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UNIDAD Nº 0. INTRODUCCIÓN A LA ASIGNATURAUNIDAD Nº 1. REPASO DE CONCEPTOS Y DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIAUNIDAD Nº 2. AMPLIFICADORES DE POTENCIAUNIDAD Nº 3. DISPOSITIVOS DE CUATRO CAPASUNIDAD Nº 4. CONVERTIDORES
Lección 1.- Repaso conceptos: Potencia eléctrica. ArmónicosLección 2.- Elementos semiconductores de potenciaLección 3.- Disipación de potencia
Electrónica de Potencia
• Rashid,M; Electronica de Potencia. Prentice Hall.1995
• Hart,D; Electrónica de Potencia. 2001
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Diodo de Potencia. IntroducciónDiodo de Potencia. Introducción
Es el elemento rectificador de potencia más común.
Características:Características:
Presenta dos estadosdos estados bien diferenciados: corte y conduccióncorte y conducción. El paso de uno a otro no es instantáneo y en dispositivos en los que el funcionamiento se realiza a frecuencia, es muy importante el tiempo de paso entre estados, puesto que éste acotará las frecuencias de trabajo.
Márgenes de funcionamiento:Márgenes de funcionamiento:
En conducción pueden soportar una corriente media de 30003000AA llegando hasta tensiones inversas de 50005000VV.
El SiSi es el elemento semiconductor más empleado
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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Características:Características:
En conducción es capaz de soportar intensidades con caídas de tensión. En inverso soportan tensiones negativas de ánodo con corriente de fugas.
Inconvenientes:Inconvenientes:
Dispositivo unidireccionalunidireccional.
Único procedimiento de control: inversión del voltaje.
Simbología empleada:Simbología empleada:
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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Características estáticas del diodo de Potencia.Características estáticas del diodo de Potencia.
Parámetros en estado de bloqueo:Parámetros en estado de bloqueo:
ParámetrosParámetros en estado deen estado de conducción:conducción:
IF(AV) (Intensidad media nominal)IFRM (Intensidad de pico repetitivo)IFSM (Intensidad de pico único)
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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Modelos estáticos del diodo:Modelos estáticos del diodo:TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
real (asintótico) V
rd
ideal
0
i
V
V
pendiente = 1/rd
Circuito equivalente asintótico
Curva característica real
Curva característica asintótica
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Modelos estáticos del diodo:Modelos estáticos del diodo:TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
200 V 600 V
10 A 10 A
Curva real de un dispositivo
0.82 V 1.1 V
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Datos del diodo en corte
Tensión inversa VRRM Repetitive Peak Voltage
La tensión máxima es crítica
Pequeñas sobretensiones pueden romper el dispositivo
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Datos del diodo en conducción
Corriente directa IF Forward Current
La corriente máxima se indica suponiendo que el dispositivo está atornillado a un radiador
Corriente directa de pico repetitivo IFRM Repetitive Peak Forward Current
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Potencia disipada por el diodo en conducción:Potencia disipada por el diodo en conducción:
Potencia instantánea:Potencia instantánea: Será el producto de la tensión en sus extremos por la intensidad que lo recorre en ese instante. Es decir:
Donde id y Vd son corriente y tensión ánodo - cátodo respectivamente.
(t)I(t)V (t)P ddd
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
Potencia media:Potencia media: En función de la tensión e intensidad por el diodo, podemos determi-narla mediante la siguiente integral:
dt i T
R dt i
T
V dti) R i V (
T
1 P
T
0
2d
Dd
T
0
T
0
DdDdDd(AV)
2rmsDdcDd(AV) I R IV P
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Potencia disipada por el diodo en conducción:Potencia disipada por el diodo en conducción:
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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Características dinámicas del diodo de Potencia (tiempos de Características dinámicas del diodo de Potencia (tiempos de conmutación)conmutación)Tiempo de recuperación inverso:Tiempo de recuperación inverso:
Los portadores minoritarios requieren un cierto tiempo para recombinarse con cargas opuestas y neutralizarse
trr = ts + tf
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
Tiempo de recuperación Tiempo de recuperación inverso (tinverso (trrrr):): Instante en que el diodo permite la conducción en el sentido contrario al normal.
Tiempo de almacenamiento (Tiempo de almacenamiento (ts))
Tiempo de caída (Tiempo de caída (tf))
Carga eléctrica desplazada (QCarga eléctrica desplazada (Qrrrr):):
di/dt di/dt IIRRRR
Factor de suavizado “SFactor de suavizado “SFF”: ”: Se define como:s
F tS ft
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Para el cálculo de los parámetros IIRMRM y QQrrrr podemos suponer los siguientes casos:
* 1er caso:
* 2º caso:
2
trr t t)
t t 0 t) a
fs
rrsf
bRMrr
ids
I t2
1
d t
rr
RM
Q
dtI
dtdit
Drr
rrQ2
dtdiI DRM (Q2 rr
dtdit
Drr
rrQ4 )(Q rr dtdiI DRM
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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PrácticaPráctica
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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Tipos de diodos de Potencia.Tipos de diodos de Potencia.Diodo rectificador normalDiodo rectificador normal
Presenta tiempo de recuperación inverso (típicamente de 25µs) y es utilizado en
aplicaciones de frecuencia.
Diodo de barrera Schottky.Diodo de barrera Schottky.
Eliminan problemas de carga producida por zona de deplexión p-n. Se fabrican usando el efecto de “barrera potencial” (contacto entre metal - semiconductor).
Márgenes de funcionamiento:Márgenes de funcionamiento: 1A ... 300A. Son usados en rectificadores de bajo voltaje para mejorar la eficacia de la rectificación.
Diodo de recuperación rápida.Diodo de recuperación rápida.
Diodo con tiempo de recuperación muy corto. Esta característica es especialmente valiosa en altas frecuencias. Un diodo con esta variación de corriente tan rápida necesitará ctos de protección, sobre todo cuando en el cto exterior encontramos elementos inductivos.
Margen de funcionamiento:Margen de funcionamiento: < 1A< 1A ... 300 A300 A; 50V 50V ... 3KV3KV
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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Asociaciones de diodos.Asociaciones de diodos.
Serie( cuando la tensión inversa es grande)Serie( cuando la tensión inversa es grande)
Cuando la capacidad de bloqueo de un único diodo no es suficiente.
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
R2s2 R1s1 I I I I I2
2s2
1
11
V I
R
V
RI s
RRI s
D2s2
D11
V I
V
R = R1 = R2R = R1 = R2:
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Asociaciones de diodos.Asociaciones de diodos.
Serie( cuando la tensión inversa es grande)Serie( cuando la tensión inversa es grande)
Cuando la capacidad de bloqueo de un único diodo no es suficiente.
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
Los dos diodos que se muestran en la figura 2.11 están conectados en serie, un voltaje total de VD = 5 kV. Las corrientes de fuga inversas de los dos diodos son IS1 = 30 mA e IS2 = 35 mA. (a) Encuentre los voltajes de diodo, si las resistencias de distribución del voltaje son iguales, R1 = R2 = R = 100k.(b) Encuentre las resistencias de repartición del voltaje R1 y R2, si los voltajes del diodo son iguales, VD1 = VD2 = VD/2.(c) Utilice PSpice para verificar los resultados de la parte (a). Los parámetros del modelo PSpice son: BV = 3 kV e IS = 20 mA para el diodo D1, e IS = 35 mA para el diodo D2
Solución: (a) VD1=2750V, VD2=2250V; (b) R1=100k, R2=125k; [Rashid]
PROBLEMA 2.2
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Asociaciones de diodos.Asociaciones de diodos.
Serie( cuando la tensión inversa es grande)Serie( cuando la tensión inversa es grande)
Cuando la capacidad de bloqueo de un único diodo no es suficiente.
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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Se pretende colocar 3 diodos, de tensión inversa máxima 40V, en serie para soportar una tensión total de 100V. Calcular las resistencias de ecualización necesarias sabiendo que la corriente inversa máxima de estos diodos (para 40V de tensión inversa) es de 40mA. ¿Qué nombre recibe este tipo de ecualización?
Solución:
Por d1 no circula corriente inversa y por d2 y d3 circula la máxima, por lo tanto, para estos dos tenemos:
Despejando tenemos: R = 0.3KΩ(Parámetro introducido para facilitar el cálculo)Debe cumplirse que: ; [Gualda]
Asociaciones de diodos.Asociaciones de diodos.TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
KΩ1mA40
V40
I
VR
RM
RRMeq
RR
RR2
RR
RR
RR
RR
eq
eq
eq
eq
eq
eq
RR
RR2R
URuV40Vu
eq
eq
Total1RRM1
R
Ra mineq
RRM
Total
RRMTotal
V
Un
1/VUa
1/VU
V
Un
I
VR
RRMTotal
RRM
Total
RM
RRM
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Paralelo.Paralelo.
Se utiliza cuando se requieren intensidades. Presenta como problemaproblema el reparto desigual de la corriente por cada una de las ramas de los diodos debido a las distintas características de conducción de los mismos.
Se puede resolver utilizando dos criterios:
* Conectando resistencias en serie con cada diodo.* Conectando resistencias en serie con cada diodo.
Estas resistencias ayudan a estabilizar e igualar los valores de intensidad I1 e I2.
Conectando en serie inductancias Conectando en serie inductancias iguales acopladas en cada rama de la iguales acopladas en cada rama de la red paralelo.red paralelo.(solo caso de señal (solo caso de señal senoidal o pulsatoria)senoidal o pulsatoria)
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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Los dos diodos conectados en paralelo de la figura, conducen en total 100A. a.-) Determinar el valor de las resistencias para que ningún diodo conduzca más de 55A.b.-) Calcular la potencia en cada rama.c.-) La caida de tensión en cada rama.Datos: Vd1 = 1.5 V; Vd2 = 1.8 V
a.-) Suponiendo el caso de que algún diodo conduzca 55A, éste diodo será el de menor tensión de codo, por lo tanto:
V = R I1 + VD1 = R I2 + VD2 55 R + 1.5 = 45 R + 1.8 R = 0.03
b.-) La potencia en cada rama será:
PR1 = R I2 = 0.03 552 = 90.75W PR2 = 0.03 452 = 60.75W
c.-) La caida de tensión será:
V = R I1 + VD1 = 0.03 55 + 1.5 = 3.15V
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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Dos diodos con rango de 800 v de voltaje y corriente inversa de 1 mA, se conectan en serie a una fuente de AC de 980 voltios de
tensión de pico( Vsmax) . La característica inversa es la representada en la figura Determinar:
1.- Voltaje inverso de cada diodo2.- Valor de la resistencias a colocar en paralelo de forma que el voltaje en los diodos no sea superior al 55% de Vsmax3.- Corriente total y perdidas de potencia en las resistencias.
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
Solución: 1.- Vd1=700v, Vd2=280v 2.- Vd1=539v Vd2=441v R=140K 3.- IR1 +IR2=4.55 mA PR=2.54 w
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Dos diodos tienen las características presentadas son conectados en paralelo. La corriente total es de 50 Amp.Son conectadas dos
resistencias en serie con los diodos para provocar una redistribución de la corriente.
1.- determinar el valor de la resistencia de forma que por un diodo no circulo mas del 55% de Imax 2.- Potencia total de perdidas en las reistencias3.-Caída de tensión diodo resistencia.
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
Solución: 1.- R=0.06 Ohm. 2.- PR=75.8W 3.- 2.95v
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Transistor Bipolar (BJT). IntroducciónTransistor Bipolar (BJT). Introducción
Es conocido como elemento amplificador de señalelemento amplificador de señal. En el contexto de los componentes electrónicos de Potencia, es usado como dispositivo de conmutación, ya que, dispone de las características que lo convierten en un conmutadorconmutador casi ideal.
Los estados más importantes estados más importantes de funcionamiento son el de saturación saturación y cortecorte. Estos estados se corresponden al estado abierto y cerrado del conmutador ideal.
Los transistores bipolares de alta potencia son utilizados fundamentalmente para frecuencias por debajo de 10KHz10KHz y son muy efectivos hasta en aplicaciones que requieran 1200V1200V y 400A400A como máximo.
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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Características:Características:
Intensidad máxima de Colector “IC”.
Tensión de ruptura de colector con base abierta, “VCE0”
Potencia máxima, “Pmax”.
Tensión en sentido directo.
Corriente de fugas.
Frecuencia de corte.
Otros parámetros importantesOtros parámetros importantes::
Tensión de ruptura colector – base con base abierta, “VCBO”.
Tensión de ruptura emisor – base con base abierta, “VEBO”.
Tensión de ruptura por aumento excesivo de corriente de colector y de la tensión C – E, “VCEOSUS”. VCEOSUS < V CE0 < VCBO
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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En función de la polarización B - E:En función de la polarización B - E:
VCEO: Tensión de ruptura colector – emisor, con base abierta.
VCER: Tensión colector – emisor, con resistencia de base especificada.
VCEX: Tensión colector – emisor, con circuito especificado entre base y
emisor.VCEV: Tensión colector – emisor, con tensión especificada entre base y
emisor.
VCES: Tensión colector – emisor, con unión base - emisor
cortocircuitada.
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
VCEO < V CEX < VCBO
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VVCEmáxCEmáx depende esencialmente de: depende esencialmente de:
Polarización base – emisor.
Gradiente de tensión (variación de tensión en función del tiempo).
Estructura interna del transistor (tecnología de fabricación). Los transistores bipolares de
potencia presentan durante la conmutación un fenómeno complejo conocido como efecto de segunda rupturasegunda ruptura. Si la ruptura por avalanchaavalancha se denomina primera rupturaprimera ruptura, la segunda rupturasegunda ruptura se puede definir como la ruptura de la unión debido a efectos térmicosefectos térmicos localizados (creación de puntos calientes).
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
Conmutación y pérdidas. Tiempos de conmutación:Conmutación y pérdidas. Tiempos de conmutación:
tiempo de excitación o encendidotiempo de excitación o encendido (t(tonon) ) tiempo de apagado (ttiempo de apagado (toffoff).).
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* Tiempo de retardo (Delay Time, td): Es el que transcurre desde que se aplica la señal de entrada en el dispositivo conmutador, hasta que la señal de salida alcanza el 10% de su valor.
* Tiempo de subida (Rise Time, tr): Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre el 10% y el 90% de su valor final.
* Tiempo de almacenamiento (Storage Time, ts): Tiempo que transcurre desde que se quita la excitación de entrada y el instante en que la señal de salida baja al 90% de su valor final.
* Tiempo de caída (Fall time, tf): Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre el 90% y el 10% de su valor final.
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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t2 - t1 = tA=ton=tr t3 - t2 = tB t4 - t3 = tC=toff=tf
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
La energía perdida en el pulso también la podemos descomponer como la suma de las energías perdidas en tA, tB y tC:
W(t) = WA(t) + WB(t) + WC(t)
4
3
3
2
2
1
)()(
)()( )()(
t
t
cecC
t
t
cecB
t
t
cecA
dttvtiW
dttvtiWdttvtiW
BC(sat)C(sat)B
CCCC(sat)C
ACCC(sat)A
tVI W
6
tVI W ;
6
tVIW
T
WWWP CBA
TOT(AV)
fTP onD ) W (W P onoffonVCEsat=0 IE0=0
Disipación total de Potencia del BJT en Disipación total de Potencia del BJT en conmutación.conmutación.
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W V I t tt C satON
1
2 1 2* * *( )( )
Wcond = VC(sat) * I C(sat) * t5
W V I t tt C satOFF
1
2 3 4* * *( )( )
PW W W
Tf W W WTOT AV
t t cond
t t condON OFF
ON OFF( ) *( )
Carga inductiva
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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Requerimientos dinámicos de base:Requerimientos dinámicos de base:
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
La figura muestra la forma de onda idónea de la corriente de base.
Inicialmente interesa una corriente elevada, para disminuir el tiempo de retardo, y finalmente, una corriente negativa, para forzar el bloqueo en el menor tiempo posible.
1
BEiB1 R
vV I
21
BEiB2 R
vV I
R
1
21
211 C
RR
RRCRE
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TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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Zona 1:Zona 1: (IC(máx) continuous). Máxima corriente que puede circular por el colector a la tensión dada.
Zona 2:Zona 2: (DC operation dissipation – limites). Máxima disipación de potencia del dispositi-vo.
Zona 3:Zona 3: (IS/B limited). Límite producido por el fenómeno de avalancha secundaria.
Zona 4:Zona 4: (VCEO(máx)). Límite debido a la tensión de ruptura del transistor.
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
Curva SOA(Safe Operating Area):Curva SOA(Safe Operating Area):
1
2
3
44
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Protección del BJTProtección del BJT
Sobreintensidades:Sobreintensidades:
Las sobreintensidades están asociadas al periodo de saturaciónsaturación del transistor. Cuando Ic, si la tensión VCE es , la disipación de potencia y se puede llegar a alcanzar la máxima temperatura de la unión.
¡¡¡ Los fusibles no son utilizables en este caso, ya que, la acción del transistor
es mucho más rápida que la del fusible !!!
Sobretensiones:Sobretensiones:
Las sobretensiones están asociadas al periodo de cortecorte del transistor. Debemos prestar especial atención a la posibilidad de ruptura primaria del
dispositivo, también llamada ruptura por avalancha (cuando se sobrepasa la tensión máxima permitida)
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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Transitorios:Transitorios:
Los transitorios de corriente y de tensión son eliminados mediante inductancias y condensadores. Las primeras limitan el tiempo de variación de corriente y los segundos limitan el tiempo de variación de tensión.
Las redes snubberredes snubber en serie están constiuidas por una bobina LS y se usan para limitar el tiempo de subida de la corriente del transistor dIc/dt en el paso a conducción. Si la corriente Ic crece muy rápidamente, conforme decrece la tensión VCE puede darse el fenómeno de ruptura secundaria.
Sr
Cc
L
Vcc
t
I
dt
di
L
rS I
tVccL
La inductancia LLa inductancia LSS se coloca en serie con la fuente de alimentación Vcc. se coloca en serie con la fuente de alimentación Vcc.
Para carga inductiva:Para carga inductiva:
Durante el paso a corte la tensión VCE no debe crecer rápidamente, a medida que la corriente de colector cae, ya que podría darse el fenómeno de ruptura secundariaruptura secundaria. Una red snubber en paralelored snubber en paralelo soluciona este inconveniente.
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
Sf
CECE
C
)t(i
t
V
dt
dV
Vcc
tIC fL
S
al final del paso a corte VCE = Vcc y
que
LIi
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Circuitos de protección del BJT:Circuitos de protección del BJT:
Hart. Electrónica de Potencia.Prentice Hall.Cap. 10
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
Transitorio endendido
Transitorio apagado
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Circuitos de protección del BJT: Circuitos de protección del BJT: Transitorio encendido
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
vd
Df
Ls
DLs
I0
RLs
iC
Cd
di
dtLs
vd
iC
vCE
tri trr
(b)(a)
iLs
ooffLSL
tR -
oLS I1.0)(tihaciendoeI(t)i S
LS
S
offLS
L
tR10ln
off
SLS t
LR
10ln
Cuando el transistor pasa a corte, la energía almacenada en la inductancia (1/2 LS) se
disipa en la resistencia RLS a través del diodo DLS
con una constante de tiempo igual a LS/RLS.
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Circuitos de protección del BJT: Circuitos de protección del BJT: Transitorio apagado mediante red Snubber para turn – off ( paso a corte).mediante red Snubber para turn – off ( paso a corte).
Se pretendeSe pretende que conforme aumenta la tensión en el transistor, IC disminuya, para evitar que el producto sea elevado. Para ello, colocamos un condensador en paralelo con el transistor, como podemos apreciar en la figura. Este condensador debe absorver más intensidad cuando la tensión empiece a crecer.
CCS0 III f
oCS t
tIi
fS
2o
t
0 CSS
CECS t2C
tIdti
C
1VV
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
S
foCSd 2C
tIVV
d
foS V
tIC
2
Cs
tonRRsCston S
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TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
Con red RC paralelo
Carga Inductiva y Vcc=10v
Con diodo volante en extremos de bobina
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TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
Con red RC paralelo
Carga Inductiva y Vcc=10v Con diodo volante en extremos de bobina
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Transistor Mosfet de potenciaTransistor Mosfet de potenciaEl nombre viene dado por las iniciales de los elementos que los componen; Metal - M, Óxido - O, Semiconductor - S.
Las aplicacionesaplicaciones se encuentran en la conmutación a altas frecuencias, chopeado, sistemas inversores para controlar motores, generadores de altas frecuencia para induc-ción de calor, generadores de ultrasonido, amplificadores de audio y trasmisores de radiofrecuencia.
La principal diferenciaprincipal diferencia entre los Transistores Bipolares y los MosfetMosfet consiste en que estos últimos son controlados por tensióncontrolados por tensión aplicada en la puerta (G) y requieren sólo una pequeña corriente de entrada, mientras que los transistores Bipolares (BJTBJT), son controlados por corrientecontrolados por corriente aplicada a la base.
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
G
ID
IS
D
S Surtidor
Drenador
IG
Vgs
Puerta
Es un dispositivo unipolar:
la conducción sólo es debida a un tipo de portador
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Ventajas de los Mosfet frente a los BJT:Ventajas de los Mosfet frente a los BJT:La velocidad de conmutación para los Mosfet está en el orden de los nanosegundos, por esto son muy usados en convertidores de pequeña potencia y alta frecuencia.Los Mosfet no tienen el problema de segunda ruptura (coeficiente positivo de temperatura).Mayor área de funcionamiento.Mayores ganancias.Circuito de mando más simple.Alta impedancia de entrada.
Inconvenientes de los Mosfet:Inconvenientes de los Mosfet:Son muy sensibles a las descargas electrostáticas y requieren un embalaje especial.Es relativamente difícil su protección.Son más caros que sus equivalentes bipolares.La resistencia estática entre Drenador-Surtidor, es más grande, lo que
provoca mayores perdidas de potencia cuando trabaja en Conmutación.
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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Tipos de Mosfet.Tipos de Mosfet.
Mosfet de Deplexión o empobrecimiento.Mosfet de Deplexión o empobrecimiento.
Existe un canal por el cual circula la corriente aunque no se aplique tensión en la puerta.
Mosfet de Acumulación o enriquecimiento (enhancement).Mosfet de Acumulación o enriquecimiento (enhancement).
El canal por el cual circula la corriente se crea cuando se le aplica una tensión en la puerta.
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
Substrato
DS G
+
P-N+ N+
G
D
S
GS
Canal N Canal P
Conducción debida a electrones
Conducción debida a huecos
Los más usados son los MOSFET de canal N
La conducción es debida a los electrones y por tanto, son más rápidos
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Regiones de trabajo.Regiones de trabajo.
VGS<VGS(th)
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
VGS-VGS(th)>=VGS(th)
VGS-VGS(th)<VGS(th)
RDSon
Cuanto más baja es la resistencia, mejor es el transistor
Este parámetro está directamente relacionado con la tensión de ruptura y con la capacidad de manejar corriente
VDS RDSon
ID RDSon
DS(ON)2DON RiP
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Ejemplos de Mosfet comerciales.Ejemplos de Mosfet comerciales.
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
IRF 3205
RDSonIDVDS
55 V 110 A 8 m
IRF 1405 55 V 169 A 5.3 m
IRF 520 100 V 10 A 180 m
IRF 3710 100 V 75 A 25 m
IRFP 460 500 V 20 A 270 m
IRF 540 500 V 8 A 850 m
IRFPG 30 1000 V 3 A 5
IRFPG 50 1000 V 6 A 2
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03/02/03 J J.D.Aguilar Peña; http://voltio.ujaen.es/jaguilar 52/100
Circuitos excitación.Circuitos excitación.
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
Para gobernar un MOSFET hay que cargar y descargar rápidamente el condensador de puerta
El circuito más usado es una estructura complementaria:
G
D
S
VMANDO
+12 V12 VVMANDO
Los bipolares amplifican la corriente veces Tanto en carga como en descarga
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03/02/03 J J.D.Aguilar Peña; http://voltio.ujaen.es/jaguilar 53/100
Circuitos de gobierno para MOSFET con aislamiento
Es muy común tener estructuras de MOSFET en las que algún transistor no está referido a masa
400 V
Cto. Control
12 V
?La fuente no está en la masa del circuito
Cuando el transistor conduce, la fuente está a aproximadamente 400 V
Necesitaríamos una tensión de 412 V
12 V
VGS1
VGS1
Para llevar los pulsos hasta ese transistor se utilizan drivers con aislamiento
• Óptico
• Transformador
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Circuitos de gobierno para MOSFET con aislamiento
12 VVGS2
Aislamiento galvánico
Desmagnetización del transformador
0 V
12 V
Co
rtad
o
12 V
12 V
12 Vi
B El bipolar descarga el condensador de puerta
El transformador pone 12 V en la puerta del MOSFET
MOSFET en conducción
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03/02/03 J J.D.Aguilar Peña; http://voltio.ujaen.es/jaguilar 55/100
Circuitos de gobierno para MOSFET comerciales
Hay drivers comerciales que no requieren el uso de transformadores
Por ejemplo, el IR 2110
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03/02/03 J J.D.Aguilar Peña; http://voltio.ujaen.es/jaguilar 56/100
IGBTIGBT((Insulated Gate Bipolar Transistor ). Introducción.. Introducción.
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
Este dispositivo aparece en los años 80
Mezcla características de un transistor bipolar y de un MOSFET
La característica de salida es la de un bipolar pero se controla por tensión y no por corriente
MOSFET
G
C
E
Bipolar
Alta capacidad de manejar corriente (como un bipolar)
Facilidad de manejo (MOSFET)
Menor capacidad de conmutación (Bipolar)
No tiene diodo parásito
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03/02/03 J J.D.Aguilar Peña; http://voltio.ujaen.es/jaguilar 57/100
El IGBT se suele usar cuando se dan estas condiciones:
• Bajo ciclo de trabajo
• Baja frecuencia (< 20 kHz)
• Pequeñas variaciones de entrada y de carga
• Aplicaciones de alta tensión (>1000 V)
• Alta potencia (>5 kW)
Aplicaciones típicas del IGBT
• Control de motores
• Sistemas de alimentación ininterrumpida
• Sistemas de soldadura
• Iluminación de baja potencia (<100 kHz)
IGBTIGBT((Insulated Gate Bipolar Transistor )
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Gran capacidad de manejo de corriente
Comparación IGBT-MOSFET con el mismo área de semiconductor
El IGBT tiene menor caída de tensión
Menores pérdidas en conducción
Problema:
Coeficiente de temperatura negativo
A mayor temperatura, menor caída de tensión
Conduce más corriente
Se calienta más.Esto es un problema para paralelizar IGBTs
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Parámetros fundamentales para seleccionar un MOSFET
• Tensión de ruptura
• Corriente máxima
• Tensión colector-emisor
Tensiones de ruptura de dispositivos comerciales
Media tensión Alta tensión
250 V
300 V
600 V
900 V
1200 V(Poco usuales)
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1200 V Ic < 50 A Vce : 2.5 – 3 V
Módulos
600 V Ic < 500 A Vce : 1.5 – 2.5 V
Encapsulado discreto
600 V Ic < 50 A Vce : 2 V
TO 247
MTP
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Circuitos excitación.Circuitos excitación.
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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Introducción a los GTO.Introducción a los GTO.
Definición: Definición: El tiristor (SCRSCR, Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio), es un dispositivo semiconductor biestable biestable formado por tres uniones PN con la disposición PNPN. Está formado por tres terminales, llamados AnodoAnodo, CátodoCátodo y PuertaPuerta. El instante de conmutación, puede ser controlado con toda precisión actuando sobre el terminal de puerta. Es un Es un elemento unidireccional, conmutador casi ideal, elemento unidireccional, conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vezrectificador y amplificador a la vez.
SCRSCR
El tiristor de bloqueo por puerta GTO, es un interruptor semiconductor biestable de tres terminales utilizado para el control de corriente, que combina la característica más deseada del tiristor convencional con las del transistor bipolar. El GTO puede ser llevado a conducción y bloqueo a elevada velocidad, controlando la circulación de una pequeña corriente que entre o salga del terminal de Puerta.
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.
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Optoacopladores.Optoacopladores.
La señal de entrada es aplicada al fotoemisor y la salida es tomada del fotorreceptor. Los optoacopladores son capaces de convertir una señal eléctrica en una señal luminosa modulada y volver a convertirla en una señal eléctrica. La gran ventajaventaja de un optoaco-plador reside en el aislamiento eléctricoaislamiento eléctrico que puede establecerse entre los circuitos de entrada y salida.entre los circuitos de entrada y salida.
Los fotoemisores que se emplean en los optoacopladores de potencia son diodos infrarrojos (IRED) y los fotorreceptores pueden ser tiristores o transistores.
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Relés.Relés.
Dispositivos electrónicos o electromecánicos que poseen dos dos estadosestados claramente diferenciados (abierto o cerrado).
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Relés de Estado Sólido:Relés de Estado Sólido:Un relé de estado sólido SSR (Solid State Relay), es un circuito eléctrónico que contiene en su interior un cto disparado por nivel, acoplado a un interruptor semiconductor, un transistor o un tiristor.
Partes del SSRPartes del SSR
TEMA 2: ELEMENTOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.