EL DIODO DE POTENCIA. P N + - i V Curva característica i [mA] V [V] (exponencial) -0, i [  A] V [V] (constante) DIODOS DE POTENCIA Ideas.

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1 EL DIODO DE POTENCIA

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

3 -40 0 -2 i [  A] V [Volt.] i + V - P N + - - + + - + - + -- + + - - + 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 DIODOS DE POTENCIA Ideas generales sobre diodos de unión PN

4 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 DIODOS DE POTENCIA

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

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

7 Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA Para usar radiadores

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

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

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

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

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

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

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

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

16 Encapsulados mixtos de diodos y otros dispositivos DIODOS DE POTENCIA 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

17 Circuito equivalente estático VV rdrd Modelo asintótico ideal 0 i V VV Circuito equivalente asintótico Curva característica asintótica. Pendiente = 1/r d Curva característica ideal DIODOS DE POTENCIA Curva característica real

18 DIODOS DE POTENCIA 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

19 DIODOS DE POTENCIA 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

20 DIODOS DE POTENCIA 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

21 DIODOS DE POTENCIA 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V rdrd ideal IDID VDVD 5 A

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

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

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

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

26 DIODOS DE POTENCIA 3ª Caída de tensión en conducción Schottky de V RRM relativamente alta 0,69V @ 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

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

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

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

30 Transición de “a” a “b”, es decir, de conducción a bloqueo (apagado) a b V1V1 V2V2 R i V + - i V t t V 1 /R -V 2 DIODOS DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación Comportamiento ideal de un diodo en conmutación

31 a b V1V1 V2V2 R i V + - Transición de “a” a “b”, es decir, de conducción a bloqueo (apagado) i V t t t rr V 1 /R -V 2 /R tsts t f (i= -0,1·V 2 /R) -V 2 t s = tiempo de almacenamiento (storage time ) t f = tiempo de caída (fall time ) t rr = tiempo de recuperación inversa (reverse recovery time ) DIODOS DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación Comportamiento real de un diodo en conmutación

32 a b V1V1 V2V2 R i V + - i 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 ) trtr 0,9·V 1 /R tdtd 0,1·V 1 /R t fr El tiempo de recuperación directa genera menos problemas reales que el de recuperación inversa DIODOS DE POTENCIA Transición de “b” a “a”, es decir, de bloqueo conducción (encendido) Comportamiento real de un diodo en conmutación 5ª Velocidad de conmutación

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

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

35 DIODOS DE POTENCIA 5ª Velocidad de conmutación La velocidad de conmutación (valorada con la t rr ) ayuda a clasificar los diodos Standard Fast Ultra Fast Schottky V RRM t rr IFIF 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 ns1 A – 150 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

36 DIODOS DE POTENCIA Pérdidas en diodos Son de dos tipos: - Estáticas en conducción (en bloqueo son despreciables) - Dinámicas VV rdrd ideal iDiD Potencia instantánea perdida en conducción: p Dcond (t) = v D (t)·i D (t) = (V  + r d · i D (t)) · i D (t) P Dcond = V  ·I M + r d · I ef 2 I M : Valor medio de i D (t) I ef : Valor eficaz de i D (t) Pérdidas estáticas en un diodo iDiD Forma de onda frecuente Potencia media en un periodo: 

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

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

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

40 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) 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. I F(AV) = 5A, V RRM = 1200V CápsulaTO 3TO 5TO 66TO 220TOP 3 R THca [ºC/W]30105456040

41 DIODOS DE POTENCIA Características Térmicas j c P R THjc R THca TaTa a 0º K TCTC TJTJ 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 )] Ambiente Si j Unión c Encapsulado a P (W) R THjc R THca R THrad