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El diodo de potencia

P A R T A D O

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A. Introducción Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, las siguientes limitaciones:

• Son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conducción.

• El único procedimiento de control es invertir el voltaje entre ánodo y cátodo. Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión. En senti-do inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas, tal y como se muestra en su curva característica.

donde:

• V γ : tensión de codo • VBD : tensión de ruptura

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

• Características estáticas: o Parámetros en bloqueo (polarización inversa). o Parámetros en conducción. o Modelo estático.

• Características dinámicas: o Parámetros de encendido. o Parámetros de apagado o Influencia del trr en la conmutación.

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B. Características del diodo de potencia

Características estáticas Parámetros en bloqueo

• Tensión inversa de trabajo (VRWM): Máxima tensión inversa que puede soportar de forma continuada sin peligro de avalancha.

• Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM): Máxima tensión inversa que puede soportar por tiempo indefinido si la duración del pico es inferior a 1ms y su fre-cuencia de repetición inferior a 100 Hz.

• Tensión inversa de pico único (VRSM): Máxima tensión inversa que puede so-portar por una sola vez cada 10 ó más minutos si la duración del pico es infe-rior a 10 ms.

• Tensión de ruptura (VBD): Valor de la tensión capaz de provocar la avalancha aunque solo se aplique una vez por un tiempo superior a 10 ms

Parámetros en conducción

• Intensidad media nominal (IFW(AV)): es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos sinusoidales que el diodo puede soportar en forma continuada .

• Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es aquella que puede ser soportada cada 20 ms, con una duración de pico a 1 ms, a una determinada temperatura de la cápsula (normalmente 25º).

• Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): es el máximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duración de 10 ms.

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

iD

vD

iD

vD V γ

iD

vD

V γ

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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 pro-grama.

Características dinámicas Estas características están referidas al proceso de conmutación del diodo, tanto en el proceso de encendido como de apagado

Parámetros de encendido

• Tensión directa, VON. Caída de tensión del diodo en régimen permanente para la corriente nominal

• Tensión de recuperación directa, VF. Tensión máxima durante el encendido. • Tiempo de recuperación directa, tON. Tiempo para alcanzar el 110% de VON. • Tiempo de subida, tr. Tiempo en el que la corriente pasa del 10% al 90% de su

valor directo nominal. Suele estar controlado por el circuito externo Este último tiempo es bastante menor que el de recuperación inversa (que se estudia-rá a continuación) y no suele producir pérdidas despreciables. Parámetros de apagado El paso del estado de conducción al de bloqueo (y viceversa) en el diodo no se efectúa instantáneamente. Si un diodo se encuentra conduciendo una intensidad IF, la zona central de la unión P-N está saturada de portadores mayoritarios con una mayor den-sidad de éstos, cuanto mayor sea IF. Si mediante la aplicación de una tensión inversa VR forzamos la anulación de la corriente con cierta velocidad diD/dt, resultará que des-pués del paso por cero de la corriente existe cierta cantidad de portadores que cam-bian 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 ne-

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gativo (Irr) a un valor despreciable mientras va desapareciendo el exceso de portado-res.

Teniendo estas características en cuenta se definen los siguientes parámetros:

• 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 inten-sidad 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 pi-co negativo de la intensidad hasta el 25 % de éste.

• trr (tiempo de recuperación inversa): es la suma de ta y tb.

barr ttt +=

Por lo tanto, trr representa el tiempo que durante el apagado del diodo, tarda la intensidad en alcanzar su valor máximo (negativo) y retornar hasta un 25 % de dicho valor (Típicamente 10 μseg para los diodos normales y 1 μseg para los diodos de recuperación rápida)

• Qrr: se define como la carga eléctrica desplazada, y representa el área negativa de la característica de recuperación inversa del diodo.

• Irr: es el pico negativo de la intensidad y también se puede encontrar represen-tado como Irrm

La relación entre tb/ta es conocida como factor de suavizado "SF". Si observamos la gráfica podemos considerar Qrr por el área de un triángulo:

rrrrrr ItQ21

=

De donde:

aD

rr tdtidI ⋅=

)(

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Para el cálculo de los parámetros Irr y Qrr podemos suponer uno de los dos siguientes casos:

• Para ta = tb → trr = 2ta • Para ta >> tb → trr=ta

En el primer caso obtenemos:

dtidQtD

rrrr /)(

4=

dtidQI D

rrrr)(

⋅=

Y en el segundo caso:

dtidQtD

rrrr /)(

2=

dtidQI D

rrrr)(2 ⋅=

Influencia del trr en la conmutación El tiempo que tarda el diodo en conmutar no es despreciable, por lo tanto:

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

Por lo tanto, si operamos a altas frecuencias debemos operar con diodos de recupera-ción rápida. Los principales factores de los que depende el tiempo de recuperación inversa son los siguientes:

• IF; cuanto mayor sea, mayor será trr. Esto se debe a que la carga almacenada será mayor

• VR; cuanto mayor sea, menor será trr. En este caso si la tensión inversa es ma-yor se necesita menos tiempo para evacuar los portadores almacenados.

• diD/dt; cuanto mayor sea, menor será trr. No obstante, el aumento de esta pen-diente aumentará el valor de la carga almacenada Q. Esto producirá mayores pérdidas

C. Tipos de diodos de potencia

Diodo rectificador normal Presenta altos tiempos de recuperación inversos y es normalmente utilizado en aplica-ciones de baja frecuencia

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Diodos Schottky Se utilizan cuando se necesita una caída de tensión directa muy pequeña (0.3 V típi-cos) para circuitos con tensiones de salida pequeñas. Tienen limitada su capacidad de bloquear tensión a 50 - 100 V.

Diodos de recuperación rápida Son adecuados en circuitos de frecuencia elevada en combinación de conmutadores controlables, donde se necesitan tiempos de recuperación pequeños. Para unos nive-les de potencia de varios cientos de voltios y varios cientos de amperios, estos diodos poseen un trr de pocos microsegundos. Un diodo con esta variación de corriente tan rápida necesitará circuitos de protección, sobre todo cuando en el circuito exterior en-contramos elementos inductivos.

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D. Estudio de hojas de características En la práctica vamos a trabajar con una serie de hojas de características que nos se-rán proporcionadas por los distintos fabricantes, en las cuales se nos detallan las prin-cipales características del semiconductor de potencia en cuestión.

Toda hoja de características suele estructurarse de la siguiente forma:

• Descripción externa y enfatizada de las características más interesantes del elemento. Ambas se efectúan de una forma general y sin incorporar medidas o parámetros específicos. Adicionalmente puede darse el patillaje del elemento.

• Valores límites: se corresponden con las características del elemento. Normal-mente el fabricante agrupará las características por grupos (térmicas, dinámi-cas, estáticas, etc...), indicando en todo momento las condiciones en que se han realizado las medidas para obtener los valores dados. Los valores se sue-len dar indicando los extremos máximos y mínimos admisibles, también puede darse el valor típico o medio en algunos fabricantes.

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• A continuación se presentarán las curvas características más apropiadas al tipo de diodo que tratemos. Normalmente habrá una serie de curvas que aparece-rán en todas las hojas sea cual sea el tipo de diodo y otras que sólo las dará el fabricante si son necesarias para poder trabajar con el elemento. También es posible que se adjunte la definición de algún parámetro para comprender mejor los datos proporcionados.

• Adicionalmente el fabricante puede proporcionar los circuitos empleados para efectuar las medidas de una o todas las características, además de la explica-ción de algún parámetro importante.

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• Finalmente se añaden las características mecánicas del elemento, que propor-cionan las medidas del mismo para su correcta situación y montaje.

Hay que resaltar el hecho de que cada fabricante puede alterar según su conveniencia el orden de la estructura dada, anular alguna parte, o añadir información adicional (como tablas de conversión, referencia rápida de la familia, etc.). A continuación vamos a mostrar hojas de características reales tomadas directamente de las páginas web de los fabricantes. Para este caso, diodos de potencia, se han em-pleado en su mayoría las de Philips Semiconductors, ya que son las más completas y por tanto las más adecuadas para iniciar nuestro estudio.

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