diodos de potencia

Compuesto de huecos de electrones

El principio de funcionamiento de la mayoría de los dispositivos semiconductores se basa en fenómenos y procesos que ocurren en el límite entre dos regiones de un semiconductor con diferentes tipos de conductividad eléctrica: electrón (tipo n) y hueco (tipo p). En la región tipo n predominan los electrones que son los principales portadores de cargas eléctricas, en la región p estos son cargas positivas (huecos). El límite entre dos regiones de diferentes tipos de conductividad se denomina unión pn.

Funcionalmente, el diodo (Fig. 1) puede considerarse un interruptor electrónico no controlado con conducción unilateral. Un diodo está en estado conductor (interruptor cerrado) si se le aplica un voltaje directo.

Arroz. 1. Designación gráfica convencional del diodo.

La corriente a través del diodo iF está determinada por los parámetros del circuito externo, y la caída de voltaje en la estructura del semiconductor tiene poca importancia. Si se aplica un voltaje inverso al diodo, está en un estado no conductor (interruptor abierto) y una pequeña corriente fluye a través de él. La caída de voltaje en el diodo en este caso está determinada por los parámetros del circuito externo.

Protección de los diodos

Las causas más típicas de fallas eléctricas de un diodo son una alta tasa de aumento de la corriente directa diF/dt cuando está encendido, sobrevoltaje cuando está apagado, exceder el valor máximo de la corriente directa y romper la estructura con un voltaje inverso inaceptablemente alto.

Con valores altos de diF / dt, aparece una concentración desigual de portadores de carga en la estructura del diodo y, como resultado, un sobrecalentamiento local con el consiguiente daño a la estructura. La razón principal de los altos valores de diF / dt es el pequeño inductancia en un circuito que contiene una fuente de tensión directa y un diodo de encendido. Para reducir los valores de diF/dt, se conecta una inductancia en serie con el diodo, lo que limita la tasa de aumento de la corriente.

Para reducir los valores de las amplitudes de los voltajes aplicados al diodo cuando el circuito está apagado, se usa una resistencia R conectada en serie y condensador C es el llamado circuito RC conectado en paralelo con el diodo.

Para proteger los diodos de sobrecargas de corriente en los modos de emergencia, se utilizan fusibles eléctricos de alta velocidad.

Los principales tipos de diodos de potencia.

De acuerdo con los parámetros principales y el propósito, los diodos generalmente se dividen en tres grupos: diodos de uso general, diodos de recuperación rápida y diodos Schottky.

diodos de uso general

Este grupo de diodos se distingue por valores elevados de tensión inversa (de 50 V a 5 kV) y corriente directa (de 10 A a 5 kA). La estructura masiva de semiconductores de los diodos degrada su rendimiento. Por tanto, el tiempo de recuperación inversa de los diodos suele estar en el rango de 25-100 μs, lo que limita su uso en circuitos con frecuencias superiores a 1 kHz.Por regla general, funcionan en redes industriales con una frecuencia de 50 (60) Hz. La caída de tensión continua en los diodos de este grupo es de 2,5-3 V.

Los diodos de potencia vienen en diferentes paquetes. Los más extendidos son dos tipos de ejecución: un alfiler y una tableta (Fig. 2 a, b).

Arroz. 2. Construcción de cuerpos de diodos: a — pasador; b- tableta

Diodos de recuperación rápida. En la producción de este grupo de diodos, se utilizan varios métodos tecnológicos para reducir el tiempo de recuperación inversa. En particular, se utiliza el dopaje con silicio por el método de difusión de oro o platino, lo que permite reducir el tiempo de recuperación a 3-5 µs. Sin embargo, esto reduce los valores permitidos de corriente directa y voltaje inverso. Los valores de corriente permitidos son de 10 A a 1 kA, voltaje inverso: de 50 V a 3 kV. Los diodos más rápidos tienen un tiempo de recuperación inversa de 0,1-0,5 μs. Estos diodos se utilizan en circuitos de impulsos y de alta frecuencia con frecuencias de 10 kHz y superiores. El diseño de los diodos de este grupo es similar al de los diodos de propósito general.

Diodo Schottky

El principio de funcionamiento de los diodos Schottky se basa en las propiedades de la región de transición entre el metal y el material semiconductor. Para los diodos de potencia, se utiliza una capa de silicio empobrecido de tipo n como semiconductor. En este caso, hay una carga negativa en la región de transición del lado del metal y una carga positiva en el lado del semiconductor.

Una peculiaridad de los diodos Schottky es que la corriente directa se debe al movimiento de solo los portadores principales: los electrones. La falta de acumulación de portadores minoritarios reduce significativamente la inercia de los diodos Schottky.El tiempo de recuperación no suele ser superior a 0,3 μs, la caída de tensión directa es de aproximadamente 0,3 V. Los valores de corriente inversa en estos diodos son 2-3 órdenes de magnitud más altos que en los diodos de unión p-n. El voltaje inverso limitante generalmente no supera los 100 V. Se utilizan en circuitos de pulso de alta frecuencia y bajo voltaje.