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electrónica de potencia clase 01TRANSCRIPT
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRÓNICA
CURSO CIRCUITOS ELECTRONICOS II-P (EE432-M)
SYLLABUSEscuela Académico Profesional : Ingeniería Eléctrica.Nombre del Curso : Circuitos Electrónicos II-P.Código : EE432Número de Créditos : 04Ciclo : OctavoCarácter del Curso : ObligatorioHoras de Clase semanales: 04 (T) Duración: 17 SemanasPre-Requisito : EE-211, EE-615
RESUMEN: Dispositivos semiconductores de potencia, convertidores CA/CC no controlados y controlados, controladores de voltaje AC, Convertidores CC/CC, convertidores CC/CA (inversores PWM).
OBJETIVO: Estudio y análisis de los circuitos que usen dispositivos de estado sólido para el control de los sistemas de potencia.
CONTENIDO TEMATICO:
Primera Semana: Definición, aplicaciones, historia de la electrónica de potencia, semiconductores de potencia, diodos, estructura, características estáticas y dinámicas, tipos de diodos especificaciones y conexiones.
Segunda Semana : Rectificación con diodos, diodos con carga RC,RL,LC y RLC, diodos de marcha libre, rectificadores de media onda, parámetros de rendimiento, rectificadores monofásicos de media onda y de onda completa, con carga R y RL.
Terecera Semana: Rectificadores estrella multifase, rectificadores trifásicos en puente, voltaje de salida con filtro LC; diseño de circuitos rectificadores, aplicaciones.
Cuarta Semana: Tiristores, estructura, características, activación y desactivación,
operación en serie y en paralelo, tipos, circuitos de disparo. 1ra P.C.
Quinta Semana : Rectificadores controlados, principio de operación del rectificador controlado por fase, semiconvertidores monofásicos, convertidores monofásicos completos.
Sexta Semana: Convertidores trifásicos de media onda, semiconvertidores trifásicos. Convertidores trifásicos completos,
Séptima Semana: Mejoramiento del factor de potencia y diseño de circuitos convertidores. Aplicaciones.
2da P.C.
Octava Semana: Exámenes Parciales.
Novena Semana: Controladores de voltaje AC, principios de control abrir y cerrar, principio de control de fase, controladores monofásicos de onda completa.
Décima Semana: Controladores trifásicos de media onda, y de onda completa. Controladores trifásicos conectados en delta. Aplicaciones.
Décima Primera Semana: Cicloconvertidores monofásicos y cicloconvertidores trifásicos, controladores de voltaje AC con PWM, diseño de circuitos controladores de voltaje AC. Aplicaciones
Décima Segunda Semana: Convertidores DC/DC, convertidor reductor (Buck), convertidor elevador (Boost).
3ra P.C
Décima Tercera Semana: Convertidor reductor/elevador (Buck-Boost), aplicaciones. Inversores PWM, principios de operación, parámetros de rendimiento.
Décima Cuarta Semana: Inversores tipo fuente de tensión, monofásicos en puente,
inversores trifásicos. Métodos de control de tensión y frecuencia (PWM).
Décima Quinta Semana: Técnicas modernas de modulación, inversores de fuente de corriente, inversores de enlace DC variable. Aplicaciones.
4ta P.C.
Décima Sexta Semana: Exámenes Finales.
Décima Séptima Semana: Exámenes Sustitutorios.
EVALUACIÓN :
P.C. = Practica Calificada.N.F.= Nota Final
De las 4 practicas Calificadas se elimina una, la de mas baja Nota.
BIBLIOGRAFÍA:
[1] Electrónica de Potencia, circuitos dispositivos y aplicaciones. Autor : Muhamad H. Rashid. Editora: Printice Hall, Ultima Ediciòn.
[2] Electrónica de Potencia principios fundamentales y Estructuras básicas Autores : Eduard Ballester y Robert Piquè. Editoras: AlfaOmega y Marcombo, 2012.
[3] Electrónica de Potencia Convertidores Aplicaciones y Diseño Autores: Mohan, Undeland y Robins Editora : Jonh Wiley and Sons.Inc. Edición en Español 2010
[4] Electrónica de Potencia Componentes, topologías y equipos. Autor : Salvador Martínez García y Juan A. Gualda Gil. Editora: Thompson
[5] Power Electronics Circuits Autor: Issa Batarseh. Editora: Editora : Jonh Wiley and Sons.Inc.
[6] Electronica de Potencia . Autor : Ivo Barbi. Universidad Federal de Santa Catarina – Florianópolis- Brasil.
Marzo 2014 Dra. Teresa Núñez Zúñiga
1).- ELECTRÓNICA DE POTENCIA
1.1) Definición.- La Electrónica de potencia es la disciplina que
involucra el estudio de los circuitos electrónicos usados para el
control del flujo de la energía eléctrica.
Estos circuitos manejan flujos de potencia en niveles bastante altos.
1.2) Aplicaciones.- Durante muchos años ha existido la necesidad de
controlar la potencia eléctrica de los sistemas de tracción y de
controles industriales impulsados por motores eléctricos.
La electrónica de potencia ha revolucionado la idea del control para
la conversión de potencia y para el control de los motores eléctricos.
La electrónica de potencia combina:
la electrónica,
el control y
la energía.
El control: Se encarga del régimen permanente y de las
características dinámicas de los sistemas de lazo cerrado.
La energía: Tiene que ver con el equipo de potencia estática y
rotativa o giratoria, para la generación, transmisión y distribución de
energía eléctrica.
La electrónica: Se ocupa de los dispositivos y circuitos de estado
sólido requeridos en el procesamiento de señales para cumplir con
los objetivos de control deseados.
En la figura 1-1 se muestra la interrelación de la electrónica de
potencia con la energía, la electrónica y el control.
Fig.1.1 Relación de la Electrónica de Potencia con la energía, la
electrónica y el control
La electrónica de potencia se basa, en primer término, en la
conmutación de dispositivos semiconductores de potencia.
Con el desarrollo de la tecnología de los semiconductores de
potencia, las capacidades del manejo de la energía y la velocidad de
conmutación de los dispositivos de potencia han mejorado
tremendamente.
El desarrollo de la tecnología de los microprocesadores
microcomputadoras (DSP’s), tiene un gran impacto sobre el control
y la síntesis de las estrategias de control para los dispositivos
semiconductores de potencia.
El equipo de electrónica de potencia moderno utiliza
semiconductores de potencia (1), que pueden compararse con el
músculo y microelectrónica(2), que tiene el poder y la inteligencia
del cerebro.
La electrónica de potencia ha alcanzado ya un lugar importante en la
tecnología moderna y se utiliza ahora en una gran diversidad de
productos de alta potencia, que incluyen:
Controles de motores, de calor, de iluminación.
Fuentes de alimentación.
Sistemas de propulsión de vehículos.
Sistemas de corriente directa de alto voltaje (HVDC).
Algunas de las aplicaciones de la electrónica de potencia son:
Abre puertas eléctricos.
Acondicionamiento del aire.
Alarmas.
Amplificadores de Audio.
Amplificadores de R.F.
Arrancadores para turbinas de gas.
Arrancadores de maquinas sincronías.
Atenuadores.
Calderas.
Calefacción por inducción.
Cargadores de baterías.
Centelladores luminosos.
Charolas p ara calentar alimentos.
Cobijas eléctricas.
Computadoras.
Conductores.
Controles de motores, de calor, de hornos.
Controles lineales de motores de inducción.
Corriente directa de alto voltaje (HVDC).
Crisoles.
Deflectores de T.V.
Electrodomésticos.
Electroimanes.
Elevadores.
Estibadores.
Fotocopiadoras.
Fuentes de alimentación para aeronaves, para láser.
Fuentes de tensión no interrumpibles (UPS).
Fuentes de tensión para aplicaciones espaciales.
Grabaciones Magnéticas.
Grúas marinas.
Herramientas eléctricas y manuales de potencia.
Hornos de cemento.
Ignición electrónica.
Juegos y juguetes.
Licuadoras.
Locomotoras.
Mezcladores de alimentos.
Mineria.
Molinos.
Precipitadotes electrostáticos.
Procesos químicos.
Proyectores de cinema.
Publicidad.
Puertas de cocheras automáticas.
Pulsadores.
Refrigeradores.
Reguladores de voltaje.
Reveladores de enganche.
Secadoras eléctricas.
Secadoras de ropa.
Sistemas de seguridad.
Sopladores.
Temporizadores.
Transito masivo.
Transmisores de muy baja frecuencia.
Trenes eléctricos (Metro).
Vehículos eléctricos.
Ventiladores. Etc.
1.3) Historia de la Electrónica de Potencia.-
La historia de la electrónica de potencia empezó en el año 1900, con
la introducción del rectificador de arco de mercurio.
Luego aparecieron, gradualmente, el rectificador de tanque metálico,
el rectificador de tubo al alto vacío de rejilla controlada, el ignitrón,
el fanotrón y el tiratrón.
Estos dispositivos se aplicaron al control de la energía hasta la
década de 1950.
La primera revolución electrónica se inicia en 1948 con la invención
del transistor de silicio en los Bell Telephone Laboratorios por los
señores Bardeen, Brattain y Schockley.
La mayor parte de las tecnologías electrónicas avanzadas actuales
tienen su origen en esta invención.
A través de los años, la microelectrónica moderna ha evolucionado a
partir de los semiconductores de silicio.
En 1956, también proveniente de los Bell Telephone Laboratorios:
se dio la invención del transistor de disparo PNPN, que se definió
como un tiristor o rectificador controlado de silicio (SCR).
La segunda revolución electrónica empezó en 1958 con el desarrollo
del tiristor comercial por General Electric Company.
Ese fue el principio de una nueva era en la electrónica de potencia.
Desde entonces, se han introducido muy diversos tipos de
dispositivos semiconductores de potencia y técnicas de conversión
de la energía eléctrica.
La revolución de la microelectrónica nos dio la capacidad de
procesar una gran cantidad de información a una velocidad increíble.
La revolución de la electrónica de potencia nos está dando la
capacidad de dar forma y controlar grandes cantidades de energía
con una eficiencia cada vez mayor.
Debido a la fusión de la electrónica de potencia, que es el músculo,
con la microelectrónica, que es el cerebro, se han descubierto
muchas aplicaciones potenciales de la electrónica de potencia, y aún
se descubrirán más.
Dentro de estos últimos 3 años, la electrónica de potencia ya empezó
a formar y condicionar la electricidad, por ejemplo en las líneas de
transmisión, entre el punto de generación y todos los usuarios con
las Impedancias Negativas, para la compensación de estas
lineas de transmisión, para la regulación de la tensión y para la
corrección del factor de potencia entre otras aplicaciones.
La revolución de la electrónica de potencia ha ganado inercia, desde
el fin de los años 80 y principios de los 90.
Fig.1.2 Historia de la electrónica de Potencia.
Historia cronológica de la electrónica de potencia.
La era de los tubos de vacío:
1900 Descubrimiento de la energía eléctrica y la bombilla.
1910 Rectificador de tubo al alto vacío de rejilla controlada.
1930 Tiratron, el ignitrón, el fanotrón, el cicloconvertidor, la
radio, HVDC.
1950 T.V., el transistor de germanio y de silicio, el tiristor.
La era de la electrónica de potencia:
1960 GTO, el triac, el transistor bipolar integrado.
1970 Transistor bipolar 500 V/20 A, el Mosfet de potencia,
microprocesador de 8 bits, Mosfet integrado, el
computador.
1980 El computador personal (PC), el microprocesador de 16
bits, tiristoes controlados por Mosfet (MCT),
La revolución de la electrónica de potencia:
1990 Control de la velocidad de los motores.
2000 T.V. a color con pantalla plana, reles de estado sólido,
circuitos brakers, fuentes ininterrumpidas de potencia.
2010 Vehículos eléctricos , plantas de energía solar, alta
performance en la velocidad de los motores, en los
sistemas condicionadores de linea de potencia activa.
2020 Robots domésticos, amplio uso de los superconductores,
etc.
1.4) DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA:
Desde que se desarrolló el primer tiristor de rectificador
controlado de silicio (SCR), a fines de 1957, ha habido grandes
adelantos en los dispositivos semiconductores de potencia.
Hasta 1970, los tiristores convencionales se habían utilizado en
forma exclusiva para el control de la energía en aplicaciones
industriales.
A partir de 1970, se desarrollaron varios tipos de dispositivos
semiconductores de potencia que quedaron disponibles en forma
comercial.
Estos se pueden clasificar con base en:
(1) Cerrado y apertura no controlado (Diodos de
potencia).
(2) Cerrado controlado y abertura no controlado
(SCR o Tiristores).
(3) Caracteristicas controladas de cerrado y abertura
(BJT, MOSFET,GTO,SITH,IGBT,SIT,MCT).
(4) Necesidada de señal continua en compuerta
(BJT,MOSFET,IGBT,SIT).
(5) Necesidada de impulso en compuerta
(SCR,GTO,MCT).
(6) Capacidad de resistencia a voltaje bipolar
(SCR,GTO).
(7) Capacidad de resistencia a voltaje bipolar
(BJT,MOSFET,GTO,IGBT,MCT).
(8) Capacidad de corriente bidireccional (TRIAC,
RCT).
(9) Capacidad de corriente unidireccional
(SCR,GTO,BJT,MOSFET,MCT,IGBT,SITH,SIT,
diodo).
Los tiristores se pueden subdividir en :
1) Tiristor conmutado por línea o por fase (SCR).
2) Tiristor de conmutación rápida (SCR).
3) Tiristores bidireccionales controlados por fase (BCT)
4) Rectificador controlado de silicio fotoactivado
(LASCR)
5) Tiristor o tríodo bidireccional (TRIAC).
6) Tiristor de conducción inversa (RCT).
7) Tiristor desactivado por compuerta (GTO).
8) Tiristores controlados por FET (FET-CHT)
9) Tiristores apagados por MOS (MTO).
10) Tiristores de apagado (Control) por emisor
(ETO).
11) Tiristores conmutados por compuerta integrada
(IGCT).
12) Tiristores controlados por MOS (MCT).
13) Tiristor de inducción estático (SITH).
Los diodos de potencia son de tres tipos:
(a) De uso general,
(b) De alta velocidad (o de recuperación rápida) y
(c) Schottky.
Fig.1.3 Diodos de potencia tipo laser.
Fig1.4 Varias configuraciones de SCR’s.
Fig1.5. IGBT e igbt compactos.
FIG.1.6 Capacidad de los dispositivos Semiconductores de Potencia(V,I,F)
Fig.1.7 Capacidad de los dispositivos Semiconductores de Potencia(P,F)
Fig.1.8 Evolución practica de las aplicaciones de la E.P.
Tabla 1.1 Características y Símbolos De Algunos Dispositivos De Potencia.
2).- DIODOS
2.1) INTRODUCCIÓN :
Los diodos semiconductores de potencia juegan un papel
significativo en los circuitos electrónicos de potencia.
Un diodo funciona como un interruptor, a fin de llevar a cabo varias
funciones, como la de:
Interruptores en los rectificadores.
De marcha libre en los reguladores conmutados.
Inversión de carga de condensadores y
Transferencia de energía entre componentes.
Aislamiento de voltajes.
Retroalimentación de la energía de la carga, a la fuente de
energía .
Se puede suponer para efecto de análisis, que los diodos de potencia
son interruptores ideales, pero los diodos prácticos o reales difieren
de las características ideales y tienen ciertas limitaciones.
Los diodos de potencia son similares a los diodos de señal de unión
pn.
Sin embargo, los diodos de potencia tienen mayores capacidades en
el manejo de la energía, el voltaje y la corriente, que los diodos de
señal ordinarios.
La respuesta a la frecuencia (o velocidad de comunicación) es baja
en comparación de los diodos de señal.
2.2) CARACTERISTICAS DE LOS DIODOS :
Un diodo de potencia es un dispositivo de unión pn. de dos
terminales.
En la Figura 2.1 aparece un corte transversal de una unión pn. y
un símbolo de diodo.
Fig. 2.1 Símbolo del diodo y unión pn
Cuando el potencial de ánodo es positivo con respecto al cátodo,
se dice que el diodo tiene polarización directa o positiva y el
diodo conduce.
Un diodo en conducción tiene una caída de voltaje directa
relativamente pequeña a través de si mismo; y su magnitud
depende del proceso de manufactura y de la temperatura de la
unión.
Cuando el potencial del cátodo es positivo con respecto al ánodo,
se dice que le diodo tiene polarización inversa.
Y bajo estas condiciones (polarización inversa), fluye una
pequeña corriente inversa (también conocida como corriente de
fuga) en el rango de los micros o de los miliamperios, cuya
magnitud crece lentamente en función del voltaje inverso, hasta
llegar al .
Fig.2.2 Características v-i de un diodo de Potencia en régimen
permanente.
Para fines prácticos, un diodo se puede considerar como un
interruptor ideal, cuyas características se muestran en la fig2.2b.
Las características v-i mostradas en la fig.2-2a se pueden
expresar mediante una ecuación conocida como la ecuación
Schockley de diodo , y esta dada por:
................................. (2-1)
donde:
ID = corriente a través del diodo (A).
VD = voltaje del diodo con el ánodo positivo con respecto al
cátodo (V).
IS = corriente de fuga (o corriente de saturación Inversa),
típicamente en el rango entre 10-6 y 10-5 A. (A una temperatura
especifica Is es una constante para c/diodo)
n = constante empírica conocida como coeficiente de emisión o
factor de idealidad, cuyo valor varía de 1 a 2. (dependedle material y la
construcción física del diodo Si=2, Ge=1 para valores reales n cae entre 1.1 y 1.8)
VT = constante llamada voltaje térmico y esta dada por:
................................ (2.2)
Donde:
q = carga del electrón: 1.6022*10-19 culombios (C)
T = temperatura absoluta en Kelvins (K = 273+°C)
k = constante de Boltzmann: 1.3806*10-23 J/K
A una temperatura de unión de 25°C, la ecuación (2-2) da:
El diodo real tiene una característica como la de la fig.2.2a y se
puede dividir en tres regiones:
(1) Región de polarización directa, donde VD>0
(2) Región de polarización inversa, donde VD<0
(3) Región de ruptura, donde VD< -VZK.
(2.2.1) Región de polarización directa :
En la región de polarización directa, VD>0.
La corriente del diodo ID es muy pequeña si el voltaje del diodo
VD es menor que un valor específico VTD (típicamente 0.7 V).
El diodo conduce totalmente si: VD > VDT, que se conoce como
voltaje umbral, voltaje de corte, o voltaje de activación.
Por lo tanto, el “voltaje umbral es un voltaje al cual el diodo
conduce totalmente”.
Consideremos un pequeño voltaje de diodo VD = 0.1 Volt., n =1 y
VT=25.8 mV.
De (2-1) encontramos que la corriente correspondiente al diodo
ID es:
= 48.23*IS , con 2.1% de error
Luego:
para VD>0.1V, que es por lo general el caso, ID>>IS, (2-1) se
puede aproximar, dentro de un error de 2.1%, a
......................... (2-3)
(2.2.2) Región de polarización inversa.
En la región de polarización inversa, VD<0.
Si VD<0y │VD│>>VT, cosa que ocurre para VD<-0.1, el termino
de la exponencial de la ecuación (2-1) se vuelve
despreciablemente pequeño en comparación con la unidad, y la
corriente del diodo ID se vuelve
“Lo que indica que la corriente del diodo ID en la dirección
inversa es constante y es igual a IS”.
(2.2.3) Región de ruptura.
En la región de ruptura, el voltaje es alto, por lo general mayor
que 1000 V.
La magnitud del voltaje inverso excede un voltaje especificado
conocido como voltaje de ruptura, VBR.
La corriente inversa aumenta rápidamente con un pequeño
cambio en el voltaje inverso más allá de VBR.
La operación en la región de ruptura no será destructiva,
siempre y cuando la disipación de la potencia esté dentro del
“nivel seguro” especificado en la hoja de datos del fabricante. A menudo es necesario limitar la corriente inversa en la región de ruptura, para
mantener la disipación de la energía dentro de valores permisibles.
Ejemplo 2-1 :
La caída de voltaje directa de un diodo de potencia es VD=1.2 V
a ID=300 A. Suponiendo que n=2 y VT=25.8 mV, encuentre la
corriente de saturación IS.
Solución :
Aplicando la ecuación (2-1), podemos encontrar la corriente de
fuga (o corriente de saturación) IS, a partir de
lo que nos da IS=2.38371*10-8 A.
2.3) CARACTERÍSTICAS DE LA RECUPERACIÓN INVERSA :
Cuando un diodo está en modo de conducción directa y su
corriente se reduce a cero (debido al comportamiento natural
del circuito del diodo o a la aplicación de un voltaje inverso), el
diodo continúa conduciendo, debido a los portadores
minoritarios que permanecen almacenados en la unión pn y en
el material del cuerpo del semiconductor.
Los portadores minoritarios requieren de un cierto tiempo para
recombinarse con cargas opuestas y neutralizarse.
Este tiempo se conoce como tiempo de recuperación inversa del
diodo.
Fig.2.3 Características de recuperación Inversa.
En la figura 2-3 se muestran dos características de recuperación
inversa de diodos de unión.
El más común es el tipo de recuperación suave.
El tiempo de recuperación inversa se denomina trr y se mide a
partir del cruce del cero inicial de la corriente del diodo con el
25% de la corriente inversa máxima (o de pico), IRR.
trr está formado por dos componentes, ta y tb.
ta está generado por el almacenamiento de carga en la
región de agotamiento de la unión y representa el tiempo
entre el cruce por cero y la corriente inversa pico, IRR.
tb es debido al almacenamiento de carga en el material del
cuerpo del semiconductor.
La relación tb/ta se conoce como el factor de suavidad, SF.
Para efectos prácticos, uno debe preocuparse por el tiempo total
de recuperación trr y por el valor pico de la corriente inversa IRR.
....................................... (2-5)
La corriente inversa pico se puede expresar como :
......................................... (2-6)
El tiempo de recuperación inversa trr, se define como el
intervalo de tiempo entre el instante en que la corriente pasa a
través de cero, durante el cambio de la conducción directa a la
condición de bloqueo inverso, y el momento en que la corriente
inversa se ha reducido al 25% de su valor inverso pico iRR.
trr depende de:
la temperatura de la unión,
de la velocidad de abatimiento de la corriente directa antes
de la conmutación.
La carga de recuperación inversa QRR, es la cantidad de
portadores de carga que fluyen a través del diodo en dirección
inversa debido a un cambio de la conducción directa a la
condición de bloqueo inverso.
Su valor queda determinado por el área encerrada por la
trayectoria de la corriente de recuperación inversa.
La carga de almacenamiento, que es el área envuelta por la
trayectoria de la corriente de recuperación, es aproximadamente
.............................. (2-7)
O bien
............................... (2-8)
(2-6) = (2-8) , nos da:
............................... (2-9)
Si tb es despreciable en comparación con ta, que por lo general es
el caso, trr ≈ ta, y la ecuación (2-9) se convierte en :
................................................ (2-10)
................................................ (2-11)
De (2-10) y (2-11) notamos que el tiempo de recuperación
inversa trr y la corriente de recuperación inversa pico IRR
dependen de la carga de almacenamiento QRR y de di/dt inverso.
La carga de almacenamiento depende de:
La corriente directa del diodo IF.
La corriente de recuperación inversa pico IRR.
La carga inversa QRR y el factor de suavidad son todos de interés
para el diseñador de circuitos, y estos parámetros se incluyen en
forma común en las hojas de especificaciones de diodos.
Si un diodo está en condiciones de polarización inversa, fluye
una corriente de fuga debida a los portadores minoritarios.
En ese caso, la aplicación de un voltaje directo obligaría al diodo
a conducir la corriente en la dirección directa. Sin embargo, se
requiere de un cierto tiempo, conocido como el tiempo de
recuperación directa (o de activación), antes de que los
portadores mayoritarios de toda la unión puedan contribuir al
flujo de corriente.
Si la velocidad de elevación de la corriente directa es alta, y la
corriente directa está concentrada en una pequeña superficie de
la unión, el diodo puede fallar.
Por lo tanto, el tiempo de recuperación directo limita la
velocidad de elevación de la corriente directa y la velocidad de
conmutación.
Ejemplo 2-2
El tiempo de recuperación inversa de un diodo es trr=3μs y la
velocidad del decremento o de la reducción de la corriente del
diodo es di/dt=30A/μs. Determine:
(a) la carga de almacenamiento QRR y
(b) la corriente inversa pico IRR.
Solución : trr=3μs y di/dt = 30 A/μs.
De la ecuación (2-10) :
De la ecuación (2-11) :
*******************************************************
2.4 TIPOS DE DIODOS DE POTENCIA :
Idealmente, un diodo no debería de tener tiempo de recuperación inversa. Sin embargo, el costo de fabricación de un diodo semejante aumentaría. En muchas aplicaciones, no son de importancia los efectos del tiempo de recuperación inversa, y se pueden utilizar diodos pocos costosos. Dependiendo de las características de recuperación y de las técnicas de fabricación, los diodos de potencia se pueden clasificar en tres categorías. Las características y las limitaciones practicas de cada uno de estos tipos restringen sus aplicaciones.
Los diodos de potencia son de tres tipos:
a) De uso general,
b) De alta velocidad (o de recuperación rápida) y
c) Schottky.
2.4.1) Diodos de uso general :
Los diodos rectificadores de uso general. Tienen un trr relativamente alto, típicamente de 25μs. Se utilizan en aplicaciones de baja velocidad (hasta 1kHz). Trabajan con corrientes desde 1 A hasta varios miles de
Amp. Con voltajes desde 50 V hasta 5 kV. Estos diodos generalmente se fabrican por difusión. Existen los rectificadores de tipo de aleación usados en las
fuentes de alimentación para máquinas de soldadura son muy económicos y duraderos, cuyas especificaciones pueden llegar hasta 300 A y 1000 V.
2.4.2) Diodos de recuperación rápida :
Se usan en circuitos convertidores cd-cd y cd-ca, donde la velocidad de recuperación es a menudo de importancia crítica.
Tienen trr bajo, menor que 5 μS. Trabajan desde 1Amp hasta varios cientos de Amp. Con tensiones desde 50 V hasta 3 kV. Para especificaciones de voltaje por arriba de 400 V, los
diodos de recuperación rápida por lo general se fabrican por difusión y el tiempo de recuperación es controlado por difusión de oro o platino.
Para especificaciones de voltaje por debajo de 400 V, los diodos epitaxiales proporcionan velocidades de conmutación mayores que las de los diodos de difusión. (Los diodos epitaxiales tienen la base mas angosta, lo que permite un rápido tiempo de recuperación, tan bajo como 50 nS).
En la fig.2.4 se muestran diodos de recuperación rápida de varios tamaños.
Fig. 2.4 Diodos de recuperación rápida.
2.4.3) Diodos Schottky : (Portadores de alta energia)
El efecto de recuperación se debe únicamente a la autocapacitancia de la unión semiconductora.
Tiene una salida de voltaje directa relativamente baja. La corriente de fuga es mayor que la de un diodo de unión
pn. Un diodo Schottky con un voltaje de conducción
relativamente bajo tiene una corriente de fuga relativamente alta, y viceversa.
Como resultado, su voltaje máximo permisible está por lo general limitado a 100V.
Trabajan con corrientes desde 1 A a 300A. Son ideales para las fuentes de alimentación de alta
corriente y de bajo voltaje en corriente directa. Sin embargo, también se utilizan en fuentes de
alimentación de baja corriente para una eficiencia mayor.
Fig.2.5 Rectificadores Shottky de 20 y de 30 Amperios, duales.
Especificaciones
Fig.2.6 Especificaciones de un diodo de Potencia.
Fig.2.7 Especificaciones de un diodo de potencia.
2.5) DIODOS CONECTADOS EN SERIE :
En muchas aplicaciones de alto voltaje (Ejemplo en líneas de transmisión HVDC), un diodo comercialmente disponible no puede dar la especificación de voltaje requerida, por lo que los diodos se conectan en serie para aumentar las capacidades de bloqueo inverso.
Consideramos dos diodos conectados en serie, como se muestra en la fig.2.8a. En la práctica, las características v-i para el mismo tipo de diodo difieren debido a la tolerancia en su proceso de producción. En la fig.2.8-b se muestran dos características v-i para tales diodos.
Fig. 2.8 Diodos conectados en serie con polarización inversa
En condición de polarización directa, ambos diodos conducen la misma cantidad de corriente, y la caída de voltaje directa de cada diodo debería ser prácticamente la misma.Sin embargo, en la condición de bloqueo inverso, cada diodo tiene que llevar la misma corriente de fuga y, como resultado, los voltajes de bloqueo variarán en forma significativa.
Una solución sencilla a este problema, tal y como se muestra en la fig.2.9-a, es obligar a que se comparta el mismo voltaje conectando una resistencia a través de cada diodo. Debido a esta distribución de voltajes iguales, la corriente de fuga de cada diodo sería diferente, lo cual se muestra en la fig.2.9b.
Fig.2.9 Diodos conectados en serie, con características de distribución de voltaje en régimen permanente-
En vista que la corriente de fuga debe ser compartida por un diodo y su resistencia.
........................... (2-12)
Pero: IR1 =VD1 /R1 e IR2 = VD2/R2. La ecuación (2-12) proporciona la relación entre R1 y R2 para una distribución de voltaje igual, en la forma.
................................. (2-13)Si las resistencias son iguales, R = R1 = R2 y los dos voltajes del diodo serían ligeramente distintos, dependiendo de las similitudes entre las dos características v-i.
Los valores VD1 y VD2 se pueden determinar de las ecuaciones (2-14) y (2-15):
........................... (2-14) ........................... (2-15)
La distribución del voltaje bajo condiciones transitorias (o sea, debido a cargas en conmutación, aplicaciones iniciales de un voltaje de entrada) se lleva a cabo conectando condensadores a través de cada diodo, lo que se muestra en la fig.2.10. R1 limita la velocidad de elevación del voltaje de bloqueo.
Fig.2.10 Diodos en serie con redes de distribución de voltaje bajo condiciones de régimen permanente y transitorio.
2.6) DIODOS CONECTADOS EN PARALELO :
En aplicaciones de alta potencia, los diodo se conectan en paralelo para aumentar la capacidad de conducción de corriente, a fin de alcanzar las especificaciones de corriente deseadas.
La distribución de corriente de los diodos estaría de acuerdo con sus respectivas caídas de voltaje directas.
Se puede obtener una distribución uniforme de corriente proporcionando inductancias iguales (por ejemplo en los terminales),
O conectando resistencias de distribución de corriente (cosa que puede no ser práctica debido a perdidas de energía); lo anterior se muestra en la fig.2.11.
Fig.2.11Diodos conectados en Paralelo.
Es posible minimizar este problema seleccionado diodos con caídas de voltaje directas iguales o diodos del mismo tipo.
Las resistencias de la fig.2.11-a, ayudarán a la repartición de corriente en condiciones de régimen permanente.
La repartición de corriente en condiciones dinámicas se puede llevar a cabo mediante la conexión de inductores acoplados, ver fig.2.11-b.
Los inductores generarían picos de voltaje y podrían resultar costosos y voluminosos, especialmente en corrientes altas.