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 fugas.
El diodo responde a la ecuación:
La curva característica será la que se puede ver en la parte superior, donde:
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.
- Características dinámicas:
- Tiempo de recuperación inverso (trr).
- Influencia del trr en la
conmutación.
- Tiempo de recuperación directo.
- Potencias:
- Potencia máxima disipable.
- Potencia media disipada.
- Potencia inversa de pico repetitivo.
- Potencia inversa de pico no repetitivo.
- Características térmicas.
- Protección contra sobreintensidades.
Características estáticas
Parámetros en bloqueo
- Tensión inversa de pico de trabajo (VRWM): es la
que puede ser soportada por el dispositivo de forma continuada, sin
peligro de entrar en ruptura por avalancha.
- Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM): es la
que puede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10 ms de forma
continuada.
- 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 del mismo.
- Tensión inversa contínua (VR): es la tensión continua
que soporta el diodo en estado de bloqueo.
Parámetros en conducción
- Intensidad media nominal (IF(AV)): es el valor medio de la máxima intensidad de
impulsos sinusuidales de 180º que el diodo puede soportar.
- 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.
- Intensidad directa (IF): es la corriente que circula por el diodo
cuando se encuentra en el estado de conducción.
Modelos estáticos del diodo
Los distintos modelos del diodo en su región directa (modelos estáticos) se
representan en la figura superior. 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.
Características dinámicas
Tiempo de recuperación inverso
El paso del estado de conducción al de bloqueo 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
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.
- Qrr: se
define como la carga eléctrica desplazada, y representa el área negativa
de la característica de recuperación inversa del diodo.
- di/dt: es el pico
negativo de la intensidad.
- Irr: es el
pico negativo de la intensidad.
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 :
De donde :
Para el cálculo de los parámetros IRRM y Qrr podemos
suponer uno de los dos siguientes casos:
- Para ta = tb trr = 2ta
- Para ta = trr tb = 0
En el primer caso obtenemos:
Y en el segundo caso:
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.
Tiempo de recuperación directo
tfr (tiempo de recuperación directo): 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.
Disipación de potencia
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.
Se define la potencia media (PAV)
que puede disipar el dispositivo, como :
Si incluimos en esta expresión el modelo estático, resulta :
y como :
es la
intensidad media nominal
es la
intensidad eficaz al cuadrado
Nos queda finalmente :
Generalmente el fabricante integra en las hojas de características tablas que
indican la potencia disipada por el elemento para una intensidad conocida.
Otro dato que puede dar el fabricante es
curvas que relacionen la potencia media con la intensidad media y el factor de
forma (ya que el factor de forma es la intensidad eficaz dividida entre la
intensidad media).
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.
Resistencia térmica unión-contenedor (Rjc)
Es la resistencia entre la
unión del semiconductor y el encapsulado del dispositivo. En caso de no dar
este dato el fabricante se puede calcular mediante la fórmula:
Rjc = (Tjmáx - Tc)
/ Pmáx
siendo Tc la temperatura del
contenedor y Pmáx la potencia máxima disipable.
Resistencia térmica contenedor-disipador (Rcd)
Es la resistencia existente
entre el contenedor del dispositivo y el disipador (aleta refrigeradora). Se
supone que la propagación se efectúa directamente sin pasar por otro medio
(como mica aislante, etc).
Protección contra
sobreintensidades
Principales causas de sobreintensidades
La causa principal de
sobreintensidad es, naturalmente, la presencia de un cortocircuito en la carga,
debido a cualquier causa. De todos modos, pueden aparecer picos de corriente en
el caso de alimentación de motores, carga de condesadores, utilización en
régimen de soldadura, etc.
Estas sobrecargas se traducen en una
elevación de temperatura enorme en la unión, que es incapaz de evacuar las
calorias generadas, pasando de forma casi instantánea al estado de
cortocircuito (avalancha térmica).
Organos de protección
Los dispositivos de
protección que aseguran una eficacia elevada o total son poco numerosos y por eso
los más empleados actualmente siguen siendo los fusibles, del tipo
"ultrarrápidos" en la mayoría de los casos.
Los fusibles, como su nombre indica, actúan
por la fusión del metal de que están compuestos y tienen sus caracterísitcas
indicadas en función de la potencia que pueden manejar; por esto el calibre de
un fusible no se da sólo con su valor eficaz de corriente, sino incluso con su
I2t y su tensión.
Parámetro I2t
La I2t de un
fusible es la caracterísitca de fusión del cartucho; el intervalo de tiempo t
se indica en segundos y la corriente I en amperios.
Debemos escoger un fusible de valor I2t
inferior al del diodo, ya que así será el fusible el que se destruya y no el
diodo.
Monografías
