COMPONENTES DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA
COMPONENTES DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA 1. Introducción 2. Diodos de Potencia 3. El transis transistor tor Bipola Bipolarr de Potenci Potenciaa - BJT 4. El Transi Transisto storr MOS de de Potencia Potencia - MOSFE MOSFET T 5. El Tiristor o SCR 6. Otros Semiconductores de Potencia
COMPONENTES DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA 1. Introducción 2. Diodos de Potencia 3. El transis transistor tor Bipola Bipolarr de Potenci Potenciaa - BJT 4. El Transi Transisto storr MOS de de Potencia Potencia - MOSFE MOSFET T 5. El Tiristor o SCR 6. Otros Semiconductores de Potencia
COMPONENTES DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA 7. Circuitos de Disparo de los Interruptores Electrónicos de Potencia 8. Circuitos de Conmutación o Bloqueo 9. Consideraciones de Diseño del " Snubber “ 10. Protecciones de los Componentes Electrónicos de Potencia
1. Introducción • Los Los pri prime mero ross dis dispo posi sititivo voss par paraa el el man manej ejoo de la energía eléctrica fueron los tubos de vació. • Sin Sin emb embar argo go una una vez vez lleg llegad ados os los los semiconductores a base de Silicio, se fueron reemplazados a medida que iban apareciendo. • El recambio comenzó con los diodos en los
1. Introducción • Durante los años setenta, los Tiristores (SCRs), los Tiristores Bloqueables por Puerta (GTOs); y los Transistores Bipolares (BJTs) constituían los dispositivos de potencia primordiales, mientras que los Transistores MOSFETs eran todavía demasiado recientes para participar en las aplicaciones de potencia. Los SCRs y los BJTs de aquella época podían conmutar a frecuencias entre 1 y 2KHz .
1. Introducción • Durante los años ochenta se consiguieron bastantes avances, tales como reducción de la resistencia en conmutación de los transistores MOSFETs, aumento de la tensión y la corriente permitida en los GTOs, desarrollo de los dispositivos híbridos MOS-BIPOLAR tales como los IGBTs, así como el incremento de las prestaciones de los circuitos integrados de potencia y sus aplicaciones.
1. Introducción • En la década de los noventa los SCRs van quedando relegados a un segundo plano, siendo sustituidos por los GTOs. Se incrementa la frecuencia de conmutación en dispositivos MOSFETs e IGBTs, mientras que los BJTs son gradualmente reemplazados por los dispositivos de potencia anteriores.
1. Introducción • Tecnológicamente se ha tendido a fabricar dispositivos con mayores velocidades de conmutación, con capacidad para bloquear elevadas tensiones, permitiendo el paso de grandes corrientes y que cada vez, tienen un control más sencillo y económico en consumo de potencia.
1. Introducción
Características frecuencia potencia de los semiconductores
2. Diodos de Potencia • El elemento rectificador de potencia más común es el diodo de potencia y esta formado por una sola unión PN. • Las características de los diodos de potencia son, en general, similares a las de los diodos normales, idealmente presenta dos estados bien diferenciados: corte y conducción. • El paso de un estado a otro no se realiza de forma instantánea y en dispositivos en los que el funcionamiento se realiza a elevada frecuencia, es muy importante el tiempo de paso entre estados, puesto que éste acotará las frecuencias de trabajo, siendo necesario el uso de “Diodos de Recuperación Ultra Rapidos” o “ultra fast recovery diode”
2. Diodos de Potencia • En cuanto a márgenes de funcionamiento, hay diodos que en estado de conducción pueden llegar a soportar corrientes medias superiores a los 1.500 A llegando hasta tensiones inversas superiores a los 2.000 V. • El único procedimiento de control posible, es invertir el voltaje entre ánodo y cátodo.
2. Diodos de Potencia
estructura
símbolo
característica v-i
Característica v-i ideal.
2. Diodos de Potencia Parámetros en estado de bloqueo.
• VRWM Tensión inversa de trabajo máxima. Es la tensión que puede ser soportada por el diodo de forma continuada sin peligro de calentamientos. • VRRM Tensión inversa de pico repetitivo. Es la tensión que puede ser soportada en picos de 1 ms repetidos cada 10 ms por tiempo indefinido.
2. Diodos de Potencia Parámetros en estado de bloqueo.
• • •
VRSM Tensión inversa de pico no repetitivo . Es la tensión que puede ser
soportada por una sola vez cada 10 minutos o más, con duración de pico de 10 ms. VR Tensión de ruptura. Si es alcanzada, aunque sea por una sola vez con duración de 10 ms o menos, el diodo puede destruirse o al menos degradar sus características eléctricas. IR Intensidad de fugas. Intensidad que circula por el dispositivo de potencia cuando está bloqueado.
2. Diodos de Potencia Parámetros en estado de conducción
• IF (AV) Intensidad en directo media nominal. Es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos senoidales de 180º que el diodo puede soportar con la cápsula mantenida a determinada temperatura. • IFRM Intensidad en directo de pico repetitivo. Puede ser soportada cada 20 ms por tiempo indefinido, con duración del pico de 1 ms a determinada temperatura de la cápsula. • IFSM Intensidad en directo de pico no repetitivo. Es el máximo pico de intensidad aplicable por una vez cada 10 minutos o más, con duración de pico de 10 ms.
2. Diodos de Potencia Diodo rectificador normal
• •
Tienen un tiempo de recuperación inversa relativamente alto, típicamente de 25 µs, y se utilizan en aplicaciones de baja velocidad, en las que el tiempo de recuperación no es critico. Margen de funcionamiento: desde < 1A hasta varios miles de A; 50V...5KV
Diodo de barrera Schottky
• • •
Se caracterizan por su alta velocidad de conmutación, una baja caída de voltaje cuando están polarizados en directo (típicamente de 0.25 a 0.4 voltios), con un tiempo de recuperación de menos de 1 ns. Tiene poca capacidad de conducción de corriente en directo .< Margen de funcionamiento: 1A...300A; Son usados en rectificadores de bajo voltaje para mejorar la eficacia de la rectificación.
Diodo de recuperación rápida
•
•
Los diodos de recuperación rápida tienen un tiempo de recuperación bajo, por lo general menor que 5 µs. Esta característica es especialmente valiosa en altas frecuencias. Un diodo con esta variación de corriente tan rápida necesitara contactos de protección, sobre todo cuando en el contacto exterior encontramos elementos inductivos. Margen de funcionamiento: <1A...300A; 50V...3KV
COMPONENTES DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA
3. El transistor Bipolar de Potencia BJT • Su funcionamiento es idéntico a los transistores de pequeña señal. • Son fáciles de controlar por el terminal de base, aunque el circuito de control consume más energía que el de otros semiconductores de potencia. • Su principal ventaja es la baja caída de tensión en saturación.
3. El transistor Bipolar de Potencia BJT
símbolo
característica v-i
característica v-i ideal.
3. El transistor Bipolar de Potencia BJT • Los transistores bipolares de alta potencia se utilizan fundamentalmente para trabajar con frecuencias por debajo de 10KHz y en aplicaciones que requieran 1.200 V y 400 A como máximo. • A diferencia del transistor bipolar normal, en el cual, la zona de trabajo más importante es la lineal, en el transistor de potencia los estados más importantes de funcionamiento son saturación y corte.
3. El transistor Bipolar de Potencia BJT • Los BJT típicos utilizados son de tipo Darlington y triple Darlington, esto por el efecto que tiene esta configuración de poder controlar mas corriente por el colector.
4. El Transistor MOS de Potencia MOSFET • El nombre de MOSFET, viene dado por las iniciales de los elementos que lo componen; una fina película metálica (Metal - M); oxido de silicio (Óxido - O); región semiconductora (Semiconductor - S). • El control del MOSFET se realiza por tensión, teniendo que soportar solamente un pico de corriente para cargar y descargar la capacidad de puerta. • Como ventajas destacan su alta impedancia de entrada, velocidad de conmutación, buena estabilidad térmica y facilidad de colocar múltiples transistores en paralelo.
4. El Transistor MOS de Potencia MOSFET • Las aplicaciones más típicas de los transistores de potencia MOSFET se encuentran en la conmutación a altas frecuencias, chopeado, sistemas inversores para controlar motores, generadores de altas frecuencia para inducción de calor, generadores de ultrasonido, amplificadores de audio y trasmisores de radiofrecuencia.
4. El Transistor MOS de Potencia MOSFET
Símbolo
Característica v-i
Característica v-i ideal.
4. El Transistor MOS de Potencia MOSFET • La principal diferencia entre los Transistores Bipolares (BJT) y los Mosfet consiste en que estos últimos son controlados por tensión aplicada en la puerta (G) y requieren solo una pequeña corriente de entrada, mientras que los transistores Bipolares (BJT), son controlados por corriente aplicada a la base.
5. El Tiristor o SCR • Es un diodo que permite el control mediante una señal de disparo, por lo que se conoce como rectificador controlado de silicio (SCR - Silicon Controlled Rectifier). • Dentro de la denominación general de tiristores se consideran todos aquellos componentes semiconductores con dos estados estables cuyo funcionamiento se basa en la realimentación regenerativa de una estructura PNPN. • Dispone de dos terminales principales, ánodo y cátodo , y uno auxiliar de disparo o puerta (gate).
5. El Tiristor o SCR
Estructura
Característica v-i real
Símbolo
Característica v-i ideal
5. El Tiristor o SCR • La corriente principal circula del ánodo al cátodo. • En su estado de OFF, puede bloquear una tensión directa y no conducir corriente. Así, si no hay señal aplicada a la puerta, permanecerá en bloqueo independientemente del signo de la tensión Vak. • El tiristor debe ser disparado a ON aplicando un pulso de corriente positiva en el terminal de puerta, durante un pequeño instante. • La caída de tensión directa en el estado de ON es de pocos voltios (1-3V). • Una vez que empieza a conducir, es fijado al estado de ON, aunque la corriente de puerta desaparezca, no pudiendo ser cortado por pulso de puerta. Solo cuando la corriente del ánodo tiende a ser negativa, o inferior a un valor umbral, por la influencia del circuito de potencia, se cortará el tiristor.
5. El Tiristor o SCR • La corriente principal circula del ánodo al cátodo. • En su estado de OFF, puede bloquear una tensión directa y no conducir corriente. Así, si no hay señal aplicada a la puerta, permanecerá en bloqueo independientemente del signo de la tensión Vak. • La caída de tensión directa en el estado de ON es de pocos voltios (1-3V).
5. El Tiristor o SCR • El tiristor debe ser disparado a ON aplicando un pulso de corriente positiva en el terminal de gate, durante un pequeño instante. • Una vez que empieza a conducir, es fijado al estado de ON, aunque la corriente de puerta desaparezca, no pudiendo ser cortado por pulso de puerta. Solo cuando la corriente del ánodo tiende a ser negativa, o inferior a un valor umbral, por la influencia del circuito de potencia, se cortará el tiristor.
5. SCR - Terminología VDRM
•
Tensión de pico repetitivo en estado de bloqueo directo. Expresa el valor máximo de voltaje repetitivo para el cual el fabricante garantiza que no hay conmutación, con la puerta en circuito abierto. (Repetitive peak off-state voltage).
VDSM
•
Tensión de pico no repetitivo en estado de bloqueo directo. Valor máximo de tensión en sentido directo que se puede aplicar durante un determinado periodo de tiempo con la puerta abierta sin provocar el disparo. (Non -repetitive peak off – state voltage).
VDWM
•
Tensión máxima directa en estado de trabajo. Valor máximo de tensión en condiciones normales de funcionamiento. (Crest working off - state voltage).
5. SCR - Terminología VRRM
• Tensión inversa de pico repetitivo. (Repetitive peak reverse voltage). Valor máximo de tensión que se puede aplicar durante un cierto periodo de tiempo con el terminal de puerta abierto. VRSM
• Tensión inversa de pico no repetitivo. (Non - repetitive peak reverse voltage). Valor máximo de tensión que se puede aplicar con el terminal de puerta abierto. VRWM
• Tensión inversa máxima de trabajo. (Crest working reverse voltage). Tensión máxima que puede soportar el tiristor con la puerta abierta, de forma continuada, sin peligro de ruptura.
5. SCR - Terminología IT(AV)
• Corriente eléctrica media. (Average on - state current). Valor máximo de la corriente media en el sentido directo, para unas condiciones dadas de temperatura, frecuencia, forma de onda y ángulo de conducción. IT(RMS)
• Intensidad directa eficaz. (R.M.S. on state current). ITSM
• Corriente directa de pico no repetitiva. (Peak one cycle surge on - state current). Corriente máxima que puede soportar el tiristor durante un cierto periodo de tiempo.
5. SCR - Terminología VGT
• Tensión de disparo de puerta. (Tensión de encendido). (Gate voltage to trigger). Tensión de puerta que asegura el disparo con tensión ánodo - cátodo en directo.
5. SCR - Terminología IL
• Corriente de enganche. (Latching current). Corriente de ánodo mínima que hace bascular al tiristor del estado de bloqueo al estado de conducción. IH
• Corriente de mantenimiento. (Holding current). Mínima corriente de ánodo que conserva al tiristor en su estado de conducción. IGT
• Corriente de disparo de puerta. (Gate current to trigger). Corriente de puerta que asegura el disparo con un determinado voltaje de ánodo.
5. SCR - Terminología I²t
• Valor límite para protección contra sobrecorrientes. (I²t Limit value). Se define como la capacidad de soportar un exceso de corriente durante un tiempo inferior a medio ciclo. Permite calcular el tipo de protección. Se debe elegir un valor de I²t para el fusible de forma que: I²t (fusible) < I ²t (tiristor)
IGBT • El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor) es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia.
IGBT • Posee la características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo
IGBT
IGBT • El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT. • El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 kHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones.
IGBT • Existen en el mercado IGBTs con valores de 600, 1.200, 1.700, 2.100 y 3.300 volts, llegando en la actualidad hasta 6.600V • Trabaja a frecuencias desde 5 kHz a 40kHz. • Existen en el mercado IGBTs encapsulados que soportan hasta 400 o 600 A.
TRIAC • El TRIAC es un semiconductor de tres terminales, dos principales (E1, E2) y otro de control denominado puerta (G). Este dispositivo tiene la capacidad de controlar el paso de corriente en ambas direcciones, por tanto se puede decir que se trata de un dispositivo bidireccional, por lo que es muy utilizado en la regulación de corriente alterna.
TRIAC
Símbolo
característica v-i
característica v-i ideal
TRIAC • El TRIAC presenta la ventaja de poder pasar al estado de conducción, tanto para tensiones negativas como positivas. Una forma simple de describir su comportamiento, es comparándolo con dos tiristores conectados en antiparalelo.
TRIAC • Es más fácil controlar a un triac que a dos tiristores, pero cuando la potencia que se debe controlar es excesiva para las características del triac (la potencia máxima que puede disipar es reducida), se puede sustituir por dos tiristores, colocados en antiparalelo.
GTO • El GTO (Gate - Turn - Off), es un dispositivo semiconductor de potencia que combina las características más deseables de un tiristor convencional con las características de un transistor bipolar, presentando la ventaja de poder pasar del estado de conducción al estado de bloqueo mediante la aplicación de un impulso negativo a la puerta.
