Electrónica de Potencia Aplicada Unidad I 1.-Semiconductores de potencia. 1.1. Diodos de potencia. 1.1.1 Características y parámetros. 1.1.2 Rectificadores monofásicos y polifásicos. 1.1.3 Aplicaciones industriales. 1.1.4 Alimentación de motores de c.c. 1.2. Transistores de potencia. 1.2.1 Tipos de transistores Bipolar (BJT). 1.2.2 Metal Oxido de Silicio (MOS). 1.2.3 Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT). 1.2.4 Características y parámetros. 1.3. Aplicaciones en máquinas eléctricas. 1.4. Circuitos de control híbridos (Electrónicoselectromecánicos).
¿Que es un semiconductor?
I.E.S.MIGUEL HERNÁNDEZ – DEPARTAMENTO FAMILIA PROFESIONAL DE ELECTRICIDAD
Semiconductor Intrínseco – Extrínseco. Semiconductor extrínseco: TIPO N Sb +
Sb +
Sb: antimonio
Si
Si
Si
Si
Sb Si
Si +
Si
Si
Sb +
Impurezas del grupo V de la tabla periódica Es necesaria muy poca energía para ionizar el átomo de Sb
Sb + Sb +
Sb +
300ºK
Sb +
Sb +
Sb +
Electrones libres
Si
Átomos de impurezas ionizados
Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo N son Electrones libres
Semiconductor extrínseco: TIPO P Al -
Al: aluminio
Si
Si
Si
Al -
Impurezas del grupo III de la tabla periódica
Si
Al Si
Si
Es necesaria muy poca energía para ionizar el átomo de Al Huecos
Si
A temperatura ambiente todos los átomos de impurezas se encuentran ionizados
-
Si
Si
libres
Al -
Al Al -
Al Al -
Al -
Al -
Al -
Al -
+
Impurezas grupo V
Sb +
Sb + Sb +
Sb +
Sb +
Sb +
Sb +
Al -
Al Al -
Al -
Al -
300ºK
Átomos de impurezas ionizados
Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo P son Huecos. Actúan como portadores de carga positiva.
I.E.S.MIGUEL HERNÁNDEZ – DEPARTAMENTO FAMILIA PROFESIONAL DE ELECTRICIDAD
Semiconductores. La unión PN: el DIODO.
-
-
-
-
-
-
-
-
Semiconductor tipo P
+
+ +
+ +
-
+
+
+
-
+
+
-
-
+
+
+
+
+
+
Semiconductor tipo N Zona de transición -
-
-
-
-
-
-
Semiconductor tipo P
+
-
-
+
+ +
+ +
-
+
+
+
-
+
+
-
-
+
+
+
+
+
+
Semiconductor tipo N
Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de carga espacial denominada ‘zona de transición’, que actúa como una barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona.
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Semiconductores. La unión PN: el DIODO. La unión P-N polarizada inversamente
P
-
-
-
-
-
-
-
-
+
-
+ +
+
+
La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa no hay circulación de corriente.
+
+ +
-
+
+
+
N
+
+
-
-
+
+
+
+
La unión P-N polarizada en directa La zona de transición se hace más pequeña. La corriente comienza a circular a partir de un cierto umbral de tensión directa. P N
DIODO SEMICONDUCTOR
P
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+ +
+ +
-
I
+
+
+
+
N
+
+
-
-
+
+
+
+
+
+
Conclusiones: Aplicando tensión inversa no hay conducción de corriente. Al aplicar tensión directa en la unión es posible la circulación de corriente eléctrica
Semiconductor
Diodos de potencia Características estáticas Parámetros en bloqueo. Parámetros en conducción. Modelos estáticos de diodo. Características dinámicas Tiempo de recuperación inverso. Influencia del trr en la conmutación. Tiempo de recuperación directo. Disipación de potencia Potencia máxima disipable (Pmáx). Potencia media disipada (PAV). Potencia inversa de pico repetitiva (PRRM). Potencia inversa de pico no repeptitiva (PRSM). Características térmicas Temperatura de la unión (Tjmáx). Temperatura de almacenamiento (Tstg). Resistencia térmica unión-contenedor (Rjc). Resistencia térmica contenedor-disipador (Rcd).
Diodos de potencia Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, las siguientes limitaciones : son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conducción. El único procedimiento de control es invertir el voltaje entre ánodo y cátodo.
Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas.
Características Estáticas Parámetros en bloqueo •Tensión inversa de pico de trabajo (VRWM): es la que puede ser soportada por el dispositivo de forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha. •Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM): es la que puede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10 ms de forma continuada. •Tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM): es aquella que puede ser soportada una sola vez durante 10ms cada 10 minutos o más. •Tensión de ruptura (VBR): si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 ms el diodo puede destruirse o degradar las características del mismo. •Tensión inversa contínua (VR): es la tensión continua que soporta el diodo en estado de bloqueo.
Características Estáticas Parámetros en conducción •Intensidad media nominal (IF(AV)): es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos sinusuidales de 180º que el diodo puede soportar. •Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es aquella que puede ser soportada cada 20 ms , con una duración de pico a 1 ms, a una determinada temperatura de la cápsula (normalmente 25º). •Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): es el máximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duración de 10 ms. •Intensidad directa (IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en el estado de conducción.
Modelos del diodo
Los distintos modelos del diodo en su región directa (modelos estáticos) se representan en la figura superior. Estos modelos facilitan los cálculos a realizar, para lo cual debemos escoger el modelo adecuado según el nivel de precisión que necesitemos. Estos modelos se suelen emplear para cálculos a mano, reservando modelos más complejos para programas de simulación como PSPICE. Dichos modelos suelen ser proporcionados por el fabricante, e incluso pueden venir ya en las librerías del programa.
Características Dinámicas Tiempo de recuperación Inverso •El paso del estado de conducción al de bloqueo en el diodo no se efectúa instantáneamente. Si un diodo se encuentra conduciendo una intensidad IF, la zona central de la unión P-N está saturada de portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de éstos cuanto mayor sea IF. Si mediante la aplicación de una tensión inversa forzamos la anulación de la corriente con cierta velocidad di/dt, resultará que después del paso por cero de la corriente existe cierta cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario durante un instante. La tensión inversa entre ánodo y cátodo no se establece hasta después del tiempo ta llamado tiempo de almacenamiento, en el que los portadores empiezan a escasear y aparece en la unión la zona de carga espacial. La intensidad todavía tarda un tiempo tb (llamado tiempo de caída) en pasar de un valor de pico negativo (IRRM) a un valor despreciable mientras van desapareciendo el exceso de portadores.
Características Dinámicas Tiempo de recuperación Inverso • ta (tiempo de almacenamiento): es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la intensidad hasta llegar al pico negativo. • tb (tiempo de caída): es el tiempo transcurrido desde el pico negativo de intensidad hasta que ésta se anula, y es debido a la descarga de la capacidad de la unión polarizada en inverso. En la práctica se suele medir desde el valor de pico negativo de la intensidad hasta el 10 % de éste. • trr (tiempo de recuperación inversa): es la suma de ta y tb.
Características Dinámicas
Tiempo de recuperación Inverso • Qrr: se define como la carga eléctrica desplazada, y representa el área negativa de la característica de recuperación inversa del diodo. • di/dt: es el pico negativo de la intensidad. • Irr: es el pico negativo de la intensidad.
Características Dinámicas
La relación entre tb/ta es conocida como factor de suavizado "SF". Si observamos la gráfica podemos considerar Qrr por el área de un triángulo :
Características Térmicas Temperatura de la unión (Tjmáx) Es el límite superior de temperatura que nunca debemos hacer sobrepasar a la unión del dispositivo si queremos evitar su inmediata destrucción. En ocasiones, en lugar de la temperatura de la unión se nos da la "operating temperature range" (margen de temperatura de funcionamiento), que significa que el dispositivo se ha fabricado para funcionar en un intervalo de temperaturas comprendidas entre dos valores, uno mínimo y otro máximo.
Temperatura de almacenamiento (Tstg) Es la temperatura a la que se encuentra el dispositivo cuando no se le aplica ninguna potencia. El fabricante suele dar un margen de valores para esta temperatura.
Características Térmicas Resistencia térmica unión-contenedor (Rjc) Es la resistencia entre la unión del semiconductor y el encapsulado del dispositivo. En caso de no dar este dato el fabricante se puede calcular mediante la fórmula: Rjc = (Tjmáx - Tc) / Pmáx siendo Tc la temperatura del contenedor y Pmáx la potencia máxima disipable. Resistencia térmica contenedor-disipador (Rcd) Es la resistencia existente entre el contenedor del dispositivo y el disipador (aleta refrigeradora). Se supone que la propagación se efectúa directamente sin pasar por otro medio (como mica aislante, etc).
Características fundamentales • Tensión de ruptura
• Caída de tensión en conducción • Corriente máxima • Velocidad de conmutación
DIODOS DE POTENCIA
Tensión de ruptura Baja tensión
Media tensión
Alta tensión
15 V
100 V
500 V
30 V
150 V
600 V
45 V
200 V
800 V
55 V
400 V
1000 V
60 V 80 V
1200 V
Tensión de codo
i Curva característica real
pendiente = 1/rd
DIODOS DE POTENCIA
V
0 V A mayor tensión de ruptura , mayor caída de tensión en conducción Señal VRuptura VCodo
< 100 V 0,7 V
Potencia 200 – 1000 V <2V
Alta tensión 10 – 20 kV >8V
Datos del diodo en corte
DIODOS DE POTENCIA
Tensión inversa VRRM
Repetitive Peak Voltage
La tensión máxima es crítica Pequeñas sobretensiones pueden romper el dispositivo
DIODOS DE POTENCIA
Datos del diodo en conducción Corriente directa IF
Forward Current
Corriente directa de pico repetitivo IFRM
Repetitive Peak Forward Current
La corriente máxima se indica suponiendo que el dispositivo está atornillado a un radiador
Características dinámicas Indican capacidad de conmutación del diodo
R a
DIODOS DE POTENCIA
V1
b V2 i V1/R
i +
Transición de “a” a “b”
V t Comportamiento dinámicamente ideal
V -V2
t
Características dinámicas
Transición de “a” a “b”
R a
DIODOS DE POTENCIA
V1
b V2
i +
i
V1/R
trr
V
-
ts = tiempo de almacenamiento (storage time )
ts -V2/R
V
tf = tiempo de caída (fall time ) trr = tiempo de recuperación inversa (reverse recovery time )
-V2
t tf (i= -0,1·V2/R)
t
Transición de “b” a “a” (encendido)
Características dinámicas
R a
b V2
V1
i + V -
i DIODOS DE POTENCIA
El proceso de encendido es más rápido que el apagado.
0,9·V1/R 0,1·V1/R
td
tr
tfr
td = tiempo de retraso (delay time ) tr = tiempo de subida (rise time ) tfr = td + tr = tiempo de recuperación directa (forward recovery time )
DIODOS DE POTENCIA
Características dinámicas
Características Principales
DIODOS DE POTENCIA
Corriente directa Tensión inversa Tiempo de recuperación Caída de tensión en conducción
Encapsulado
Tiempo de recuperación en inversa Un diodo de potencia tiene que poder conmutar rápidamente del estado de corte al estado de conducción. El tiempo que tarda en conmutar se llama : TIEMPO DE RECUPERACIÓN EN INVERSA
DIODOS DE POTENCIA
Los diodos se pueden clasificar en función de su tiempo de recuperación:
Tipos de diodos Se clasifican en función de la rapidez (trr)
DIODOS DE POTENCIA
VRRM
IF
trr > 1 s
•
Standard
100 V - 600 V
1 A – 50 A
•
Fast
100 V - 1000 V
1 A – 50 A
100 ns – 500 ns
•
Ultra Fast
200 V - 800 V
1 A – 50 A
20 ns – 100 ns
•
Schottky
15 V - 150 V
1 A – 150 A
< 2 ns
Las características se pueden encontrar en Internet (pdf) Direcciones web www.irf.com www.onsemi.com www.st.com www.infineon.com
Aplicaciones: DIODOS DE GAMA MEDIA: •Fuentes de alimentación •Soldadores
DIODOS RÁPIDOS
•Aplicaciones en que la velocidad de conmutación es crítica
DIODOS DE POTENCIA
•Convertidores CD – CA
DIODOS SCHOTTKY •Fuentes de alimentación de bajo voltaje y alta corriente •Fuentes de alimentación de baja corriente eficientes
Calculo de parámetros en los diodos
La relación entre tb/ta es conocida como factor de suavizado "SF". Si observamos la gráfica podemos considerar Qrr por el área de un triángulo : También
DIODOS DE POTENCIA
Se puede apreciar que en a ecuación 2.10 y 2.11 que el tiempo de recuperación inversa trr y la corriente pico de recuperación inversa IRR dependen de la carga de almacenamiento QRR y de la di/dt inversa (o reaplicada). La carga de almacenamiento depende de la corriente de diodo en sentido directo IF. La corriente de pico de recuperaciòn inversa IRR, la carga en sentido inverso QRR y el FS (factor de suavidad) tienen interes para el diseñador del circuito
Calculo de corriente de recuperación inversa • Ejemplo: El tiempo de recuperación inversa de un diodo es Trr=3 s y la velocidad de caída de la corriente por el diodo es de di/dt =30 A/s. • Determinar: • a) La carga QRR de almacenamiento • b).- La corriente pico en sentido inverso IRR. • c).- Realiza nuevamente los cálculos si Trr=1.5s
Diodos conectados en serie • En ocasiones se tienen dos diodos con voltajes inversos diferentes con los cuales se necesitan conectar en serie debido a que uno solo no ofrece la capacidad de voltaje inverso al cual será conectado.
Diodos conectados en serie • Para igualar las características de los diodos se debe de realizar la siguiente configuración, la cual nos permitirá acoplar sus características De la cual se cumple la siguiente ecuación
Ejemplo Se conectan dos diodos en serie, como se ve en la figura, para compartir un voltaje total de cd en sentido inverso de 5KV. La corriente de fuga inversa de los diodos son 𝐼𝑠1 = 30𝑚𝐴 e 𝐼𝑠2 = 35𝑚𝐴. Determinar: a).- Los voltajes de diodo, si las resistencias de voltaje compartido son iguales a 𝑅1 = 𝑅2 = 100 𝐾Ω. b).- Determinar las resistencias de voltaje compartido 𝑅1 𝑦 𝑅2 para que los voltajes en 𝑉 los diodos sean iguales 𝑉𝐷1 = 𝑉𝐷2 = 2𝐷 . c).- Usar Pspice para comprobar los resultados de la parte a). Los parámetros del modelo Pspice de los diodos son BV = 3kV a IS = 30mA para el diodo 𝐷1 , e IS=35 mA para el diodo 𝐷2 .
