DIODOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
INTRODUCCIÓN
• Se han encontrado muchas aplicaciones para los diodos, en circuitos electrónicos y en la
ingeniería eléctrica.
• Los diodos de potencia juegan un papel importante en los circuitos electrónicos de potencia,
para la conversión de la energía eléctrica.
• Un diodo funciona como interruptor que efectúa diversas funciones, como por ejemplo,
conmutadores en rectificadores, corrida libre en reguladores conmutados, inversión de carga de
capacitor y transferencia de energía entre componentes, aislamiento de voltaje, regreso de
energía, de la carga a la fuente de alimentación, y recuperación de la energía atrapada.
DIODOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
INTRODUCCIÓN
• En la mayor parte de las aplicaciones se puede suponer que los diodos de potencia son interruptores
ideales, pero las características de los diodos prácticos difieren de las ideales y tienen ciertas
limitaciones.
• Los diodos de potencia se parecen a los diodos de señal de unión p-n.
• Sin embargo, los diodos de potencia tienen mayores capacidades de manejo de potencia, voltaje y
corriente que las de los diodos ordinarios de señal.
• La respuesta a la frecuencia (o velocidad de conmutación) es baja, en comparación con la de los
diodos de señal.
CARACTERÍSTICAS DEL DIODO
• Un diodo de potencia es un dispositivo de unión p-n con dos terminales.
• Las técnicas modernas de control de los procesos de difusión y epitaxiales permiten obtener las
características deseadas en el dispositivo.
• La figura 16 muestra un corte de una unión p-n y el símbolo del diodo.
CARACTERÍSTICAS DEL DIODO
• Cuando el potencial del ánodo es positivo con respecto al càtodo, se dice que el diodo está polarizado
directo, y conduce electricidad.
• Cuando el potencial del cátodo es positivo con respecto al del ànodo, se dice que el diodo está polarizado
inverso.
• La figura 17a muestra las características v - 𝑖 de estado permanente para un diodo.
CARACTERÍSTICAS DEL DIODO
• Las características v - 𝑖 que se ven en la figura 17a se pueden expresar por medio de una ecuación, la
llamada ecuación de diodo de Schockley.
CARACTERÍSTICAS DEL DIODO
• La curva característica del diodo en la figura 17a se puede dividir en tres regiones:
Región de polarización directa, donde VD > 0
Región de polarización inversa, donde VD < 0
Región de rompimiento, donde VD < -VBR
• Región de polarización directa. La corriente ID en el diodo es muy pequeña, si el voltaje del diodo VD es menor que un valor
específico VTD (en forma típica es 0.7 V). El diodo conduce en forma total si VD es mayor que VTD, al que se le conoce como
voltaje de umbral, voltaje de entrada, voltaje de activación, voltaje de cierre o voltaje de encendido.
• Región de polarización inversa. Si VD es negativo y lo cual sucede cuando VD < - 0.1 V, la corriente en el diodo, ID, en sentido
inverso, es constante e igual a Is.
• Región de rompimiento. En esta región de rompimientos (o de ruptura, de disrupción o de avalancha) el voltaje en sentido inverso
es alto, por lo general con una magnitud mayor que 1000 V. La magnitud del voltaje en sentido inverso puede ser mayor que un
voltaje especificado llamado voltaje de rompimiento (o voltaje de ruptura, voltaje de disrupción o tensión de ruptura) VBR, con un
pequeño cambio en el voltaje en sentido inverso más allá de VBR. Con aumento pequeño de voltaje en sentido inverso VBR la
corriente en sentido inverso aumenta en forma rápida. El funcionamiento en la región de rompimiento no será destructivo siempre y
cuando la disipación de la corriente quede dentro de un “nivel de seguridad” que se especifica en las hojas de datos del
fabricante. Sin embargo, con frecuencia es necesario limitar la corriente inversa en la región de rompimiento, para limitar la
disipación de potencia a un valor admisible.
CARACTERÍSTICAS DEL DIODO
• Ejemplo 1: Cálculo de la corriente de saturación
• La caída directa de voltaje de un diodo de potencia es VD = 1.2 V a ID = 300 A. Suponiendo que n = 2 y
VT = 25.7 mv, calcular la corriente de saturación inversa Is.
Solución:
Si se aplica la ecuación (1) se puede calcular la corriente de fuga (o de saturación) Is con:
300 = Is [𝑒 1.2/2∗25.7𝑥10(−3) - 1]
Cuyo resultado es Is = 2.17746 x 10−8 Amp.
CARACTERÍSTICAS DE RECUPERACIÓN INVERSA
• La corriente, en un diodo de unión con polarización directa, se debe al efecto neto de los
portadores de mayoría y de minoría.
• Una vez que un diodo está en modo de conducción directa, y a continuación su corriente en
sentido directo se reduce a cero (por el comportamiento natural del circuito del diodo, o por
la aplicación de un voltaje en sentido inverso), el diodo continúa conduciendo, por los
portadores de minoría que quedan almacenados en la unión p-n y en la masa del material
semiconductor.
• Los portadores de minoría requieren determinado tiempo para recombinarse con cargas
opuestas y quedar neutralizados.
CARACTERÍSTICAS DE RECUPERACIÓN INVERSA
• A este tiempo se le llama tiempo de recuperación en sentido inverso, o tiempo de recuperación inversa del
diodo.
• La figura 18 muestra dos curvas características de recuperación inversa de diodos de unión.
• El tiempo de recuperación inversa se representa por trr y se mide a partir del cruce inicial de la corriente
en el diodo con cero, hasta que la corriente en sentido inverso llega el 25% de su valor máximo (o pico),
IRR.
CARACTERÍSTICAS DE RECUPERACIÓN INVERSA
• El trr está formado por dos componentes, ta y tb.
• El ta variable se debe al almacenamiento de cargas en la región de agotamiento de la unión, y representa el
tiempo desde el cruce con cero hasta el pico en sentido de corriente en sentido inverso IRR.
• El tb se debe al almacenamiento de carga en la masa del material semiconductor.
𝑡𝑏
• La razón 𝑡𝑎 se llama factor de suavidad (SF, de sus siglas en inglés softness factor).
•
trr = ta + tb ………. (3)
La corriente pico en sentido inverso se puede expresar en función de
IRR = ta (
𝑑𝑖
𝑑𝑡
) ……….. (4)
𝑑𝑖
𝑑𝑡
en sentido inverso como:
CARACTERÍSTICAS DE RECUPERACIÓN INVERSA
• El tiempo de recuperación inversa trr se puede definir como el intervalo de tiempo entre el instante en
que la corriente pasa por cero durante el cambio de conducción directa a la condición de bloqueo
inverso, y el momento en que la corriente en sentido inverso ha bajado hasta el 25% de su valor pico IRR.
• La carga de recuperación inversa QRR es la cantidad de portadores de carga que atraviesan al diodo
en el sentido dirección inverso, debido a un cambio de conducción directa a una condición de bloqueo
inverso.
• La carga de almacenamiento, que es el área encerrada por la trayectoria de la corriente de la curva de
recuperación es, en forma aproximada,
2𝑄𝑅𝑅
IRR ≅
𝑡𝑟𝑟
………..(5)
CARACTERÍSTICAS DE RECUPERACIÓN INVERSA
• Se iguala IRR en la ecuación (4) con IRR en la ecuación (5) se obtiene:
trr · ta = 2QRR / (𝑑𝑖/𝑑𝑡) …………. (6)
• Si tb es despreciable en comparación con ta, lo cual suele ser el caso, entonces trr ≈ ta y la
ecuación (6) se convierte en:
𝑡rr ≅
2𝑄𝑅𝑅/(𝑑𝑖/𝑑𝑡) ………… (7)
IRR =
2𝑄𝑅𝑅( ) ……………… (8)
Y
𝑑𝑖
𝑑𝑡
CARACTERÍSTICAS DE RECUPERACIÓN INVERSA
Ejemplo 2: Cálculo de la corriente de recuperación inversa
El tiempo de recuperación inversa de un diodo es trr = 3 μs, y la velocidad de caída de la
𝑑𝑖
corriente por el diodo es
= 30 A/μs. Determinar a) la carga QRR de almacenamiento y
𝑑𝑡
b) la corriente pico en sentido inverso IRR.
Solución:
a) de acuerdo con la ecuación (7)
Qrr =
1 𝑑𝑖
𝑡𝑟𝑟 2 = 0.5 x 30 A/μs x (3𝑥10−6 )2 = 135 μc
2 𝑑𝑡
b) de acuerdo con la ecuación (8)
IRR =
2𝑄𝑟𝑟𝑑𝑖/𝑑𝑡) =
(2𝑥(135𝑥10−6 )𝑥(30𝑥10−6 ) = 90 amp.
TIPOS DE DIODOS DE POTENCIA
• Dependiendo de las características de recuperación y de las técnicas de manufactura, los diodos de
potencia se pueden clasificar en las tres categorías siguientes:
• Diodos de propósito general: tienen un tiempo de recuperación inversa relativamente grande, en el
caso típico de unos 25 μs, 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 1 KHz, y para convertidores conmutados por línea).
 Esos diodos cubren especificaciones de corriente desde menos de 1 A y hasta varios miles de amperes,
y las especificaciones de voltaje van de 50 V hasta 5 KV.
 En general, esos diodos se fabrican por difusión. Sin embargo, los tipos de rectificadores de aleación
que se usan en las fuentes de poder para soldar, son lo más económicos y robustos, y sus capacidades
pueden llegar hasta 1500 V, 400 A.
TIPOS DE DIODOS DE POTENCIA
• La figura 19 muestra diversas configuraciones de los diodos de propósito general, que caen
casi siempre en dos tipos: uno se llama tipo perno, o montado en perno, espiga o terminal; el
otro se llama tipo de disco, paquete prensado o puck de hockey. En un diodo del tipo montado
en perno, el ánodo o el cátodo puede ser el perno.
TIPOS DE DIODOS DE POTENCIA
• Diodos de recuperación rápida: tienen de recuperación corto, en el caso normal menor que 5 μs.
• Se usan en circuitos convertidores de cd a cd y de cd a ca, donde con frecuencia la velocidad de conmutación
tiene importancia crítica.
• Estos diodos abarcan especificaciones actuales de voltaje desde 50 V hasta unos 3 KV, y de menos de 1 A hasta
cientos de amperes.
• Para voltajes nominales mayores que 400 V, los diodos de recuperación rápida se suelen fabricar por difusión, y el
tiempo de recuperación se controla por difusión de platino o de oro.
• Para especificaciones de voltaje menores que 400 V, los diodos epitaxiales proporcionan velocidades mayores de
conmutación que las de los diodos por difusión.
TIPOS DE DIODOS DE POTENCIA
• Los diodos epitaxiales son angostos de la base, lo que da como resultado un tiempo corto de recuperación
tan corto como 50 ns. Los diodos de recuperación rápida de diversos tamaños se ven en la figura 20.
TIPOS DE DIODOS DE POTENCIA
• Diodos Schottky: el problema de almacenamiento de carga de una unión p-n se puede
eliminar o minimizar en un diodo de schottky. Esto se logra estableciendo un “potencial de
barrera” (o “barrera de potencial”) con un contacto entre un metal y un semiconductor. Se
deposita una capa de metal sobre una capa delgada epitaxial de silicio tipo n. La barrera
de potencial simula el comportamiento de una unión p-n. La acción rectificadora sólo
depende de los portadores de mayoría, y en consecuencia no queda exceso de portadores
de minoría que se recombinen.
 El efecto de recuperación sólo se debe a la capacitancia propia de la unión del
semiconductor.
TIPOS DE DIODOS DE POTENCIA
• A carga recuperada de un diodo schottky es mucho menor que la de un diodo equivalente de unión
p-n. Ya que eso sólo se debe a la capacitancia de la unión, es bastante independiente de la
𝑑𝑖
𝑑𝑡
inversa. Un diodo de schottky tiene una caída de voltaje relativamente baja en sentido directo.
• La corriente de fuga de un diodo Schottky es mayor que la de un diodo de unión p-n. Un diodo
Schottky con voltaje de conducción relativamente bajo tiene una corriente algo alta, y viceversa. El
resultado es que el voltaje máximo admisible para este diodo se limita en general a 100 V. Las
especificaciones de corriente de los diodos Schottky varían de 1 a 400 A. Son ideales para fuentes
de alimentación de gran corriente y alto voltaje de cd. Sin embargo, esos diodos también se usan en
fuentes de poder de poca corriente, para tener mayor eficiencia.
TIPOS DE DIODOS DE POTENCIA
• En la figura 21, se ven rectificadores duales Schottky de 20 y de 30 A.
• DIODOS DE CARBURO DE SILICIO (SiC): es un material nuevo en la electrónica de potencia.
Sus propiedades físicas mejoran mucho las del Si y del GaAs. Por ejemplo, los diodos
Schottky de SiC fabricados por Infineon Technologies tienen pérdidas ultrabajas de
potencia, y gran fiabilidad.
TIPOS DE DIODOS DE POTENCIA
• También tienen las siguientes propiedades:
• No tienen tiempo de recuperación inversa;
• Comportamiento ultrarrápido en conmutación;
• La temperatura no influye sobre el comportamiento de conmutación.
• La carga típica de almacenamiento QRR es 21nc para un diodo de 600 v y 23 nc para uno de 600 V y
10 A.
DIODOS CONECTADOS EN SERIE
• En muchas aplicaciones de alto voltaje ( por ejemplo, líneas de transmisión de corriente directa en
alto voltaje [HVDC] ), un diodo de los que se consiguen en el mercado no puede cumplir con las
especificaciones de voltaje, y los diodos se conectan en serie para aumentar sus posibilidades de
bloqueo inverso.
• Consideremos dos diodos conectados en serie, como se ve en la figura 22a.
DIODOS CONECTADOS EN SERIE
• Las variables 𝑖D y VD son la corriente y el voltaje, respectivamente, en sentido directo; VD1 y VD2 son los
voltajes en sentido inverso compartidos de los diodos D1y D2, respectivamente.
• En la figura 22b se ven las características v-𝑖 para tales diodos.
• En la condición de polarización directa, ambos diodos conducen la misma cantidad de corriente, y la
caída de voltaje de cada diodo en sentido directo sería casi igual. Sin embargo, en la condición de
bloqueo inverso, cada diodo debe conducir la misma corriente de fuga, y en consecuencia los voltajes de
bloqueo pueden ser distintos en forma apreciable.
DIODOS CONECTADOS EN SERIE
• Una solución sencilla para este problema es, como se ve en la figura 23a, forzar la partición a voltajes
iguales conectando un resistor en paralelo con cada diodo. Debido a la partición igual de voltajes, la
corriente de fuga de cada diodo sería distinta, lo cual se ve en la figura 23(b).
DIODOS CONECTADOS EN SERIE
•
Como la corriente total de fuga debe compartirse por un diodo y su resistor,
Is = Is1 + IR1 = Is2 + IR2 ............... (9)
𝑉𝐷1
Sin embargo, IR1 = 𝑅1 e IR2 =
compartidos iguales, que es:
Is1 +
𝑉𝐷1
𝑅1
𝑉𝐷2
𝑅2
=
= Is2 +
𝑉𝐷1
.
𝑅2
𝑉𝐷1
𝑅1
La ecuación (9) determina la relación entre R1 y R2, para voltajes
.............. (10)
•
Si las resistencias son iguales, entonces R=R1=R2, y los voltajes en los dos diodos serían un poco diferentes,
dependiendo de las desigualdades entre las dos características v - 𝑖.
•
Los valores de VD1 y VD2 se pueden determinar con las ecuaciones (11) y (12) a continuación:
Is1 +
𝑉𝐷1
𝑅
= Is2 +
Vs = VD1 + VD2
𝑉𝐷2
𝑅
………. (11)
…………… (12)
DIODOS CONECTADOS EN SERIE
• Ejemplo 3: Determinación de resistores para compartir voltaje.
• Se conectan dos diodos en serie, como se ve en la figura 23a, para compartir un voltaje total de cd
en sentido inverso de VD = 5 KV. Las corrientes de fuga inversas de los dos diodos son Is1=30 mA e
Is2 = 35 mA. a) Determinar los voltajes de diodo, si las resistencias de voltaje compartido son
iguales, R1=R2=100 kΩ. b) Determinar las resistencias de voltaje compartido R1 y R2 para que los
voltajes en los diodos sean iguales, VD1= VD2=VD/2.
DIODOS CONECTADOS EN SERIE