Presentaci

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Lección 4
EL DIODO DE POTENCIA
Sistemas Electrónicos de Alimentación 5º Curso.
Ingeniería de Telecomunicación
2
Ideas generales sobre diodos de unión PN

• Ecuación característica del diodo

• Operación con polarización directa con VO gt V gtgt
  VT, siendo VO la tensión interna de equilibrio de
  la unión

DIODOS DE POTENCIA

• Operación con polarización directa con V gt VO gtgt
  VT

• Polarización inversa con V ltlt -VT

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Ideas generales sobre diodos de unión PN

• Curva característica

DIODOS DE POTENCIA
4
Ideas generales sobre diodos de unión PN

• Avalancha primaria

DIODOS DE POTENCIA
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
5
Concepto de diodo ideal
i
Ánodo

DIODOS DE POTENCIA
V
Cátodo
-
6
El diodo semiconductor encapsulado
Ánodo
Ánodo
DIODOS DE POTENCIA
Cátodo
Cátodo
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Encapsulados de diodos

• Axiales

DIODOS DE POTENCIA
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Encapsulados de diodos

• Para usar radiadores

DIODOS DE POTENCIA
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Encapsulados de diodos

• Para grandes potencias

DIODOS DE POTENCIA
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Encapsulados de diodos

• Agrupaciones de 2 diodos

DIODOS DE POTENCIA
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Encapsulados de diodos

• Agrupaciones de 2 diodos (con varias conexiones)

DIODOS DE POTENCIA
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Encapsulados de diodos

• Agrupaciones de 2 diodos (sin conectar)

DIODOS DE POTENCIA
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Encapsulados de diodos

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

DIODOS DE POTENCIA
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Encapsulados de diodos

• Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos)

DIODOS DE POTENCIA
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Encapsulados de diodos

• Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos)

DIODOS DE POTENCIA
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Encapsulados de diodos

• Puentes de diodos. Toda la gama de Fagor

DIODOS DE POTENCIA
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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
DIODOS DE POTENCIA
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Circuito equivalente estático
DIODOS DE POTENCIA

• Circuito equivalente asintótico

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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

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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
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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
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3ª Caída de tensión en conducción

• La caída de tensión en conducción (obviamente)
  crece con la corriente directa conducida. A
  corrientes altas crece linealmente

DIODOS DE POTENCIA
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3ª Caída de tensión en conducción

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

DIODOS DE POTENCIA
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3ª Caída de tensión en conducción

• Se obtiene directamente de las curvas tensión
  corriente

IF(AV) 4A, VRRM 200V
DIODOS DE POTENCIA
1,25V _at_ 25A
IF(AV) 5A, VRRM 1200V

• En escala lineal no son muy útiles
• Frecuentemente se representan en escala
  logarítmica

2,2V _at_ 25A
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3ª Caída de tensión en conducción

• Curva característica en escala logarítmica

IF(AV) 22A, VRRM 600V
IF(AV) 25A, VRRM 200V
DIODOS DE POTENCIA
0,84V _at_ 20A
1,6V _at_ 20A
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3ª Caída de tensión en conducción

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

DIODOS DE POTENCIA
0,5V _at_ 10A
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3ª Caída de tensión en conducción

• Schottky de VRRM relativamente alta

DIODOS DE POTENCIA
0,69V _at_ 10A
La caída de tensión en conducción no sólo va
creciendo al aumentar VRRM, sino que se aproxima
a la de un diodo PN
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3ª Caída de tensión en conducción
DIODOS DE POTENCIA
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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
DIODOS DE POTENCIA
30
4ª Corriente de inversa en bloqueo

• Crece con IF(AV)
• Crece con Tj

• Dos ejemplos de diodos Schottky

• Decrece con VRRM

DIODOS DE POTENCIA
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5ª Velocidad de conmutación

• Comportamiento ideal de un diodo en conmutación

Transición de a a b, es decir, de conducción
a bloqueo (apagado)
DIODOS DE POTENCIA
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5ª Velocidad de conmutación

• Comportamiento real de un diodo en conmutación

Transición de a a b, es decir, de conducción
a bloqueo (apagado)
DIODOS DE POTENCIA
ts tiempo de almacenamiento (storage time )
tf tiempo de caída (fall time )
trr tiempo de recuperación inversa (reverse
recovery time )
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5ª Velocidad de conmutación

• Comportamiento real de un diodo en conmutación

Transición de b a a, es decir, de bloqueo
conducción (encendido)
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
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5ª Velocidad de conmutación

• Información suministrada por los fabricantes
• Corresponde a conmutaciones con cargas con
  comportamiento inductivo

DIODOS DE POTENCIA
35
5ª Velocidad de conmutación

• Más información suministrada por los fabricantes

STTA506D
DIODOS DE POTENCIA
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5ª Velocidad de conmutación

• La velocidad de conmutación (valorada con la
  trr) ayuda a clasificar los diodos

DIODOS DE POTENCIA
Las características de todos los semiconductores
(por supuesto, también de los diodos) se pueden
encontrar en Internet (pdf)
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Pérdidas en diodos

• Son de dos tipos
• - Estáticas en conducción (en bloqueo son
  despreciables)
• - Dinámicas

Pérdidas estáticas en un diodo
DIODOS DE POTENCIA
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)
Þ
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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

DIODOS DE POTENCIA
Potencia instantánea perdida en la salida de
conducción pDsc (t) vD (t)iD (t)
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Información de los fabricantes sobre pérdidas

• Estáticas

DIODOS DE POTENCIA
40
Información de los fabricantes sobre pérdidas

• Dinámicas

DIODOS DE POTENCIA
41
Información de los fabricantes sobre pérdidas

• Dinámicas

DIODOS DE POTENCIA
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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, ?T en ºC
• - Potencia perdida, P en W
• Ley de Ohm térmica ?TPRTH

DIODOS DE POTENCIA

• Magnitudes eléctricas
• - Resistencias eléctricas, R en O
• - Difer. de tensiones, V en voltios
• - Corriente, I en A

RTH Þ R ?T Þ V P Þ I
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Características Térmicas
DIODOS DE POTENCIA
Por tanto ?T PSRTH Þ Tj-Ta P(RTHjc
RTHca)
Y también Tj-TC PRTHjc y Tc-Ta PRTHca
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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
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.

45
Características Térmicas
j
DIODOS DE POTENCIA
Por tanto Tj-Ta PRTHjc (RTHcaRTHrad)/(RTHc
aRTHrad)
Y también Tj-TC PRTHjc y Tc-Ta
P(RTHcaRTHrad)/(RTHcaRTHrad)