EL DIODO DE POTENCIA

Transcripción

1 EL DIODO DE POTENCIA

2 Ideas generales sobre diodos de unión PN Ecuación característica del diodo: V V T i = I S (e -1) donde: V T = k T/q I S = A q n i2 (D p /(N D L p )+D n /(N A L n )) Operación con polarización directa con V O > V >> V T, siendo V O la tensión interna de equilibrio de la unión: i I S e V V T (dependencia exponencial) Operación con polarización directa con V > V O >> V T : i (V-V g )/r d donde V g es la tensión de codo del diodo y r d su resistencia dinámica Polarización inversa con V << -V T i -I S (corriente inversa de saturación que es muy pequeña y casi independiente de la tensión)

3 Ideas generales sobre diodos de unión PN Curva característica (recta) + V - P N i i [ma] V g pendiente = 1/r d (exponencial) 1 V [V] i [ A] -1 0 V [V] -0,8 (constante)

4 Ideas generales sobre diodos de unión PN Avalancha primaria P N i + 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.] 0

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

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

7 Encapsulados de diodos Axiales DO 35 DO 41 DO 15 DO 201

8 Encapsulados de diodos Para usar radiadores

9 Encapsulados de diodos Para grandes potencias DO 5 B 44

10 Encapsulados de diodos Agrupaciones de 2 diodos 2 diodos en cátodo común 2 diodos en serie

11 Encapsulados de diodos Agrupaciones de 2 diodos (con varias conexiones)

12 Encapsulados de diodos Agrupaciones de 2 diodos (sin conectar) Nombre del dispositivo

13 Encapsulados de diodos Agrupaciones de 2 diodos. Diversos encapsulados para el mismo dispositivo Nombre del dispositivo Encapsulados

14 Encapsulados de diodos Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos) Dual in line

15 Encapsulados de diodos Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos) + -

16 Encapsulados de diodos Puentes de diodos. Toda la gama de Fagor

17 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 - Se pueden pedir a medida Control de Motores Electrónica militar

18 Circuito equivalente estático i Curva característica real Curva característica ideal Curva característica asintótica. Pendiente = 1/r d 0 V V g ideal Circuito equivalente asintótico r d Modelo asintótico V g

19 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 1ª Máxima tensión inversa soportada Corresponde a la tensión de ruptura de la unión inversamente polarizada Baja tensión Media tensión Alta tensión 15 V 100 V 500 V Ejemplo de clasificación 30 V 45 V 55 V 150 V 200 V 400 V 600 V 800 V 1000 V 60 V 1200 V 80 V

20 1ª Máxima tensión inversa soportada El fabricante suministra (a veces) dos valores: - Tensión inversa máxima de pico repetitivo V RRM - Tensión inversa máxima de pico no repetitivo V RSM La tensión máxima es crítica. Superarla suele ser determinante del deterioro irreversible del componente

21 2ª Máxima corriente directa conducida El fabricante suministra dos (y a veces tres) valores: - Corriente eficaz máxima I F(RMS) - Corriente directa máxima de pico repetitivo I FRM - Corriente directa máxima de pico no repetitivo I FSM Depende de la cápsula

22 3ª Caída de tensión en conducción La caída de tensión en conducción (obviamente) crece con la corriente directa conducida. A corrientes altas crece linealmente r d ideal V g i I D 5 A V V D

23 3ª Caída de tensión en conducción La caída de tensión en conducción crece con la máxima tensión soportable por el diodo

24 3ª Caída de tensión en conducción Se obtiene directamente de las curvas tensión corriente I F(AV) = 4A, V RRM = 200V 25A I F(AV) = 5A, V RRM = 1200V 25A En escala lineal no son muy útiles Frecuentemente se representan en escala logarítmica

25 3ª Caída de tensión en conducción Curva característica en escala logarítmica I F(AV) = 25A, V RRM = 200V I F(AV) = 22A, V RRM = 600V 20A 20A

26 3ª Caída de tensión en conducción Los Schottky tienen mejor comportamiento en conducción para V RRM < 200 (en silicio) 10A

27 3ª Caída de tensión en conducción Schottky de V RRM relativamente alta 10A La caída de tensión en conducción no sólo va creciendo al aumentar V RRM, sino que se aproxima a la de un diodo PN

28 3ª Caída de tensión en conducción Schottky Schottky Similares valores de V RRM y similares caídas de tensión en conducción PN

29 4ª Corriente de inversa en bloqueo Depende de los valores de I F(AV) y V RRM, de la tensión inversa (poco) y de la temperatura (mucho) Crece con I F(AV) Algunos ejemplos de diodos PN I F(AV) = 8A, V RRM = 200V Crece con T j I F(AV) = 4A, V RRM = 200V I F(AV) = 5A, V RRM = 1200V

30 4ª Corriente de inversa en bloqueo Dos ejemplos de diodos Schottky I F(AV) = 10A, V RRM = 40V Crece con I F(AV) Crece con T j Decrece con V RRM I F(AV) = 10A, V RRM = 170V

31 5ª Velocidad de conmutación Comportamiento ideal de un diodo en conmutación R a b V 2 V 1 i V 1 /R i + V - t Transición de a a b, es decir, de conducción a bloqueo (apagado) V t -V 2

32 5ª Velocidad de conmutación Comportamiento real de un diodo en conmutación Transición de a a b, es decir, de conducción a bloqueo (apagado) a b V 1 V 2 R i + V t s = tiempo de almacenamiento (storage time ) t f = tiempo de caída (fall time ) - i -V 2 /R V 1 /R t rr V t s t t t f (i= -0,1 V 2 /R) t rr = tiempo de recuperación inversa (reverse recovery time ) -V 2

33 5ª Velocidad de conmutación Comportamiento real de un diodo en conmutación Transición de b a a, es decir, de bloqueo conducción (encendido) R i a b + V 2 V V 1-0,9 V 1 /R 0,1 V 1 /R i t d t r t d = tiempo de retraso (delay time ) t r = tiempo de subida (rise time ) t fr = t d + t r = tiempo de recuperación directa (forward recovery time ) t fr El tiempo de recuperación directa genera menos problemas reales que el de recuperación inversa

34 5ª Velocidad de conmutación Información suministrada por los fabricantes Corresponde a conmutaciones con cargas con comportamiento inductivo I F(AV) = 8A, V RRM = 200V

35 5ª Velocidad de conmutación Más información suministrada por STTA506D los fabricantes

36 5ª Velocidad de conmutación La velocidad de conmutación (valorada con la t rr ) ayuda a clasificar los diodos V RRM I F t rr Standard 100 V V 1 A 50 A > 1 s Fast 100 V V 1 A 50 A 100 ns 500 ns Ultra Fast 200 V V 1 A 50 A 20 ns 100 ns Schottky 15 V 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) Direcciones web

37 Pérdidas en diodos Son de dos tipos: - Estáticas en conducción (en bloqueo son despreciables) - Dinámicas Pérdidas estáticas en un diodo i D i D Forma de onda frecuente ideal r d V g P Potencia instantánea perdida en conducción: p Dcond (t) = v D (t) i D (t) = (V g + r d i D (t)) i D (t) Potencia media en un periodo: Dcond 1 T T 0 p Dcond (t) dt P Dcond = V g I M + r d I ef 2 I M : Valor medio de i D (t) I ef : Valor eficaz de i D (t)

38 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 t rr t 0,8 V V D 3 A Potencia instantánea perdida en la salida de conducción: t p Dsc (t) = v D (t) i D (t) = -200 V Potencia media en un periodo: P D 1 T trr 0 p Dsc (t) dt

39 Información de los fabricantes sobre pérdidas Estáticas (de las hojas de características (Datasheet) del diodo STTA506)

40 Información de los fabricantes sobre pérdidas Dinámicas (de las hojas de características (Datasheet) del diodo STTA506)

41 Información de los fabricantes sobre pérdidas Dinámicas (de las hojas de características (Datasheet) del diodo STTA506)

42 Características Térmicas Las pérdidas generan calor y éste debe ser evacuado El silicio pierde sus propiedades semiconductoras a partir de ºC Magnitudes térmicas: - Resistencias térmicas, R TH en ºC/W - Increm. de temperaturas, ΔT en ºC Si P (W) j Unión (oblea) R THjc R THca a Ambiente c Encapsulado - Potencia perdida, P en W Ley de Ohm térmica: ΔT=P R TH Magnitudes eléctricas: - Resistencias eléctricas, R en Ω - Difer. de tensiones, V en voltios - Corriente, I en A Equivalente eléctrico R TH R ΔT V P I

43 Características Térmicas Equivalente eléctrico R TH R ΔT V P I P (W) Si j Unión R THjc c Encapsulado R THca a Ambiente T J j R THjc T C c R THca P a T a 0º K Por tanto: ΔT = P ΣR TH T j -T a = P (R THjc + R THca ) Y también: T j -T C = P R THjc y T c -T a = P R THca

44 Características Térmicas La resistencia térmica unión-cápsula es baja ( 0,5-5 ºC/W) La resistencia térmica cápsula-ambiente es alta ( ºC/W) I F(AV) = 5A, V RRM = 1200V Cápsula TO 3 TO 5 TO 66 TO 220 TOP 3 R THca [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.

45 Características Térmicas R THrad j R THjc c a T J T C R THca T a P P (W) Si j Unión R THjc R THca R THrad a Ambiente 0º K c Encapsulado Por tanto: T j -T a = P [R THjc + (R THca R THrad )/(R THca +R THrad )] Y también: T j -T C = P R THjc y T c -T a = P (R THca R THrad )/(R THca +R THrad )]