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El transistor de potencia I: tipos de transistores
El transistor de potencia I: El transistor de potencia I: tipos de transistorestipos de transistores
••BJT:BJT:Transistores bipolares de unión.Transistores bipolares de unión.••FET: FET: Transistores de efecto de campo.Transistores de efecto de campo.••JFET: JFET: Transistores de efecto de campo de unión.Transistores de efecto de campo de unión.••MESFET: MESFET: Transistores de efecto de campo de metal semiconductor.Transistores de efecto de campo de metal semiconductor.••MOSFET: MOSFET: Transistores de efecto de campo de metalTransistores de efecto de campo de metal--oxidooxido--semiconductor.semiconductor.••IGBT: IGBT: Transistores de puerta aislada.Transistores de puerta aislada.
BJTBJT PNPPNPNPNNPN
FETFET
JFETJFET
MESFETMESFET
MOSFETMOSFET
Canal NCanal N Canal PCanal PCanal NCanal N
AcumulaciónAcumulación
DeplexiónDeplexión Canal PCanal PCanal NCanal N
Canal PCanal PCanal NCanal N IGBTIGBT
El transistor de potencia II: características comunes I
El transistor de potencia II: El transistor de potencia II: características comunes Icaracterísticas comunes I
LOS TRANSISTORES SON DISPOSITIVOS DOTADOS DE 3 TERMINALES
LOS TRANSISTORES SON DISPOSITIVOS DOTADOS LOS TRANSISTORES SON DISPOSITIVOS DOTADOS DE 3 TERMINALESDE 3 TERMINALES
DOS DE LOS TERMINALES ACTÚAN COMO TERMINALES DE ENTRADA (CONTROL)
DOSDOS DE LOS TERMINALES ACTÚAN COMO DE LOS TERMINALES ACTÚAN COMO TERMINALES DE TERMINALES DE ENTRADAENTRADA (CONTROL)(CONTROL)
DOS ACTÚAN COMO TERMINALES DE SALIDADOSDOS ACTÚAN COMO TERMINALES DE ACTÚAN COMO TERMINALES DE SALIDASALIDA
UN TERMINAL ES COMÚN A ENTRADA Y SALIDAUNUN TERMINAL TERMINAL ES COMÚNES COMÚN A ENTRADA Y SALIDAA ENTRADA Y SALIDA
LA POTENCIA CONSUMIDA EN LA ENTRADA ES MENOR QUE LA CONTROLADA EN LA SALIDA
LA POTENCIA CONSUMIDA EN LA ENTRADA LA POTENCIA CONSUMIDA EN LA ENTRADA ES ES MENORMENOR QUE LA CONTROLADA EN LA SALIDAQUE LA CONTROLADA EN LA SALIDA
LA TENSIÓN ENTRE TERMINALES DE ENTRADA DETERMINA LA SALIDA: PUEDE FUNCIONAR COMO
FUENTE DE CORRIENTE (ZONA ACTIVA), CORTOCIRCUITO (SATURACIÓN) O CIRCUITO
ABIERTO (CORTE). EN LOS ACCIONAMIENTOS PARA MOTORES TRABAJAN EN CONMUTACIÓN
LA TENSIÓN ENTRE TERMINALES DE ENTRADA LA TENSIÓN ENTRE TERMINALES DE ENTRADA DETERMINA LA SALIDADETERMINA LA SALIDA: PUEDE FUNCIONAR COMO : PUEDE FUNCIONAR COMO
FUENTE DE CORRIENTE (ZONA ACTIVA), FUENTE DE CORRIENTE (ZONA ACTIVA), CORTOCIRCUITO (SATURACIÓN) O CIRCUITO CORTOCIRCUITO (SATURACIÓN) O CIRCUITO
ABIERTO (CORTE). EN LOS ACCIONAMIENTOS PARA ABIERTO (CORTE). EN LOS ACCIONAMIENTOS PARA MOTORES TRABAJAN MOTORES TRABAJAN EN CONMUTACIÓNEN CONMUTACIÓN
ENCAPSULADOENCAPSULADOTOTO--220220
MJE13008 (NPN)MJE13008 (NPN)IRF840 (MOSFET, N)IRF840 (MOSFET, N)BDX53C (BDX53C (DarlingtonDarlington))
B=BASEC=COLECTOR
E=EMISOR
B=BASEB=BASEC=COLECTORC=COLECTOR
E=EMISORE=EMISOR
G=PUERTA (GATE)D=DRENADOR (DRAIN)S=FUENTE (SOURCE)
G=PUERTA (G=PUERTA (GATEGATE))D=DRENADOR (D=DRENADOR (DRAINDRAIN))S=FUENTE (S=FUENTE (SOURCESOURCE))
TRANSISTORESBIPOLARES
TRANSISTORESTRANSISTORESBIPOLARESBIPOLARES
TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPOTRANSISTORES DE TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPOEFECTO DE CAMPO
El transistor de potencia II: características comunes II
El transistor de potencia II: El transistor de potencia II: características comunes IIcaracterísticas comunes II
TERMINALES DE CONEXIÓNTERMINALES DE CONEXIÓN
LOS FET PUEDEN CONMUTAR A FRECUENCIAS MÁS ALTAS QUE LOS BIPOLARES Y NECESITAN
MENOS CORRIENTE DE PUERTAPARA ENTRAR EN SATURACIÓN
O CORTE
LOS FET PUEDEN CONMUTAR LOS FET PUEDEN CONMUTAR A A FRECUENCIAS MÁS ALTAS QUE FRECUENCIAS MÁS ALTAS QUE LOS BIPOLARES Y NECESITAN LOS BIPOLARES Y NECESITAN
MENOS CORRIENTE DE PUERTAMENOS CORRIENTE DE PUERTAPARA ENTRAR EN SATURACIÓN PARA ENTRAR EN SATURACIÓN
O CORTEO CORTE
El transistor de potencia I: características de cada transistor
El transistor de potencia I: El transistor de potencia I: características de cada transistorcaracterísticas de cada transistor
BJT: Bipolar Junction Transistor. Transistor bipolar constituido por la unión de dos materiales con capacidades opuestas para polarizarse (uniones NP O PN).
Los transistores bipolares pueden ser PNP o NPN
BJT: BJT: Bipolar Bipolar JunctionJunction Transistor. Transistor. Transistor bipolar constituido por la unión de Transistor bipolar constituido por la unión de dos materiales con capacidades opuestas para polarizarse (unionedos materiales con capacidades opuestas para polarizarse (uniones NP O PN). s NP O PN).
Los transistores bipolares pueden ser PNP o NPNLos transistores bipolares pueden ser PNP o NPN
FET: Field Effect Transistor. Transistor de efecto de campo. Está formado por una barra de material semiconductor de silicio tipo P o N en cuyos extremos se establece un contacto óhmico. También se les conoce como transistores uni-
polares. En los de canal N la conducción la producen e- en los de canal P huecos. Hay 3 tipos:
• JFET Junction Field Effect Transistor• MESFET Metal Semiconductor Transistor• MOSFET Metal Oxide Semiconductor Transistor
FET: FET: FieldField EffectEffect Transistor. Transistor. Transistor de efecto de campo. Está formado por Transistor de efecto de campo. Está formado por una barra de material semiconductor de silicio tipo P o N en cuyuna barra de material semiconductor de silicio tipo P o N en cuyos extremos se os extremos se establece un contacto óhmico. También se les conoce como transisestablece un contacto óhmico. También se les conoce como transistores tores uniuni--
polares. En los de canal N la conducción la producen epolares. En los de canal N la conducción la producen e-- en los de canal P en los de canal P huecos. Hay 3 tipos:huecos. Hay 3 tipos:
•• JFET JFET Junction Field Effect TransistorJunction Field Effect Transistor•• MESFET MESFET Metal Semiconductor TransistorMetal Semiconductor Transistor•• MOSFET MOSFET Metal Oxide Semiconductor TransistorMetal Oxide Semiconductor Transistor
IGBT : Isolated Gate Bipolar Transistor. Transistor bipolar de puerta aislada. Presenta la ventaja de que la puerta se comporta como la
de un transistor MOSFET lo que facilita su gobierno. Es más robusto que el MOSFET y soporta tensiones y corrientes más elevadas aunque su frecuencia de conmutación es más baja
IGBT : IGBT : IsolatedIsolated GateGate Bipolar Transistor. Bipolar Transistor. Transistor bipolar de puerta Transistor bipolar de puerta aislada. Presenta la ventaja de que la puerta se comporta como laislada. Presenta la ventaja de que la puerta se comporta como la a
de un transistor MOSFET lo que facilita su gobierno. Es más de un transistor MOSFET lo que facilita su gobierno. Es más robusto que el MOSFET y soporta tensiones y corrientes más robusto que el MOSFET y soporta tensiones y corrientes más elevadas aunque su frecuencia de conmutación es más bajaelevadas aunque su frecuencia de conmutación es más baja
El transistor de potencia BJT El transistor de potencia BJT El transistor de potencia BJT
Símbolo del transistor
B
C
EMontaje, en configuración Darlington, de dos BJTs.
E-
C+
B
E El BJT (“Bipolar Junction TransistorBipolar Junction Transistor”), fue introducido a principios de los años 80, en el BJT la señal de control se debe mantener si se quiere que el dispositivo conduzca.
Al igual que el tiristor tiene tres terminales: colector C, emisor E y base (B). Una señal aplicada al terminal de control (base) hace que el transistor sea conductor en un grado más o menos importante, amplificándose el valor de dicha señal de control, a la salida entre el emisor y el colector. Es decir a diferencia de los tiristores, la intensidad que va a circular entre el la intensidad que va a circular entre el colector y el emisor es proporcional a la señal aplicada a la bacolector y el emisor es proporcional a la señal aplicada a la basese. La flecha del emisor indica la dirección de la circulación de la corriente cuando la unión emisor-base se encuentra polarizada en sentido directo (transistor en estado de conducción).
Un transistor de potencia se caracteriza en estado de bloqueo por la tensión en sus bornes colector-emisor VCE y su corriente de fugas IF. En estado de conducción, se caracteriza por la corriente que lo atraviesa IC y por la caída de tensión que esta provoca VCEsat. En general, la tensión de saturación VCEsat, es inferior o igual a 1,5 V.
Una ventaja de los transistores frente a los tiristores consiste en que se activan y se desactivan más fácil y más rápidamente; sin embargo, requieren un control más preciso de la señal de control aplicada a la base
La capacidad de corriente emisor-colector, en configuración Darlington con módulos asociados, puede superar los 1.000 A y la velocidad de conmutación es
de unos 5 microsegundos.
MOSFET MOSFET MOSFET
G
VGS
ID
S
D
(a)
ID
10 ms5 A
a b
c
(b)
d
400 V
VDS
(a) MOSFET con su diodo de protección, (b) Área de funcionamiento seguro.
El MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field EffectMetal Oxide Semiconductor Field Effect TransistorTransistor”), es un transistor de conmutación muy rápida que nació con un futuro prometedor en aplicaciones de alta frecuencia (hasta 1 MHz) y baja potencia (hasta unos pocos kW).
El dispositivo tiene poca capacidad para soportar la tensión inversa y siempre lleva un diodo inversor. A diferencia de un transistor bipolar, el MOSFET se controla por tensiónel MOSFET se controla por tensión de tal manera, que si se aplica a la puerta una tensión positiva (es decir VGS positiva) mayor que un valor umbral, el transistor conducepermitiendo el flujo de intensidad entre el drenador y la fuente. La puerta está aislada por una capa de oxido de silicio (SO2), y entonces la impedancia de entrada del circuito de puerta es extremadamente elevada en estado estacionario. La puerta precisará de un pulso de corriente durante el paso de conducción a bloqueo.
El MOSFET sea puede controlar directamente con lógica CMOS o TTL. Entonces, la corriente de control de puerta es muy baja (puede ser menor de 1 mA).
DRENADOR
FUENTE
PUERTA
LÍMITE DE CORRIENTE
LÍMITE DE TENSIÓN
LÍMITE DE DISIPACIÓN DE
POTENCIA
c.c.
IGBTEl IGBT (“Isolated Gate Bypolar Transistor”) es un dispositivo que tiene algunas de las ventajas de los MOSFET, BJT y GTO combinadas, ha sustituido a los transistores de potencia en las aplicaciones de baja tensión y media potencia y con módulos asociados, están sustituyendo también a los SCR y GTOs en pequeña y media potencia, pudiéndose alcanzar hasta 1,5 MW.
Este dispositivo tiene una impedancia de puerta elevada, por lo que precisa pequeñas corrientes para manejar grandes potencias, de esta manera se reducen los retrasos asociados a elevadas corrientes de control y se consigue una respuesta rápida, (menor de 1 microsegundo)
Los IGBTs tienen tiempos de encendido y apagado del orden de 1 microsegundo, la rapidez de conmutación permite lograr, con las técnicas PWM, formas de onda de gran calidad, con un mínimo nivel de armónicos, lo que permite hacer desaparecer el ruido electromagnético audible característico de los armónicos de bajo rango.
Las tensiones son del orden de los 2000 V y las intensidades de cientos de amperios y frecuencias de maniobra del orden de los 20 kHz. Su rápido desarrollo persigue, entre otros aspectos, aumentar la tensión colector-emisor y también la intensidad de colector (que puede llegar hasta 2.700 A, la cual se consigue mediante la asociación en paralelo de varios módulos individuales), así como mejorar la transmisión de calor entre la unión semiconductora y el exterior.
Los IGBTs que se fabrican actualmente, tienen una capacidad de manipulación de potencia comparable con la del BJT pero pueden operar a más altas frecuencias. La simplicidad de la puerta, facilidad de protección, capacidad de protección en circuitos de potencia, operación sin snubbers, y alta velocidad de maniobra hacen que los convertidores de IGBTs sean más atractivos que los convertidores de BJTs.
El transistor de potencia III: encapsulados más frecuentesEl transistor de potencia III: El transistor de potencia III: encapsulados más frecuentesencapsulados más frecuentes
DIFICULTAD DE
GO BIERNO (EN CEN DIDO-
APAGADO )
FRECUENCIA M ÁXIM A DE
CO N M UTACIÓN
RO BUSTEZ PRO PIEDADES ESPECIALES
TRANSISTO RES BIPO LARES
MEDIA: CIERTO CONSUMO DE CORRIENTE POR PUERTA
BAJA: DEL ORDEN DE 20kHz
ALTA MANEJO DE ALTAS
POTENCIAS Y TENSIONES
TRANSISTO RES M OSFET
BAJA: CONSUMO POR PUERTA MUY REDUCIDO
ELEVADA: DEL ORDEN DE 1MHz
MEDIA RESISTIVO EN CONDUCCIÓN: RESISTENCIAS
MUY BAJAS
IGBTS BAJA:
CONSUMO POR PUERTA MUY REDUCIDO
MEDIA: ENTRE BIPOLARES Y
MOSFET
ALTA MANEJO ALTAS POTENCIAS Y TENSIONES.
MENORES PÉRDIDAS QUE
MOSFET
GTO S ALTA: DIFICULTAD
PARA EL APAGADO
MUY BAJA: DEL ORDEN DE 1kHz
MUY ALTA MUY ROBUSTO
COMPARATIVA DE LAS PROPIEDADES DE LOS TRANSISTORESCOMPARATIVA DE LAS PROPIEDADES DE LOS TRANSISTORES
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OTE
NC
IA (
V·A
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IGBTMOSFET
10 102 103 104 105 106 107 108
GTO
SCR
BJT
FRECUENCIA (Hz)
Comparación de potencia y frecuencias de conmutación
Comparación de potencia y frecuencias Comparación de potencia y frecuencias de conmutación de conmutación
Evolución de la potencia con eldesarrollo de los dispositivos
Evolución de la potencia con elEvolución de la potencia con eldesarrollo de los dispositivos desarrollo de los dispositivos
1980 84 88 92 AÑO
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RG
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OTE
NC
IA (
V·A
)
IGBTMCT
MOSFET
