Resumen de Electronica de potencia

U.T.N. F.R.M. Ingeniería Electrónica

Resumen de Electrónica de

Potencia

Autores: Juan Pablo Martí y Emiliano Lavagetti

Autores: Juan Pablo Martí y Emiliano Lavagetti Página 1 Resumen de Electrónica de Potencia

PRIMERA PARTE: BASES TEÓRICAS

UNIDAD I: SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

Diodos de potencia

El diodo es el interruptor electrónico más simple. No se puede controlar, en el sentido de que son las tensiones y corrientes del circuito los que determinan los estados de conducción y corte. El diodo está polarizado en directo cuando la corriente es positiva y en inverso cuando la tensión es negativa.

Características físicas

Tipos de estructura

Estructura de dos capas

Es la conocida estructura P-N.

Estructura de tres capas

Se adiciona una región tipo n con pocas impurezas entre las regiones tipo p y n clásicas. Esto proporciona una alta capacidad de bloqueo de tensión (necesaria para trabajar en alta tensión). La nueva estructura se llama p-n-n+ (Figura I-1).

Figura I-1

Bordes biselados

Las imperfecciones en el borde del disco o pastilla semiconductora dan origen a zonas débiles para soportar la tensión inversa: alta tensión distribuida en una corta distancia hace generar arcos ( ), y se entra en un proceso de avalancha. En los semiconductores de potencia se realiza un biselado a los bordes, de tal manera de aumentar el parámetro distancia, reduciendo el campo eléctrico disponible en las imperfecciones, y evitando así los arcos de tensión. Con esto se asegura que, de existir avalancha, ocurra dentro de la pastilla, con lo cual se puede controlar.

Figura I-2

Encapsulados

Funciones del encapsulado:

Aislamiento pastilla-atmósfera (deterioro químico).

Conexión eléctrica al circuito.


Disipación térmica. Los tipos de encapsulado más comunes se muestran en la Figura I-3.

Figura I-3

Características eléctricas

Características deseables en un diodo de potencia:

En estado de conducción: Soportar gran intensidad de corriente directa con pequeña caída de tensión.

En estado de bloqueo: Soportar una elevada tensión inversa con pequeña corriente de fuga.

Curva característica

La característica directa de corriente-tensión ( ) del diodo responde a la ecuación:

( )

donde es la tensión de generación térmica. La curva característica del diodo tiene la forma mostrada en la Figura I-4, donde es la tensión inversa de ruptura (máxima).

Figura I-4

Características estáticas

Modelos estáticos del diodo

Son modelos eléctricos aproximados que facilitan los cálculos (Figura I-5).

Figura I-5

Parámetros eléctricos en conducción

(corriente directa media): valor medio soportado de la corriente directa.


(corriente directa de pico repetitivo): soportada una vez por ciclo. (corriente directa de pico no repetitivo): soportada una sola vez.

Puede ser repetida si el dispositivo vuelve a las condiciones térmicas iniciales.

Parámetros eléctricos en bloqueo

(tensión inversa pico de trabajo): soportada en forma continua.

(tensión inversa de pico repetitivo): soportada una vez por ciclo.

(tensión inversa de pico no repetitivo): soportada una sola vez. Puede ser repetida si el dispositivo vuelve a las condiciones térmicas iniciales.

(tensión de ruptura): si se alcanza, el diodo se destruye.

Características dinámicas

Recuperación inversa

Cuando un diodo está conduciendo en polarización directa y se le aplica un voltaje negativo, el diodo continua conduciendo (corriente distinta de cero) debido a los portadores minoritarios que permanecen almacenados en la unión p-n y en el material del cuerpo del semiconductor. Se conoce como tiempo de recuperación inversa ( ) al tiempo que requieren estos portadores para recombinarse. La Figura I-6 muestra dos características distintas de recuperación inversa: recuperación estándar (izquierda) y recuperación suave (derecha).

Figura I-6

se mide a partir del cruce por cero de la corriente y hasta que la misma tome el 25% del valor de corriente inversa máxima ( ). Se compone como la suma de un valor y otro , como se muestra en la gráfica. El cociente entre estos valores determina el factor de suavidad :

El valor de depende de la temperatura de la unión, de la velocidad de caída de la corriente directa ( ) y de la corriente directa presente antes de la conmutación. La ecuación que lo determina es:

√

donde es la carga almacenada de recuperación inversa, y depende directamente de . Las hojas de datos de los diodos suelen incluir los valores típicos de , y .


Influencia en la conmutación

Si el no es despreciable frente al período de la onda en cuestión, existen dos fenómenos importantes:

Limitación de la frecuencia de conmutación.

Disipación de potencia significativa durante la conmutación. Por ende, para altas frecuencias debemos usar diodos de recuperación rápida.

Recuperación directa

Cuando un diodo está en polarización inversa y se le aplica un voltaje positivo, se requiere de un cierto tiempo conocido como el tiempo de recuperación directa o de activación , antes que los portadores mayoritarios puedan contribuir al flujo de corriente. Este tiempo limita la velocidad de elevación de la corriente directa y la velocidad de conmutación. Su valor se toma del 10 al 90% del valor final alcanzado. Si la velocidad de elevación de la corriente es alta y la corriente directa está concentrada en una pequeña superficie de la unión, el diodo puede destruirse. Este tiempo es bastante menor que y no suele producir pérdidas de potencia apreciables.

Límites de frecuencia

Debido a los tiempos de recuperación directa e inversa es que existen limitaciones en frecuencia para el uso de los diodos. Si durante alguno de esos tiempos se solapa la conmutación del siguiente pulso, el diodo no cumple la función para la que fue puesto en el circuito. Para solucionar estos problemas surgen los diodos de conmutación rápida.

Velocidad de cambio de corriente

Valores altos de destruyen al diodo por la provocación de puntos calientes. Esto sucede cuando el valor de es mayor que la velocidad con que la corriente se difunde por la pastilla, ya que se concentra toda la corriente en una sección.

Velocidad de cambio de tensión

Valores altos de no tienen demasiada significación para los diodos de potencia, más allá de provocar efectos transitorios.

Disipación de potencia

Disipación estática

Existen diversos conceptos para evaluar la disipación estática en un diodo de potencia:

Potencia máxima disipable ( ): Es el valor máximo que el dispositivo puede disipar, pero no es la potencia que disipa de forma nominal.

Potencia media disipada ( ): Disipación de potencia resultante en estado de conducción (ya que se desprecia la potencia de pérdida en estado de polarización inversa). Teniendo en cuenta el modelo estático del diodo, el valor de esta potencia es:


donde es la caída de tensión en conducción, es la intensidad media nominal, es la intensidad eficaz y es la resistencia equivalente del

diodo.

Potencia inversa pico repetitiva ( ): Máxima potencia que puede disipar el dispositivo en estado de bloqueo con repetición a la frecuencia de trabajo.

Potencia inversa pico no repetitiva ( ): Similar a la anterior pero dada para un pulso único.

Disipación dinámica

Durante el tiempo de recuperación inversa está circulando corriente por el diodo teniendo una tensión inversa aplicada, por lo cual se produce una disipación de potencia extra, que debe tenerse en cuenta en aplicaciones de conmutación.

Características circuitales

Diodos en serie

En muchas aplicaciones de alto voltaje, un modelo comercialmente disponible de diodo puede no cumplir la especificación de voltaje requerido, por lo que se conectan varios diodos en serie para aumentar las capacidades de bloqueo inverso. El problema que surge es que, debido a la dispersión en la fabricación de los dispositivos, los diodos no tienen la misma curva característica. Como están conectados en serie comparten la misma corriente , pero tendrán distinta tensión de bloqueo, como muestra la Figura I-7, lo cual traería aparejado un desbalance que puede hacer que se supere la tensión de bloqueo máxima que soporta uno de los dispositivos, con lo cual se destruiría.

Figura I-7

Una solución a esto es obligar a que se comparta el mismo voltaje, poniendo resistencias en paralelo con los diodos, como se muestra en la Figura I-8.

Figura I-8

Para solucionar el mismo problema en estado transitorio, se agregarán en paralelo también ramas de resistencia-capacidad en serie, que determinen sus propias .

Diodos en paralelo

En aplicaciones de alta potencia, cuando un diodo no cumple con los requerimientos de corriente, se conectan varios en paralelo. El problema ocasionado aquí es que, debido a las diferencias en sus curvas características, se manejarán corrientes distintas, pudiendo


embalarse térmicamente uno de ellos, con lo cual termina por destruirse todo el conjunto. La solución intuitiva y dual del caso anterior sería conectar resistencias en serie con los diodos, para limitar las corrientes. Sin embargo esta es una solución poco eficiente y poco probable: no existen resistores discretos que manejen una muy alta corriente y potencia. Suele usarse la resistencia propia de los conductores de conexión de los diodos para compensar estos efectos. Para el caso transitorio se conectan inductancias acopladas inversamente en ambas ramas. Pero los picos de tensión provocados por los inductores, así como su tamaño y costo, hacen que tampoco esta solución sea viable.

Tiristores

Los tiristores son interruptores electrónicos unidireccionales (rectificadores) utilizados en aplicaciones donde es necesario controlar la activación eléctricamente.


Estructura interna

El tiristor es un dispositivo semiconductor de cuatro capas, con una disposición PNPN. En la Figura I-9 se muestra su símbolo y su estructura interna. Existen tres técnicas de construcción: difusión (la más utilizada en la actualidad), planar y crecimiento epitaxial. El material empleado para la fabricación es casi exclusivamente silicio.

Figura I-9



La Figura I-10 muestra la curva característica de un tiristor, y su variación para distintos valores de la corriente de compuerta.

Figura I-10

Cuando no hay tensión , el dispositivo se comporta de la siguiente manera:

Estado de bloqueo: Cuando se hace positivo, las junturas J1 y J3 tienen polarización directa, y J2 inversa, por lo que sólo fluirá una pequeña corriente de fuga.


Estado de conducción (ruptura por avalancha): Cuando se incrementa lo suficiente, hasta alcanzar un valor , J2 entrará en ruptura. Circulará corriente por dicha juntura y el dispositivo estará en conducción. La caída de tensión será pequeña (típicamente ). La corriente de ánodo debe ser mayor que un cierto valor conocido como corriente de enganche ( ) para mantener la conducción. Caso contrario el mismo volverá al estado de bloqueo. Una vez que el tiristor está activado, no hay control sobre el mismo hasta que la corriente no disminuya hasta un nivel conocido como corriente de mantenimiento ( ).

Podemos activar el tiristor reduciendo el valor de necesario para la ruptura mediante la aplicación de una tensión de compuerta-cátodo . Una vez que la corriente de ánodo es mayor que la corriente de mantenimiento, el dispositivo sigue conduciendo debido a una realimentación positiva, aún si se elimina la señal de compuerta.

Modelo de dos transistores

Podemos realizar un modelo equivalente del tiristor mediante dos transistores. Este se muestra en la Figura I-11 y explica cualitativamente el funcionamiento del dispositivo, tanto de forma estática como dinámica.

Figura I-11

En el modelo transitorio se muestran las capacitancias parásitas de las uniones PN. Si el tiristor está bloqueado y se aplica un voltaje de crecimiento rápido, la corriente a través de estas capacidades ( ) hará que el dispositivo se active de forma indeseada, y puede llegar a destruirlo.


Características de puerta

El problema diseño del circuito de disparo se centra en asegurar la activación con un cierto impulso de puerta y que no haya disparo entre los impulsos. La dispersión de la curva característica de en función de (característica de puerta) de una unidad a otra del mismo tipo es muy grande, y el fabricante se ve obligado a proporcionar las curvas límites dentro de las cuales estará situada la característica real de un dispositivo en particular. Se facilita para cada tipo de tiristor, valores prácticos, que determinan tres zonas en las curvas, como se muestra en la Figura I-12.


Figura I-12


Activación del tiristor

Un tiristor se activa o dispara incrementando lo suficiente la corriente de ánodo. Esto se puede llevar a cabo de diversas formas, a saber:

Por temperatura: Las corrientes de fuga se incrementan hasta que la realimentación positiva hace disparar al tiristor.

Por efecto fotoeléctrico: La luz en las uniones del tiristor provoca generación de portadores, que tiene el mismo efecto.

Por variación de tensión: Si la velocidad de elevación de la tensión es lo grande, hay una corriente elevada en las uniones capacitivas, haciendo que se dispare el dispositivo.

Por tensión: Cuando el voltaje supera el valor de , se dispara por avalancha en la juntura central. Esto puede ser destructivo.

Por efecto transistor: Es la forma clásica de disparo. Se realiza mediante la inyección de corriente de compuerta, que reduce el voltaje de bloqueo directo, de tal manera que la polarización directa del tiristor con un voltaje superior a este lo disparará.

Diseño del circuito de control de compuerta

Para asegurar el disparo del tiristor mediante la corriente de compuerta, se deben seguir ciertos puntos en el diseño:

La señal de compuerta debe eliminarse después de activarse el tiristor, para evitar disipar potencia innecesaria.

Mientras el tiristor esté con polarización inversa, no debe haber señal de compuerta.

El ancho de pulso de compuerta debe ser mayor que el tiempo requerido para que la corriente de ánodo se eleve al valor de corriente de enganche .


Tiempos de disparo

Existen dos casos generales a tener en cuenta:

Disparo sobre un circuito resistivo: El tiempo de disparo ( ) se compone como la suma de dos tiempos (Figura I-13):

o Tiempo de retardo a la excitación ( ): Transcurre desde el momento en que se aplica un impulso a la compuerta y hasta que la intensidad de ánodo empieza a subir. Este tiempo depende de la corriente de compuerta y de su tiempo de subida, siendo más corto con impulsos de compuerta más enérgicos y rápidos.

o Tiempo de subida ( ): Es el tiempo que le toma a la intensidad subir hasta su valor final. Depende casi exclusivamente de la intensidad final del ánodo que permite el circuito exterior, aumentando con ella.

Figura I-13

Disparo sobre un circuito inductivo: En un circuito inductivo la subida de la intensidad es mucho más lenta que la bajada de tensión, y se obtendrán tiempos diferentes dependiendo a cuál de esos dos parámetros se hace referencia. De todas maneras, es más razonable definir los tiempos respecto a la corriente de ánodo. La definición de los tiempos es esencialmente la misma.

Desactivación del tiristor

Un tiristor que está en estado activo se puede desactivar reduciendo la corriente directa a un nivel por debajo de la corriente de mantenimiento . Existen varias técnicas para lograr esto. En todas ellas la corriente de ánodo se mantiene por debajo de la corriente de mantenimiento durante un tiempo lo suficientemente largo ( ), de tal manera que todos los portadores en exceso en las cuatro capas

sean barridos o recombinados.


Tiempo de desactivación

El tiempo de desactivación ( ) se compone de la suma de dos tiempos

(Figura I-14):

Tiempo de recuperación inverso ( ): Es el tiempo de recuperación inverso de las uniones J1 y J3. La aplicación de un voltaje inverso entre ánodo y cátodo reduce dicho tiempo ya que ayuda a barrer los portadores en exceso de las junturas.

Tiempo de recombinación ( ): Es el tiempo requerido por la unión PN interior J2 para recombinar los portadores en exceso. La aplicación de un voltaje inverso entre ánodo y cátodo reduce dicho tiempo.

Figura I-14

Protección contra velocidad de cambio de corriente alta

Durante el proceso de disparo, la zona de conducción se reduce a una parte del cátodo, próxima al electrodo de control. Si, durante esa fase, el circuito exterior impone un rápido crecimiento de la corriente, su densidad puede alcanzar un valor importante, debido a la pequeña área. Paralelamente, el descenso de tensión en bornes del dispositivo no es instantáneo. Se producirá entonces una alta disipación de potencia que puede destruir el dispositivo. Esto se conoce como destrucción por o puntos calientes. En la práctica, la velocidad de cambio de corriente se limita al añadir un inductor en serie . El valor utilizado para el cálculo incluirá cualquier inductancia parásita en el circuito serie. Otra forma de disminuir el efecto de la velocidad de cambio de corriente es aumentar la corriente de compuerta al máximo recomendado, para que de esta manera se acelere el proceso de difusión de la corriente por toda la pastilla.

Protección contra velocidad de cambio de tensión alta

Para proteger al tiristor contra el disparo errático y destructivo provocado por la aplicación de un pulso de tensión con una velocidad de cambio alta, se coloca un


circuito serie de resistencia y capacidad en paralelo con el dispositivo. A este circuito se lo conoce como red snubber. En la práctica se utiliza un circuito como el mostrado en la Figura I-15, que permite manejar dos constantes de tiempo: una para la carga del capacitor y otra para la descarga del mismo cuando el tiristor está activado. Los valores son:

( )

Figura I-15

No se coloca un capacitor sólo porque en el momento de la descarga la sería tan alta que me destruiría el tiristor.



La disipación estática de potencia en tiristores está limitada por la temperatura máxima de juntura. En las hojas de datos se brindan curvas que dan, para una potencia de disipación y un ángulo de conducción dados, el valor de corriente promedio directa con la que debemos trabajar para evitar superar la máxima temperatura de juntura.


Como las transiciones de tensión y corriente no son instantáneas en la conmutación de estado del tiristor, se producirá una disipación de potencia dinámica, que hay que tener en cuenta para no destruir el dispositivo. La Figura I-16 muestra esta situación para la transición de desactivado a activado. Los parámetros mostrados son y corriente de ánodo.

Figura I-16


Cuando se usan pulsos de compuerta para disparar un SCR, la máxima frecuencia de operación está limitada por la potencia promedio que puede disipar la compuerta.


Circuitos de disparo del tiristor

En los circuitos de aplicación de tiristores, aparecen potenciales altos en el circuito de potencia, y bajos en el circuito de compuerta. Por ello se requiere de un circuito aislante entre el tiristor individual y su circuito generador de impulso de compuerta. El aislamiento puede llevarse a cabo mediante transformadores de pulso o acopladores ópticos. En la Figura I-17 se muestran distintas configuraciones para el uso de transformadores de pulso.


Figura I-17

En la Figura I-18 se ejemplifica el uso de acopladores ópticos.

Figura I-18

La Figura I-19 muestra un circuito de protección para la compuerta del tiristor, una vez que la tensión de disparo está adaptada.

La resistencia aumenta la capacidad de soportar

altas, reduce el tiempo de desactivación y aumenta la corriente de mantenimiento y de enganche.

Figura I-19

El capacitor elimina los componentes de ruido de alta frecuencia, aumenta la

capacidad de soportar altas y el tiempo de retraso de la compuerta.

El diodo protege a la compuerta de un voltaje negativo.

El diodo permite sólo pulsos positivos.

La resistencia amortigua oscilaciones transitorias y limita la corriente de compuerta.

Circuitos de desactivación

En la Figura I-20 se muestran diversos métodos de desactivación.


Figura I-20

Tipos de tiristores

Existen diversos tipos de tiristores, de los cuales enunciamos a continuación los más importantes y populares.

SCR (Silicon Controlled Rectifier)

Es el tiristor estándar que hemos analizado hasta ahora. Existen SCR específicos, como los tiristores de control de fase, que se aplican a conmutaciones a baja velocidad y control de fase. Los más modernos utilizan una compuerta amplificada, de tal manera de simplificar el diseño de los circuitos de compuerta, así como reducir el inductor limitante de y los circuitos de protección de . Existen también tiristores de conmutación rápida, que tienen un corto tiempo de desactivación. Tienen una alta capacidad para soportar y .

GTO (Gate Turn Off)

Este tiristor es similar al SCR constructiva y funcionalmente, pero tiene la característica especial de poder desactivarse con una señal negativa de compuerta. Tienen una caída


de voltaje en conducción más alta, rango de tensión de bloqueo directo menor y mayor corriente de enclavamiento respecto al SCR. Una gran desventaja de estos dispositivos es la baja ganancia de corriente de desactivación, lo cual lo hace trabajar como GTO sólo para bajas corrientes, y como SCR para altas. Esto hizo que el dispositivo no tenga mucho éxito.

LASCR (Light Activated SCR)

Este dispositivo se activa mediante radiación directa provocada con luz sobre el disco de silicio. La estructura se diseña para proporcionar la suficiente sensibilidad para el disparo mediante fuentes luminosas prácticas (como LEDs). Un LASCR ofrece total aislamiento entre la fuente luminosa de disparo y el dispositivo de conmutación de potencia.

TRIAC

El TRIAC (Triode Altern Current) es un dispositivo semiconductor capaz de bloquear tensión y conducir corriente en ambos sentidos entre los terminales principales.


Estructura

La estructura contiene seis capas, aunque funciona siempre como un tiristor de cuatro capas. La estructura de capas y el símbolo del TRIAC se muestran en la Figura I-21.

Figura I-21



La Figura I-22 muestra la curva característica del TRIAC. Se ve que el funcionamiento es simétrico en cuanto a conducción y bloqueo se refiere.

Figura I-22

Modos de funcionamiento

El TRIAC puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III mediante de la aplicación entre los terminales de Puerta y Terminal 1 de un impulso de corriente positivo o negativo. Según como combinemos la polaridad de la tensión aplicada y la dirección de la corriente de puerta se obtienen cuatro modos de funcionamiento:


Modo I+: En este modo el terminal T2 es positivo respecto a T1 y la corriente de puerta es entrante.

Modo I-: En este modo el terminal T2 es positivo respecto a T1 y la corriente de puerta es saliente.

Modo III+: En este modo el terminal T2 es negativo respecto a T1 y la corriente de puerta es entrante.

Modo III-: En este modo el terminal T2 es negativo respecto a T1 y la corriente de puerta es saliente.

Los cuatro modos de disparo tienen diferente sensibilidad, siendo los modos I+ y III- los más sensibles. El modo III+ es el disparo más difícil y debe evitarse por ser un método no seguro para disparar al TRIAC.



La complicación de su estructura hace al TRIAC más delicado que un tiristor para soportar altas y sobre intensidades. Si la rapidez de aumento de la corriente es elevada en comparación con la rapidez con que se difunde la misma a través de la pastilla, se producen puntos calientes. Los valores máximos de la se especifican por el fabricante, para una corriente de compuerta dada.


Al igual que para los tiristores, un valor alto de hace disparar al TRIAC erráticamente. Esto empeora cuando lo hacemos funcionar a altas temperaturas.


Circuitos de disparo del triac

Circuitos RC

Se utilizan circuitos RC para que, controlando la carga y descarga de un capacitor, controlamos el tiempo de disparo del TRIAC, y con ello el ángulo de conducción. La Figura I-23 muestra dos configuraciones posibles.

Figura I-23

La velocidad de carga del capacitor se ajusta por medio de la resistencia variable . Con grande, el ángulo de disparo es grande, y hay poca corriente en la carga. El primer circuito (lado izquierdo de la Figura I-23) no puede retardar el disparo muy por encima de los . Para ello se utiliza el segundo circuito (lado derecho), que tiene una doble red RC.


Un inconveniente de estos sistemas es la no repetitividad de los eventos, debido a dispersiones y variaciones de los parámetros de la red.

Circuitos con DIAC

El DIAC es un dispositivo con características similares a las del TRIAC, pero sin control mediante compuerta. Posee una gran habilidad para generar pulsos de corriente, lo cual nos sirve para producir el disparo de TRIACs y tiristores. En la Figura I-24 se muestra un circuito de disparo de TRIAC mediante el uso de un DIAC y una red RC. En ella, se carga el capacitor hasta alcanzar el voltaje de ruptura del DIAC, momento en el cual se entrega un pulso de corriente de puerta al TRIAC.

Figura I-24

El valor popular de voltaje de ruptura de los DIAC es de .

Circuitos con SBS

Un SBS (interruptor bilateral de silicio – Silicon Bilateral Switch) tiene características similares al DIAC, pero con ciertas ventajas:

Voltaje de ruptura menor (alrededor de ).

Región de “resistencia negativa” más pronunciada.

Voltaje en estado de conducción menor (alrededor de ).

Contiene un terminal de compuerta que puede utilizarse para alterar la operación básica.

Mayor estabilidad en temperatura.

Más simétrico. El SBS se utiliza para eliminar el efecto de histéresis del TRIAC. El circuito utilizado es el de la Figura I-25. El funcionamiento de este circuito, básicamente, permite eliminar por completo la carga del condensador antes que se produzca el siguiente disparo, con lo cual se elimina la histéresis del circuito de compuerta del TRIAC.

Figura I-25

Transistores de potencia

Los transistores son utilizados como interruptores en los circuitos electrónicos de potencia. Los circuitos de excitación se diseñan para que estos estén completamente saturados (activados) o en corte (desactivados). La velocidad de conmutación de los transistores actuales es mucho


mayor que la de los tiristores. Sin embargo, las especificaciones de voltaje y corriente son menores que las de estos últimos.


Estructura

Se prefiere una estructura vertical para los transistores de potencia porque esta maximiza el área transversal en la cual la corriente del dispositivo fluye. Esto minimiza la resistencia de encendido y en consecuencia la disipación de potencia. Un área transversal mayor disminuye también la resistencia térmica, ayudando a minimizar problemas de disipación térmica. La Figura I-26 muestra la estructura de capas de esta disposición.

Figura I-26

Como vemos, en la juntura de colector se coloca una capa adicional, con el mismo objetivo que se colocaba en los diodos de potencia: aumentar la capacidad de bloqueo de tensión de la juntura.


Curvas características

En la Figura I-27 se muestran las curvas características de un transistor de potencia tipo NPN configurado en emisor común.

Figura I-27

En ella podemos destacar varios puntos:

Hay un valor máximo de que puede ser soportado por el transistor cuando circula una corriente, llamado . Sin circulación de corriente esta tensión sube al valor , la cual es tomada usualmente como tensión de bloqueo del transistor.

La región de ruptura primaria se debe a la ruptura convencional por avalancha de la juntura colector-base.


Existe una región de ruptura secundaria, que se analizará posteriormente.

A diferencia de los transistores de baja potencia, aquí existe una zona de cuasi saturación, consecuencia de la zona de la estructura de un transistor de potencia.


Saturación

La saturación del transistor se puede definir como el punto por arriba del cual cualquier incremento en la corriente de base no aumenta significativamente la corriente de colector. Existe un cierto valor mínimo de la corriente de base que conserva la corriente de colector en su valor de saturación . Normalmente el circuito de excitación de base se diseña de forma tal de que sea mayor que . La relación entre ellos se conoce como factor de sobre excitación ( ):

Un valor alto de no presenta ventajas significativas, pero sí implica una pérdida de potencia considerable en el circuito de base. La relación entre e se conoce como la ganancia de corriente forzada ( ):

Límites de operación segura

Hay dos factores que limitan la capacidad de manejo de potencia de un transistor:

La temperatura de juntura promedio

La ruptura secundaria

Temperatura de juntura promedio

Figura I-28

La disipación de calor en la juntura fluye a través de la resistencia térmica entre juntura y carcasa. En el caso de operación en corriente continua, este parámetro es efectivamente una resistencia térmica . Para la operación

por pulsos, debemos representarla como una impedancia térmica . En

este último caso, la juntura no tiene tiempo para ser completamente calentada y estará parcialmente o completamente fría durante los intervalos entre pulsos, lo cual permite una mayor disipación. La impedancia térmica


juntura-carcasa se proporciona en curvas respecto a la duración del pulso y

con el ciclo de trabajo de la onda como parámetro. La Figura I-28 muestra estas curvas.

Ruptura secundaria

La ruptura secundaria es un efecto de avalancha disparada térmicamente que, una vez comenzada, destruirá el transistor. El mecanismo puede ser entendido considerando al transistor como un gran número de transistores elementales en paralelo, donde algunos de ellos tendrán una caída de tensión en directo más baja que otros y conducirán más corriente, levantando su temperatura y produciendo una caída de tensión aún más baja. La corriente se seguirá concentrando, se provocará un punto caliente y eventualmente un cortocircuito entre emisor y colector, destruyendo al dispositivo. Este efecto puede ocurrir en polarización directa o inversa.

Curvas SOAR

Las curvas SOAR son curvas en el gráfico de ( ) que delimitan el área de operación segura para un dispositivo en particular. Existe una curva para la operación en corriente continua y una familia de ellas para régimen pulsante, existiendo una para cada combinación de ciclo de trabajo-duración del pulso. La Figura I-29 muestra un ejemplo de curvas SOAR para corriente continua y otro con un juego de curvas para régimen pulsante.

Figura I-29

En el gráfico de curva SOAR para corriente continua se ve un segmento de líneas discontinuas. Este efecto se da cuando la temperatura de carcasa es mayor que la nominal. Este efecto es la consecuencia de las curvas de degradación térmica de potencia aplicada a las curvas SOAR. Las curvas para régimen pulsante se derivan de la de operación continua, aplicando las curvas de impedancia térmica de la Figura I-28. Las curvas del lado derecho de la Figura I-29 son para polarización directa con cargas inductivas. En ese caso, en el encendido del dispositivo, la tensión


colector-emisor llega a duplicar la . Este efecto se muestra en líneas discontinuas. Se permite este sobrepaso siempre que la corriente de colector se lleve a un nivel seguro mediante una recta de carga adecuada.


Modelo dinámico

En la Figura I-30 se muestra el modelo dinámico (transitorio) para un transistor de potencia. Los parámetros más significativos son las capacidades parásitas y .

Figura I-30

Tiempos de conmutación

En la Figura I-31 se muestran las formas de onda aproximadas de tensión de base, corriente de base y corriente de colector para una aplicación típica de conmutación.

Figura I-31

Se puede distinguir que para apagar al transistor se aplica una tensión negativa en la base, que permita extraer más rápidamente los portadores almacenados, acelerando la conmutación. Los tiempos involucrados en el proceso son:

Tiempo de activación ( ): Es la suma de dos tiempos: o Tiempo de retraso ( ): Tiempo que le toma a la corriente de

colector reaccionar. o Tiempo de elevación ( ): Tiempo de subida de la corriente de

colector. Depende de la constante de tiempo de la unión base-emisor.

Tiempo de desactivación ( ): Es la suma de dos tiempos:

o Tiempo de almacenamiento ( ): Es el tiempo que se requiere para eliminar la carga de saturación de la base.


o Tiempo de abatimiento ( ): Es el tiempo de bajada de la corriente

de colector. Depende de la constante de tiempo de la unión base-emisor.

Transición de estados en conmutación

La Figura I-32 muestra cómo se produce la transición de estados para carga resistiva y para carga inductiva. Como se puede observar, la tensión para el caso inductivo supera el voltaje de fuente hasta un límite tolerable por el transistor.

Figura I-32


Valores altos de provocan la destrucción de un transistor de potencia debido a la provocación de puntos calientes.


Valores altos de no tienen demasiada significación en transistores bipolares de potencia, más allá de estar limitados al valor máximo que indica el fabricante.


Los límites de frecuencia para transistores bipolares de potencia están dado por las velocidades de conmutación. Como los tiempos más críticos están definidos principalmente por la física del semiconductor, el límite de frecuencia depende fundamentalmente de los circuitos de excitación.


Control de la excitación de base

Existen diversas técnicas para controlar la excitación de base con el objetivo de reducir los tiempos de conmutación. Lo que se busca es que la forma de onda de la corriente de base sea como muestra la Figura I-33. A continuación veremos las técnicas más usadas.

Figura I-33

Control de activación y desactivación

Podemos obtener los picos de corriente de base e con un simple circuito RC, como se muestra en la Figura I-34.


Figura I-34

La constante de tiempo de carga del capacitor es: ( )

El ancho de pulso de base debe ser suficientemente mayor que para

permitir el trabajo correcto del dispositivo. Típicamente:

La constante de tiempo de descarga del capacitor es:

El ancho de la parte inactiva del pulso de base debe ser suficientemente mayor que para permitir la descarga completa del capacitor. Típicamente:

Si se requieren diferentes características de activación y desactivación se pueden utilizar dos redes RC separadas mediante el uso de un diodo, como se muestra en la Figura I-35.

Figura I-35

Control proporcional de la base

La desventaja del circuito anterior es que, si la corriente de colector cambia debido a cambios en la demanda de la carga, la corriente de base no sigue esas variaciones. Para solucionar esto existe el control proporcional de base. Una configuración típica se muestra en la Figura I-36.

Figura I-36

Cuando se cierra, como se comporta como un cortocircuito en el instante inicial, fluye un pulso hacia el transformador, el cual aparecerá en la base de y hará circular un pulso de corriente por el colector. Esa corriente, por efecto del transformador, mantendrá encendido al transistor. Cualquier cambio en la carga se traducirá en un incremento en la corriente de base. Para que esto se cumpla, la relación de vueltas debe ser:


Además, la corriente magnetizante debe ser lo más pequeña posible. Para desactivar el transistor se debe extraer la carga del capacitor con una tensión manteniendo cerrado.

Control de anti-saturación

El tiempo de almacenamiento puede ser reducido operando el transistor en la zona de cuasi saturación. Esto se puede llevar a cabo fijando el voltaje de colector-emisor a un nivel predeterminado mayor que su valor de saturación. En la Figura I-37 se muestra el circuito llamado fijador de Baker.

Figura I-37

Con el uso de los diodos y enclavamos la tensión del transistor al valor:

Para la fijación es necesario que

La acción de fijación da como resultado una corriente de colector más reducida y la eliminación prácticamente total del tiempo de almacenamiento, además de acelerar la activación. Esto reduce las pérdidas en conmutación. Sin embargo, en razón de haber incrementado , la disipación estática de potencia en conducción aumenta. Este circuito es factible de ser usado meramente en baja potencia, pues en aplicaciones de alta potencia la disipación estática adicional no justifica su aplicación.

Power MOSFET

Introducción

El MOSFET de potencia es un dispositivo controlado por tensión, que requiere sólo de una pequeña corriente de entrada. Una tensión compuerta-fuente lo suficientemente grande activará el dispositivo, dando lugar a una pequeña tensión drenador-fuente.

Ventajas

El circuito de excitación para activar y desactivar un MOSFET es normalmente más sencillo que el utilizado para un BJT.

La velocidad de conmutación es muy alta siendo los tiempos de conmutación del orden de los nanosegundos.

Bajas pérdidas por conmutación.

Estos dispositivos no tienen los problemas de los fenómenos de ruptura secundaria que tienen los BJT.

Resistencia de entrada muy alta.


Desventajas

En aplicaciones de alta tensión, los POWER MOSFET exhiben un incremento de ( ) dando como resultado una baja en la eficiencia debido al incremento de

las pérdidas en conducción. ( ) .

Los MOSFET tienen problemas de descargas electroestáticas, por lo que su manejo requiere cuidados especiales.

Es relativamente difícil protegerlos bajo condiciones de falla por cortocircuito.

Capacidad de voltaje inverso bastante baja.


Estructura

Los POWER MOSFET son de tipo incremental. En la Figura I-38 se muestra la estructura física, llamada TMOS.

Figura I-38

En estos dispositivos no existe canal físico. Cuando la compuerta tiene un voltaje lo suficientemente positivo con respeto a la fuente, el efecto de su campo eléctrico induce una capa inversa en la superficie del canal difundido en la región representada por en la Figura I-38. Con esto se forma un canal virtual vecino a la compuerta, el cual conecta la fuente a la región ligeramente dopada del drenaje y así permite el flujo de la corriente del drenaje a la fuente. Un MOSFET tipo incremental permanece apagado con voltaje cero de compuerta.


Curvas características

La Figura I-39 muestra la característica de salida de este dispositivo ( ( )). Podemos distinguir algunos puntos claves:

La pendiente en la región óhmica no es tan grande como en el transistor bipolar, lo que nos indica una mayor resistencia de encendido ( )

La pendiente en la zona activa del MOSFET de potencia es muy pequeña, logrando de esta forma una fuente de corriente más constante.

Figura I-39



Parámetros estáticos

Corriente de drenaje ( ): Para reducidos valores de tensión , la corriente de drenaje aumenta linealmente respecto a la . Cuando la tensión drenador-fuente es incrementada, la corriente se satura y se vuelve proporcional al cuadrado de la tensión .

Resistencia de encendido ( ( )): Esta resistencia es definida como la

resistencia total encontrada por la corriente de drenador, al fluir desde el terminal de drenaje hasta el terminal de fuente. Está asociado a cuatro valores de resistencia mostrados en la Figura I-38.

o El canal de inversión . o La región de acumulamiento . o La región de agotamiento de juntura del JFET .

o La región ligeramente dopada . Con esto, el valor total es:

( )

La Figura I-40 muestra su variación respecto a la temperatura.

Figura I-40

Tensión de ruptura o de bloqueo inverso ( ( )): Ésta es la máxima

tensión inversa que soporta el dispositivo sin que sufra daño. La magnitud de esta tensión depende principalmente del dopado de la región del drenador.

Tensión de umbral ( ( )): Es la mínima tensión para la cual el dispositivo

comienza a conducir un determinado flujo de corriente . Este valor de tensión es dependiente de la temperatura de juntura en forma lineal.

Corriente pico máxima ( ( )): Todos los transistores de potencia tienen

un valor de corriente pico máximo especificado por el fabricante. Para tener un margen este valor se establece a un nivel tal que garantice la operación confiable del dispositivo y no debería excederse. Una técnica para asegurar que los picos de corriente no excedan las posibilidades del dispositivo es usando un control de censado de corriente que apaga el dispositivo cuando se alcanza un límite preestablecido.


Área de operación segura

El POWER MOSFET no sufre el fenómeno de ruptura secundaria. El área de operación segura de estos dispositivos es determinado sólo por la potencia necesaria para aumentar la

temperatura desde a ( ). El área de operación segura es calculada asumiendo que la temperatura de carcasa es de 25°C. En la Figura I-41 observamos una variedad de pulsos entre el rango de DC hasta los 10µs.

Figura I-41

Esta SOA es el límite de un pulso de corriente a la máxima tensión. El pico de corriente está basado en una corriente por encima de la cual el dispositivo puede sufrir daños. La máxima tensión es el límite superior por encima del cual el dispositivo puede entrar en avalancha.


Parámetros dinámicos

Capacitancias internas

Son dos los tipos que aparecen en los POWER MOSFET: una asociada con la estructura MOS y la otra asociada con la juntura P-N. Las capacitancias MOS asociadas con las celdas MOSFET son:

: capacidad compuerta-fuente.

: capacidad compuerta-drenador.

Estas capacidades se muestran en la Figura I-42, y son muy estables con la temperatura y tensión, lo cual hace que la velocidad de conmutación no tenga variaciones apreciables respecto a estos parámetros.

Figura I-42

Tiempos de conmutación con carga resistiva

Los tiempos de conmutación de los MOSFET de potencia son considerablemente menores que los tiempos de conmutación de dispositivos BJT. Los valores de encendido y apagado están relacionados con las


capacidades intrínsecas, entre ellas la capacidad drenador-compuerta o capacidad de Miller. En la parte superior de la Figura I-43 vemos una curva típica de conmutación de un POWER MOSFET con carga resistiva pura.

Figura I-43

En la parte inferior vemos el efecto producido por el diodo intrínseco ubicado entre drenador y fuente. Este diodo es de portadores minoritarios, por lo que existe un tiempo de recuperación inversa finito cuando conmuta. es definido como el tiempo que transcurre entre el instante en que la corriente toma el valor cero y el correspondiente al pico máximo de . es definido como el tiempo que transcurre entre el instante del pico de y el que corresponde al 25% de . El tiempo de recuperación inversa es entonces la suma de y .

Características de conmutación

Figura I-44

Como los POWER MOSFET son dispositivos de portadores mayoritarios, no sufren los problemas de tiempo de almacenamiento que tienen los


dispositivos bipolares cuando sus portadores minoritarios tienen que ser removidos durante el apagado. Para la mayoría de las aplicaciones de los POWER MOSFET, la velocidad de conmutación está limitada sólo por el circuito de excitación y puede ser muy alta. En la Figura I-44 son mostradas las tensiones y para un MOSFET en conmutación con carga resistiva. En estos dispositivos y con esta carga, el tiempo de apagado es mayor que el tiempo de encendido.


El POWER MOSFET es relativamente inmune a altas, pero sí es sensible a picos elevados de corriente.


El POWER MOSFET es relativamente inmune a altas, pero sí es sensible a picos elevados de tensión.



Pérdidas de conducción

Están dadas por la ecuación:

( )

Es importante destacar que la ( ) de los MOSFET cuando éstos son

operados en la región óhmica, depende de la temperatura de juntura.

Pérdidas en el diodo

Estas pérdidas sólo ocurren en circuitos en los cuales se usa el diodo anti paralelo inherente a la estructura del MOSFET. Una buena aproximación de la disipación en tal diodo es el producto de la tensión del diodo, la cual es típicamente menor a , por la corriente promedio que circula a través de él.

Pérdidas de compuerta

Estas pérdidas dependen directamente de la tensión ( ), de la tensión

aplicada a la entrada del MOSFET ( ), de la frecuencia de conmutación del drive y de la capacidad vista por el drive desde la compuerta hacia la fuente del dispositivo de conmutación.


Pérdidas de conmutación

Cuando un MOSFET es excitado o apagado, llevan una gran corriente y soportan una gran tensión al mismo tiempo. Esto consecuentemente genera una gran potencia disipada durante la conmutación. Las pérdidas en este caso son despreciables en baja frecuencia, pero son dominantes en alta frecuencia. Las pérdidas en la transición al estado OFF son mayores que las correspondientes al estado ON. Estas últimas son fuertemente dependientes de la configuración del circuito, mientras que el tiempo de apagado es afectado por la impedancia de carga.



Para la mayoría de las aplicaciones de los POWER MOSFET, la velocidad de conmutación está limitada sólo por el circuito de excitación y puede ser muy alta. Es decir, la velocidad con que el drive carga las capacidades intrínsecas del dispositivo establece el límite de conmutación del dispositivo.

Características térmicas

Importancia de la temperatura máxima de juntura y el disipador

La temperatura de juntura no debe sobrepasar el valor de ( ) dado por el fabricante

según el tipo de encapsulado. Sobrepasar estos valores máximos produce graves deterioros y hasta la destrucción del dispositivo. Con la suma de un disipador logramos una reducción de la temperatura de juntura protegiendo al dispositivo de no exceder ( ), además se reduce ( ) y de esta forma se disminuye la potencia estática de

disipación.


Circuitos de excitación

El objetivo principal del diseño de circuitos de excitación es reducir las pérdidas en conmutación, al lograr cargar y descargar rápidamente las capacidades intrínsecas del dispositivo, puntualmente la capacidad de compuerta. Por ende, un circuito de excitación de POWER MOSFET debe ser capaz de absorber y generar corrientes rápidamente.

Circuitos elementales

En la Figura I-45 se muestran los circuitos de excitación más elementales.

Figura I-45

En la configuración Tótem-pole el funcionamiento es el siguiente:

se comporta como una fuente de corriente que carga la capacidad de compuerta cuando la tensión está en nivel alto, haciendo que el MOSFET se encienda. En este caso está cortado.

se comporta como una fuente de corriente que descarga la capacidad de compuerta cuando la tensión está en nivel bajo, haciendo que el MOSFET se apague. En este caso está cortado.

Circuito bootstrap

Algunas aplicaciones de POWER MOSFET requieren que la excitación de la compuerta sea flotante, ya que se manejan altas tensiones.


La Figura I-46 muestra una configuración típica llamada bootstrap para alta tensión, aplicada a un inversor para motor de CA.

Figura I-46

Este circuito tiene las siguientes características:

Los transistores y están en configuración tótem-pole por los motivos antes mencionados.

El diodo aísla la fuente de las tensiones desarrolladas en el interior del circuito. Este diodo debe ser capaz de bloquear toda la tensión del circuito ( ).

El capacitor asegura que la tensión de compuerta de estará por encima de la fuente en un valor de , independientemente del valor de la primera. La magnitud de debe ser mucho mayor que la capacidad de entrada de , para que entregue a esta la menor cantidad de carga posible.

El transistor es un pre-excitador para la configuración tótem-pole. En su base se coloca con el objetivo de controlar la corriente en dicho terminal y así evitar la saturación de y de esta forma pueda conmutar a mayor velocidad. debe poder soportar alta tensión ( ).

pertenece al circuito de realimentación - .

Funcionamiento

Supongamos que inicialmente está cerrado, el capacitor quedará puesto a masa en su terminal inferior y se cargará a través del diodo al valor de , por ejemplo . Luego el circuito de control de abrirá esta llave. Si al mismo instante un pulso negativo en la base de asegura su corte, el transistor comenzará a conducir aplicando un valor cercano a en el terminal de control de , haciendo que esta llave se cierre. En este instante, la tensión en será (por ejemplo ). Para que siga conduciendo después de este instante, la tensión en su terminal de compuerta debe estar por encima de la fuente en un valor de (en el ejemplo ). Como el capacitor se había sido cargado a previamente, podemos asegurar que la compuerta estará por encima de la fuente, independientemente del valor aplicado a la carga.


Luego se restablece el ciclo aplicando un pulso positivo en la base de y llevándolo a conducción. comenzará a conducir y extraerá carga de la compuerta de provocando su apertura. El circuito de control de hará que ésta se cierre, quedando un potencial de en . asegura que no sature y de esta manera pueda conmutar rápidamente. Si conduce una gran corriente, la caída en aumenta, polarizando la base de . Al conducir, este extrae corriente de la base de y la deriva a masa, disminuyendo la corriente de colector de este último y evitando su saturación.

Excitadores aislados

Estos excitadores tienen como finalidad aislar eléctricamente al MOSFET respecto del circuito de control. Para ello se suelen utilizar circuitos acoplados magnética u ópticamente. La parte (a) de la Figura I-47 muestra un circuito de control y otro de potencia, aislados eléctricamente por un transformador. El condensador de la parte de control evita la presencia de una tensión continua en el transformador. Como el producto voltio-segundo debe ser el mismo en el primario y en el secundario, el circuito trabaja mejor cuando el ciclo de trabajo está cercano al 50%. En la parte (b) de la Figura I-47 se muestra un circuito de excitación acoplado ópticamente.

Figura I-47

Puesta en paralelo

Si los requerimientos de potencia exceden los disponibles para un MOSFET dado, una de las formas de incrementar la potencia del sistema es poner en paralelo dos o más dispositivos. La corriente dinámica y el desbalance de energía resulta del des-apareamiento de parámetros entre ramas paralelas. El punto deseado más importante es que los MOSFET tengan poca dispersión entre sus parámetros. Los límites de funcionamiento son definidos por el desbalance debido a la resistencia en estado ON, ganancia y des-apareamiento de tensiones umbral.

Desbalances

Hay varias causas concebibles para el desbalance de corriente que pueden producir que un dispositivo en particular exceda su corriente pico o sus valores de temperatura. Ellas pueden ser:

Des-apareamiento de los parámetros de los dispositivos: ( ), ( ),

ganancia, etc.

Des-apareamiento del controlador de compuerta: , .


Des-apareamiento en el circuito de potencia: inductancia de rama y . Inductancia de fuente común al circuito de potencia y al circuito de compuerta .

Resultados de estos desbalances

Las diferencias en ( ) causarán desbalance de corriente y

pérdidas de conducción extras. Éstas son limitadas debido al coeficiente positivo de temperatura para la resistencia de los MOSFET.

Las diferencias de ganancias producen un desbalance limitado de corriente.

Las diferencias entre las tensiones ( )también causan un

desbalance limitado.

tampoco causa desbalance de corriente. Conectar todas las compuertas entre ellas y fuentes también.

afectará el tiempo requerido por la tensión para colapsar. Si las compuertas no están fuertemente desacopladas, no se genera desbalance de corriente.

Los circuitos de potencia externos de cada uno de los dispositivos normalmente no causan desbalances de corrientes.

, a través de efectos de realimentación, causará diferencias de corrientes.

La diferencia entre las resistencias de desacople en el controlador de compuerta causarán desbalance de corrientes, si las compuertas están fuertemente desacopladas.

Opciones de balanceo dinámico Técnica A: Filtrado: la corriente de desbalance se puede reducir

usando MOSFET de igual código y partida de fabricación y seleccionando los dispositivos cuyos parámetros estén dentro del 90% del rango de las especificaciones de la hoja de datos.

Técnica B: Modificación del circuito de potencia: puede ser implementada añadiendo transformadores balanceadores de corriente al circuito de potencia o añadiendo transformadores de corriente y modificando el dispositivo de control para aceptar corrientes de realimentación desde el circuito de potencia con MOSFET.

Técnica C: Limitación del desbalance con el driver de compuerta: aumentando el valor del de la línea dinámica de carga se reduce el desbalance, particularmente durante el encendido. Esto es efectivo para ciclos de trabajos altos.

Ventajas de la operación en paralelo

Si uno de los MOSFET puestos en paralelo conduce más corriente, la disipación de potencia en el mismo aumentará y por ende la temperatura de juntura se elevará.


El coeficiente de temperatura de la ( ) para MOSFET de

potencia es positivo como mostrado en la Figura I-48, por consiguiente la ( )

aumentará para aquel dispositivo que lleve más corriente. Esto no es otra cosa que una realimentación negativa, de forma tal que el propio elemento (el que conduce más corriente), se opone a que esto suceda.

Figura I-48

Obviamente, el dispositivo más frío tiene un valor de ( ) más bajo, por lo cual

tiende a conducir más corriente, equilibrando o ecualizando así el sistema y evitando, o por lo menos minimizando, el embalamiento térmico del mismo.

Transistor bipolar de compuerta aislada (IGBT)


Estructura

Encapsulados


Circuito equivalente



Velocidad de conmutación








Características térmicas


Diodo anti-paralelo

Protección contra cortocircuitos

Comparación con el Power MOSFET

Aspectos prácticos

Comparación entre los distintos interruptores electrónicos de potencia

UNIDAD II: REDES ELECTRÓNICAS DE POTENCIA

Sobretensiones

Sobrecargas

Cortocircuitos


Fusibles

UNIDAD III: ASPECTOS TÉRMICOS [REVISAR ALGUNOS CONCEPTOS QUE ESTÁN EN LA UNIDAD DE DIODOS, PÁG. 16]

SEGUNDA PARTE: APLICACIONES

UNIDAD IV: RECTIFICACIÓN Y CONTROL DE POTENCIA

Convertidores CA-CC (Rectificadores)

Convertidores CA-CA (Control de fase)

UNIDAD V: CONVERTIDORES ESTÁTICOS DE ENERGÍA: FUENTES DE

ALIMENTACIÓN

Convertidores CC-CC (Fuentes conmutadas)

Convertidores CC-CA (Inversores)

Control de factor de potencia

Escuchar grabación de la primera clase [(03-10) Elect de Pot - Teoría.WAV], porque ahí está toda la base.

UNIDAD VI: CONTROL DE MOTORES

Control de velocidad de motores de CC

Control de velocidad de motores de CA

Control de motores paso a paso


TERCERA PARTE: APLICACIONES PRÁCTICAS

Rectificador controlado con aplicaciones a distintos tipos de cargas

Control de velocidad para motor de C.C.

Motor con escobillas

Motor sin escobillas

Control de velocidad para motor de Inducción

Método PWM

Método ciclos enteros

Método ciclo convertidor

Cargador de baterías de gran potencia

Fuente conmutada de potencia

Inversor de potencia

Sistema de alimentación ininterrumpido de potencia


BIBLIOGRAFÍA Desconocido. Introducción de la electrónica de potencia. Hart, D. W. (2001). Electrónica de potencia (1 ed.). Madrid: Prentice Hall. Mohan, N. (2003). Power electronics and drives. Minneapolis: Mnpere. Saldeña, I. D. (2010). Apuntes de la cátedra Electrónica de Potencia. Mendoza: Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Mendoza.

ÍNDICE PRIMERA PARTE: BASES TEÓRICAS ........................................................................................ 1

UNIDAD I: Semiconductores de potencia .............................................................................. 1 Diodos de potencia ................................................................................................................................. 1

Características físicas .......................................................................................................................................... 1 Tipos de estructura ........................................................................................................................................ 1

Estructura de dos capas ............................................................................................................................ 1 Estructura de tres capas ............................................................................................................................ 1

Bordes biselados ............................................................................................................................................ 1 Encapsulados.................................................................................................................................................. 1

Características eléctricas .................................................................................................................................... 2 Curva característica ........................................................................................................................................ 2 Características estáticas ................................................................................................................................. 2

Modelos estáticos del diodo ..................................................................................................................... 2 Parámetros eléctricos en conducción ....................................................................................................... 2 Parámetros eléctricos en bloqueo ............................................................................................................ 3

Características dinámicas ............................................................................................................................... 3 Recuperación inversa ................................................................................................................................ 3

Influencia en la conmutación ............................................................................................................... 4 Recuperación directa................................................................................................................................. 4 Límites de frecuencia ................................................................................................................................ 4 Velocidad de cambio de corriente ............................................................................................................ 4 Velocidad de cambio de tensión ............................................................................................................... 4

Disipación de potencia ................................................................................................................................... 4 Disipación estática ..................................................................................................................................... 4 Disipación dinámica ................................................................................................................................... 5

Características circuitales ................................................................................................................................... 5 Diodos en serie ............................................................................................................................................... 5 Diodos en paralelo ......................................................................................................................................... 5

Tiristores.................................................................................................................................................. 6 Características físicas .......................................................................................................................................... 6

Estructura interna .......................................................................................................................................... 6 Características eléctricas .................................................................................................................................... 6

Curva característica ........................................................................................................................................ 6 Modelo de dos transistores ........................................................................................................................... 7 Características estáticas ................................................................................................................................. 7

Características de puerta ........................................................................................................................... 7 Características dinámicas ............................................................................................................................... 8

Activación del tiristor ................................................................................................................................ 8 Diseño del circuito de control de compuerta ....................................................................................... 8 Tiempos de disparo .............................................................................................................................. 9

Desactivación del tiristor ........................................................................................................................... 9 Tiempo de desactivación .................................................................................................................... 10

Protección contra velocidad de cambio de corriente alta ...................................................................... 10 Protección contra velocidad de cambio de tensión alta ......................................................................... 10


Disipación de potencia ................................................................................................................................. 11 Disipación estática ................................................................................................................................... 11 Disipación dinámica ................................................................................................................................. 11

Límites de frecuencia ................................................................................................................................... 11 Características circuitales ................................................................................................................................. 11

Circuitos de disparo del tiristor .................................................................................................................... 11 Circuitos de desactivación ............................................................................................................................ 12

Tipos de tiristores ............................................................................................................................................. 13 SCR (Silicon Controlled Rectifier) ................................................................................................................. 13 GTO (Gate Turn Off) ..................................................................................................................................... 13 LASCR (Light Activated SCR) ......................................................................................................................... 14

TRIAC ..................................................................................................................................................... 14 Características físicas ........................................................................................................................................ 14

Estructura ..................................................................................................................................................... 14 Características eléctricas .................................................................................................................................. 14

Curva característica ...................................................................................................................................... 14 Modos de funcionamiento ........................................................................................................................... 14 Características dinámicas ............................................................................................................................. 15

Velocidad de cambio de corriente .......................................................................................................... 15 Velocidad de cambio de tensión ............................................................................................................. 15

Características circuitales ................................................................................................................................. 15 Circuitos de disparo del triac ....................................................................................................................... 15

Circuitos RC ............................................................................................................................................. 15 Circuitos con DIAC ................................................................................................................................... 16 Circuitos con SBS ..................................................................................................................................... 16

Transistores de potencia ....................................................................................................................... 16 Características físicas ........................................................................................................................................ 17

Estructura ..................................................................................................................................................... 17 Características eléctricas .................................................................................................................................. 17

Curvas características ................................................................................................................................... 17 Características estáticas ............................................................................................................................... 18

Saturación ............................................................................................................................................... 18 Límites de operación segura ................................................................................................................... 18

Temperatura de juntura promedio .................................................................................................... 18 Ruptura secundaria ............................................................................................................................ 19 Curvas SOAR ....................................................................................................................................... 19

Características dinámicas ............................................................................................................................. 20 Modelo dinámico .................................................................................................................................... 20 Tiempos de conmutación ........................................................................................................................ 20 Transición de estados en conmutación ................................................................................................... 21 Velocidad de cambio de corriente .......................................................................................................... 21 Velocidad de cambio de tensión ............................................................................................................. 21

Límites de frecuencia ................................................................................................................................... 21 Características circuitales ................................................................................................................................. 21

Control de la excitación de base .................................................................................................................. 21 Control de activación y desactivación ..................................................................................................... 21 Control proporcional de la base .............................................................................................................. 22 Control de anti-saturación ...................................................................................................................... 23

Power MOSFET ...................................................................................................................................... 23 Introducción ...................................................................................................................................................... 23

Ventajas ....................................................................................................................................................... 23 Desventajas .................................................................................................................................................. 24

Características físicas ........................................................................................................................................ 24 Estructura ..................................................................................................................................................... 24

Características eléctricas .................................................................................................................................. 24 Curvas características ................................................................................................................................... 24 Características estáticas ............................................................................................................................... 25


Parámetros estáticos ............................................................................................................................... 25 Área de operación segura ....................................................................................................................... 26

Características dinámicas ............................................................................................................................. 26 Parámetros dinámicos ............................................................................................................................. 26

Capacitancias internas ........................................................................................................................ 26 Tiempos de conmutación con carga resistiva..................................................................................... 26 Características de conmutación ......................................................................................................... 27

Velocidad de cambio de corriente .......................................................................................................... 28 Velocidad de cambio de tensión ............................................................................................................. 28

Disipación de potencia ................................................................................................................................. 28 Disipación estática ................................................................................................................................... 28

Pérdidas de conducción...................................................................................................................... 28 Pérdidas en el diodo ........................................................................................................................... 28 Pérdidas de compuerta ...................................................................................................................... 28

Disipación dinámica ................................................................................................................................. 28 Pérdidas de conmutación ................................................................................................................... 28

Límites de frecuencia ................................................................................................................................... 29 Características térmicas .................................................................................................................................... 29

Importancia de la temperatura máxima de juntura y el disipador .............................................................. 29 Características circuitales ................................................................................................................................. 29

Circuitos de excitación ................................................................................................................................. 29 Circuitos elementales .............................................................................................................................. 29 Circuito bootstrap ................................................................................................................................... 29

Funcionamiento .................................................................................................................................. 30 Excitadores aislados ................................................................................................................................ 31

Puesta en paralelo ....................................................................................................................................... 31 Desbalances ............................................................................................................................................. 31

Resultados de estos desbalances ....................................................................................................... 32 Ventajas de la operación en paralelo ...................................................................................................... 32

Transistor bipolar de compuerta aislada (IGBT) ................................................................................... 33 Características físicas ........................................................................................................................................ 33

Estructura ..................................................................................................................................................... 33 Encapsulados................................................................................................................................................ 33

Características eléctricas .................................................................................................................................. 33 Circuito equivalente ..................................................................................................................................... 33 Características estáticas ............................................................................................................................... 33 Características dinámicas ............................................................................................................................. 33

Velocidad de conmutación ...................................................................................................................... 33 Velocidad de cambio de corriente .......................................................................................................... 33 Velocidad de cambio de tensión ............................................................................................................. 33

Disipación de potencia ................................................................................................................................. 33 Disipación estática ................................................................................................................................... 34 Disipación dinámica ................................................................................................................................. 34

Límites de frecuencia ................................................................................................................................... 34 Características térmicas .................................................................................................................................... 34 Características circuitales ................................................................................................................................. 34

Diodo anti-paralelo ...................................................................................................................................... 34 Protección contra cortocircuitos .................................................................................................................. 34

Comparación con el Power MOSFET ................................................................................................................ 34 Aspectos prácticos ................................................................................................................................ 34

Comparación entre los distintos interruptores electrónicos de potencia ........................................................ 34

UNIDAD II: Redes electrónicas de potencia ......................................................................... 34 Sobretensiones ...................................................................................................................................... 34 Sobrecargas ........................................................................................................................................... 34 Cortocircuitos ........................................................................................................................................ 34 Fusibles .................................................................................................................................................. 35


UNIDAD III: Aspectos térmicos ............................................................................................ 35

SEGUNDA PARTE: APLICACIONES ........................................................................................ 35

UNIDAD IV: Rectificación y control de potencia ................................................................... 35 Convertidores CA-CC (Rectificadores) ................................................................................................... 35 Convertidores CA-CA (Control de fase) ................................................................................................. 35

UNIDAD V: Convertidores estáticos de energía: Fuentes de alimentación ............................ 35 Convertidores CC-CC (Fuentes conmutadas) ........................................................................................ 35 Convertidores CC-CA (Inversores) ......................................................................................................... 35 Control de factor de potencia ............................................................................................................... 35

UNIDAD VI: Control de motores .......................................................................................... 35 Control de velocidad de motores de CC ............................................................................................... 35 Control de velocidad de motores de CA ............................................................................................... 35 Control de motores paso a paso ........................................................................................................... 35

TERCERA PARTE: APLICACIONES PRÁCTICAS ........................................................................ 36 Rectificador controlado con aplicaciones a distintos tipos de cargas .............................................................. 36 Control de velocidad para motor de C.C. .......................................................................................................... 36

Motor con escobillas .................................................................................................................................... 36 Motor sin escobillas ..................................................................................................................................... 36

Control de velocidad para motor de Inducción ................................................................................................ 36 Método PWM............................................................................................................................................... 36 Método ciclos enteros ................................................................................................................................. 36 Método ciclo convertidor............................................................................................................................. 36

Cargador de baterías de gran potencia ............................................................................................................ 36 Fuente conmutada de potencia ........................................................................................................................ 36 Inversor de potencia ......................................................................................................................................... 36 Sistema de alimentación ininterrumpido de potencia ..................................................................................... 36

Bibliografía ......................................................................................................................... 37

ÍNDICE ................................................................................................................................ 37

FECHA DE ÚLTIMA EDICIÓN: 22 de mayo de 2012

Documents

Resumen de Electronica de potencia