CCDMITSUI

3-1

Capitulo 3

El diodo de potencia

3.1 Símbolo y principio de funcionamiento

¿Dónde encontramos diodos de potencia en los camiones?

Los diodos de potencia son empleados en el camión 830 como rectificadores o convertidoresAC-DC en configuración puente.

Diodo de potencia Westcode del rectificador principal, camión 830E

En el camión encontraremos diodos de potencia los encapsulados conocidos con el nombre de“presión” o “capsula” (Pressure o Capsule) en diferentes formatos.

¿Cómo se conectan los diodos de potencia?

Requieren disipadores de calor, lo que los vuelve bastante voluminosos; es lo que ocurre con elrectificador principal que usan todos los módulos de camión.

Uno de los diodos con disipador que componen el rectificador principal

CCDMITSUI

3-2

Corte de un diodo de potencia y símbolo

El símbolo que lo representa es similar al diodo rectificador que se emplea comúnmente enelectrónica para las fuentes de alimentación aunque estructuralmente es distinto tanto en suapariencia externa como en su disposición de capas semiconductoras.

¿Son diferentes a los diodos que normalmente se emplean en electrónica?

La diferencia sustancial de los diodos de potencia se encuentra en la estructura de capas.

Estructura de capas del diodo de potencia

Los diodos de potencia poseen tres capas semiconductoras con diferente grado de dopado. Sesabe que un dopado ligero produce el incremento del voltaje de ruptura pero a su vez elevatambién el voltaje directo.

El diferente dopado se especifica con los signos “+” o “-“ y se puede apreciar que la capa “n”intermedia es del tipo “-“ y su espesor depende del voltaje inverso que soportará.

CCDMITSUI

3-3

3.2 Curva característica

¿Es similar el comportamiento del diodo de potencia con el diodo rectificador que seemplea en electrónica?

Si, el funcionamiento es el mismo pero el voltaje de ruptura inverso es mayor que un diodonormal y debemos esperar un mayor voltaje directo.

El dopado incrementa el voltaje inverso pero también el voltaje directo

Curva característica del diodo de potencia

La capa débilmente dopada es la que permite que el diodo de potencia soporte mayor voltajeinverso.

Las características nominales del diodo de potencia son mucho más extensas que las de un diodonormal.

CCDMITSUI

3-4

3.3 Características técnicas

¿Cuáles son las características técnicas de un diodo de potencia?

Para tomar lectura de los diversos parámetros del diodo de potencia se necesita conocer elsignificado de los subíndices.

Subíndices empleados por los fabricantes

F Forward R Reverse / Repetitive W Working A Average M Maximus

Las características del diodo de potencia son de dos tipos:

a) Características estáticasb) Características dinámicas

¿Cuáles son las características estáticas?

Son las que se refieren a los parámetros de acuerdo al estado de polarizacion del diodo.

CCDMITSUI

3-5

Características estáticas del diodo de potencia

¿Cuales son las características dinámicas?

Son las referidas a las magnitudes de voltaje, corriente y tiempo de duración de los fenómenostransitorios que se presentan durante la conmutación del diodo.

Características dinámicas del diodo

CCDMITSUI

3-6

Características dinámicas del diodo de potencia

¿Es la tensión directa (VON ) similar al voltaje de umbral?

Aparentemente, pero no olvidemos que el diodo de potencia tiene tres capas y no corresponde alcriterio de voltaje de umbral para una juntura de diodo normal.

Los valores que toma la tensión directa superan el voltio.

¿Qué importancia tiene el tiempo de recuperación inversa (trr )?

Está relacionado con la velocidad de recuperación del diodo, un menor tiempo de recuperaciónquerrá decir que el diodo puede trabajar con frecuencias más altas.

¿Hay otras clases de diodos de potencia?

Si, y es la velocidad de conmutación la que básicamente los diferencia. Las aplicaciones demayor frecuencia (mayor velocidad) son para la conmutación de los circuitos variadores develocidad.

VON

Tensión directaPara corriente nominal

Vfr

Tensión de recuperación directaTensión máxima durante el encendido

tON

Tiempo de recuperación directaTiempo para alcanzar 110% VON

trr

Tiempo de recuperación inversaDemora de la corriente en alcanzar su valormáximo y retornar al 25% de ese máximoTípico: 10us para diodos normales,1us diodosrápidos

tr

Tiempo de subidaDemora en pasar la corriente del 10% al 90%IN

Encendido

Extinción

CCDMITSUI

3-7

Diversos diodos y algunas características

Veamos las características de un diodo de potencia Semikron SKN4000:

Type VRSM VRRM

VIFRMS

AIFAV

ATc

°CIFSM

ATvj

°CR th(j-c)

K/W

Capsule 200-600 6300 4000 50 60000 - 40 ... + 180 0,03

Es de notar la gran magnitud de la corriente no repetitiva así como la mención de dos tipos decorriente.

¿Por qué se mencionan dos tipos de corriente RMS y AV?

Debido a que por los diodos de potencia pasan corrientes raramente senoidales. Generalmenteestas corrientes adquieren formas rectangulares.

Corriente por un circuito altamente inductivo

CCDMITSUI

3-8

Estas formas de onda tienen valores RMS y AV distintos y puede ocurrir el caso que el diodosoporte la corriente AV pero no la RMS. Será entonces necesario seleccionar un dispositivo másgrande.

3.4 Prueba del diodo de potencia

¿Cómo se prueba un diodo de potencia?

Como es en general para los semiconductores se tienen cuatro modos de prueba:

a) Con multimetrob) Con megóhmetroc) Con trazador de curvasd) Con probador de diodos

Analizaremos en este capítulo las pruebas con multimetro y con megohmetro.

¿Cómo se realiza la prueba con multimetro?

Tenemos la posibilidad de emplear un multimetro digital o un multimetro analógico ya casi endesuso.

Multimetro digital Fluke con escala para semiconductores

Debemos esperar los siguientes resultados:

Multimetro Terminales ResultadoA(+) K(-) Baja resistencia

AnalógicoA(-) K(+) Alta resistenciaA(+) K(-) <0,6V—0,7V>

DigitalA(-) K(+) OL

Con los instrumentos analógicos debemos la escala RX100.

CCDMITSUI

3-9

Con los instrumentos digitales debemos emplear la escala para semiconductores pues solo asípodremos tener un voltaje de prueba que pueda superar el voltaje de umbral del diodo.

Las pruebas con multimetro para diodos de potencia no son del todo correctas pues debido alvoltaje con el que trabajan (kV) las posibles fallas por alto voltaje inverso pueden no serdetectadas.

Debe considerarse el empleo de un Testeador o probador de diodos de potencia (Cap. 15).

¿Cómo se realiza la prueba con megohmetro?

Es lógico pensar que para corregir la deficiencia en voltaje del multimetro para evaluar losdiodos de potencia puede suplirse con un megohmetro.

Meghometro analógico

Esto es correcto si tomamos las precauciones para no superar los valores máximos del diodo depotencia.

Prueba Peligro Precaución

Polarización directa Superar la IFAV máximaColocar resistencia limitadora de

corriente

Polarizacion inversa Superar el VRRMElegir voltaje de prueba

adecuado

Recordemos que los megómetros actuales proporcionan voltajes de prueba a elegir entre 100Vhasta 1000V para los pequeños de baja tensión, hasta 5000V para los de media tensión y 10000Vpara los de alta tensión.

3.5 Otros tipos de diodos

¿Qué otras clases de diodos existen?

CCDMITSUI

3-10

Los diodos de potencia se presentan en varios tipos dependiendo de la aplicación uno de loscriterios mas importantes que se toma para su elección es el del tiempo de recuperación inversatrr .

Mencionaremos algunos tipos, sus características más resaltantes y las aplicaciones principales.

Diodos rectificadores para baja frecuencia.

Diodos rápidos y ultrarrápidos

Diodos Schotkky

Diodos para aplicaciones especiales (alta tensión)

IFAV : 1A – 6000AVRRM : 400 -3600VVFMax : 1,2V (a IFAVMax )trr : 10usAplicaciones:Rectificadores de redBaja frecuencia (50Hz)

IFAV : 30A – 200AVRRM : 400 -1500VVFMax : 1,2V (a IFAVMax )trr : 0,1 - 10usAplicaciones:Conmutación a alta frecuencia (>20KHz)InversoresUPSAccionamiento de motores de CA

IFAV : 1A – 120AVRRM : 15 -150VVFMax : 0,7V (a IFAVMax )trr : 5nsAplicaciones:Fuentes conmutadasConvertidoresDiodos de libre circulaciónCargadores de baterías

IFAV : 0,45A – 2AVRRM : 7,5KV – 18kVVFMax : 20V – 100Vtrr : 150nsAplicaciones:Aplicaciones de alta tensión

CCDMITSUI

3-11

Diodos para aplicaciones especiales (alta corriente)

Diversos tipos de diodos de potencia

IFAV : 50A – 7000AVRRM : 400V – 2500VVF : 2Vtrr : 10usAplicaciones:Aplicaciones de alta corriente