DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTENCIA

UNAC-FIEE HANS ALEXANDER GONZALES B.DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE POTENCIA

Los dispositivos semiconductores utilizados enElectrónica de Potencia se pueden clasificar en tres grandes grupos, de acuerdo con su grado de controlabilidad:

Dispositivos no controlados: en este grupose encuentran los Diodos. Los estados de conducción (ON) y bloqueo o abertura (OFF) dependen del circuito de potencia. Por tanto, estos dispositivos no disponen de ningún terminal de control externo.

Dispositivos semicontrolados: en este grupo se encuentran, dentro de la familia de los Tiristores, los SCR (“Silicon Controlled Rectifier”) y los TRIAC (“Triode of Alternating Current”). En éste caso supuesta en conducción (pasode OFF a ON) se debe a unaseñal de control externa que se aplica en uno de los terminales del dispositivo, comúnmente denominado puerta. Se tienecontrol externo de la puesta en conducción, perono así del bloqueo del dispositivo

Dispositivos totalmente controlados: en este grupoencontramos los transistores bipolares BJT

(“Bipolar Junction Transistor”), los transistores de efecto de campo MOSFET (“Metal OxideSemiconductor Field EffectTransistor”), los transistores bipolares de puerta aislada IGBT (“Insulated Gate Bipolar Transistor”) y los tiristores GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”), entre otros.

En los siguientes apartados se detallan las características más importantes de cada uno de estos dispositivos.

Modo de operación Los semiconductores utilizados en la electrónica de potencia operan como interruptores, (para controlar la tensión o la corriente):

Nos interesa conocer- Características de

conducción - Características de

conmutación

Valores que definen un componente:

oPolarización Inversa• Tensión inversa de trabajo,VRWM: Máxima tensión inversaque puede soportar de forma continuada sin peligro de avalancha.

UNAC-FIEE HANS ALEXANDER GONZALES B.• Tensión inversa de pico repetitivo, VRRM : Máxima tensión inversa que puede soportar por tiempo indefinido si la duración del pico es inferior a 1ms ysu frecuencia de repetición inferior a 100 Hz

• Tensión inversa de pico único, VRSM : Máxima tensión inversa que puede soportar por una sola vez cada 10 ó más minutos si la duración del pico es inferior a 10 ms.

• Tensión de ruptura, VBD : Valor de la tensión capaz deprovocar la avalancha aunquesolo se aplique una vez por un tiempo superior a 10 ms.

oPolarización Directa• Corriente media nominal, IFW (AV): Valor medio de la máxima corriente de pulsos senoidales que es capaz de soportar el dispositivo en forma continuada con la cápsula mantenida a una determinada temperatura (típicamente 100º C).

• Corriente de pico repetitivo, IFRM : Corriente máxima que puede ser soportada cada 20ms con duración de pico 1ms.

• Corriente de pico único, IFSM: Corriente máxima que puede ser soportada por una sola vez cada 10 ó más minutos siempre que la duración del pico sea inferior a 10ms.

DIODOS DE POTENCIAComponente electrónico ampliamente utilizado en la electrónica de potencia. Adiferencia de los diodos de baja potencia estos se caracterizan por ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión en estado deconducción y en sentido inverso, deben ser capaces desoportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas

El diodo responde a la ecuación:

La curva característica será la que se puede ver en la parte superior, donde:VRRM: tensión inversa máxima VD: tensión de codo.

UNAC-FIEE HANS ALEXANDER GONZALES B.A continuación vamos a ir viendo las características más importantes del diodo, las cuales podemos agrupar dela siguiente forma:

Características estáticas:

o Parámetros en bloqueo (polarización inversa).

o Parámetros en conducción.

o Modelo estático. Características

dinámicas:o Tiempo de

recuperación inverso (trr).

o Influencia del trr en la conmutación.

o Tiempo de recuperación directo.

Potencias:o Potencia máxima

disipable.o Potencia media

disipada.o Potencia inversa

de pico repetitivo.

o Potencia inversa de pico no repetitivo.

Características térmicas.

Protección contra sobre intensidad.

Características Dinámicas

Una característica dinámica importante de un diodo no ideal es la corriente de recuperación inversa. Cuando un diodo pasa de conducción acorte, la corriente en él disminuye, y momentáneamente se hace negativa.

El tiempo de recuperación inversa es el mayor de los dos tiempos de conmutación y el responsable de la mayor parte de las pérdidas de conmutación.

TIPOS DE DIODOS DE POTENCIA

UNAC-FIEE HANS ALEXANDER GONZALES B. Diodos rectificadores para baja   frecuencia

Figura II. Diodos parabaja frecuencia

Características

- IFAV: 1A – 6000 A- VRRM: 400 – 3600 V- VFmax: 1,2V (a IFAVmax)- trr: 10 µs

Aplicaciones

- Rectificadores de Red.- Baja frecuencia (50Hz).

Diodos rápidos (fast) y ultrarrápidos (ultrafast)

Figura III. Diodos deconmutación rápida (Fast y

Ultrafast

Características

- IFAV: 30A – 200 A- VRRM: 400 – 1500 V- VFmax: 1,2V (a IFAVmax)- trr: 0,1 - 10 µs

Aplicaciones

- Conmutación a alta frecuencia (>20kHz).

- Inversores.- UPS.- Accionamiento de motores

CA. Diodos Schotkky

Figura IV. Diodos Schottky

Características

- IFAV: 1A – 120 A- VRRM: 15 – 150 V- VFmax: 0,7V (a IFAVmax)- trr: 5 ns

Aplicaciones

- Fuentes conmutadas.- Convertidores.- Diodos de libre

circulación.- Cargadores de baterías.

Diodos para aplicaciones especiales (alta tensión)

Figura V. Diodos de altatensión

Características

- IFAV: 0,45A – 2 A- VR: 7,5kV – 18kV- VRRM: 20V – 100V- trr: 150 ns

Aplicaciones

UNAC-FIEE HANS ALEXANDER GONZALES B.

- Aplicaciones de alta tensión.

Diodos para aplicaciones especiales (alta corriente)

Figura VI.Diodos de altacorriente

Características

- IFAV: 50A – 7000 A- VRRM: 400V – 2500V- VF: 2V- trr:10 µs

Aplicaciones

- Aplicaciones de altacorriente.

TIRISTORESLos tiristores son interruptores electrónicos utilizados en circuitos de potencia donde es necesario controlar la activación del interruptor.Los tiristores son dispositivos de tres terminales (ánodo, cátodo y puerta) Dentro de la familia de tiristores se encuentran:- Rectificador controlado desilicio (SCR)- El TRIAC- Tiristor de bloqueo por puerta (GTO)- Tiristor controlado por MOS (MCT)

Los tiristores pueden soportar altas corrientes y altas tensiones de bloqueo pero las frecuencias de

conmutación están limitadas avalores de 20Khz.

Tiristor SCR: Para que el SCR entre en conducción hayque aplicar una corriente de puerta cuando la tensiónánodo cátodo sea positiva. Una vez que el dispositivo ha entrado en conducción, la señal de la puerta deja de ser necesaria para mantener la corriente de ánodo. El SCR continuara conduciendo mientras la corriente de ánodo siga siendo positiva y esté por encima de un valor mínimo denominado nivel de mantenimiento.

UNAC-FIEE HANS ALEXANDER GONZALES B.

Tiristor GTO: Al igual que elSCR, se activa al aplicar unacorriente de puerta de corta duración cuando la tensión ánodo-cátodo es positiva.El GTO también puede desactivarse aplicando una corriente de puerta negativa.La corriente de desactivacióndebe ser muy grande comparadacon la corriente de activación.El GTO es apropiado para aplicaciones en las que es necesario controlar tanto la activación como la desactivación del interruptor.

TRIAC: El TRIAC es un tiristor capaz de conducir corriente en ambos sentidos. El TRIAC es equivalente a dosSCR conectados en antiparalelo.

MCT: Es un dispositivo funcionalmente equivalente alGTO, pero sin el requisito dealta corriente de desactivación de puerta. Estáformado por un SCR y dos transistores MOSFET. Un MOSFET activa el SCR y el otro lo desactiva estableciendo la tensión puerta-cátodo, apropiada.

Los tiristores han sido históricamente los interruptores de potencia preferidos, debido a los altos valores nominales de tensión y corriente disponibles. Todavía se utilizan en aplicaciones de alta potencia pero el transistor resulta ahora más conveniente para muchas aplicaciones.

TRANSISTOR BIPOLAR (BJT)Los transistores son utilizados como interruptoresen los circuitos de potencia.Los circuitos de polarizaciónestán diseñados para que estos estén completamente saturados (activados) o en corte (desactivados).El estado de conducción se consigue proporcionando suficiente corriente de base para llevar el BJT a saturación. La tensión de saturación colector-emisor típica es de 1V a 2V para un BJT de potencia.

Una corriente de base nula hace que el transistor se polarice en corte.

Los BJT de potencia están disponibles con valores nominales de hasta 1200V y 400A. Se suelen usar en convertidores que operan hasta 10 Khz. Actualmente han

Por costumbre se ha asociadola palabra “tiristor” al SCRpor ser éste uno de los dispositivos más populares

UNAC-FIEE HANS ALEXANDER GONZALES B.sido reemplazados por los MOSFETS e IGBTs.

El BJT de potencia normalmente tiene una ß baja.Por ejemplo si ß=20 y va a conducir una corriente de 60A, la corriente de base tendrá que ser mayor que 3A para saturar el transistor.Para lograr estas altas corriente de base se usa la configuración DARLINGTON donde la ganancia de corriente de la combinación es aproximadamente igual al producto de las ganancias individuales y puede reducir la corriente extraída del circuito de polarización.

Los transistores bipolares depotencia presentan durante laconmutación un fenómeno complejo conocido como efectode segunda ruptura. Si la ruptura por avalancha se denomina primera ruptura, la segunda ruptura se puede definir como la ruptura de launión debido a efectos térmicos localizados (creación de puntos calientes).

Transistor Bipolar (BJT)Área segura de operación SOA: Resume los valores más importantesque nos hay que sobrepasar para un correcto funcionamiento del circuito.

Zona 1: (IC(máx) continuous). Máxima corriente que puede circular por el colector a la tensión dada.Zona 2: (DC operation dissipation – limites).Máxima disipación de potencia del dispositivo.Zona 3: (IS/B limited).Límite producido por elfenómeno de avalancha

secundaria.Zona 4: (VCEO(máx)). Límite debido a la tensión de ruptura del transistor.

TRANSISTOR MOSFETEl MOSFET es un dispositivo controlado por tensión. Un

tensión puerta-fuente (VGS) lo suficiente grande (VGS> VTH) activará el dispositivo,

UNAC-FIEE HANS ALEXANDER GONZALES B.dando lugar a una pequeña tensión drenador fuente (VDS).En el estado de conducción las variaciones de VDS son linealmente proporcionales a ID , por tanto en estado de conducción el MOSFET puede modelarse como una resistencia denominada RDS(ON).

Zona activa: ID=k(VGS-VTH)2MOSFET ON →Zona Ohmica. Durante la transición pasa por la zona activaMOSFET OFF→ Corte

Ventajas de los MOSFET A LOS BJT:

- La velocidad de conmutación para los

MOSFET está en el orden delos nanosegundos, por estoson muy

- usados en convertidores depequeña potencia y alta frecuencia.

- Los Mosfet no tienen el problema de segunda ruptura (coeficiente positivo de temperatura).

- Circuito de mando más simple.

- Alta impedancia de entrada.

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 pérdidas de potencia cuando trabajaen Conmutación.

Los MOSFETs de baja tensión tienen resistencias de conducción menores a 0,1, mientras que los MOSFETs de alta tensión tienen de conducción de unos cuantos ohmios.La construcción de los MOSFET produce un diodo parasito lo que se puede utilizar, a veces, en circuitos electrónicos de potencia.Los valores nominales de los transistores MOSFET llegan a alcanzar hasta 1000V y 50A teniendo unas velocidades de conmutación mayores que los BJT usándose en convertidores que operan por encima de los 100khz.

UNAC-FIEE HANS ALEXANDER GONZALES B.

h

TRANSISTOR BIPOLAR DE PUERTA AISLADA (IGBT)INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTORS (IGBT)El IGBT es una conexión integrada de un MOSFET y un BJT. El circuito de excitación delIGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT.

Como los MOSFET el IGBT tiene una altaimpedancia de entrada en la puerta (gate) y necesita muy poca energía para conmutarlo. Como los BJT tiene una caída de voltaje muy pequeña en conducción (alta capacidad de manejar corriente).Los IGBTs tienen tiempos de turn-on y turn-off del orden de 1_s y están disponibles para1700V y 1200A.El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 Khz y han sustituido al

UNAC-FIEE HANS ALEXANDER GONZALES B.BJT en muchas aplicaciones.

En la siguiente tabla se añaden otras características importantes a tener en cuenta en el diseño de circuitos de electrónica de potencia.

Por último la figura muestra algunas posibles aplicaciones de los distintos dispositivos de electrónica de potencia.

UNAC-FIEE HANS ALEXANDER GONZALES B.

: