Diodo de potencia

Un diodo semiconductor es una estructura P-N que, dentro de sus límites de tensión y
corriente, permite la circulación de corriente en un único sentido. Detalles de funcionamiento,
generalmente despreciados para los diodos  de señal, pueden ser  significativos para
componentes de mayor potencia, caracterizados por un área mayor (para permitir mayores
corrientes) y mayor longitud (para soportar tensiones inversas más elevadas). La figura 2.1
muestra la estructura interna de un diodo de potencia.

Como se puede observar en la figura anterior, el diodo está  formado por una sola
unión PN, aunque la estructura de un diodo de potencia es algo diferente a la de un diodo de
señal, puesto que en este caso existe una región N intermediaria con un bajo dopaje. El papel
de esta región es permitir al componente soportar tensiones inversas más elevadas. Esta
región de pequeña densidad de dopaje dará al diodo una significativa característica resistiva
en polarización directa, la cual se vuelve más significativa cuanto mayor sea la tensión que ha
de soportar el componente. Las capas que hacen los contactos externos son altamente
dopadas, para obtener un contacto con características óhmicas y no del tipo semiconductor.
La figura siguiente muestra el símbolo y la característica estática corriente-tensión de
un diodo de potencia.    Dispositivos de Electrónica de Potencia

 

La tensión VF que se indica en la curva estática corriente-tensión se refiere a la caída de
tensión cuando el diodo está conduciendo (polarización directa). Para diodos de potencia, ésta
tensión de caída en conducción directa oscila aproximadamente entre 1 y 2 Volts. Además,
esta caída depende de la corriente que circule, teniéndose una característica corriente - tensión
bastante lineal en la zona  de conducción. Esta relación se  conoce como la resistencia en
conducción del diodo, abreviada por  Ron y que se puede obtener como el inverso de la
pendiente de la asíntota de la curva estática en la zona de polarización directa. La tensión VR
representa la tensión de ruptura del dispositivo (“Breakdown Voltage”) o, lo que es lo mismo,
la máxima tensión inversa que puede soportar el diodo cuando  éste está bloqueado
(polarización inversa).
Un diodo de potencia puede soportar tensiones inversas elevadas. Si se supera el valor
de tensión de ruptura  especificado por el fabricante, el diodo puede llegar a destruirse por
excesiva circulación de corriente inversa y en definitiva, por excesiva disipación de potencia.
Los diodos de potencia pueden llegar a soportar  tensiones de ruptura de kiloVolts (kV), y
pueden conducir corrientes de kiloAmperes  (kA). Evidentemente, el tamaño del diodo
condiciona sus características eléctricas, llegándose a tener diodos con tamaños del orden de
varios cm

Como ya se ha mencionado, los diodos son interruptores unidireccionales en los
cuales no puede circular corriente en sentido contrario al de conducción. El único
procedimiento de control consiste en invertir la tensión ánodo cátodo, no disponiendo de
ningún terminal de control. En régimen transitorio cabe destacar dos fenómenos:

1) Recuperación Inversa: El paso de conducción a bloqueo no se efectúa
instantáneamente. Cuando el diodo conduce una corriente I en polarización directa, la
zona central de la unión está saturada de portadores mayoritarios, y aunque un circuito
externo fuerce la anulación de la corriente aplicándole una tensión inversa, cuando la
corriente pasa por cero aún existe una cantidad de portadores que cambian su sentido
de movimiento y permiten la conducción de una corriente inversa durante un tiempo,
denominado tiempo de recuperación inverso.
Los parámetros definidos en el proceso de bloqueo dependen de la corriente directa,
de la derivada de la corriente (di/dt) y de la tensión inversa aplicada. El tiempo de
recuperación de un diodo normal es del orden de 10 µs, siendo el de los diodos rápidos
del orden de algunos nanosegundos.

2) Recuperación Directa: Es otro fenómeno de retardo  de menor importancia que el
anterior, cuando el diodo pasa de bloqueo a conducción, y cuyo efecto se muestra.
En el proceso de puesta en conducción, la respuesta del diodo es inicialmente de
bloqueo a la corriente. Siendo esta respuesta quien provoca una sobre tensión Vfp,
ocasionada por la modulación de la conductividad del diodo durante la inyección de
portadores minoritarios. Así el diodo se asemeja a una resistencia donde su valor
decrece con el tiempo. Esta resistencia equivalente  está relacionada con la
concentración de portadores minoritarios inyectados. Por tanto Vfp depende de la
anchura y resistividad de la zona central del diodo.

Dependiendo de las aplicaciones, existen varios tipos de diodos:
• Diodos Schottky: Se utilizan cuando se necesita  una caída de tensión directa muy
pequeña (0,3 V típicos) para circuitos con tensiones reducidas de salida. No soportan    Dispositivos de Electrónica de Potencia
tensiones inversas superiores a 50 – 100 V.
• Diodos de recuperación rápida: Son adecuados en circuitos de frecuencia elevada en
combinación con interruptores controlables, donde se necesitan tiempos de
recuperación pequeños. Para unos niveles de potencia de varios cientos de voltios y
varios cientos de amperios, estos diodos  poseen un tiempo de recuperación inversas de pocos nanosegundos.
• Diodos rectificadores o de frecuencia de línea: La tensión en el estado de conducción
(ON) de estos diodos es la más pequeña  posible, y como consecuencia tienen un trr
grande, el cual es únicamente aceptable en aplicaciones de la frecuencia de línea.
Estos diodos son capaces de bloquear  varios kilovoltios y conducir varios
kiloamperios. Se pueden conectar en serie y/o paralelo para satisfacer cualquier rango
de tensión o de corriente.