ELECTRÓNICA DE POTENCIA (AI) DOCUMENTO GUÍA 1 DIODO DE POTENCIA EL DIODO DE POTENCIA 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 sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fuga. Las características más importantes del diodo las podemos agrupar de la siguiente forma: 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 25°). 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. Intensidad directa máxima (𝑰𝑭 ): Es la corriente máxima que circular por el diodo cuando se encuentra en el estado de conducción. Intensidad inversa (𝑰𝑹 ): Es la corriente que circula por el diodo en polarización inversa. En la Tabla 2 se presentan los parámetros en conducción de algunas referencias de diodos. Tabla 2 • • • • Características estáticas. Parámetros en conducción. Características dinámicas. Recuperación directa. Parámetro Tensión inversa de pico repetitivo (𝑽𝑹𝑹𝑴 ): Es la que puede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10 ms de forma continua. Tensión inversa de pico no repetitiva (𝑽𝑹𝑺𝑴 ): Es aquella que puede ser soportada una sola vez durante 10ms cada 10 minutos o más. Tensión de ruptura (𝑽𝑩𝑹 ): Si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 ms el diodo puede destruirse o degradar las características de este. Tensión inversa continua (𝑽𝑹(𝑹𝑴𝑺) ): Es la tensión continua que soporta el diodo en estado de bloqueo. Caída de tensión en polarización directa (V F): Tensión directa en los extremos del diodo en conducción. En la Tabla 1 se presentan las características estáticas de algunas referencias de diodos. Tabla 1 1N4004 1N4007 Working Peak Reverse Voltage 400V 1000V ---- --- Peak Repetitive Reverse Voltage 400V 1000V 100V 1000V Non−Repetitive Peak Reverse Voltage 480V 1200V ---- --- 400V 1000V 100V 1000V 280V 700V ---- 700V 0.93V-1.1V 0.93V-1.1V 0.62V0,72V 1.2V DC Blocking Voltage Maximum RMS Voltage Forward Voltage Drop ( VF ) 1N4007 1N4148 1N5408 1A 1A -- 3A -- -- 450mA -- Non-repetitive peak forward current 30A (for 1 cycle) 30A (for 1 cycle) 1us – 4A 1ms – 1A 1s – 0.5A 200A Continuous forward current -- -- 200mA -- 0.05 uA 0.05 uA 25 nA 5.0 uA 500 uA ( ) Repetitive peak forward current Tensión inversa de pico de trabajo (𝑽𝑹𝑾𝑴): Es la que puede ser soportada por el dispositivo de forma continua, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha. Symbol 1N4004 Maximum average forward current CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS Parámetro Symbol Reverse Current Ta = 25 °C Ta = 100 °C CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS Recuperación inversa Una característica importante de un diodo es la corriente de recuperación inversa. Cuando un diodo pasa de conducción a corte, la corriente en él disminuye y, momentáneamente se hace negativa antes de alcanzar el valor cero. Tiempo de almacenamiento (ta): Es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la intensidad hasta llegar al pico negativo. Tiempo de caída (tb): 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. Tiempo de recuperación inversa (t rr): Depende del tiempo de caída y del tiempo de almacenamiento. Se define como la suma de ambos. trr = ta + tb. 1N4148 1N5408 En la Figura 1 se muestra el comportamiento en corriente de un diodo con tiempo de recuperación suave (a) y un diodo con tiempo de recuperación abrupto (b). PARÁMETROS EN CONDUCCIÓN Intensidad media nominal (𝑰𝑭(𝑨𝑽) ): Valor medio de la forma de onda de la corriente durante un periodo de una señal de 180°. Figura 1 Donde IRR es la intensidad pico negativa. 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. Los diodos rectificadores de propósito (o uso) general tienen un tiempo de recuperación inversa relativamente grande, en el caso típico es de unos 25us, y se usan en aplicaciones de baja velocidad, donde no es crítico el tiempo de recuperación (por ejemplo, en rectificadores y convertidores de diodo, para aplicaciones con una frecuencia de entrada baja, hasta de 1khz, y para convertidores conmutados por línea). RECUPERACIÓN DIRECTA Si se le aplica una polarización directa, se obligaría al diodo a conducir. Pero, se requiere un cierto tiempo, conocido como tiempo de recuperación directa, antes de que los portadores mayoritarios de toda la unión puedan contribuir al flujo de la corriente. El tiempo de recuperación directa limita la velocidad de elevación de la corriente directa. Tensión de recuperación directa (Vfr): Es la tensión máxima durante el encendido. Tiempo de recuperación directo (t fr): Es el tiempo que transcurre entre el instante en que la tensión ánodo-cátodo se hace positiva y el instante en que dicha tensión se estabiliza en el valor VF. Este tiempo es bastante menor que el de recuperación inversa y no suele producir pérdidas de potencia apreciables. Tiempo de subida (tr): Tiempo en que la corriente pasa del 10% al 90% de su valor directo nominal. Suele estar controlado por el circuito externo. En la Figura 2 se observa el comportamiento de la corriente y voltaje de un diodo durante el tiempo de recuperación directa. Figura 2 En la Tabla 3 se presentan el tiempo de recuperación directa de algunas referencias de diodos. Parámetro Reverse recovery time Symbol 1N4004 1N4007 1N4148 4ns 1N5408
