Diodos de potencia

Diodos de potencia

Diodos de potencia. Componente electrónico ampliamente utilizado en la electrónica de potencia. A diferencia de los diodos de baja potencia estos se caracterizan por ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión en estado de conducción y en sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas.

Tipos de diodos de potencia

Diodos rectificadores para baja frecuencia

Características

IFAV: 1A – 6000 A

VRRM: 400 – 3600 V

VFmax: 1,2V (a IFAVmax)

trr: 10 µs

Aplicaciones

• Rectificadores de Red.

• Baja frecuencia (50Hz).

Diodos rápidos (fast) y ultrarrápidos (ultrafast)

Características

IFAV: 30A – 200 A

VRRM: 400 – 1500 V

VFmax: 1,2V (a IFAVmax)

trr: 0,1 - 10 µs

Aplicaciones

• Conmutación a alta frecuencia (>20kHz).
• Inversores.
• UPS.
• Accionamiento de motores CA.

Diodos Schotkky

Características

IFAV: 1A – 120 A

VRRM: 15 – 150 V

VFmax: 0,7V (a IFAVmax)

trr: 5 ns

Aplicaciones

• Fuentes conmutadas.
• Convertidores.
• Diodos de libre circulación.
• Cargadores de baterías.

Diodos para aplicaciones especiales (alta tensión)

Características

IFAV: 0,45A – 2 A

VR: 7,5kV – 18kV

VRRM: 20V – 100V

trr: 150 ns

Aplicaciones

Aplicaciones de alta tensión.

Diodos para aplicaciones especiales (alta corriente)

Características

IFAV: 50A – 7000 A

VRRM: 400V – 2500V

VF: 2V

trr:10 µs

Aplicaciones

Aplicaciones de alta corriente.

Características

La curva característica se muestra a continuación:

VRRM: tensión inversa máxima VD: tensión de codo.

A continuación vamos a ir viendo las características más importantes del diodo, las cuales podemos agrupar de la siguiente forma:

Características estáticas

· Parámetros en bloqueo (polarización inversa).

· Parámetros en conducción.

· Modelo estático.

Parámetros en bloqueo:

Tensión inversa de trabajo (VRWM): Tensión inversa máxima que puede ser soportada por el diodo de forma continuada sin peligro de avalancha. Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM): Tensión inversa máxima que puede ser soportada en picos de 1ms repetidos cada 10 ms por tiempo indefinido. Tensión inversa de pico único (VRSM): Tensión inversa máxima que puede ser soportada por una sola vez cada 10 min o más, con duración de pico de 10ms. Tensión de ruptura (VR): Si es alcanzada, aunque sea por una vez, el diodo puede destruirse o al menos degradar sus características eléctricas.

Parámetros en estado de conducción:

Intensidad media nominal (IFAV): Es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos senoidales de 180º que el diodo puede soportar con la cápsula mantenida a determinada temperatura (110 ºC normalmente). Intensidad de pico repetitivo (IFRM): Máxima intensidad que puede ser soportada cada 20 ms por tiempo indefinido, con duración de pico de 1ms a determinada temperatura de la cápsula. Intensidad de pico único (IFSM): Es el máximo pico de intensidad aplicable por una vez cada 10 minutos o más, con duración de pico de 10ms.

Modelo estático:

Los distintos modelos del diodo en su región directa (modelos estáticos) se representan en la figura II. Estos modelos facilitan los cálculos a realizar, para lo cual debemos escoger el modelo adecuado según el nivel de precisión que necesitemos. Estos modelos se suelen emplear para cálculos a mano, reservando modelos más complejos para programas de simulación como PSPICE. Dichos modelos suelen ser proporcionados por el fabricante, e incluso pueden venir ya en las librerías del programa. a) Modelo Ideal b) Diodo ideal en serie con fuente de tensión. c) Diodo ideal en serie con fuente de tensión y con la resistencia del diodo en conducción.

Características dinámicas

Tiempo de recuperación inverso (trr). Influencia del trr en la conmutación. Tiempo de recuperación directo. Tiempo de recuperación inverso: El paso del estado de conducción al de bloqueo en el diodo no se efectúa instantáneamente. Si un el diodo se encuentra conduciendo una intensidad IF, la zona central de la unión P-N está saturada de portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de éstos cuanto mayor sea IF. Si mediante la aplicación de una tensión inversa forzamos la anulación de la corriente con cierta velocidad di/dt, resultará que después del paso por cero de la corriente existe cierta cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario durante un instante. La tensión inversa entre ánodo y cátodo no se establece hasta después del tiempo ta llamado tiempo de almacenamiento, en el que los portadores empiezan a escasear y aparece en la unión la zona de carga espacial. La intensidad todavía tarda un tiempo tb (llamado tiempo de caída) en pasar de un valor de pico negativo (IRRM) a un valor despreciable mientras van desapareciedo el exceso de portadores.

• ta (tiempo de almacenamiento): es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la intensidad hasta llegar al pico negativo.
• tb (tiempo de caída): es el tiempo transcurrido desde el pico negativo de intensidad hasta que ésta se anula, y es debido a la descarga de la capacidad de la unión polarizada en inverso. En la práctica se suele medir desde el valor de pico negativo de la intensidad hasta el 10 % de éste.
• trr (tiempo de recuperación inversa): es la suma de ta y tb.

La relación entre tb/ta es conocida como factor de suavizado "SF". Influencia del trr en la conmutación Si el tiempo que tarda el diodo en conmutar no es despreciable : Se limita la frecuencia de funcionamiento. Existe una disipación de potencia durante el tiempo de recuperación inversa. Para altas frecuencias, por tanto, debemos usar diodos de recuperación rápida. Factores de los que depende trr : A mayor IRRM menor trr. Cuanta mayor sea la intensidad principal que atraviesa el diodo mayor será la capacidad almacenada, y por tanto mayor será trr.

Parámetros en bloqueo:

Tensión inversa de trabajo (VRWM):

Tensión inversa máxima que puede ser soportada por el diodo de forma continuada sin peligro de avalancha.

Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM):

Tensión inversa máxima que puede ser soportada en picos de 1ms repetidos cada 10 ms por tiempo indefinido.

Tensión inversa de pico único (VRSM):

Tensión inversa máxima que puede ser soportada por una sola vez cada 10 min o más, con duración de pico de 10ms.

Tensión de ruptura (VR):

Si es alcanzada, aunque sea por una vez, el diodo puede destruirse o al menos degradar sus características eléctricas.

Parámetros en estado de conducción:

Intensidad media nominal (IFAV):

Es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos senoidales de 180º que el diodo puede soportar con la cápsula mantenida a determinada temperatura (110 ºC normalmente).

Intensidad de pico repetitivo (IFRM):

Máxima intensidad que puede ser soportada cada 20 ms por tiempo indefinido, con duración de pico de 1ms a determinada temperatura de la cápsula. Intensidad de pico único (IFSM):

Es el máximo pico de intensidad aplicable por una vez cada 10 minutos o más, con duración de pico de 10ms.

Modelo estático:

Los distintos modelos del diodo en su región directa (modelos estáticos) se representan en la figura II. Estos modelos facilitan los cálculos a realizar, para lo cual debemos escoger el modelo adecuado según el nivel de precisión que necesitemos.

Estos modelos se suelen emplear para cálculos a mano, reservando modelos más complejos para programas de simulación como PSPICE. Dichos modelos suelen ser proporcionados por el fabricante, e incluso pueden venir ya en las librerías del programa.

a) Modelo Ideal

b) Diodo ideal en serie con fuente de tensión.

c) Diodo ideal en serie con fuente de tensión y con la resistencia del diodo en conducción.

Características dinámicas

Tiempo de recuperación inverso (trr). Influencia del trr en la conmutación. Tiempo de recuperación directo.

Tiempo de recuperación inverso:

El paso del estado de conducción al de bloqueo en el diodo no se efectúa instantáneamente. Si un el diodo se encuentra conduciendo una intensidad IF, la zona central de la unión P-N está saturada de portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de éstos cuanto mayor sea IF. Si mediante la aplicación de una tensión inversa forzamos la anulación de la corriente con cierta velocidad di/dt, resultará que después del paso por cero de la corriente existe cierta cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario durante un instante. La tensión inversa entre ánodo y cátodo no se establece hasta después del tiempo ta llamado tiempo de almacenamiento, en el que los portadores empiezan a escasear y aparece en la unión la zona de carga espacial. La intensidad todavía tarda un tiempo tb (llamado tiempo de caída) en pasar de un valor de pico negativo (IRRM) a un valor despreciable mientras van desapareciedo el exceso de portadores.

ta (tiempo de almacenamiento): es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la intensidad hasta llegar al pico negativo. tb (tiempo de caída): es el tiempo transcurrido desde el pico negativo de intensidad hasta que ésta se anula, y es debido a la descarga de la capacidad de la unión polarizada en inverso. En la práctica se suele medir desde el valor de pico negativo de la intensidad hasta el 10 % de éste. trr (tiempo de recuperación inversa): es la suma de ta y tb.

La relación entre tb/ta es conocida como factor de suavizado "SF".

Influencia del trr en la conmutación

Si el tiempo que tarda el diodo en conmutar no es despreciable :

Se limita la frecuencia de funcionamiento. Existe una disipación de potencia durante el tiempo de recuperación inversa.

Para altas frecuencias, por tanto, debemos usar diodos de recuperación rápida.

Factores de los que depende trr :

A mayor IRRM menor trr. Cuanta mayor sea la intensidad principal que atraviesa el diodo mayor será la capacidad almacenada, y por tanto mayor será trr.

Potencia:

o Potencia máxima disipable.

   o Potencia media disipada. 
   o Potencia inversa de pico repetitivo. 
   o Potencia inversa de pico no repetitivo. 
               

Potencia máxima disipable (Pmáx) Es un valor de potencia que el dispositivo puede disipar, pero no debemos confundirlo con la potencia que disipa el diodo durante el funcionamiento, llamada ésta potencia de trabajo. Potencia media disipada (PAV) Es la disipación de potencia resultante cuando el dispositivo se encuentra en estado de conducción, si se desprecia la potencia disipada debida a la corriente de fugas.

Potencia inversa de pico repetitiva (PRRM) Es la máxima potencia que puede disipar el dispositivo en estado de bloqueo. Potencia inversa de pico no repeptitiva (PRSM) Similar a la anterior, pero dada para un pulso único.

Características térmicas

Temperatura de la unión (Tjmáx) Es el límite superior de temperatura que nunca debemos hacer sobrepasar a la unión del dispositivo si queremos evitar su inmediata destrucción. En ocasiones, en lugar de la temperatura de la unión se nos da la "operating temperature range" (margen de temperatura de funcionamiento), que significa que el dispositivo se ha fabricado para funcionar en un intervalo de temperaturas comprendidas entre dos valores, uno mínimo y otro máximo. Temperatura de almacenamiento (Tstg) Es la temperatura a la que se encuentra el dispositivo cuando no se le aplica ninguna potencia. El fabricante suele dar un margen de valores para esta temperatura.

Véase también

Diodos Diodo

Fuentes

• MUHAMMAD H. RASHID, Electrónica de potencia, Ph.D.,Fellow IEE
• Diodos
• ccpot.galeon.com