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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
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.
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))
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
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
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.
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)
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
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
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.
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.
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).
* 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.
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.
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)
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.