Semiconductores de Potencia

2. Dispositivos semiconductores de potencia - introducción -

Electrónica de potencia Æ uso de semiconductores para el control y conversión de la energía eléctrica. •I nte nterrruptores conmuta conmutando ndo de acue cuerrdo a secue secuenci ncia as bie bien def defini nida das s •Uso de microprocesadores o microcontroladores para calcular las secuencias e instantes de conmutación.

Conoci onocim miento de de los di disp sposi ositi tivos vos sem semicond conducto uctore res s de de pot pote enci ncia a así com como o de electrónica de control es necesaria para comprender y hacer funcionar los equipos basados en electrónica de potencia.

2. Dispositivos semiconductores de potencia - introducción -

En los circuitos de E de P en general circulan grandes corrientes Æ asociadas a una tensión se generan pérdidas. •Minimizar dichas pérdidas implica trabajar los interruptores en modo completamente cerrado (región de saturación) y completamente abiertos (región de corte). •Un interruptor ideal debe tener: (1) tiempos de conmutación despreciables (encendido y apagado), (2) soportar toda la tensión en estado bloqueado y toda la corriente necesaria cuando esta en conducción. •En la práctica: limitaciones tanto a nivel de tiempos de conmutación como a nivel de capacidades de soporte de tensión y de corriente para cubrir toda la gama de potencias. Existen varias categorías de interruptores, cada una de las cuales con características bien definidas

2. Dispositivos semiconductores de potencia  Tres grupos: 1. Diodos 2. Tiristores 3. Dispositivos controlables Unilaterales : solo conducen en un sentido

La resistencia interna de estos elementos varia enormemente en función deciertas condiciones de funcionamiento, naturales o impuestas

Dispositivos semiconductores

Conmutación Æ Cambio de estado (conduccion/no conduccion) •Conmutación natural •Auto conmutación o conmutación forzada •Conmutación por carga

Diodos de potencia (Interruptor NO controlado)

Es el elemento semiconductor de potencia mas simple •Conmutación natural

•Ver ideal

•Pequeña corriente de fuga inversa •Perdidas por conducción : Vd x Id +perdidas resistivas

•Símbolo •Cond. De op.

La resistencia que presenta al paso de la corriente depende del circuito exterior; cuando

Diodos de potencia Características de conmutación

•Formas de onda dependen del tipo de diodo y circuito externo •Características especificadas en función de corrientes y sus di/dt (Circ. Inductivos o de rodada libre) (V r hoj d datos

)

Diodos Schottky •Se fabrican poniendo una capa de metal directamente sobre semiconductor •Pequeña caída de voltaje en conducción (0.3 a 0.4 V) •Corriente inversa de fuga mayor que diodo p-n •Bajo voltaje de ruptura inverso •Mas rápidos •Menor sobre impulso de voltaje al encendido Resumen de tipos de diodos •Diodos Schottky •Diodos de recuperación rápida (trr de algunos us) •Diodos rectificadores a la frecuencia de la línea (>trr)

Tiristores (Interruptor con encendido controlado)

•1957 – General •Estructura semiconductora de 4 capas •Alta capacidad para el manejo de potencia •Capacidad de encendido por terminal de control (Compuerta o gate) •Conmutación natural o forzada

Tiristores (Interruptor con encendido controlado) Propiedades parecidas a las del diodo, pero estos tienen una terminal adicional (electrodo o terminal de control) que permite el paso de corriente en sentido directo cuando una señal llamada “senal de contro” es aplicada en esta terminal.  Tiristor y característica estática ideal

Una vez encendido, el tiristor permanecerá encendido aún en la ausencia de señal de control, siempre y cuando la corriente principal no se anule. Estos dispositivos son unidireccionales en corriente y bi-direccionales en tensión (ver característica estática ideal).

Tiristores

•Algunos parámetros •Corriente de sostenimiento •Voltaje de sostenimiento •Voltaje directo de bloqueo •Corriente máxima de bloqueo •Corriente de compuerta

Característica I-V •Valores elevados de voltajes inversos y capacidad de corriente

Tiristores •Pulso de compuerta Æ encender  Tres etapas: •Retardo •Subida de corriente (circ. Externo) •Estabilización voltaje A-K 

Característica de conmutación (Apagado Æ  encendido) Limitar di/dt a valores especificados, para evitar altas densidades en puntos concentrados Valores elevados de Ig ayudan a mejorar di/dt

Tiristores Apagado: polarización inversa durante periodo mínimo de tiempo (mayor que el tiempo de recuperación inversa del dispositivo) Mejora di/dt:

Taux  Tp R1

Ver especificaciones hoja de datos…

GTO (Interruptor con encendido y apagado controlados)

Puede ser encendido y apagado por una señal de control •Encendido : Pulso positivo de corriente en compuerta •Apagado : Pulso negativo de corriente en compuerta Deberá de tener un valor elevado, normalmente 1/3 de la corriente principal El tener encendido y apagado controlados permite un mejor control de la energía reactiva consumida y del factor de desplazamiento (defasamiento entre la tensión y la componente fundamental de la corriente)

GTO

•Características i-v en polarización directa son similares a las del SCR. •Capacidad muy baja de bloqueo de voltaje inverso (depende de la estructura) •Apagado Æ Ih dependiente de Ig

GTO - Conmutación Necesarios los circuitos de ayuda a la conmutación dados los valores elevados de voltaje y corrientes manejados

Limitado por Ls GTO off Æ Io circula por Df 

GTO - Conmutación Apagado del GTO

Circuito de manejo

Io/Cs

GTO – Aspectos de operacion 1. Tiempos mínimos de los estados de encendido y apagado Permitir una densidad de corriente uniforme y la recuperación delos circuitos de ayuda a la conmutación. 2. Corriente máxima de ánodo controlable Hay una corriente máxima controlable especificada 3. Protección contra sobre corrientes Debe de haber una margen de seguridad con respecto a la corriente máxima permitida (punto 2). Si se sobrepasa Æ otro metodo