SOLUCIONARIO DE PREGUNTAS DE TRANSISTORES DE POTENCIA Preguntas de repaso: 4.1. ¿Qué es un transistor bipolar BJT? Es un tipo de transistor de tres terminales, colector, emisor y base; entre sus principales funciones son; un buen amplificador y como elemento de conmutación. 4.2. ¿Cuáles son los tipos de BJT? NPN; que cuenta con dos regiones tipo n y una p. PNP; que cuenta con dos regiones p y una región n. 4.3. ¿Cuáles son las diferencias entre los transistores NPN y PNP? Es básicamente en su estructura interna, sea de mayor región n o p además en el transistor NPN sale la corriente por el emisor, y en el PNP ingresa la corriente por esta misma. 4.4. ¿Cuáles son las características de entrada de los transistores NPN? La conf configu igura raci ción ón emis emisor or comú común n es la que que gene genera ralm lmen ente te se util utiliz iza a en aplicaciones de conmutación, por ende las características de entrada en un NPN es la relac lación ión que se tien tiene e ent entre la corrient iente e bas base (IB) y e l comportamiento de la tensión VBE este ultimo en función de IB. 4.5. 4.5. ¿Cuále ¿Cuáles s son son las car caract acterí erísti sticas cas de salida salida de los trans transist istore ores s NPN? Viene a ser el comportamiento de la corriente I C, en función del voltaje colector – emisor VCE. 4.6. ¿Cuáles son las tres regiones de operación de los BJT? Se tienen tres regiones y estas son:
De corte.
Activa.
De saturación.
4.7. ¿Qué es el beta (B) de los BJT? Es la relación de la corriente de colector (I C) y la corriente de base, se llama ganancia de corriente en sentido directo. 4.8. ¿Cuál es la diferencia entre B, y la beta forzada (B F) de los BJT?
El BF, es la relación de I CS (corriente de colector en la saturación) y la I B, lo cual esta relación es cuando se analiza en el punto de saturación. 4.9. ¿Qué es la transconductancia de los BJT? La transconductancia (gm), viene a ser la relación de I C con VBE, lo cual es una constante para una representación o modelo de un BJT con generador de corriente. 4.10. ¿Qué es el factor de sobreexcitación de los BJT? También llamado factor de sobresaturación (ODF), es la relación entre I B e IBS (corriente base en la región de saturación).
4.11. ¿Cuál es el modelo de conmutación de los BJT? Estos modelos se pueden representar de dos formas: 1. Modelo con ganancia de corriente. 2. Modelo con transconductancia. 4.12. ¿Cuál es la causa del tiempo de retardo en los BJT? Aumento de permanente
la corriente del colector hasta el valor de ICS de estado
4.13. ¿Cuál es la causa del tiempo de almacenamiento en los BJT? Cuando el voltaje de entrada se invierte de V1 a -V2 y la corriente de base también cambia a –Ib2, la corriente d colector no cambia durante un tiempo ts es el tiempo de almacenamiento 4.14. ¿Cuál es la causa del tiempo de subida en los BJT? El tiempo de subida depende de la constante de tiempo determinada por la capacitancia de la unión, que en el caso normal, la corriente de base es mayor que la necesaria para saturar al transistor 4.15. ¿Cuál es la causa del tiempo de caída en los BJT? Durante el tiempo de caída, el perfil de carga baja desde el perfil c hasta que se remueven todas las cargas. 4.16. ¿Cuál es el modo de saturación de los BJT? Se puede definir como el punto arriba del cual todo aumento en la corriente de base no aumenta en forma apreciable de corriente de colector. El la saturación, la corriente de colector permanece casi constante
4.17. ¿Qué es el tiempo de encendido de los BJT? El tiempo de encendido o tiempo de activación, tenc, es la suma del tiempo de retardo con el tiempo de subida tr. Tenc=td+tr 4.18. ¿Qué es el tiempo de apagado de los BJT? El tiempo de apagado o tiempo de desactivación, toff , es la suma de almacenamiento ts y el tiempo de caída tf . Tapag=ts+tf 4.19. ¿Qué es una FBSOA de los BJT? Durante las condiciones de activación y de estado activo, la temperatura promedio de la unión y la segunda avalancha limitan la capacidad de manejo de potencia de un transistor. Los fabricantes suelen proporcionar las curvas FBSOA bajo las condiciones especificadas de prueba 4.20. ¿Qué es una RBSOA de los BJT? Durante el tiempo de apagado, el transistor debe sostener una gran corriente y un alto voltaje, en la parte de los casos con polarización inversa de base a emisor. El voltaje de colector a emisor debe mantenerse en un nivel seguro, a un valor especificado de corriente de colector, o menos 4.21. ¿Por qué es necesario invertir durante su apagado?
la polarización de los BJT
Es necesario la polarización para saturar al transistor, y asi no dañar al dispositivo durante el apagado porque se invierten las corrientes del colector y el emisor. 4.22. ¿Qué es la segunda avalancha de los BJT? E un fenómeno destructivo, se debe al flujo de corriente por una pequeña porción de la base, que produce puntos calientes localizados. Si la energía de esos puntos calientes es suficiente, el calentamiento localizado excesivo puede dañar al transistor. Asi, la segunda avalancha se deba a la avalancha térmica localizado debido a altas concentraciones de corrientes. 4.23 ¿Cuáles son las ventajas y las desventajas de los BJT? Desventajas: Segunda Avalancha •
•
Perdida de disipación de potencia
•
Controlado por Corriente
Ventajas: Area de Operación segura en polariacion directa e indirecta •
4.24¿Qué es un MOSFET? Los mosfet, son semiconductores de silicio, creados por capas dopados, consta basicamente de tres terminales ensu aspecto fisico, denominados, drenador (drain), suministrador (source), y gate (compuerta), estos elementos, soportan mayor corriente que los antecesores BJT, incluso, tienen una respuesta muy rapida ante el corte y saturacion, por lo que es muy empleado para electronica de potencia. Dispositivo controlado por voltaje que solo requiere una pequeña corriente de entrada. 4.25¿Cuáles son los tipos de MOSFET? 1. MOSFET decrementales 2. MOSFET incrementales
4.26¿Cuáles son las diferencias entre los MOSFET tipo de incremental y los de tipo decremental? El decremental cuenta con canal, y el incremental no cuenta con canal físico. Un Decremental permanece activo con cero voltaje de compuerta mientras que un MOSFET de tipo incremental permanece apagado con voltaje cero. 4.27 ¿Qué es el voltaje de estrechamiento de los MOSFET? El valor de Vgs cuando es suficientemente negativo, el canal se decrementa hasta desaparecer. 4.28¿Qué es el voltaje umbral de los MOSFET? Es el voltaje de entrada Vt para que se acumule una cantidad suficiente de electrones para formar un canal virtual. 4.29 ¿Qué es la transconductancia de los MOSFET? Es la relación de la corriente de drenaje al voltaje de compuerta, define a las características de transferencia, y es un parámetro muy importante. 4.30 ¿Cuál es el modelo de conmutación de los MOSFET de canal n?
Modelo de Conmutacion
4.31¿Cuáles son MOSFET?
las
características
de
g m
=
transferencia
de
los
∆ ID ∆V GS
V DS = constante
4.32¿Cuáles son las características de salida de los MOSFET? El tiempo de retardo de apagado y el Tiempo de caida 4.33 ¿Cuáles son las ventajas y las desventajas de los MOSFET? Ventajas: •
Controlados por voltaje.
•
Velocidad de Conmutacion muy alta.
•
Tiempos de comnutacion en el orden de nanosegundos.
Desventajas: •
Perdidas en la zona activa
•
Problemas de descarga electrostatica
4.34. ¿Por qué los MOSFET no requieren voltaje negativo de compuerta durante su apagado? Por que para activar el MOSFET solo requiere que el voltaje de compuerta VGS sea mayor o igual a un valor llamado voltaje umbral o voltaje de entrada, VT , así se acumula una cantidad suficiente de electrones parar formar un canal virtual. Y para apagar el MOSFET solo se requerirá que VGS sea menor que el voltaje umbral VT. 4.35. ¿Por qué es distinto el concepto de saturación en los BJT y en los MOSFET? Por que para un BJT en la región de saturación, la corriente de base es suficientemente alta como para que el voltaje colector-emisor sea bajo.
En tanto que para un MOSFET la región de estrechamiento o saturación es donde VDS=VGS – V T. 4.36. ¿Cuál es el tiempo de encendido de los MOSFET? Es el retardo de encendido td(enc) es el tiempo necesario para cargar la capacitancia de entrada hasta el valor del voltaje umbral. 4.37. ¿Cuál es el tiempo de apagado de los MOSFET? Es el tiempo de retardo de apagado td(apag) es el tiempo necesario para que la capacitancia de entrada descargue desde el voltaje de sobresaturación V1 hasta la región de estrechamiento. 4.38. ¿Qué es un SIT? Es un dispositivo para alta potencia y alta frecuencia. Desde la invención de los dispositivos estáticos de inducción. En esencia, es la versión del tubo tríodo al vacio, pero en estado solido .es un dispositivo de estructura vertical con multicanales cortos. Así no esta sujeto a limitaciones de área, y es adecuado para funcionamiento de alta velocidad con alta potencia.
4.39. ¿Cuáles son las ventajas de los SIT? Presentan una alta capacidad de voltaje, tienen bajo ruido, baja distorsión y capacidad de alta potencia en audio frecuencia. Los tiempos de encendido y apagado son muy pequeños, en forma típica de 0.25 µs. 4.40. ¿Cuáles son las desventajas de los SIT? Posee una menor capacidad de corriente, tiene una alta caída en estado activo, encendido, es alta, en el caso normal de 90 V para un dispositivo de 180 A, y de 18 V para uno de 18 A 4.41. ¿Qué es un IGBT? Es un dispositivo en el cual se combinan las ventajas de los BJT y de los MOSFET. Un IGBT tiene alta impedancia de entrada, como los
MOSFET, y pocas perdidas por conducción en estado activo, como los BJT. Sin embargo, no tiene problema de segunda avalancha, como los BJT. Por el diseño y la estructura del microcircuito, se controla la resistencia equivalente de drenaje a fuente, RDS, para que se comporte como la de un BJT. 4.42. ¿Cuáles son las características de transferencia de los I GBT?
Características típicas de transferencia de un IGBT. 4.43. ¿Cuáles son las características de salida de los IGBT?
Características típicas desalida de un IGBT. 4.44. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de los IGBT? Ventajas: bajo voltaje en estado de encendido, poca potencia en la compuerta, presenta alta impedancia de entrada, no tiene problemas de segunda avalancha. Desventajas: menor capacidad de voltaje en estado apagado, dispositivo de voltaje unipolar, mayor caída de voltaje en estado encendido, menor velocidad de conmutación comparado a los MOSFET.
SOLUCIONARIO DE LOS PROBLEMAS
4.4. La temperatura máxima de unión del transistor bipolar en el problema 4.3 es T j= 150 °C, y la temperatura ambiente es T A= 25 °C. Si las resistencias térmicas son R JC=0.4 °C/W y RCS= 0.05 °C/W, calcule la resistencia térmica del radiador R SA. (Sugerencia: no tome en cuenta la disipación de potencia debido al circuito de la base) Solución: Datos: T j= 150 °C, TA= 25 °C, R JC=0.4 °C/W y R CS= 0.05 °C/W. Del problema 4.3 se tiene que para un ciclo completo P T = 482.258 W, pero el ciclo de trabajo del transistor es de k= 50%, así que en ese periodo P T = (0.5) 482.258 W = 241.27 W. Asi: T J – TA = P T (R JC + RCS + RSA) 150 – 25 = 241.27 (0.4 + 0.05 + R SA) RSA = 0.0681 °C/W.
4.5. Para los parámetros del problema 4.3, calcule la disipación de potencia debido a la corriente de la base P B. Solución: Datos: VBE(sat) =3V, IB=8 A, td =0.5 µs, t r = 1 µs, t s= 5 µs, t f =3 µs y f s = 10 kHz. El ciclo de trabajo es k=50%. T= 1/ f s = 100 µs, k = 0.5, kT= 50 µs, t enc = t d + t r = 1.5 µs, t n = 50 – 1.5 = 48.5 µs PB = IB VBE(sat) (tenc + tn + ts + tf ) f s PB = 8 x 3 (1.5 + 48.5 + 5 + 3) 10 -6 x 10 x 10 3 PB = 13.92 W
4.6. Repita el problema 4.3, si V B E(SAT) = 2.3 V, I B = 8 A, VC£(sat) = 1.4 V, t d= 0.1us tr=0.45 us, ts=3.2us y tf=1.1 us Solución:
T= 1/ f s = 100 µs, k = 0.5, kT= 50 µs, t enc = td + tr = 1.5 µs, t n = 50 – 1.5 = 48.5 µs PB = IB VBE(sat) (tenc + tn + ts + tf ) f s PB = 8 x 3 (1.5 + 48.5 + 5 + 3) 10 -6 x 10 x 10 3 PB = 13.92 W
4.7. Un MOSFET se usa como interruptor. La corriente de fuga del drenaje a la fuente es 250uA El ciclo de trabajo es k=60%. Calcule la disipación de potencia debido a la corriente de drenaje a) durante el encendido, b) durante el periodo de conducción c) durante el apagado, d)las disipaciones totales promedio Sus parámetros son:
V DD I D
= 40V
= 35 A
R DS
= 20mΩ
VGS = 10V td
= 25ns
tr
= 70ns
t f = 25ns = 20 kHz fs
SOLUCION: T J=150⁰C=423K TA=30⁰C=303K R JC=1K/W RCS=1K/W RSA=? Como las resistencias R JC=RCS por lo tanto Tc= P T=
4.8. La temperatura máxima de unión del MOSFET en el problema 4.7 es T j=1500C y la temperatura ambiente es T A=300C. Si las resistencias térmicas son R JC=1K/W y RCS=1K/W, calcule la resistencia térmica del disipador RSA=. (nota: K=ªC+273). Solución: T J=150⁰C=423K TA=30⁰C=303K R JC=1K/W RCS=1K/W
RSA=? Como las resistencias R JC=RCS por lo tanto Tc= P T=
4.9. Se conectan en paralelo dos BJT en forma parecida a la figura 4.32. La corriente total de carga de I T=200ª. El voltaje del colector a emisor del transistor Q1 es V CE1=1.5V, y la del transistor Q 2 es V CE2=1.1V. Calcule la corriente en el colector de cada transistor, y la diferencia de partición de corriente, si las resistencias de corriente compartida son a)R e1=10mΩ y Re2=20mΩ, y b) R e1= Re2=20mΩ. SOLUCION:
DATOS I T=200A VCE1=1.5V VCE2=1.1V IC1, IC2=? A) Si Re1=10mΩ, Re2=20mΩ VCE1+IC1*RE1=VCE2+IC2Re2……………..
1.5+0.01I c1=1.1+0,02I c2 0.01Ic1-0.02I c2=-0.4……………… (1) De dato tenemos: Ic1+Ic2=200………………………………… (2) Resolviendo 1 y 2 tenemos las corrientes Ic1=120A Ic2=80A POR LO TANTO LA DIFERENCIA ES: Dif=Ic1-Ic2=120-80=40A Que 40A es el 20% de 200A B) Si Re1= Re2=20mΩ Reemplazamos valores en 1.5+0.02I c1=1.1+0.02I c2 0.02 (Ic1-Ic2) =-0.4……………(3) Ic1-Ic2=-20 De igual de dato Ic1+Ic2=200……….. (4) Resolviendo 3 y 4 tenemos las corrientes Ic1=90A Ic2=110A POR LO TANTO LA DIFERENCIA ES: Dif=Ic1-Ic2=90-110=-20A Que 20A es el 10% de 200A
4.10. Un transistor bipolar funciona como interruptor pulsado a una frecuencia f s = 20 kHz. El arreglo de circuito se ve en la figura 4.35a. El voltaje de entrada de cd al interruptor es V S = 400v; y la corriente de la carga es IL = 100 A. los tiempos de conmutación son t r = 1us y tf = 3 us. Calcule los valores de a) LS; b ) CS; c ) RS para la condición de amortiguamiento critico, d) RS si el tiempo de descarga se limita a un tercio del periodo de conmutación; e) RS si la corriente pico de descarga
se limita al 5% de la corriente de la carga y f) la disipación de potencia PS debida al amortiguador RC, sin tener en cuenta el efecto del inductor LS sobre el voltaje del capacitor amortiguador C S. Suponga que VCE(sat) =0. Solución: Datos: f s = 20 kHz; Vs = 400 v; I L = 100 A; t r = 1us; tf = 3us; VCE(sat) = 0 En condición de amortiguamiento critico: a) LS:
b) CS:
c) RS:
d) RS; con tiempo de descarga se limita a un tercio del periodo de conmutación:
e) RS; con corriente pico de descarga se limita al 5% de la corriente de carga:
f) PS:
4.11. Un MOSFET funciona como interruptor pulsado a una frecuencia f s = 50 kHz. El arreglo del circuito se ve en la figura 4.35a. El voltaje de entrada de cd al interruptor es V S = 30v; y la corriente de la carga es I L = 40 A. los tiempos de conmutación son tr = 60 ns y t f = 25 ns. Determine los valores de a) LS; b ) CS; c ) RS para la condición de
amortiguamiento critico, d) RS si el tiempo de descarga se limita a un tercio del periodo de conmutación; e) RS si la corriente pico de descarga se limita al 5% de la corriente de la carga y f) la disipación de potencia PS debida al amortiguador RC, sin tener en cuenta el efecto del inductor LS sobre el voltaje del capacitor amortiguador C S. Suponga que VCE(sat) =0. Solución: Datos: f s = 50 kHz; Vs = 30 v; IL = 40 A; t r = 60 ns; tf = 25 ns; V CE(sat) = 0 a) LS:
b) CS:
c) RS:
d) RS; con tiempo de descarga se limita a un tercio del periodo de conmutación:
e) RS; con corriente pico de descarga se limita al 5% de la corriente de carga:
f) PS:
