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CARACTERÍSTICAS DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA Zambrano Dominguez Fernando Javier
[email protected] Universidad Universidad Politecnica olitecnica Salesiana
Abstract—Let us do a brief study of the power semiconductors, which have a basic idea what chord and then study so know its classification and values that define each conductor and thus get to know the devices used in the power electronics. Index Terms—semiconductor
que debe poder bloquear sin dañarse, es decir es el máximo volta oltaje je que que se pued puedee apli aplica carr a la unió uniónn de dos dos o más más materiales semiconductores en polarización inversa antes de ue pueda causarse un daño en el dispositivo.
of potency, reverse voltage. •
I. INTODUCCION ENTRO de los dispositivos electrónicos de potencia, nos encontramos con los diodos transistores de potencia y el tiristor, así como otros derivados de éstos, tales como los triac, diac, conmutador unilateralo SUS, transistor uniunión o UJT, el transistor uniunión programable o PUT y el diodo Shockley. En los cuales existen tiristores de características especiales como como los fototi fototiris ristor tores, es, los tirist tiristore oress de doble doble puerta puerta y el tiristor bloqueable por puerta (GTO). Lo más importante a considerar de estos dispositivos, es la curva característica que nos relaciona la intensidad que los atraviesa con la caída de tensión entre los electrodos principales, actualmente son los dispositivos más utilizados en la electrónica de potencia y a su vez los encargados de los desarrollos tecnológicos respecto a los sistemas de potencia. Por consiguiente vamos a explicar los dispos dispositi itivo voss de pot potenc encia ia y a su vez sus caract caracterí erísti sticas cas individuales.
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Tensión Tensión máxima en continua -VRRM : (Maximum Repetitive Peak Reverse Voltage). Tensi Tensión ón de pico pico repeti repetiti tivo vo -VRSM -VRSM : (Maxi (Maximum mum Non Repetitive Peak Reverse Voltage). Tensión de pico no repetitivo. Tensión Directa: Caída de tensión en conducción. VF : (Forward Voltage). Voltage). También aparece como VD, VCE sat. Corrient Corrientee Direct Directa: a: Es la máxim máximaa corrie corriente nte que puede puede soportar un dispositivo en funcionamiento antes de que se pueda destruir. Corriente media máxima: IF (Avg) : Average Forward Current. Corriente eficaz maxima: IF (RMS) : Maximum RMS Current. Corriente de pico repetitivo: repetitivo: IFRM : Maximum Repetitive Repetitive Peak Forward Current. Corriente de pico no repetitivo: IFSM Maximum Non Repetitive Peak Forward Current.
II. MARCO TEORICO A. Características Características
C. Diodo Diodo de Potencia otencia
Es un comp compon onen ente te que que pued puedee tene tenerr dos dos esta estado doss el de un conductor de corriente, pero también como un aislante. Para detallarlo un poco más lo podemos ver o decir que un conduc conductor tor la corrie corriente nte es debida debida al movim movimien iento to de las cargas cargas negativ negativas as (electro (electrones) nes),, mientras mientras que vemos vemos que en los semiconductores se producen corrientes producidas por el movimiento de electrones como de las cargas positivas. Un punto a tener en cuenta de estos dispositivos, es la curva característica que nos relaciona la intensidad que los atraviesa con la caída de tensión entre los electrodos principales. En lo cual debemos en cuenta dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (conducción)
Como podemos conocer en cuanto a los diodos tienen la característica de conducir la corriente en un único sentido (en sentido contrario al de la conducción); es decir se comportan como como interr interrupt uptore oress uni unidir direcc eccion ionale ales, s, ya que poseen poseen una estructura PN, a diferencia de los diodos normales los diodos de pot potenc encia ia poseen poseen una mayor mayor área área para para permit permitir ir mayor mayor paso de corrientes y mayor longitud para soportar tensiones inversas más elevadas (Ver figura 1).
Figure Figure 1. Gràfico Gràfico de un Diodo Diodo de Potencia B. Parámetros arámetros de los semiconductores semiconductores de potencia
Todos estos dispositivos electrónicos funcionan en forma de interruptores, y vienen definidos según ciertos parámetros, de los cuales los principales son: Tensión Inversa: Tensión
En la figura 2, indica la caída de tensión cuando el diodo está en polarización directa la cual oscila entre 1 y 2 voltios, el cual cual depe depend ndee de la corr corrie ient ntee que que circ circul ulee por por el diod diodoo
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D. Tiristores
Conocidos como dispositivos que trabajan en conmutación, poseen cuatro capas de semiconductores en una secuencia PNPN, el cual presenta un funcionamiento biestable (dos estados estables). La conmutación (OFF - ON) se realiza por una señal externa. En cambio la conmutación (ON - OFF) se da cuando la corriente por el tiristor es más pequeña la corriente de mantenimiento, especificada en cada tiristor. Dentro de los tiristores se pueden diferenciar los SCRs (tiristores unidireccionales) y los TRIACs (tiristores bidireccionales).
Figure 2. Estructura Interna de un Diodo de Potencia
de potencia, esta es un zona bastante lineal en la zona de conducción. Esta relación se conoce como la resistencia en conducción del diodo, abreviada por y se puede obtener como el inverso de la pendiente de la asíntota de la curva estática en la zona de polarización directa. La tensión representa en cambio la tensión de ruptura del dispositivo, es decir, la máxima tensión inversa que puede soportar el diodo en polarización inversa (ver figura 3).
1) Los SCR (Rectificador Controlado de Silicio) : Es uno de los dispositivos más antiguos que se conocen dentro de la Electrónica de Potencia. Es un dispositivo que tiene mayor capacidad para controlar potencia, permite soportar mayores tensiones inversas entre sus terminales y mayor circulación de corriente. Posee 3 terminales: ánodo (A) y cátodo (K), por los cuales circula la corriente principal, y la puerta (G) que, cuando se le inyecta una corriente, hace que se establezca una corriente en sentido ánodo-cátodo. La figura 5 ilustra una estructura simplificada del dispositivo. Características tensión-corriente .- En la figura 5 podemos ver la característica estática de un SCR. 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. •
Figure 3. Caracteristica estatica de Corriente-tension de un diodo de potencia
Los diodos de potencia soportan tensiones inversas muy elevadas del orden de los kilovoltios (KV) e igualmente alcanzar corrientes del orden de kiloamperios ( KA) . En el régimen transitorio el los diodos de potencia cabe destacar 2 fenómenos, como son: •
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Recuperación inversa: el paso de la conducción a bloqueo en un diodo de potencia está en el orden de 10 [us ] y se conoce como el tiempo de recuperación inversa del diodo. Recuperación directa: es tiempo que el diodo tarda en pasar del estado de bloqueo al de conducción es de menos importancia que el anterior y es provocada por un valor de sobre tensión en la modulación de la conductividad (Vfp) y esta a su vez depende de la anchura y resistividad de la zona central del diodo.
Figure 4. Estructura simplificada y simbolo del SCR
Figure 5. Caracteristica principal de los SCRs.
Una vez que el SCR empieza a conducir, éste permanece en conducción (estado ON), aunque la corriente de puerta
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desaparezca, no pudiendo ser bloqueado por pulso de puerta. Únicamente cuando la corriente del ánodo tiende a ser negativa, o inferior a un valor umbral, por la influencia del circuito de potencia, el SCR pasará a estado de bloqueo. (ver figura 6).
Figure 7. Estructura y Simbolo interna de un GTO
mantenimiento, el dispositivo no necesita de la señal de puerta para mantenerse en conducción. Figure 6. Esquema equivalente y caracteristicas del TRIAC.
Podemos considerar cinco maneras distintas de hacer que el SCR entre en conducción: Disparo por tensión excesiva: El aumento de la tensión VAK lleva a una expansión de la región de transición tanto para el interior de la capa de la puerta como para la capa N adyacente. Disparo por impulso de puerta: Siendo el disparo a través de la corriente de puerta la manera más usual de disparar elSCR. Disparo por derivada de tensión: se le aplica un escalón de tensión positivo entre ánodo y cátodo con tiempo de subida muy corto. Disparo por temperatura: A altas temperaturas, el aumento de temperatura puede llevar a una corriente a través de J2 suficiente para llevar el SCR al estado de conducción. Disparo por luz: La acción combinada de la tensión ánodo-cátodo, temperatura y radiación electromagnética de longitud de onda apropiada puede provocar también la elevación de la corriente de fugas del dispositivo por encima del valor crítico y obligar al disparo. •
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F. Transistores
Los transistores generalmente son utilizados como interruptores. Los circuitos de excitación) de los transistores se diseñan para que éstos trabajen en la zona de saturación o en la zona de corte (bloqueo). Los transistores tienen la ventaja de que son totalmente controlados, mientras que, por ejemplo, el SCR o el TRIAC sólo dispone de control de la puesta en conducción. Los tipos de transistores utilizados en los circuitos electrónicos de potencia incluyen los transistores BJT, los MOSFET y dispositivos híbridos. Transistor Bipolar de Potencia (TBP) :Son de interruptores de potencia controlados por corriente. existen dos tipos fundamentales, los “npn” y los “pnp”, si bien en Electrónica de Potencia los más utilizados son los npn. En la realidad, la estructura interna de los transistores bipolares de potencia (TBP) es diferente a los BJT. Para soportar tensiones elevadas, existe una capa intermediaria del colector, con baja concentración de impurezas (bajo dopado), la cual define la tensión de bloqueo del componente. •
E. Tiristores
Como podemos notar el inconveniente de los tiristores tipo SCR o TRIAC es que no tenemos control externo por parte del usuario del paso de conducción a bloqueo. Para aquellas aplicaciones en las que nos interese poder bloquear un interruptor de potencia en cualquier instante es necesario utilizar un tiristor con capacidad externa de bloqueo. En donde la puerta permite controlar las dos transiciones: paso de bloqueo a conducción y viceversa. (ver figura 7) . En cuanto al mecanismo de disparo es parecido al del SCR: Suponiendo que está directamente polarizado, cuando se le inyecta corriente a la puerta, circula corriente entre puerta y cátodo. Como la capa de la puerta es suficientemente fina, gran parte de los portadores se mueven hasta la capa N adyacente, atravesando la barrera de potencial y siendo atraídos por el potencial del ánodo, dando inicio a la corriente anódica. Si ésta corriente se mantiene por encima de la corriente de
Figure 8. Simbolo de los transiustores bipolares de union tipo p y tipo n
a las menores pérdidas con relación a los PNP, lo cual es debido a la mayor movilidad de los electrones con relación a los agujeros, reduciendo, principalmente, los tiempos de conmutación del componente. En el estado de conducción (saturación) la tensión VCE( sat) está normalmente entre 1-2 [V] . Debemos tener en cuenta que las diferencias básicas entre los transistores bipolares de señal y los de potencia son
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Figure 9. Curva caracteristica del TBP
bastante significativas. En primer lugar, la tensión colectoremisor en saturación suele estar entre 1 y 2 [V] , a diferencia de los 0.2 - 0.3 [V] de caída en un transistor de señal. ) MOSFET (Metal-Oxide- Semiconductor Field Effect Transistors) : Los MOSFET son transistores controlados por tensión. Ello se debe al aislamiento (óxido de Silicio) de la puerta respecto al resto del dispositivo. Existen dos tipos básicos de MOSFET, los de canal n y los de canal p, si bien en Electrónica de Potencia los más comunes son los de canal n, por presentar menores pérdidas y mayor velocidad de conmutación [1] Uno de los inconvenientes de los transistores MOSFET es que la potencia que pueden manejar es bastante reducida. Para grandes potencias es inviable el uso de estos dispositivos, en general, por la limitación de tensión.
Figure 11. Curva caracteristica de los transitores MOSFET.
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Figure 12. Símbolo de los transistores híbridos IGBT
como la de los MOSFETs, pero permite trabajar en rangos de frecuencias medias, controlando potencias bastante elevadas.
Figure 13. Curva característica del IGBT Figure 10. Símbolo de los transistores mosfet canal n y canal p.
Otro de los inconvenientes de este tipo de transistores es que la resistencia en conducción RON varía mucho con la temperatura y con la corriente que circula, con lo que no se tiene un comportamiento de interruptor casi ideal como en el caso de los bipolares. Sin embargo, su ventaja más relevante es la facilidad de control gracias al aislamiento de la puerta. ) IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): El cual es un dispositivo híbrido, que aprovecha las ventajas de los transistores descritos en los apartados anteriores quiere decir que el IGBT reúne la facilidad de disparo de los MOSFET con las pequeñas pérdidas en conducción de los BJT de potencia. Gracias a la estructura interna puede soportar tensiones elevadas, típicamente 1200V y hasta 2000V (algo impensable en los MOSFETs), con un control sencillo de tensión de puerta. La velocidad a la que pueden trabajar no es tan elevada
III. CONCLUSIONES •
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Los semiconductores en la historia han formado una parte importante para el desarrollo de la tecnología y en la actualidad también forma una parte esencial para la nueva era como lo es la electrónica de potencia que aún siguen vigentes. Por ende los dispositivos semiconductores de potencia, poseen las mismas características eléctricas que los dispositivos semiconductores de señales eléctricas, solo que estos trabajan a mayor escala, es decir alcanzan a operar en voltajes del orden de Kilovoltios y Kiloamperios. Al trabajar a mayores escalas de voltajes y corrientes, tienden a aumentar su tamaño, esto se debe a que los materiales de los cuales están conformados poseen mayores capacidades.
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R EFERENCES [1] Semiconductores de Potencia.
[2] Parametros de los semiconductores de potencia, Autor José Sarango. [3] Semiconductores De Potencia”, Primera Parte. Autor Stefan Linder. [4] Dispositivos semiconductores de potencia, Autores: Sebastián López & Roberto Sarmiento
B IOGRAFÍA
F ernando Javier Zambrano Dominguez , nació en Machala-El Oro - Ecuador,
el 10 de Agosto de 1989, recibió el Título de Bachiller en el Instituto Tecnológico El Oro, de la ciudad de Machala , actualmente Estudiante de Ingeniería Eléctrica en la Universidad Politécnica Salesiana de la ciudad de Cuenca.
