidas DIODOS DE POTENCIA • Dinámicas (de las hojas

Información de los fabricantes sobre pérdidas DIODOS DE POTENCIA • Dinámicas (de las hojas de características (Datasheet) del diodo STTA 506)

Información de los fabricantes sobre pérdidas DIODOS DE POTENCIA • Dinámicas (de las hojas

Información de los fabricantes sobre pérdidas DIODOS DE POTENCIA • Dinámicas (de las hojas de características (Datasheet) del diodo STTA 506)

Características Térmicas • Las pérdidas generan calor y éste debe ser evacuado • El

Características Térmicas • Las pérdidas generan calor y éste debe ser evacuado • El silicio pierde sus propiedades semiconductoras a partir de 175 -150ºC • Magnitudes térmicas: - Resistencias térmicas, RTH en ºC/W - Increm. de temperaturas, ΔT en ºC - Potencia perdida, P en W DIODOS DE POTENCIA Si P (W) RTHca RTHjc • Ley “de Ohm” térmica: ΔT=P·RTH a j Ambiente • Magnitudes eléctricas: - Resistencias eléctricas, R en Ω - Difer. de tensiones, V en voltios Unión (oblea) - Corriente, I en A c Encapsulado Equivalente eléctrico RTH Þ R ΔT Þ V PÞI

Características Térmicas Equivalente eléctrico RTHjc TC TJ Si DIODOS DE POTENCIA P (W) RTHjc

Características Térmicas Equivalente eléctrico RTHjc TC TJ Si DIODOS DE POTENCIA P (W) RTHjc j RTHca a j RTH Þ R ΔT Þ V PÞI RTHca a Ta c P Ambiente Unión 0 K c Encapsulado Por tanto: ΔT = P·ΣRTH Þ Tj-Ta = P·(RTHjc + RTHca) Y también: Tj-TC = P·RTHjc y Tc-Ta = P·RTHca

Características Térmicas • La resistencia térmica unión-cápsula es baja ( 0, 5 -5 ºC/W)

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) DIODOS DE POTENCIA IF(AV) = 5 A, VRRM = 1200 V Cápsula RTHca [ºC/W] TO 3 TO 5 TO 66 TO 220 TOP 3 30 105 45 60 40 • 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.

Características Térmicas RTHrad RTHjc j TJ a c TC RTHca Ta P RTHrad Si

Características Térmicas RTHrad RTHjc j TJ a c TC RTHca Ta P RTHrad Si R DIODOS DE POTENCIA P (W) THjc RTHca j a 0º K Ambiente Unión c Encapsulado Por tanto: Tj-Ta = P·[RTHjc + (RTHca. RTHrad)/(RTHca+RTHrad)] Y también: Tj-TC = P·RTHjc y Tc-Ta = P·(RTHca. RTHrad)/(RTHca+RTHrad)]