Diodos de potencia

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Diodos de potencia
Redacción SicaNews [ newsletter@sicaelec.com ]

Diodos de potencia

Resumen: 

En este artículo se presentan las características de los diodos de potencia de estado sólido, de amplia utilización en el campo electrotécnico moderno, y los parámetros a considerar para su adecuada selección.

Desarrollo:

En la actualidad la conversión de potencia de corriente alterna en corriente continua principalmente se realiza por medio de diodos construidos con semiconductores de silicio, que se caracterizan por ser dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conducción. 

Los diodos de potencia presentan así dos estados contrapuestos. En estado de conducción deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión, mientras que en sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensión inversa con una pequeña intensidad de fuga. 

La característica tensión-corriente del diodo, considerando la temperatura de trabajo del mismo, responde aproximadamente a la ecuación: 

I = Is [ e ^(V/VT) - 1] = Is [ e ^(qV/KT) - 1]

Para manejar las altas intensidades y tensiones que requiere la rectificación de potencia, es habitual que deba recurrirse a la refrigeracion forzada de los diodos y que se dispongan numerosas ramas en paralelo, conteniendo cada una varios elementos rectificadores conectados en serie.

Generalmente, a los efectos de mantener la continuidad del servicio, se debe sobredimensionar la instalación, de manera que ante la falla de 1, 2 y a veces más elementos, el rectificador averiado se separe del circuito y el equipo conversor prosiga con su operación hasta que el personal de mantenimiento reponga los elementos averiados.

También debe considerarse que los semiconductores presentan una dispersión de sus características internas, que originan conmutaciones no simultáneas y una distribución despareja de las tensiones y corrientes aplicadas sobre los distintos elementos

Los semiconductores resultan muy sensibles a las sobreintensidades y cambios de temperatura, presentando una característica límite de sobrecarga mucho mas exigente que la de otros dispositivos, por lo que deben protegerse con fusibles especiales. Los elementos rectificadores también son sensibles a las sobretensiones transitorias que aparecen durante las conmutaciones, por lo que cada elemento rectificador generalmente tiene un circuito RC en paralelo para evitar un crecimiento muy rápido de la tensión en la juntura y para producir un mejor reparto de la tensión aplicada sobre los elementos conectados en serie, considerando la dispersión de sus características internas. En algunos casos también se instalan varistores de óxido metálico en paralelo con cada elemento.

Los regímenes de trabajo para los diodos de potencia se establecen sobre las bases de numerosos ensayos, y expresan las recomendaciones del fabricante acerca de las máximas solicitaciones a que pueden someterse los mismos, sin hacer peligrar su capacidad de funcionamiento.

Las características más importantes del diodo se pueden agrupar de la siguiente forma: 

1 - Características estáticas: 

1.1 - Parámetros en conducción. 
1.2 - Parámetros en bloqueo (polarización inversa). 
1.3 - Modelos estáticos. 

2 - Características dinámicas: 

2.1 - Tiempo de recuperación inverso (trr). 
2.2 - Influencia del trr en la conmutación. 
2.3 - Tiempo de recuperación directo. 

3 - Potencias: 

3.1 - Potencia máxima disipable. 
3.2 - Potencia media disipada. 
3.3 - Potencia inversa de pico repetitivo. 
3.4 - Potencia inversa de pico no repetitivo. 

4 - Características térmicas. 

4.1 - Temperatura de la unión.
4.2 - Temperatura de almacenamiento. 
4.3 - Resistencia térmica unión-contenedor.
4.4 - Resistencia térmica contenedor-disipador.

5 - Características mecánicas. 

6 - Protección contra sobreintensidades. 

En los párrafos siguientes se analizarán estas características por separado.


1 - Características estáticas 

1.1 - Parámetros en conducción

La conducción de corriente en sentido directo determina la mayor parte de las pérdidas de potencia en el diodo, que asimismo contribuyen a su calentamiento. Por lo tanto, esta característica resulta fundamental para la mayoría de los regímenes de máxima corriente, que también dependen de la temperatura.
Además, en los diodos de silicio normalmente se produce una caída de tensión en la barrera de la juntura que oscila entre los 0,6 y los 0,8 V dependiendo de la temperatura y de la concentración de impurezas en la unión.

Los valores de corrientes a considerar son:

>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 mseg, con una duración de pico a 1 mseg, a una determinada temperatura de la cápsula (normalmente 25 ºC). 

>Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): es el máximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duración de 10 mseg. Su valor es importante en el caso de corrientes de conexión, por ejemplo debidas a la maniobra de capacitores. 

>Intensidad directa (IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en el estado de conducción. 


1.2 - Parámetros en bloqueo

Cuando se aplica una tensión inversa "moderada" a un rectificador de silicio, a través del mismo fluye una pequeña corriente de fuga. A medida que la tensión inversa se va incrementando la corriente de fuga crece lentamente, hasta que en determinado valor se produce un aumento muy brusco de la corriente de fuga, que en los diodos de potencia da lugar a un embalamiento térmico que puede destruir al semiconductor. A esta tensión se la llama tensión de ruptura, de avalancha o de Zener.

Los valores de tensiones a considerar son:

>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 mseg, repetidos cada 10 mseg de forma continuada. 

>Tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM): es aquella que puede ser soportada una sola vez durante 10 mseg cada 10 minutos o más. 

>Tensión de ruptura (VBR): si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 mseg 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. 


1.3 - Modelos estáticos del diodo 

Los distintos modelos del diodo son:

>Modelo ideal: resistencia cero en el sentido directo e infinita en el sentido inverso (diodo ideal).

>Modelo ideal con fuente de tensión: diodo ideal en serie con una fuente de tensión de valor igual a la tensión de barrera de la unión o juntura.

>Modelo ideal con fuente de tensión y resistencia: diodo ideal en serie con una fuente de tensión de valor igual a la tensión de barrera y con una resistencia igual a la del diodo en conducción.

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 simples, reservando modelos más complejos para programas de simulación como PSPICE y similares. Dichos modelos suelen ser proporcionados por el fabricante, e incluso pueden venir ya en las librerías del programa. 


2 - Características dinámicas 

2.1 - 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, dando lugar a una pequeña corriente inversa de recuperación. 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. Entonces:

>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 inverso (trr): es la suma de ta y tb. 

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


2.2 - Influencia del trr en la conmutación

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

>Se limita la frecuencia de funcionamiento, pues a altas frecuencias disminuye abruptamente el rendimiento de la rectificación.

>Existe una disipación de potencia durante el tiempo de recuperación inversa, que puede llegar a producir sobrecalentamiento y destrucción del diodo. 

Para altas frecuencias, por lo 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 carga almacenada, y por tanto mayor será trr. 


2.3 - Tiempo de recuperación directo

El tiempo de recuperación directo (tfr): 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. 


3 - Potencias 

3.1 - 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. 


3.2 - 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. 

Generalmente el fabricante incluye tablas en las hojas de características, que indican la potencia disipada por el elemento para una intensidad conocida. 

Otro dato que puede dar el fabricante son las curvas que relacionan 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). 


3.3 - Potencia inversa de pico repetitivo (PRRM) 

Es la máxima potencia que puede disipar el dispositivo en estado de bloqueo. 


3.4 - Potencia inversa de pico no repetitivo (PRSM) 

Similar a la anterior, pero dada para un pulso único. 


4 - Características térmicas 

4.1 - Temperatura de la unión (Tjmáx) 

Es el límite superior de temperatura que nunca debemos hacer sobrepasar a la unión o juntura 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. 


4.2 - 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. 


4.3 - Resistencia térmica unión-contenedor (Rthjc) 

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: 

Rthjc = (Tjmáx - Tc) / Pmáx 

Donde Tc es la temperatura del contenedor y Pmáx la potencia máxima disipable. 


4.4 - Resistencia térmica contenedor-disipador (Rthcd) 

Es la resistencia existente entre el contenedor del dispositivo y el disipador (aleta refrigerante). Se supone que la propagación se efectúa directamente sin pasar por otro medio (como mica aislante, etc). 


5 - Características mecánicas

Las mismas comprenden diversas instrucciones particulares de instalación, entre las que por ejemplo, se puede citar la cupla de montaje de las tuercas de fijación.


6 - Protección contra sobreintensidades 

La causa principal de sobreintensidad es, naturalmente, la presencia de un cortocircuito en la carga, debido a diversas causas. 

Sin embargo, también pueden aparecer picos de corriente en el caso de arranque de motores, conexión de capacitores, utilización en régimen de soldadura, etc. 

Estas sobrecargas se traducen en una considerable elevación de temperatura en la unión, que si no es capaz de evacuar el calor generado, pasa de forma casi instantánea al estado de cortocircuito (avalancha térmica). 

Por ello los diodos presentan un límite de la sobrecarga que pueden soportar, expresado como un valor I²t que pueden admitir, expresado habitualmente para una duración de 10 mseg. 

Los dispositivos de protección que aseguran una eficacia elevada o total son pocos y por eso los más empleados actualmente siguen siendo los fusibles.

Habitualmente la protección se realiza por medio de un fusible del tipo "ultrarrápido" que se monta directamente en serie con cada elemento rectificador para proveer un seccionamiento selectivo y garantizar la continuidad del servicio citada anteriormente.

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 fusible no sólo se especifica por su valor eficaz de corriente, sino también con su I²t y su tensión. 
El parámetro I²t de un fusible depende de la caracterísitca de fusión del cartucho; el intervalo de tiempo t se indica en segundos y la corriente I en Amper. 

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. Es necesario que exista una coordinación total entre la característica de corte del fusible y la característica límite del rectificador, considerando la dispersión de esta última. 

Estos fusibles deben operar en tiempos muy inferiores a los de los fusibles de uso normal, de manera de la corriente de cortocircuito se interrumpa en su fase inicial para no sobrepasar la limitada carga térmica que el semiconductor soporta.

Finalmente diganos que los fusibles ultrarrápidos Sica para protección de semiconductores se fabrican siguiendo la curva aR de la norma IEC 269, para 500 V y con un poder de interrupción de 50 kA, abarcando una gama de intensidades nominales comprendidas entre 2 y 60 A y además toleran una sobrecarga sin fundirse del 5 % sobre su intensidad nominal.

 

 




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