Dentro da eletrônica de potência, o diodo de potência se destaca por ser o componente de mais simples construção. Esse componente está presente em diversas aplicações dessa grande área da engenharia elétrica, tais como processamento de energia, veículos elétricos, armazenamento de energia, iluminação, entre outras.

Diante disso, faz-se necessário conhecermos o funcionamento básico de um diodo de potência, bem como a metodologia para dimensioná-lo em aplicações de conversores estáticos. E é isso que veremos ao longo deste texto.

Aspecto Construtivo

A maioria dos diodos são compostos primeiramente por silício e, em menor extensão, por germânio. O silício é mais empregado devido a sua característica física semicondutora e sua abundância na Terra. Este material, em sua forma pura possui quatro elétrons na camada de valência, tendo que passar pelo processo de dopagem para se tornar um elemento mais condutor, porém, de maneira  controlada.

O silício quando dopado com Boro, o qual possui três elétrons livres na sua camada de valência, torna-se um material com excesso de lacunas, ou seja, um cristal positivo, conhecido como cristal tipo P [3].

A inserção de outro material, por exemplo o Fósforo, que possui cinco elétrons livres em sua camada de valência, torna o silício um material com excesso de elétrons livres, um cristal negativo, conhecido como cristal tipo N. Da união desses dois materiais tipo P (ânodo) e N (cátodo), surge a famosa junção PN característica dos diodos. Como consequência a essa união, ocorre a recombinação de elétrons e lacunas formando a   camada de depleção [3], conforme ilustrado na Figura 1. Por este motivo, existe uma tensão mínima a ser aplicada ao diodo para que o mesmo entre em condução, justamente para romper essa barreira.

Figura 1. Junção PN do diodo.

Após esta breve introdução sobre a construção física do diodo, pode-se iniciar o estudo aplicado à eletrônica de potência, onde vamos verificar as características ideais e reais deste componente, bem como sua recuperação reversa e suas perdas.

Característica Estática do Diodo Ideal

A característica tensão-corrente do diodo ideal está representada na Figura 2. Nota-se que para tensões V_F > 0 (o que caracteriza a polarização direta) sua resistência é nula permitindo a circulação de corrente ânodo-cátodo sem apresentar perda de energia. Por outro lado, o diodo ideal quando polarizado reversamente tem um resistência infinita, o que impede a circulação de corrente e apresenta uma capacidade de bloquear uma tensão infinita [1]. Estas particularidades o assemelha a um interruptor de dois estados, sendo que o estado conduzindo corresponde a um curto-circuito e o estado bloqueado a um circuito aberto. Logo, idealmente, esse tipo de componente não dissipa potência, pois em condução a tensão sobre ele é nula e em bloqueio não existe corrente.

Figura 2. Característica tensão-corrente do diodo ideal.

Característica Estática do Diodo Real

Contudo, sabe-se que o comportamento do diodo ideal é impossível de se obter. Na prática, o diodo real quando em condução apresenta uma pequena queda de tensão (V_(TO)) e possui uma pequena resistência série interna (r_T). Quando bloqueado, o diodo real possui uma tensão reversa máxima (V_RRM) a qual é capaz de suportar. Este comportamento é representado pelo circuito equivalente da Figura 3 e pela curva característica tensão vs corrente da Figura 4.

Figura 3. Circuito equivalente do diodo real.

Figura 4. Característica tensão-corrente do diodo real.

Observa-se pela curva da Figura 4 que, durante a polarização reversa do diodo, circula uma corrente de valor baixo, conhecida como corrente de fuga (I_R). Salienta-se também que o diodo uma vez em condução só será bloqueado quando a corrente que circula por ele se anular.

Recuperação Reversa do Diodo

Após a corrente que circula pelo diodo decrescer até zero, durante o bloqueio, o mesmo continua conduzindo a corrente elétrica na direção oposta (cátodo – ânodo) devido a presença de uma pequena energia armazenada em sua junção PN. O tempo em que esta corrente reversa flui é chamado de tempo de recuperação reversa (t_rr).

O diodo apenas recupera sua capacidade de bloqueio quando a corrente de recuperação reversa retornar a zero. O tempo de recuperação reversa (t_rr) é definido como o tempo entre o instante em que a corrente I_F se anula e o instante em que a corrente de recuperação reversa atingir novamente 25% do valor da corrente de pico reversa (I_RM), conforme mostrado na Figura 5 [2].

Figura 5. Corrente do diodo durante o bloqueio.

Nota-se que o tempo de recuperação reversa é composto por duas parcelas, tempo t_r e t_ri. O tempo t_r é o tempo entre o instante em que a corrente I_F se anula até I_RM atingir seu valor de pico. Por outro lado, o tempo t_ri é o tempo em que a corrente I_RM leva para diminuir até 25% do seu valor total. A área hachurada na Fig. 5 representa a energia armazenada (Q_rr) na junção PN. Diante disso, o tempo de recuperação reversa e a corrente reversa de pico são dadas, respectivamente, por:

(1)

(2)

onde dI_F/dt é a taxa de crescimento da corrente reversa.

Na eletrônica de potência é essencial conhecer os valores da corrente de pico reversa, tempo de recuperação reversa, entre outras características, para projetar os circuitos que empregam os diodos de potência. Normalmente, estes parâmetros são especificados no catálogo do próprio fabricante, tornando mais fácil a escolha do diodo.

Perdas no Diodo

Os diodos possuem basicamente dois tipos de perdas: perdas por condução e perdas por comutação. Quando o diodo encontra-se em condução, a potência que nele é perdida e convertida em calor por conta da resistência série interna (r_T) é dada pela expressão (3).

(3)

onde I_Dmed e I_Def são os valores de corrente média e eficaz que circula pelo diodo, respectivamente. Em geral, os fabricantes não informam o valor da resistência interna r_T e nem da tensão V_TO. Contudo, é possível estimá-los através da curva que relaciona a corrente direta com a tensão direta. Veja no vídeo acima como calcular esses parâmetros.

As perdas por comutação do diodo são caracterizadas em duas partes: perdas durante a entrada em condução do diodo e perdas no bloqueio do diodo.  Para que possamos entender melhor estas perdas, ilustra-se a entrada em condução de um diodo na Figura 6.

Figura 6. Corrente do diodo durante a entrada em condução.

Observa-se, que quando o diodo é comutado para entrar em condução, durante o período t_rf ocorre a presença simultânea de tensão e corrente  no componente e, consequentemente,  uma potência P_on é dissipada. Deste modo, baseando-se em [1], obtemos a seguinte expressão:

(4)

onde I_o é a corrente média que circula pelo diodo em condução,  f_s representa a frequência das comutações e V_F é valor da queda de tensão do diodo em condução, conforme ilustrado na Figura 3. Os valores de V_FP podem em alguns casos alcançar valores próximos de 40 V [1].

As perdas em bloqueio do diodo são calculadas da seguinte forma:

(5)

em que E é a tensão aplicada no diodo após ser bloqueado. Assim como visto anteriormente, Q_rr pode ser obtido por meio das Equações 1 e 2, ou até mesmo no datasheet do fabricante.

Cálculo Térmico

Posto isso, sabe-se que o diodo possui perdas em condução e comutação. Estas perdas são dissipadas em forma de calor, assim elevando a temperatura da junção PN, podendo provocar a falha do diodo. Para evitar isso, deve-se transferir o calor para o ambiente por meio de dissipadores térmicos.

Para o cálculo térmico dos dissipadores será considerado o diodo em regime permanente, cujo circuito térmico equivalente está representado na Figura 7.

Figura 7. Circuito térmico equivalente de um componente.

As grandezas representadas na Figura 7 são definidas da seguinte maneira:

• T_j – Temperatura da junção (°C);
• T_c – Temperatura da capsula (°C);
• T_d – Temperatura do dissipador (°C);
• T_a – Temperatura do ambiente (°C);
• P_D – Potência dissipada pelo diodo (W);
• R_jc – Resistência térmica entre a junção e a capsula do diodo (°C/W);
• R_cd – Resistência térmica entre a cápsula e o dissipador (°C/W);
• R_da – Resistência térmica entre o dissipador e o ambiente (°C/W);
• R_ja – Resistência térmica entre a junção e o ambiente (°C/W).

Sendo assim, a relação entre as temperaturas de junção e ambiente pode ser expressa em função da sua resistência térmica junção-ambiente e a potência dissipada, segundo:

(6)

A resistência térmica necessária entre dissipador-ambiente pode ser obtida analisando o circuito térmico da Figura 7 como se fosse um circuito elétrico. Deste modo, temos que R_da é expressa por:

(7)

Já as resistências R_jc e R_cd são normalmente fornecidas pelo fabricante do diodo. Caso o valor de R_da encontrado não seja comercial, deve-se escolher um valor menor e mais próximo do calculado.

Se quiser saber mais sobre cálculo térmico e dissipadores de calor, não deixe de conferir este outro artigo do blog.

Exemplo de Projeto

Agora para deixar mais claro o entendimento de como dimensionar o dissipador para o diodo, bem como calcular as suas perdas propomos um projeto baseado nos valores obtidos no artigo sobre o conversor Buck.

• Modelo do diodo: MUR860 da Fairchild Semiconductor
• Tensão máxima sobre o diodo: E = 50 V
• Corrente média: I_Dmed = 3 A
• Corrente eficaz: I_Def = 3,87 A
• Frequência de comutação: f_s = 20 kHz
• Tempo de entrada em condução: t_rf = 50 ns
• Tensão de pico durante a entrada em condução: V_FP = 40 V
• Temperatura ambiente: T_a= 50 °C

As características elétricas do diodo MUR860 são apresentadas na Tabela 1.

Parâmetro	Simbologia	Valor
Tensão reversa máxima	VRRM	400 V
Corrente média	IFAV	20 A
Queda de tensão direta	V(TO)	0,85 V
Temperatura de junção máxima	Tj	175 °C
Resistência térmica junção-cápsula	Rjc	2 K/W
Resistência térmica cápsula-dissipador	Rcd	1 K/W
Queda de tensão total	VF	1,5 V
Energia de Recuperação Reversa	Qrr	195 nC

Tabela 1. Características elétricas do diodo MUR860.

Perdas por Condução:

Com base nas curvas disponibilizadas no datasheet do fabricante, é possível estimar a tensão e a resistência interna do diodo em questão, obtendo-se: r_T = 0,085 Ω e V_TO = 0,657 V. Assim,

Perdas por Entrada em Condução:

A queda de tensão sobre o diodo durante a condução é dada por: .

Perdas por Bloqueio:

Perda Total no Diodo:

Resistência Térmica Junção-Ambiente:

Para o dimensionamento do dissipador de potência, podemos considerar uma temperatura de junção máxima em torno de 80% do valor encontrado no datesheet, de modo que o componente não opere em seu limite.

Resistência Térmica Dissipador-Ambiente:

Após isso, precisamos escolher o dissipador a ser utilizado. Um bom catálogo que fornece as informações necessárias para o nosso exemplo é o da empresa HS Dissipadores. Baseado na resistência térmica que o dissipador precisa ter (R_da< 22,7 °C/W), escolheu-se o modelo HS 1509, cujas características são descritas a seguir:

• Resistência térmica dissipador-ambiente: 19,8 °C/W
• Perímetro: 78 mm
• Largura: 15 mm

Por fim, basta verificarmos se a temperatura de junção considerando o dissipador de potência ficou abaixo do limite máximo estabelecido. Para isso, utilizamos a seguinte equação:

Como o resultado obtido é inferior a 80% da temperatura de junção máxima suportada pelo componente, podemos concluir que o projeto está adequado.

E para esclarecer ainda mais esse conteúdo, o vídeo a seguir mostra dois exemplos numéricos utilizando simulações no software LTspice.

Conclusão

Este artigo teve como objetivo apresentar os aspectos gerais de um diodo aplicado a eletrônica de potência. Em resumo, abordamos desde as suas características construtivas até o projeto de dissipador, conforme exibido em um exemplo teórico.

Por enquanto é isso pessoal. Deixo-me à disposição de vocês para eventuais dúvidas e espero que tenham entendido o básico do diodo de potência. Em continuidade deste artigo, irei abordar outro semicondutor muito importante na eletrônica de potência, que é o MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Aguardo vocês em meu próximo artigo e não deixem de ler os demais.

Referências

[1] Barbi, I. “Eletrônica de Potência”. 8ª Ed. Florianópolis, 2017.

[2] Bimbhra, P. S. “Power Electronics”. 3ª Ed. New Delhi, 2004.

[3] Mello, H. A. e Intrator, E. “Dispositivos Semicondutores”. 4ª Ed. Rio de Janeiro, 1980.