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Universidad de Oviedo Tema 2: Dispositivos semiconductores de potencia
TEMA 2 Dispositivos semiconductores de potencia
Leccin 3: Introduccin
Leccin 4: El diodo de potencia
Leccin 6: El rectificador controlado de silicio (SCR)
Leccin 5: Los transistores de potencia
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Universidad de Oviedo Tema 2: Dispositivos semiconductores de potencia
4.1 Construccin y encapsulado4.2 Caractersticas estticas
4.2.1 Curvas estticas4.2.2 Estados de bloqueo y conduccin
4.2.3 Clculo de prdidas4.3 Caractersticas dinmicas
4.3.1 Entrada en conduccin; recuperacin directa4.3.2 Salida de conduccin; recuperacin inversa4.3.3 Clculo de prdidas
4.4 Tipos de diodos de potencia.4.4.1 Diodos rectificadores para baja frecuencia.4.4.2 Diodos rpidos y ultrarrpidos.4.4.3 Diodos Schottky.4.4.4 Diodos para aplicaciones especiales.
4.5 Uso de los datos de catlogo de fabricantes.
TEMA 2 Dispositivos semiconductores de potencia
Leccin 4: El diodo de potencia
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Universidad de Oviedo Tema 2: Dispositivos semiconductores de potencia
Tensin Trmica
Leccin 4: El diodo de potencia
4.1 Construccin y encapsulado
UNIN P-N DE SEMICONDUCTOR:
N P
nA
n
pD
p2
iS LN
D
LN
DnqAI
1eIi TV
V
S
Ecuacin de Shockley
q
Tk
VT
Corriente inversa de saturacin
A: rea efectiva de la Zona de Transicinni: Concentracin intrnseca del semiconductorDP, DA: Constante de difusin de huecos o electrones, respect.ND, NA: Concentracin de dopante donador o aceptador, respect.
Lp, Ln: Longitud de difusin de la zona P o de la zona N, respect.
k: Constante de Boltzmannq: Carga del electrnT: Temperatura absoluta (Kelvin)
CTODO CTODO
NODONODO
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Leccin 4: El diodo de potencia
4.1 Construccin y encapsulado
TCNICAS DE CONSTRUCCIN: DIFUSIN
Antes del dopado
P
N
0
Despus del dopado
P
N
0
PP
NP
Capa andica Capa catdica
PP
P N
P N
N
(sustrato tipo N)
Atmsferadopada contomos de
aceptor
In
In
In
In
Electrnica de Potencia, Martnez, S., Gualda, J.A.; Ed. Thomson, 2006.
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P
N
VACO O
GAS INERTE
BOBINA DE
INDUCCIN
GRAFITO
SEMICONDUCTOR
FUNDIDO CON
IMPUREZAS
DIODO
CRISTAL
SEMILLA
EJE
ROTATIVO Y
EXTRACTOR
P
Leccin 4: El diodo de potencia
4.1 Construccin y encapsulado
TCNICAS DE CONSTRUCCIN: UNIN CRECIDA
Electrnica de Potencia, Martnez, S., Gualda, J.A.; Ed. Thomson, 2006.
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DO - 5
Leccin 4: El diodo de potencia
4.1 Construccin y encapsulado
ENCAPSULADO AISLAMIENTO
CONEXIN ELCTRICA
DISIPACIN TRMICA
PN
Terminal de cobre(nodo)
Cierre aislante
Cierre metlico
Pastillasemiconductora
SoldadurasAu-Si
Base de cobre(ctodo)
Electrnica de Potencia, Martnez, S., Gualda, J.A.; Ed. Thomson, 2006.
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DO 200AC
Grandes corrientes(3500 5000 A)
Leccin 4: El diodo de potencia
4.1 Construccin y encapsulado
ENCAPSULADO
PN
Base de cobre(nodo)
Cierre metlicoCierrecermico
Soldaduras
Pastillasemiconductora
Cierre metlico
Base de cobre(ctodo)
Electrnica de Potencia, Martnez, S., Gualda, J.A.; Ed. Thomson, 2006.
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Universidad de Oviedo Tema 2: Dispositivos semiconductores de potencia
Tipos de diodos
Leccin 4: El diodo de potencia
TipoCada detensin
directa (V)
Mercurio
Selenio
Germanio
Silicio
Oxido decobre
Corrientede fugas
Temp.interna
mx. (C)
Tensininversamx. (V)
Intensidaddirecta
mx. (A)
Densidadde corriente
(A/cm 2)
15 a 19
1
0,5
1
0,6
baja
alta
baja
muy baja
alta
400
150
120
200
70
20.000
50
800
3.500
30
5.000
50
200
1.000
10
4.000
1
100
100
1
4.1 Construccin y encapsulado
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CTODO
NODO
Leccin 4: El diodo de potencia
4.2 Caractersticas estticas
CURVAS ESTTICAS Diodo IDEAL
iFuF
iF
uF
POL. DIRECTAEN CONDUCCIN
POL. INVERSAEN CORTE
FFF u0i0u
Ecuacin ideal
FFF i0u0i
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CTODO
NODO
Leccin 4: El diodo de potencia
4.2 Caractersticas estticas
CURVAS ESTTICAS Diodo REAL
iFuF
iF
uF
POL. DIRECTAEN CONDUCCIN
POL. INVERSAEN CORTE Ecuacin real
1eIi TV
V
SF
AVALANCHA
RF uusi
uR
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CTODO
NODO
Leccin 4: El diodo de potencia
4.2 Caractersticas estticas
CURVAS ESTTICAS Diodo LINEALIZADO
iF
uF
iF
uF
POL. DIRECTAEN CONDUCCIN
POL. INVERSAEN CORTE
Ecuacin
linealizada
0uusiI
uu0si0
uusir
uu
i
FRR
F
Fd
F
F
AVALANCHA
uR
iR
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Intensidad media nominal (IF AV):
Es el valor medio de la mxima intensidad de impulsos senoidales de 180 queel diodo puede soportar con la cpsula mantenida a determinada temperatura(110 C normalmente).
Intensidad de pico repetitivo (IF RM):
Mxima intensidad que puede ser soportada cada 20 ms por tiempo indefinido,con duracin de pico de 1ms a determinada temperatura de la cpsula.
Intensidad de pico nico (IF SM):Es el mximo pico de intensidad aplicable por una vez cada 10 minutos o ms,con duracin de pico de 10ms.
Leccin 4: El diodo de potencia
4.2 Caractersticas estticas
ESTADO DE CONDUCCIN
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Tensin inversa de trabajo (VR WM):Tensin inversa mxima que puede ser soportada por el diodo de formacontinuada sin peligro de avalancha.
Tensin inversa de pico repetitivo (VR RM):
Tensin inversa mxima que puede ser soportada en picos de 1ms repetidoscada 10 ms por tiempo indefinido.
Tensin inversa de pico nico (VR SM):
Tensin inversa mxima que puede ser soportada por una sola vez cada 10 mino ms, con duracin de pico de 10ms.
Tensin de ruptura (VR):Si es alcanzada, aunque sea por una vez, el diodo puede destruirse o al menosdegradar sus caractersticas elctricas.
Leccin 4: El diodo de potencia
4.2 Caractersticas estticas
ESTADO DE BLOQUEO
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ud: Tensin directa.
IF AV: Corriente media.
rd: Resistencia dinmica.
IF RMS: Corriente eficaz.
Leccin 4: El diodo de potencia
4.2 Caractersticas estticas
CLCULO DE PRDIDAS (en conduccin)
T
0 FFDIS dt)t(i)t(u
T
1P
2FRMSdFAVdDIS iriuP
iF
iF
Vd
rd
VF
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Diodo Ideal: Diodo Real:
Leccin 4: El diodo de potencia
4.3 Caractersticas dinmicas Entrada en conduccin (recuperacin directa)
iF
uFud
ubloqueo
id
t0: Instante de cierre
t0
trd: tiempo de recuperacin directa
t0: Instante de cierre
iF
uFud
ubloqueo
idt0
trd
uFP
dt
diF
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Tiempo de recuperacin inversa:
ta= tiempo de almacenamiento.tt= tiempo de transicin
Carga de Almacenamiento:
Pico de corriente de recuperacin Inversa:Diodo Real:
Leccin 4: El diodo de potencia
4.3 Caractersticas dinmicas Salida de conduccin (recuperacin inversa)
t0: Instante de apertura
iF
uF
ta
trrtt
dt
ditI Farr
Irr
tarr ttt
rrrrrr It21Q
dt
diQ2I Frrrr
dt
di
Q2t
F
rrrr
t0
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Universidad de Oviedo Tema 2: Dispositivos semiconductores de potencia
Aproximacin de la salida de conduccin
Existe dependencia de las prdidas conla frecuencia de conmutacin (fs).
Las prdidas de entrada en conduccinson muy pequeas ( trd
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IF AV(A):
Leccin 4: El diodo de potencia
4.4 Tipos de diodos de potencia
DIODOS RECTIFICADORES DE BAJA FRECUENCIA
VR RM(V): trr: (ms):
16000 4003600
VFmax@ IF AVmax(V):
1,2
Aplicaciones:
Rectificadores de Red.Baja frecuencia (50Hz).
10
DIODOS RPIDOS (FAST) Y ULTRARRPIDOS (ULTRAFAST)
IF AV(A): VR RM(V): trr: (s):
30200 4001500
VFmax@ IF AVmax(V):
1,2
Aplicaciones:
Alta frecuencia (>20kHz).InversoresSAIs.Accionamiento de motores CA.
0,1-10
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Leccin 4: El diodo de potencia
4.4 Tipos de diodos de potencia
DIODOS SCHOTTKY
IF AV(A): VR RM(V): trr: (ns):
1120 15150
VFmax@ IF AVmax(V):
0,7
Aplicaciones:
Fuentes conmutadas
ConvertidoresDiodos de libre circulacinCargadores de bateras
5
DIODOS PARA APLICACIONES ESPECIALES
IF AV(A): VRRM(KV): trr
0,452 7,518
VFmax@ IF AVmax(V):
20-100
Aplicaciones:
Alta tensin150 ns
507000 400 - 2500 2 Alta corriente10 s
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NODO CTODO
DO5200V/60A
Encapsulado cermico600V/6000A
Alta Tensin40.000V/0.45A (VF=32V)
Rectificador1500V/168A (VF=1.8V)
Schottky120A150V
Fast
1500V
Leccin 4: El diodo de potencia
4.4 Tipos de diodos de potencia
ALGUNOS ENCAPSULADOS
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Leccin 4: El diodo de potencia
4.5 Uso de los datos de catlogo de fabricantes.
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Leccin 4: El diodo de potencia
4.5 Uso de los datos de catlogo de fabricantes.
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Leccin 4: El diodo de potencia
4.5 Uso de los datos de catlogo de fabricantes.
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Leccin 4: El diodo de potencia
4.5 Uso de los datos de catlogo de fabricantes.
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Leccin 4: El diodo de potencia
4.5 Uso de los datos de catlogo de fabricantes.
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4.5 Uso de los datos de catlogo de fabricantes.