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

i = IS·(e -1) i » IS·e i » (V-Vg)/rd i » -IS VT = k·T/q Ideas generales sobre diodos de unión PN i = IS·(e -1) V VT Ecuación característica del diodo: donde: VT = k·T/q IS = A·q·ni2·(Dp/(ND·Lp)+Dn/(NA·Ln)) Operación con polarización directa con VO > V >> VT, siendo VO la tensión interna de equilibrio de la unión: (dependencia exponencial) i » IS·e V VT DIODOS DE POTENCIA 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 Polarización inversa con V << -VT (corriente inversa de saturación que es muy pequeña y casi independiente de la tensión) i » -IS

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

+ - - - - - P N + + + + - + i + V - i [A] V [Volt.] Ideas generales sobre diodos de unión PN Avalancha primaria P N + - - + + - - + + - + - DIODOS DE POTENCIA i + V - -40 -2 i [A] V [Volt.] 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 i Ánodo V curva característica Cátodo V Concepto de diodo ideal En polarización directa, la caída de tensión es nula, sea cual sea el valor de la corriente directa conducida i V curva característica i Ánodo + DIODOS DE POTENCIA V Cátodo - En polarización inversa, la corriente conducida es nula, sea cual sea el valor de la tensión inversa aplicada

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

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

Encapsulados de diodos Para usar radiadores DIODOS DE POTENCIA

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

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

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

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

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

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

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

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

DIODOS 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 - Se pueden pedir a medida Control de Motores DIODOS DE POTENCIA Electrónica militar

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

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

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 DIODOS DE POTENCIA La tensión máxima es crítica. Superarla suele ser determinante del deterioro irreversible del componente

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 DIODOS DE POTENCIA Depende de la cápsula

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Comportamiento ideal de un diodo en conmutación 5ª Velocidad de conmutación Comportamiento ideal de un diodo en conmutación a b V1 V2 R i V + - Transición de “a” a “b”, es decir, de conducción a bloqueo (apagado) DIODOS DE POTENCIA i V t V1/R -V2

Comportamiento real de un diodo en conmutación 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 V1 V2 R i V + - i V t V1/R -V2/R ts -V2 trr tf (i= -0,1·V2/R) DIODOS DE POTENCIA ts = tiempo de almacenamiento (storage time ) tf = tiempo de caída (fall time ) trr = tiempo de recuperación inversa (reverse recovery time )

Comportamiento real de un diodo en conmutación 5ª Velocidad de conmutación Comportamiento real de un diodo en conmutación Transición de “b” a “a”, es decir, de bloqueo conducción (encendido) i a b V1 V2 R i V + - tr 0,9·V1/R td 0,1·V1/R tfr DIODOS DE POTENCIA 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

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

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

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 DIODOS DE POTENCIA Las características de todos los semiconductores (por supuesto, también de los diodos) se pueden encontrar en Internet (pdf) Direcciones web www.irf.com www.onsemi.com www.st.com www.infineon.com

Forma de onda frecuente Pérdidas en diodos Son de dos tipos: - Estáticas en conducción (en bloqueo son despreciables) - Dinámicas Pérdidas estáticas en un diodo iD Forma de onda frecuente V rd ideal iD DIODOS DE POTENCIA Potencia instantánea perdida en conducción: pDcond (t) = vD (t)·iD (t) = (V + rd · iD(t)) · iD(t) Potencia media en un periodo: Þ PDcond = V·IM + rd · Ief2 IM : Valor medio de iD(t) Ief : Valor eficaz de iD(t)

trr iD t DIODOS DE POTENCIA VD 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 iD t VD 0,8 V -200 V 10 A 3 A trr DIODOS DE POTENCIA Potencia instantánea perdida en la salida de conducción: pDsc (t) = vD (t)·iD (t) = Potencia media en un periodo:

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

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

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

a j c Si DIODOS DE POTENCIA RTHjc RTHca 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 Ley “de Ohm” térmica: ΔT=P·RTH DIODOS DE POTENCIA Si j Unión (oblea) P (W) RTHjc RTHca a Ambiente Magnitudes eléctricas: - Resistencias eléctricas, R en Ω - Difer. de tensiones, V en voltios - Corriente, I en A c Encapsulado RTH Þ R ΔT Þ V P Þ I Equivalente eléctrico

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

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

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