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XP301 -Electr´onica de Potencia
Cap´ıtulo 2
El Diodo de Potencia
Los diodos semiconductores de potencia son fabricados con silicio y presentan una resistencia el´ectrica que var´ıa con la temperatura. Un diodo semiconductor es una estructura P-N que, dentro de sus l´ımites de tensi´on y de corriente, permite el flujo de corriente en un s´olo sentido. Detalles de funcionamiento, general- mente despreciados para diodos de sen˜al, pueden ser significativos para componentes de mayor potencia, caracterizados por una mayor ´area (para permitir mayor corriente) y mayor longitud (para ser capaz de soportar altas tensiones). La siguiente figura muestra de manera simplificada, la estructura interna de un diodo.
Figura 2.1: Estructura b´asica de un diodo semiconductor Al aplicar una tensi´on entre las regiones P y N, la diferencia de potencial aparecer´a en la regi´on de transici´on, una vez que la resistencia en esta parte del semiconductor es mucho mayor que en las otras regiones del componente (debido a la concentraci´on de portadores). Cuando se polariza inversamente un diodo (es decir, se aplica una tensi´on negativa en el ´anodo -regi´on P - y una positiva en el c´atodo - regi´on N -) m´as portadores positivos (lagunas) migran para el lado N, y viceversa, de tal forma que la longitud de la regi´on de transici´on aumenta, elevando la barrera de potencial. Por difusi´on o efecto t´ermico, cierta cantidad de portadores minoritarios entra en la regi´on de transici´on. Luego, son acelerados por el campo el´ectrico, yendo hasta la otra regi´on neutra del dispositivo. Esta corriente inversa es independiente de la tensi´on inversa aplicada, variando principalmente, con la temperatura. Si el campo el´ectrico en la regi´on de transici´on es demasiado intenso, los portadores en tr´ansito tendr´an una gran velocidad y, al chocar con los ´atomos de la estructura, producir´an nuevos
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portadores, las cuales, tambi´en viajan a gran velocidad causando un efecto avalancha. Debido al aumento de la corriente, sin reducci´on significativa de la tensi´on en la uni´on, se produce un pico de potencia que destruye el componente. Una polarizaci´on directa produce un estrechamiento de la regi´on de transici´on y una reducci´on de la barrera de potencial. Cuando la tensi´on aplicada supera el valor natural de la barrera (cerca de 0.7V para diodos de silicio), los portadores negativos del lado N ser´an atra´ıdas por el potencial positivo del ´anodo y viceversa, haciendo que el componente est´e en conducci´on. En realidad, la estructura interna de un diodo de potencia es un poco diferente a la que se acaba de presentar. Existe una regi´on N intermedia, con bajo dopaje. La funci´on de esta regi´on es permitir que el componente soporte tensiones inversas m´as altas ya que reducir´a el campo el´ectrico en la regi´on de transici´on (que ser´a m´as amplia, para mantener el equilibrio de carga). Esta regi´on de pequen˜a densidad de dopaje dar´a al diodo una significativa caracter´ıstica resistiva en polarizaci´on directa, la cual se acentuar´a m´as cuanto mayor sea la tensi´on soportada por el componente. Las capas que forman los contactos externos son altamente dopadas, con el fin de obtener un contacto con una caracter´ıstica ´ohmica y no del tipo semiconductor (como veremos m´as adelante en los diodos Schottky). El contorno redondeado entre las regiones del ´anodo y el c´atodo tiene como funci´on crear campos el´ectricos m´as suaves (evitando el efecto de puntas). En el estado bloqueado, se puede analizar la regi´on de transici´on como un capacitor, cuya carga es aquella presente en la propia regi´on de transici´on. En la conducci´on no existe tal carga, sin embargo, debido al alto dopaje de la capa P+, por difusi´on, existe una penetraci´on de lagunas en la regi´on N-. Adem´as, a medida que crece la corriente, m´as lagunas son inyectadas en la regi´on N-, causando que los electrones vengan de la regi´on N+ para mantener la neutralidad de carga. De esta manera, se crea una carga espacial en el c´atodo, la cual tendr´a que ser removida (o recombinada) para permitir el paso para el estado bloqueado. El comportamiento din´amico de un diodo de potencia, es en realidad, muy diferente al de una llave ideal, como se puede observar en la siguiente figura. Suponga que se aplica una tensi´on Vi al diodo, alimentando una carga resistiva (cargas diferentes podr´an alterar algunos aspectos de la forma de onda).
Figura 2.2: Estructura t´ıpica de diodo de potencia y formas de onda t´ıpicas de conmutaci´on de un diodo de potencia. Durante t1, se elimina la carga acumulada en la regi´on de transici´on. Como au´n no hubo una significativa inyecci´on de portadores, la resistencia de la regi´on N- es elevada, produciendo un pico
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- Para VF > 0 presenta resistencia nula, permitiendo el paso de corriente sin ca´ıda de tensi´on. As´ı, si el diodo ideal es polarizado directamente, el mismo conduce la corriente el´ectrica sin p´erdida de energ´ıa (efecto Joule). Sin embargo, tales caracter´ısticas son ideales ya que los diodos reales presentan una pequen˜a resistencia a la circulaci´on de corriente cuando son polarizados directamente adem´as de no blo- quear tensiones muy altas cuando son polarizados inversamente.
Figura 2.4: (a) Simbolog´ıa, (b) Caracter´ısticas est´aticas del diodo ideal. 2.2 Potencia Disipada en la Conducci´on En conducci´on el diodo disipa parte de la energ´ıa el´ectrica que lo atraviesa bajo la forma de calor. Tal potencia el´ectrica puede ser calculada por la siguiente expresi´on:
P = E 0 × IDmed + rf × IDef^2 (2.1) Esta expresi´on es gen´erica, pudiendo ser empleada para cualquier forma de onda. Existen tambi´en las p´erdidas durante los procesos de entrada en conducci´on y bloqueo (p´erdidas de conmu- taci´on) sin embargo, para frecuencias menores que 40kHz tales p´erdidas son despreciables frente a las p´erdidas en conducci´on.
Figura 2.5: Caracter´ıstica Est´atica de un diodo bipolar.
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Figura 2.6: Circuito equivalente del diodo en conducci´on.
2.2.1 Clasificaci´on de las p´erdidas:
- Conducci´on; P = V ( T 0) × IDmed + rt × IDef^2 (2.2)
- Conmutaci´on:
- Entrada en conducci´on; P 1 = 0 , 5( VF P − VF ) × I 0 × trf × f (2.3) - Bloqueo. P 2 = Q (^) rr × E × f (2.4)
2.3 Diodo Real Existen dos tipos de diodos de potencia: el diodo bipolar (basado en una uni´on semiconductora pn) y el diodo Schottky.
2.3.1 Diodos Schottky
Cuando se realiza la uni´on entre un terminal met´alico y un material semiconductor, el contacto tiene, t´ıpicamente, un comportamiento ´ohmico, es decir, la resistencia del contacto controla el flujo de la corriente. Cuando este contacto es hecho entre un metal u una regi´on semiconductora con densidad de dopaje relativamente bajo, el efecto dominante deja de ser el resistivo, teniendo tambi´en un efecto rectificador. Un diodo Schottky se forma mediante la colocaci´on de una pel´ıcula met´alica en contacto directo con un semiconductor, como se indica en la figura 8. El metal es depositado normalmente sobre un material tipo N, debido a la mayor movilidad de los portadores en este tipo de material. La parte met´alica ser´a el ´anodo y el semiconductor, el c´atodo. En una deposici´on de Al (3 electrones en la u´ltima capa), los electrones del semiconductor tipo N migrar´an para el metal, creando una regi´on de transici´on en la uni´on. Observe que s´olo electrones (portadores mayoritarios en ambos materiales) est´an en tr´ansito. Su conmutaci´on es mucho m´as r´apida que el de los diodos bipolares, una vez que no existe carga espacial almacenada en el material tipo N, siendo necesario s´olo hacer de nuevo la barrera de potencial (t´ıpicamente de 0.3V). La regi´on N tiene un dopaje relativamente alto, con el fin de reducir las p´erdidas de conducci´on, de tal modo, la m´axima tensi´on soportada por estos diodos es cerca de 100V. La aplicaci´on de este tipo de diodos se da principalmente en fuentes de baja tensi´on, en las cuales las ca´ıdas sobre los rectificadores son significativas.
XP301 -Electr´onica de Potencia 2.5 Prueba de diodo La prueba de diodos con un mult´ımetro en la escala de resistencia es uno de los m´as conocidos. En general, se utiliza la escala Rx10 o Rx1 y, como se ilustra en la siguiente figura, la resistencia es baja en polarizaci´on directa y alta en polarizaci´on inversa.
Figura 2.9: Prueba de diodos. De esta forma, es posible verificar si el diodo est´a abierto o si est´a en corto. El mismo procedimiento puede ser utilizado para transistores bipolares comunes.
2.5.1 Diodos en circuitos DC
El an´alisis de circuitos con diodos requiere, en primer lugar, la verificaci´on del estado del diodo (conectado o desconectado). Puede ser substituido por el circuito-llave equivalente. Sin embargo, en algunos circuitos no es tan f´acil descubrir qu´e tipo de llave equivalente debe ser utilizada (en circuitos con m´as de una fuente o m´as de un diodo en serie). En estos circuitos lo ideal es substituir, mentalmente, los diodos por un elemento resistivo y luego observar la direcci´on de la corriente resultante, debido a la tensi´on aplicada. Si la corriente resultante est´a en la misma direcci´on que la flecha en el s´ımbolo, entonces el diodo se encontrar´a conectado.
2.5.2 Diodos en circuitos AC
Los circuitos AC tienen una tensi´on que var´ıa con el tiempo. Por lo tanto, puede haber ins- tantes en que la tensi´on AC polariza el diodo directamente y otros en que lo polariza inversamente. El an´alisis del circuito puede ser echo separadamente para los semi-ciclos positivo y negativo. Sin embargo, debe notarse cuando la polaridad de la tensi´on en el diodo es directa o inversa. El diodo puede entonces, ser substituido por un circuito-llave equivalente.
