domingo, 4 de diciembre de 2011
otros dispositivos de electronica de potencia
Dispositivos de Electrónica de Potencia
2.1 Introducción
Los dispositivos semiconductores utilizados en Electrónica de Potencia se pueden
clasificar en tres grandes grupos, de acuerdo con su grado de controlabilidad:
1. Dispositivos no controlados: en este grupo se encuentran los Diodos. Los estados de
conducción o cierre (ON) y bloqueo o abertura (OFF) dependen del circuito de
potencia. Por tanto, estos dispositivos no disponen de ningún terminal de control
externo.
2. Dispositivos semicontrolados: en este grupo se encuentran, dentro de la familia de los
Tiristores, los SCR (“Silicon Controlled Rectifier”) y los TRIAC (“Triode of
Alternating Current”). En éste caso su puesta en conducción (paso de OFF a ON) se
debe a una señal de control externa que se aplica en uno de los terminales del
dispositivo, comúnmente denominado puerta. Por otro lado, su bloqueo (paso de ON a
OFF) lo determina el propio circuito de potencia. Es decir, se tiene control externo de
la puesta en conducción, pero no así del bloqueo del dispositivo.
3. Dispositivos totalmente controlados: en este grupo encontramos los transistores
bipolares BJT (“Bipolar Junction Transistor”), los transistores de efecto de campo
MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”), los transistores
bipolares de puerta aislada IGBT (“Insulated Gate Bipolar Transistor”) y los tiristores
GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”), entre otros.
En los siguientes apartados se detallan las características más importantes de cada uno
de estos dispositivos. Dispositivos de Electrónica de Potencia
2.2 Diodo de Potencia
Un diodo semiconductor es una estructura P-N que, dentro de sus límites de tensión y
corriente, permite la circulación de corriente en un único sentido. Detalles de funcionamiento,
generalmente despreciados para los diodos de señal, pueden ser significativos para
componentes de mayor potencia, caracterizados por un área mayor (para permitir mayores
corrientes) y mayor longitud (para soportar tensiones inversas más elevadas). La figura 2.1
muestra la estructura interna de un diodo de potencia.
250 µm
Substracto
Depende
de la
tensión
P + 10 µm
Ánodo (A)
Catodo (K)
N -
N +
Figura 2.1. Estructura interna de un diodo de potencia
Como se puede observar en la figura anterior, el diodo está formado por una sola
unión PN, aunque la estructura de un diodo de potencia es algo diferente a la de un diodo de
señal, puesto que en este caso existe una región N intermediaria con un bajo dopaje. El papel
de esta región es permitir al componente soportar tensiones inversas más elevadas. Esta
región de pequeña densidad de dopaje dará al diodo una significativa característica resistiva
en polarización directa, la cual se vuelve más significativa cuanto mayor sea la tensión que ha
de soportar el componente. Las capas que hacen los contactos externos son altamente
dopadas, para obtener un contacto con características óhmicas y no del tipo semiconductor.
La figura siguiente muestra el símbolo y la característica estática corriente-tensión de
un diodo de potencia. Dispositivos de Electrónica de Potencia
A (+) K (-)
iAK
vAK
iAK
vAK
VF ≈ 1 V
VR
Región de
bloqueo
inverso
( ) Ron
1/
Figura 2.2. Símbolo y característica estática corriente-tensión de un diodo de potencia
La tensión VF que se indica en la curva estática corriente-tensión se refiere a la caída de
tensión cuando el diodo está conduciendo (polarización directa). Para diodos de potencia, ésta
tensión de caída en conducción directa oscila aproximadamente entre 1 y 2 Volts. Además,
esta caída depende de la corriente que circule, teniéndose una característica corriente - tensión
bastante lineal en la zona de conducción. Esta relación se conoce como la resistencia en
conducción del diodo, abreviada por Ron y que se puede obtener como el inverso de la
pendiente de la asíntota de la curva estática en la zona de polarización directa. La tensión VR
representa la tensión de ruptura del dispositivo (“Breakdown Voltage”) o, lo que es lo mismo,
la máxima tensión inversa que puede soportar el diodo cuando éste está bloqueado
(polarización inversa).
Un diodo de potencia puede soportar tensiones inversas elevadas. Si se supera el valor
de tensión de ruptura especificado por el fabricante, el diodo puede llegar a destruirse por
excesiva circulación de corriente inversa y en definitiva, por excesiva disipación de potencia.
Los diodos de potencia pueden llegar a soportar tensiones de ruptura de kiloVolts (kV), y
pueden conducir corrientes de kiloAmperes (kA). Evidentemente, el tamaño del diodo
condiciona sus características eléctricas, llegándose a tener diodos con tamaños del orden de
varios cm
2
.
Como ya se ha mencionado, los diodos son interruptores unidireccionales en los
cuales no puede circular corriente en sentido contrario al de conducción. El único
procedimiento de control consiste en invertir la tensión ánodo cátodo, no disponiendo de
ningún terminal de control. En régimen transitorio cabe destacar dos fenómenos:
1) Recuperación Inversa: El paso de conducción a bloqueo no se efectúa
instantáneamente. Cuando el diodo conduce una corriente I en polarización directa, la
zona central de la unión está saturada de portadores mayoritarios, y aunque un circuito Dispositivos de Electrónica de Potencia
externo fuerce la anulación de la corriente aplicándole una tensión inversa, cuando la
corriente pasa por cero aún existe una cantidad de portadores que cambian su sentido
de movimiento y permiten la conducción de una corriente inversa durante un tiempo,
denominado tiempo de recuperación inverso (trr
), tal como se muestra en la figura 2.3.
Los parámetros definidos en el proceso de bloqueo dependen de la corriente directa,
de la derivada de la corriente (di/dt) y de la tensión inversa aplicada. El tiempo de
recuperación de un diodo normal es del orden de 10 µs, siendo el de los diodos rápidos
del orden de algunos nanosegundos.
2) Recuperación Directa: Es otro fenómeno de retardo de menor importancia que el
anterior, cuando el diodo pasa de bloqueo a conducción, y cuyo efecto se muestra
también en la figura 2.3.
En el proceso de puesta en conducción, la respuesta del diodo es inicialmente de
bloqueo a la corriente. Siendo esta respuesta quien provoca una sobre tensión Vfp,
ocasionada por la modulación de la conductividad del diodo durante la inyección de
portadores minoritarios. Así el diodo se asemeja a una resistencia donde su valor
decrece con el tiempo. Esta resistencia equivalente está relacionada con la
concentración de portadores minoritarios inyectados. Por tanto Vfp depende de la
anchura y resistividad de la zona central del diodo.
vi
vD
iD
R
+Vr
-Vr
V i
-Vr
Vrp
Von
t1
t3
trr
vD
Vfp
i D
t2
t4 t5
Qrr
dif/dt
i = Vr/R
dir/dt
Figura 2.3. Conmutación de un diodo.
Dependiendo de las aplicaciones, existen varios tipos de diodos:
• Diodos Schottky: Se utilizan cuando se necesita una caída de tensión directa muy
pequeña (0,3 V típicos) para circuitos con tensiones reducidas de salida. No soportan Dispositivos de Electrónica de Potencia
tensiones inversas superiores a 50 – 100 V.
• Diodos de recuperación rápida: Son adecuados en circuitos de frecuencia elevada en
combinación con interruptores controlables, donde se necesitan tiempos de
recuperación pequeños. Para unos niveles de potencia de varios cientos de voltios y
varios cientos de amperios, estos diodos poseen un tiempo de recuperación inversas
(trr
) de pocos nanosegundos.
• Diodos rectificadores o de frecuencia de línea: La tensión en el estado de conducción
(ON) de estos diodos es la más pequeña posible, y como consecuencia tienen un trr
grande, el cual es únicamente aceptable en aplicaciones de la frecuencia de línea.
Estos diodos son capaces de bloquear varios kilovoltios y conducir varios
kiloamperios. Se pueden conectar en serie y/o paralelo para satisfacer cualquier rango
de tensión o de corriente.
2.3 Tiristores
El nombre de Tiristor proviene de la palabra griega “ηθνρα”, que significa “una
puerta”. El tiristor engloba una familia de dispositivos semiconductores que trabajan en
conmutación, teniendo en común una estructura de cuatro capas semiconductoras en una
secuencia P-N-P-N, la cual presenta un funcionamiento biestable (dos estados estables).
La conmutación desde el estado de bloqueo (“OFF”) al estado de conducción (“ON”)
se realiza normalmente por una señal de control externa. La conmutación desde el estado
“ON” al estado “OFF” se produce cuando la corriente por el tiristor es más pequeña que un
determinado valor, denominada corriente de mantenimiento, (“holding current”), específica
para cada tiristor.
Dentro de la familia de los tiristores podemos destacar los SCRs (tiristores
unidireccionales) y TRIACs (tiristores bidireccionales).
2.3.1 SCR (Rectificador Controlado de Silicio)
De las siglas en inglés “Silicon Controlled Rectifier”, es el miembro más conocido de
la familia de los tiristores. En general y por abuso del lenguaje es más frecuente hablar de
tiristor que de SCR.
El SCR es uno de los dispositivos más antiguos que se conocen dentro de la
Electrónica de Potencia (data de finales de los años 50). Además, continua siendo el
dispositivo que tiene mayor capacidad para controlar potencia (es el dispositivo que permite
soportar mayores tensiones inversas entre sus terminales y mayor circulación de corriente).
El SCR está formado por cuatro capas semiconductoras, alternadamente P-N-P-N, Dispositivos de Electrónica de Potencia
teniendo 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 2.4 ilustra una estructura simplificada del dispositivo.
S
K
Rg
Vg
Rg
Vcc
Rc
S
P P
Ánodo
A
G
Vg
A
Gate
Vcc
Rc (carga)
Cátodo
N- N+
G
A K
J1 J2 J3
Figura 2.4. Estructura simplificada y símbolo del SCR
Si entre ánodo y cátodo tenemos una tensión positiva, las uniones J1 y J3 estarán
directamente polarizadas, en cuanto que la unión J2 estará inversamente polarizada. No habrá
conducción de corriente hasta que la tensión VAK aumente hasta un valor que provoque la
ruptura de la barrera de potencial en J2.
Si hay una tensión VGK positiva, circulará una corriente a través de J3, con portadores
negativos yendo del cátodo hacia la puerta. Por la propia construcción, la capa P donde se
conecta la puerta es suficientemente estrecha para que parte de los electrones que atraviesen
J3 tengan energía cinética suficiente para vencer la barrera de potencial existente en J2, siendo
entonces atraídos por el ánodo.
De esta forma, en la unión inversamente polarizada, la diferencia de potencial
disminuye y se establece una corriente entre ánodo y cátodo, que podrá persistir aún sin la
corriente de puerta.
Cuando la tensión VAK es negativa, J1 y J3 quedarán inversamente polarizadas, en
cuanto que J2 quedará directamente polarizada. Teniendo en cuenta que la unión J3 está entre
dos regiones altamente dopadas, no es capaz de bloquear tensiones elevadas, de modo que Dispositivos de Electrónica de Potencia
cabe a la unión J1 mantener el estado de bloqueo del componente.
Existe una analogía entre el funcionamiento del tiristor y el de una asociación de dos
transistores bipolares, conforme se muestra en la figura 2.5.
G
A
P
N
P
P
N
K
N
G
T2
T1
A
Ic1
Ib2
IG
IK
Ic2
Ib1
IA
K
Figura 2.5.Estructura y esquema equivalente simplificado de un SCR
Cuando se aplica una corriente de puerta IG positiva, Ic2 e IK aumentarán. Como Ic2 =
Ib1, T1 conducirá y tendremos Ib2 = Ic1 + IG, que aumentará Ic2 y así el dispositivo
evolucionará hasta la saturación, aunque se elimine la corriente de puerta IG. Tal efecto
acumulativo ocurre si las ganancias de los transistores son mayores que 1. El componente se
mantendrá en conducción desde que, después del proceso dinámico de entrada en conducción,
la corriente del ánodo haya alcanzado un valor superior al límite IL, llamada corriente de
enclavamiento “latching current”.
Para que el SCR deje de conducir es necesario que su corriente caiga por debajo del
valor mínimo de mantenimiento (IH), permitiendo que se restablezca la barrera de potencial en
J2. Para la conmutación del dispositivo no basta con aplicar una tensión negativa entre ánodo
y cátodo. Dicha tensión inversa acelera el proceso de desconexión por dislocar en los
sentidos adecuados los portadores en la estructura cristalina, pero ella sola no garantiza la
desconexión.
Debido a las características constructivas del dispositivo, la aplicación de una
polarización inversa del terminal de puerta no permite la conmutación del SCR. Este será un
comportamiento de los GTOs, como se verá más adelante.
Características tensión-corriente
En la figura 2.6 podemos ver la característica estática de un SCR. En su estado de
apagado o bloqueo (OFF), puede bloquear una tensión directa y no conducir corriente. Así, si Dispositivos de Electrónica de Potencia
no hay señal aplicada a la puerta, permanecerá en bloqueo independientemente del signo de la
tensión VAK. El tiristor debe ser disparado o encendido al estado de conducción (ON)
aplicando un pulso de corriente positiva en el terminal de puerta, durante un pequeño
intervalo de tiempo, posibilitando que pase al estado de bloqueo directo. La caída de tensión
directa en el estado de conducción (ON) es de pocos voltios (1-3 V).
Una vez que el SCR empieza a conducir, éste permanece en conducción (estado ON),
aunque la corriente de puerta 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.
iA
vAK
Estado de bloqueo (OFF)
Estado de conducción (ON)
Transición de OFF a ON
Tensión de ruptura
directa
Zona de
bloqueo
inverso
Tensión de
ruptura
inversa
Ruptura
inversa
Figura 2.6. Característica principal de los SCRs
En régimen estático, dependiendo de la tensión aplicada entre ánodo y cátodo
podemos distinguir tres regiones de funcionamiento:
1. Zona de bloqueo inverso (vAK < 0): Ésta condición corresponde al estado de no
conducción en inversa, comportándose como un diodo.
2. Zona de bloqueo directo (vAK > 0 sin disparo): El SCR se comporta como un
circuito abierto hasta alcanzar la tensión de ruptura directa.
3. Zona de conducción (vAK > 0 con disparo): El SCR se comporta como un interruptor
cerrado, si una vez ha ocurrido el disparo, por el dispositivo circula una corriente
superior a la de enclavamiento. Una vez en conducción, se mantendrá en dicho estado
si el valor de la corriente ánodo cátodo es superior a la corriente de mantenimiento.
La figura 2.7 muestra las características corriente-tensión (I-V) del SCR y permite ver
claramente cómo, dependiendo de la corriente de puerta (IG), dichas características pueden
variar. Dispositivos de Electrónica de Potencia
iA
von
IL
IH
Vbo
Vbr
IG2>IG1
IG1>IG0 IG0=0
VAK
≈ 1 a 3 V
Figura 2.7. Característica I-V de un SCR en función de la corriente de puerta.
Activación o disparo y bloqueo de los SCR
Podemos considerar cinco maneras distintas de hacer que el SCR entre en conducción:
a) Disparo por tensión excesiva
Cuando está polarizado directamente, en el estado de bloqueo, la tensión de
polarización se aplica sobre la unión J2 (ver figura 2.4). 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. Aún sin corriente de puerta, por efecto térmico, siempre existirán
cargas libres que penetren en la región de transición (en este caso, electrones), las cuales son
aceleradas por el campo eléctrico presente en J2. Para valores elevados de tensión (y, por
tanto, de campo eléctrico), es posible iniciar un proceso de avalancha, en el cual las cargas
aceleradas, al chocar con átomos vecinos, provoquen la expulsión de nuevos portadores que
reproducen el proceso. Tal fenómeno, desde el punto de vista del comportamiento del flujo de
cargas por la unión J2, tiene el efecto similar al de una inyección de corriente por la puerta, de
modo que, si al iniciar la circulación de corriente se alcanza el límite IL, el dispositivo se
mantendrá en conducción (ver figura 2.7).
b) Disparo por impulso de puerta
Siendo el disparo a través de la corriente de puerta la manera más usual de disparar el
SCR, es importante el conocimiento de los límites máximos y mínimos para la tensión VGK y
la corriente IG, como se muestra en la figura 2.8. Dispositivos de Electrónica de Potencia
vGK (V)
0 iG (A)
0 IGmin
VGmax
VGmin
6
0,5
Recta de carga
Límite de alta
corriente
Máxima potencia
instantánea de puerta
Límite de baja
corriente
Máxima tensión
de puerta
vGK
A
K
G
iG
Sistema
6 V
12 Ω
Figura 2.8. Curvas con las condiciones para disparo de un SCR a través de control de puerta y
circuito de disparo reducido a su equivalente Thévenin.
El valor VGmin indica la mínima tensión de puerta que asegura la conducción de todos
los componentes de un tipo determinado, para la mínima temperatura especificada.
El valor VGmax es la máxima tensión de puerta que asegura que ningún componente de
un tipo determinado entrará en conducción, para la máxima temperatura de operación.
La corriente IGmin es la mínima corriente necesaria para asegurar la entrada en
conducción de cualquier dispositivo de un cierto tipo, a la mínima temperatura.
El circuito de disparo puede reducirse a su equivalente Thevenin (ver figura 2.8) para
determinar la recta de carga sobre las curvas características vGK-iG. Para el ejemplo de la
figura 2.8, la recta de carga cortará los ejes en los puntos 6 V (tensión en vacío de corriente de
disparo) y 6 V / 12 Ω = 0,5 A (intensidad de cortocircuito). Para asegurar la operación
correcta del componente, la recta de carga del circuito debe asegurar que superará los límites
vGmin y iGmin, sin exceder los demás límites (tensión, corriente y potencia máxima). Dispositivos de Electrónica de Potencia
c) Disparo por derivada de tensión
Si a un SCR se le aplica un escalón de tensión positivo entre ánodo y cátodo con
tiempo de subida muy corto, del orden de microsegundos, los portadores sufren un
desplazamiento infinitesimal para hacer frente a la tensión exterior aplicada.
Como se comentó para el caso de disparo por tensión excesiva, si la intensidad de
fugas alcanza el valor suficiente como para mantener el proceso regenerativo, el tiristor
entrará en conducción estable y permanecerá así una vez pasado el escalón de tensión que lo
disparó.
El valor de la derivada de tensión dv/dt depende de la tensión final y de la
temperatura, tanto menor cuanto mayores son éstas.
d) Disparo por temperatura
A altas temperaturas, la corriente de fuga en una unión P-N inversamente polarizada
aproximadamente se duplica con el aumento de 8º C. Así, el aumento de temperatura puede
llevar a una corriente a través de J2 suficiente para llevar el SCR al estado de conducción.
e) 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.
Los tiristores diseñados para ser disparados por luz o tiristores fotosensibles LASCR
(“Light Activated SCR”) suelen ser de pequeña potencia y permiten un aislamiento óptico
entre el circuito de control y el circuito de potencia.
2.3.2 TRIAC
El TRIAC (“Triode of Alternating Current”) es un tiristor bidireccional de tres
terminales. Permite el paso de corriente del terminal A1 al A2 y vivecersa, y puede ser
disparado con tensiones de puerta de ambos signos.
Cuando se trabaja con corriente alterna, es interesante poder controlar los dos sentidos
de circulación de la corriente. Evidentemente, con un SCR, sólo podemos controlar el paso de
corriente en un sentido. Por tanto uno de los motivos por el cual los fabricantes de
semiconductores han diseñado el TRIAC ha sido para evitar este inconveniente. El primer
TRIAC fue inventado a finales de los años 60. Simplificando su funcionamiento, podemos
decir que un TRIAC se comporta como dos SCR en antiparalelo (tiristor bidireccional). De
esta forma, tenemos control en ambos sentidos de la circulación de corriente. La figura 2.9
muestra el esquema equivalente de un TRIAC. Dispositivos de Electrónica de Potencia
A1 A2
G
G
Figura 2.9. Esquema equivalente de un TRIAC.
La figura 2.10 muestra el símbolo utilizado para representar el TRIAC, así como su
estructura interna en dos dimensiones. Como se ha mencionado, el TRIAC permite la
conducción de corriente de ánodo a cátodo y viceversa, de ahí que los terminales no se
denominen ánodo y cátodo, sino simplemente ánodo 1 (A1) y ánodo 2 (A2). En algunos
textos dichos terminales se denominan MT1 y MT2.
Como en el caso del SCR, tenemos un terminal de control denominado puerta que nos
permite la puesta en conducción del dispositivo en ambos sentidos de circulación. Si bien el
TRIAC tiene varios mecanismos de encendido (con corrientes positivas y negativas), lo más
usual es inyectar corriente por la puerta en un sentido para provocar la puesta en conducción.
A1
A2
G p
n
A2
A1
G
p
n n
n
p
p
n
p
Figura 2.10. Símbolo y estructura interna de un TRIAC
La figura 2.11.muestra la característica estática I-V del TRIAC. Se puede observar que
presenta estado de conducción tanto para iA positiva como negativa, y puede ser disparada
desde el estado de corte al de conducción tanto para vA1A2 positiva como negativa. Además, la
corriente de puerta que fuerza la transición del estado de corte al de conducción puede ser
tanto positiva como negativa. En general, las tensiones y corrientes necesarias para producir la
transición del TRIAC son diferentes según las polaridades de las tensiones aplicadas. Dispositivos de Electrónica de Potencia
IG=0 IG1
IG2
iA
IL
IH
Vbo
von
IG2
IG1
IG=0
VA1A2
Figura 2.11. Características I-V del TRIAC
Una de las ventajas de este dispositivo es que es muy compacto, requiriendo
únicamente un único circuito de control, dado que sólo dispone de un terminal de puerta. Sin
embargo, tal y como está fabricado, es un dispositivo con una capacidad de control de
potencia muy reducida. En general está pensado para aplicaciones de pequeña potencia, con
tensiones que no superan los 1000V y corrientes máximas de 15A. Es usual el empleo de
TRIACs en la fabricación de electrodomésticos con control electrónico de velocidad de
motores y aplicaciones de iluminación, con potencias que no superan los 15kW. La frecuencia
máxima a la que pueden trabajar es también reducida, normalmente los 50-60Hz de la red
monofásica.
2.3.3 GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”)
A pesar de que el GTO fue inventado en el inicio de la década de los años 60, ha sido
poco empleado debido a sus reducidas prestaciones. Con el avance de la tecnología en el
desarrollo de dispositivos semiconductores, se han encontrado nuevas soluciones para mejorar
tales componentes que hacen que hoy ocupen una franja significa dentro de la electrónica de
potencia, especialmente en aquellas aplicaciones de elevada potencia, con dispositivos que
alcanzan los 5000 V y los 4000 A.
Como se ha visto en los apartados anteriores, uno de los inconvenientes 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 otro tipo de semiconductores
diferentes a los SCRs o TRIACs. Dispositivos de Electrónica de Potencia
El GTO es un tiristor con capacidad externa de bloqueo. La puerta permite controlar
las dos transiciones: paso de bloqueo a conducción y viceversa. El símbolo utilizado para el
GTO se muestra en la siguiente figura (Fig. 2.12), así como su estructura interna en dos
dimensiones.
A K
AK
i
G p
n
A
G K
p
n n
p
Figura 2.12. Símbolo y estructura interna de un GTO.
Principio de funcionamiento
El GTO tiene una estructura de 4 capas, típica de los componentes de la familia de los
tiristores. Su característica principal es su capacidad de entrar en conducción y bloquearse a
través de señales adecuadas en el terminal de puerta G.
El 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 mantenimiento, el dispositivo no necesita de la señal de puerta para
mantenerse en conducción.
La figura 2.13 muestra una representación simplificada de los procesos de entrada y
salida de conducción del GTO.
La aplicación de una polarización inversa en la unión puerta-cátodo puede llevar a la
abertura o bloqueo del GTO. Portadores libres (agujeros) presentes en las capas centrales del
dispositivo son atraídas por la puerta, haciendo que sea posible el restablecimiento de la
barrera de potencial en la unión J2.
Aparentemente tal comportamiento también sería posible en el SCR. Pero, en realidad, Dispositivos de Electrónica de Potencia
las diferencias están en el nivel de construcción del componente. El funcionamiento como
GTO depende, por ejemplo, de factores como:
• Facilidad de extracción de portadores por el terminal de puerta – esto es posible
debido al uso de impurezas con alta movilidad.
• Rápida desaparición de portadores en las capas centrales – uso de impurezas con bajo
tiempo de recombinación. Esto indica que un GTO tiene una mayor caída de tensión
en conducción, comparado a un SCR de dimensiones iguales.
• Soportar tensión inversa en la unión puerta-cátodo, sin entrar en avalancha – menor
dopado en la región del cátodo.
• Absorción de portadores de toda la superficie conductora – región de puerta-cátodo
con gran área de contacto.
Al contrario del SCR, un GTO puede no tener la capacidad de bloquear tensiones
inversas.
Entrada en
conducción
P
K
Rg
P+
Ánodo G Vg
A
Gate
Rc
Vcc
Cátodo
N- N+
J1 J2 J3
P
K
Rg
P+
Ánodo G Vg
A
Gate
Rc
Vcc
Cátodo
N N+
-
Apagado J1 J2 J3
(Bloqueo)
Figura 2.13. Proceso de conmutación (abertura y cierre) del GTO.
La figura siguiente (Fig. 2.14) muestra las características estáticas (corriente – tensión) del
GTO. Dispositivos de Electrónica de Potencia
AK
v
AK
i
VB
ruptura (kV )
IG
> 0
< 0 G
I
Figura 2.14. Característica estática (I – V) de un GTO.
Si la corriente por la puerta es positiva, el semiconductor pasará del estado “OFF” al
estado “ON”. Por el contrario, si la corriente por la puerta es negativa, el semiconductor
dejará de conducir, pasando del estado de “ON” a “OFF”.
Con ello se tiene un control total del estado del semiconductor en cualquier momento.
Nótese que al tratarse de un tiristor, la corriente sólo puede circular de ánodo a cátodo, pero
no en sentido contrario. Evidentemente, este dispositivo es más caro que un SCR y además el
rango de tensiones y corrientes es más pequeño que en el caso de los SCRs. En general se
suelen llegar a potencias entorno a los 500kW como máximo. La tensión ánodo-cátodo en
conducción directa también es más elevada que para los tiristores convencionales.
2.4 Transistores
En Electrónica de Potencia, los transistores generalmente son utilizados como
interruptores. Los circuitos de excitación (disparo) de los transistores se diseñan para que
éstos trabajen en la zona de saturación (conducción) o en la zona de corte (bloqueo). Esto
difiere de lo que ocurre con otras aplicaciones de los transistores, como por ejemplo, un
circuito amplificador, en el que el transistor trabaja en la zona activa o lineal.
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, como por ejemplo, los transistores de unión bipolar de
puerta aislada (IGBT). A continuación veremos cada uno de ellos. Dispositivos de Electrónica de Potencia
2.4.1. Transistor Bipolar de Potencia (TBP)
Más conocidos como BJTs (“Bipolar Junction Transistors”), básicamente se trata de
interruptores de potencia controlados por corriente. Como el lector recordará existen dos tipos
fundamentales, los “npn” y los “pnp”, si bien en Electrónica de Potencia los más usuales y
utilizados son los primeros. La figura 2.15 muestra un recordatorio de los símbolos empleados
para representar los transistores bipolares.
Colector (C)
Base (B)
Emisor (E)
Colector (C)
Base (B)
Emisor (E)
npn pnp
Figura 2.15. Símbolos de los transistores bipolares npn y pnp.
Principio de funcionamiento y estructura
La figura 2.16 muestra la estructura básica de un transistor bipolar npn.
La operación normal de un transistor se hace con la unión J1 (B-E) directamente polarizada, y
con J2 (B-C) inversamente polarizada.
En el caso de un transistor npn, los electrones son atraídos del emisor por el potencial
positivo de la base. Esta capa central es suficientemente fina para que la mayor parte de los
portadores tenga energía cinética suficiente para atravesarla, llegando a la región de transición
de J2, siendo entonces atraídos por el potencial positivo del colector.
El control de Vbe determina la corriente de base, Ib, que, a su vez, se relaciona con Ic
por la ganancia de corriente del dispositivo.
P
E
Rb
N+
B
Vb
C
Rc Vcc
N- N+
J2 J1
Figura 2.16. Estructura básica del transistor bipolar Dispositivos de Electrónica de Potencia
En la realidad, la estructura interna de los transistores bipolares de potencia (TBP) es
diferente. 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.
La figura 2.17 muestra una estructura típica de un transistor bipolar de potencia. Los
bordes redondeados de la región de emisor permiten una homogeneización del campo
eléctrico, necesaria para el mantenimiento de polarizaciones inversas débiles entre base y
emisor. El TBP no soporta tensiones en el sentido opuesto porque la elevada concentración de
impurezas (elevado dopado) del emisor provoca la ruptura de J1 en bajas tensiones (5 a 20 V).
E
5 a 20 µm
N +
C
10e16 cm -3
B
N + 10e19 cm -3
250 µm
Substracto
50 a 200 µm
10 µm
P
N - 10e14 cm -3
10e19 cm -3
Figura 2.17. Estructura interna de un TBP tipo NPN
La preferencia en utilizar TBP tipo NPN se debe 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.
Características estáticas
Los transistores bipolares son fáciles de controlar por el terminal de base, aunque el
circuito de control consume más energía que el de los SCR. Su principal ventaja es la baja
caída de tensión en saturación. Como inconvenientes destacaremos su poca ganancia con v/i
grandes, el tiempo de almacenamiento y el fenómeno de avalancha secundaria. Dispositivos de Electrónica de Potencia
El transistor, fundamentalmente, puede trabajar en tres zonas de funcionamiento bien
diferenciadas, en función de la tensión que soporta y la corriente de base inyectada:
- Corte: no se inyecta corriente a la base del transistor. Éste se comporta como un
interruptor abierto, que no permite la circulación de corriente entre colector y emisor. Por
tanto, en ésta zona de funcionamiento el transistor está desactivado o la corriente de base no
es suficiente para activarlo teniendo ambas uniones en polarización inversa.
- Activa: se inyecta corriente a la base del transistor, y éste soporta una determinada
tensión entre colector y emisor. La corriente de colector es proporcional a la corriente de base,
con una constante de proporcionalidad denominada ganancia del transistor, típicamente
representada por las siglas β F
o F
h . Por tanto, en la región activa, el transistor actúa como un
amplificador, donde la corriente del colector queda amplificada mediante la ganancia y el
voltaje vCE disminuye con la corriente de base: la unión CB tiene polarización inversa y la BE
directa.
- Saturación: se inyecta suficiente corriente a la base para disminuir la vCE y conseguir que
el transistor se comporte como un interruptor cuasi ideal. La tensión que soporta entre sus
terminales es muy pequeña y depende del transistor. En éste caso ambas uniones están
polarizadas directamente. Se suele hablar de la tensión colector-emisor en saturación.
La figura 2.18 muestra la característica estática de un transistor bipolar npn. Tal como
se muestra en su característica V-I, una corriente de base suficientemente grande IB>IC/β
(dependiendo de la I de colector) llevará al componente a la plena conducción. En el estado de
conducción (saturación) la tensión vCE(sat) está normalmente entre 1-2 V.
La característica de transferencia se muestra en la figura 2.19.
vCE
0
iB = 0
iB4
iB5
iB3
iB2
iB1
iC
I
vCE(sat)
Saturación
Corte
Activa
Figura 2.18. Características V-I de los transistores bipolares Dispositivos de Electrónica de Potencia
Corte Activa Saturación
vCC
vCE(sat)
iB
Figura 2.19. Características de transferencia en un transistor bipolar
En Electrónica de Potencia, obviamente, interesa trabajar en la zona de corte y en la
zona de saturación, dado que en la zona activa se disipa mucha potencia y en consecuencia el
rendimiento del sistema puede llegar a ser muy pequeño. Además téngase en cuenta que dado
que en Electrónica de Potencia se trabaja con tensiones y corrientes elevadas, esa disipación
de potencia debe evacuarse de algún modo, o de lo contrario podemos llegar a destruir el
semiconductor por una excesiva temperatura en su interior.
Las diferencias básicas entre los transistores bipolares de señal y los de potencia son
bastante significativas. En primer lugar, la tensión colector-emisor en saturación suele estar
entre 1 y 2 Volts, a diferencia de los 0,2-0,3 Volts de caída en un transistor de señal.
Conexión Darlington
Otra diferencia importante es que la ganancia de un transistor de potencia elevada
suele ser bastante pequeña. Ello conlleva que debido a las grandes corrientes de colector que
se deben manejar, la corriente por la base debe ser también elevada, complicando el circuito
de control de base del transistor. Para transistores de señal se suelen obtener valores de
ganancia entorno a 200, mientras que para transistores de potencia es difícil llegar a obtener
valores de ganancia de 50. Si por ejemplo un TBP con β = 20 va a conducir una corriente de
colector de 60 A, la corriente de base tendría que ser mayor que 3 A para saturar el transistor.
El circuito de excitación (“driver”) que proporciona esta alta corriente de base es un circuito
de potencia importante por sí mismo.
Para evitar esta problemática se suelen utilizar transistores de potencia en
configuraciones tipo Darlington, donde se conectan varios transistores de una forma
estratégica para aumentar la ganancia total del transistor. Ésta configuración se muestra en la
figura 2.20. Dispositivos de Electrónica de Potencia
Figura 2.20. Conexión Darlington
Las principales características de esta configuración son:
• Ganancia de corriente β = β1
.(β2+1) + β2
• T2 no satura, pues su unión B-C está siempre inversamente polarizada
• Tanto el disparo como el bloqueo son secuenciales. En el disparo, T1 entra en
conducción primero, dándole a T2 una corriente de base. En el bloqueo (apagado), T1
debe conmutar antes, interrumpiendo la corriente de base de T2.
Debido a que la ganancia de corriente efectiva de la combinación o conexión es,
aproximadamente, igual al producto de las ganancias individuales (β = β1
.(β2+1) + β2), se
puede, por tanto, reducir la corriente extraída del circuito de excitación (driver). La
configuración Darlington puede construirse a partir de dos transistores discretos o puede
obtenerse como un solo dispositivo integrado.
En general los transistores bipolares se utilizan para potencias medias, y frecuencias
de trabajo medias (hasta unos 40 kHz). La ventaja de este tipo de interruptores es que su caída
de tensión en conducción es bastante constante, si bien el precio que se paga es la
complejidad del circuito de control, ya que es un semiconductor controlado por corriente. Este
tipo de transistores, a diferencia de los que se verán en los siguientes apartados, suelen ser
bastante económicos.
2.4.2. MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors)
Así como podemos decir que el transistor bipolar se controla por corriente, los
MOSFET son transistores controlados por tensión. Ello de 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
primeros, por presentar menores pérdidas y mayor velocidad de conmutación, debido a la
mayor movilidad de los electrones con relación a los agujeros.
(B)
(E)
(C)
β1
β 2
β ≈ β1β2 Dispositivos de Electrónica de Potencia
La figura 2.21 muestra un recordatorio de los símbolos utilizados para estos
dispositivos.
Canal p
Puerta (G) Puerta (G)
Drenador Fuente (S)
(D)
Fuente (F) Drenador (D)
Canal n
Figura 2.21. Símbolos de los transistor MOSFET de canal n y canal p.
Si bien el TBP fue inventado a finales de los años 40, ya en 1925 fue registrada una
patente que se refería a un método y un dispositivo para controlar el flujo de una corriente
eléctrica entre dos terminales de un sólido conductor. Así mismo, tal patente, que se puede
considerar como la precursora de los Transistores de Efecto de Campo, no redundó en un
componente práctico, puesto que entonces no había tecnología que permitiese la construcción
de los dispositivos. Esto se modificó en los años 60, cuando surgieron los primeros FETs,
pero aún con limitaciones importantes con respecto a las características de conmutación. En
los años 80, con la tecnología MOS, fue posible construir dispositivos capaces de conmutar
valores significativos de corriente y tensión, con velocidad superior al que se obtenía con los
bipolares.
Principio de funcionamiento y estructura
El terminal de puerta G (Gate) está aislado del semiconductor por óxido de silicio
(SiO2). La unión PN define un diodo entre la Fuente S (Source) y el Drenador D (Drain), el
cual conduce cuando VDS < 0. El funcionamiento como transistor ocurre cuando VDS > 0. La
figura 2.22 muestra la estructura básica del transistor.
Cuando una tensión VGS > 0 es aplicada, el potencial positivo en la puerta repele los
agujeros en la región P, dejando una carga negativa, pero sin portadores libres. Cuando esta
tensión alcanza un cierto valor umbral (VT), electrones libres (generados principalmente por
efecto térmico) presentes en la región P son atraídos y forman un canal N dentro de la región
P, por el cual se hace posible la circulación de corriente entre D y S. Aumentando VGS, más
portadores son atraídos, ampliando el canal, reduciendo su resistencia (RDS), permitiendo el
aumento de ID. Este comportamiento caracteriza la llamada “región óhmica”. Dispositivos de Electrónica de Potencia
metal
VGS
VDD
G
- ID
-ID
N +
N +
D
S
P
N -
SiO2
Figura 2.22. Estructura básica del transistor MOSFET
La circulación de ID por el canal produce una caída de tensión que produce un “efecto
embudo”, o sea, el canal es más ancho en la frontera con la región N+ que cuando se conecta
a la región N-. Un aumento de ID lleva a una mayor caída de tensión en el canal y a un mayor
“efecto embudo”, lo que conduciría a su colapso y a la extinción de la corriente. Obviamente
el fenómeno tiende a un punto de equilibrio, en el cual la corriente ID se mantiene constante
para cualquier VDS, caracterizando una región activa o de saturación del MOSFET. La figura
2.23 muestra la característica estática del MOSFET de potencia.
Una pequeña corriente de puerta es necesaria apenas para cargar y descargar las
capacidades de entrada del transistor. La resistencia de entrada es del orden de 10
12
Ohms.
De forma análoga a los bipolares, tenemos fundamentalmente tres zonas de trabajo
bien diferenciadas:
- Corte: La tensión entre la puerta y la fuente es más pequeña que una determinada tensión
umbral (VT), con lo que el dispositivo se comporta como un interruptor abierto.
- Óhmica: Si la tensión entre la puerta y la fuente (o surtidor) es suficientemente grande y la
tensión entre el drenador y la fuente es pequeña, el transistor se comporta como un interruptor
cerrado, modelado por una resistencia, denominada RON.
- Saturación: Si el transistor está cerrado pero soporta una tensión drenador-surtidor elevada,
éste se comporta como una fuente de corriente constante, controlada por la tensión entre la
puerta y el surtidor. La disipación de potencia en este caso puede ser elevada dado que el
producto tensión-corriente es alto. Dispositivos de Electrónica de Potencia
vDS
iD
0
vGS4
vGS3
vGS2
vGS1
ON
OFF
Saturación
Ohmica
Corte
Figura 2.23. Característica estática del transistor MOSFET canal n
Obviamente, en Electrónica de Potencia nos interesa que un MOSFET trabaje en corte
o en óhmica (interruptor abierto o cerrado). Atención con los nombres de las zonas de trabajo,
que pueda causar confusión al lector cuando se habla de un bipolar y de un MOSFET.
Observar que la zona de saturación de un BJT corresponde a la zona Óhmica del MOSFET y
que la zona de saturación de éste corresponde a la zona activa del BJT.
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. Sin embargo, son los transistores más rápidos que
existen, con lo cual se utilizan en aplicaciones donde es necesario altas velocidades de
conmutación (se pueden llegar a tener aplicaciones que trabajan a 1MHz, algo impensable
para los bipolares).
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. El consumo de corriente de puerta es pequeño y se simplifica el diseño del circuito de
disparo (driver) y control correspondiente. Dispositivos de Electrónica de Potencia
Para evitar los inconvenientes del MOSFET y del bipolar y aprovechar las ventajas de
ambos, los fabricantes han introducido un dispositivo nuevo, denominado IGBT que se
describe en el siguiente apartado.
2.4.3. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
El transistor IGBT, de las siglas en inglés “Isolated Gate Bipolar Transistor”, es un
dispositivo híbrido, que aprovecha las ventajas de los transistores descritos en los apartados
anteriores, o sea, el IGBT reúne la facilidad de disparo de los MOSFET con las pequeñas
pérdidas en conducción de los BJT de potencia. La puerta está aislada del dispositivo, con lo
que se tiene un control por tensión relativamente sencillo. Entre el colector y el emisor se
tiene un comportamiento tipo bipolar, con lo que el interruptor es muy cercano a lo ideal. La
figura 2.24 muestra la simbología para este tipo de transistores.
Colector (C)
Puerta (G)
Emisor (E) (E)
(G)
(C)
Figura 2.24. Símbolos alternativos de los transistores IGBTs.
Su velocidad de conmutación, en principio, similar a la de los transistores bipolares, ha
crecido en los últimos años, permitiendo que funcione a centenas de kHz, en componentes
para corrientes del orden de algunas decenas de Amperios.
Principio de funcionamiento y estructura
La estructura del IGBT es similar a la del MOSFET, pero con la inclusión de una capa
P+ que forma el colector del IGBT, como se puede ver en la figura 2.25.
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 como la de los MOSFETs,
pero permite trabajar en rangos de frecuencias medias, controlando potencias bastante
elevadas.
En términos simplificados se puede analizar el IGBT como un MOSFET en el cual la
región N- tiene su conductividad modulada por la inyección de portadores minoritarios
(agujeros), a partir de la región P+, una vez que J1 está directamente polarizada. Esta mayor
conductividad produce una menor caída de tensión en comparación a un MOSFET similar. Dispositivos de Electrónica de Potencia
J3
J1
J2
P
Colector
P +
Gate (puerta)
N +
S Emisor
N -
metal
SiO2
Figura 2.25. Estructura básica del transistor IGBT
El control del componente es análogo al del MOSFET, o sea, por la aplicación de una
polarización entre puerta y emisor. También para el IGBT el accionamiento o disparo se hace
por tensión.
La máxima tensión que puede soportar se determina por la unión J2 (polarización
directa) y por J1 (polarización inversa). Como J1 divide 2 regiones muy dopadas, se puede
concluir que un IGBT no soporta tensiones elevadas cuando es polarizado inversamente.
Los IGBT presentan un tiristor parásito. La construcción del dispositivo debe ser tal
que evite el disparo de este tiristor, especialmente debido a las capacidades asociadas a la
región P. Los componentes modernos no presentan problemas relativos a este elemento
indeseado.
En la figura 2.26 se muestra la característica I-V del funcionamiento de un IGBT.
El IGBT tiene una alta impedancia de entrada como el MOSFET, y bajas pérdidas de
conducción en estado activo como el Bipolar, pero no presenta ningún problema de ruptura
secundaria como los BJT. Dispositivos de Electrónica de Potencia
vGE
vCE
iC
0
Figura 2.26. Símbolo y característica estática del transistor IGBT
El IGBT es inherentemente más rápido que el BJT. Sin embargo, la velocidad de
conmutación del IGBT es inferior a la de los MOSFETs.
2.4.4. Comparación entre los diferentes transistores de potencia
A continuación se presenta una breve tabla de comparación de tensiones, corrientes, y
frecuencias que pueden soportar los distintos transistores descritos.
BJT MOSFET IGBT
1000-1200V 500-1000V 1600-2000V
700-1000A 20-100A 400-500A
25kHz Hasta 300-400kHz Hasta 75kHz
P medias P bajas, <10kW P medias - altas
Los valores mencionados no son exactos, dada la gran disparidad que se puede encontrar
en el mercado. En general, el producto tensión-corriente es una constante (estamos limitados
en potencia), es decir, se puede encontrar un MOSFET de muy alta tensión pero con corriente
reducida. Lo mismo ocurre con las frecuencias de trabajo. Existen bipolares de poca potencia
que trabajan tranquilamente a 50kHz, aunque no es lo más usual. Dispositivos de Electrónica de Potencia
2.5 Pérdidas en conducción y en conmutación
Una problemática de los semiconductores de potencia está relacionada con sus pérdidas
y con la máxima disipación de potencia que pueden alcanzar. Como se ha mencionado
anteriormente, si se supera la temperatura máxima de la unión (uniones entre distintos tipos
de semiconductores) en el interior de un dispositivo, éste se destruye rápidamente. Para ello es
necesario evacuar la potencia que se disipa mediante radiadores, que en algunos casos pueden
ser de gran tamaño.
La disipación de potencia no es otra cosa que las pérdidas que tiene el dispositivo
semiconductor. Existen dos mecanismos que provocan las pérdidas. Lo que se denominan
pérdidas en conducción, es decir, cuando el interruptor está cerrado y por tanto hay
circulación de corriente. Por ejemplo, un MOSFET cuando está cerrado se comporta como
una resistencia de valor Ron, de manera que disipa una potencia que vale aproximadamente
Ron I2
. Además existen unas pérdidas adicionales, denominadas pérdidas en conmutación,
que se producen cuando un semiconductor pasa del estado de bloqueo a conducción y
viceversa. Las transiciones de corriente y tensión en el semiconductor no son instantáneas ni
perfectas, con lo que en cada conmutación se producen unas determinadas pérdidas. El lector
rápidamente entenderá que las perdidas en conmutación dependen de la frecuencia de
conmutación, es decir, cuantas más veces por segundo abra y cierre un transistor, más
potencia estará disipando el semiconductor. Es decir, las pérdidas en conmutación dependen
directamente de la frecuencia de trabajo del dispositivo. De ahí que se debe limitar la
frecuencia de conmutación de cualquier dispositivo en electrónica de potencia para evitar su
destrucción. La figura 2.27 muestra las curvas de tensión (VDS), corriente (IDS) y potencia (P)
de un MOSFET inicialmente bloqueado (OFF). Se puede ver la conmutación de OFF a ON,
después un periodo que se mantiene en conducción para después volver a cerrarse. La figura
muestra las pérdidas (potencia disipada) relacionadas con la conmutación y la conducción del
dispositivo.
Figura 2.27. Pérdidas en conducción y en conmutación
PERDIDAS EN CONDUCCIÓN
PERDIDAS EN CONMUTACIÓN Dispositivos de Electrónica de Potencia
2.6 Comparación de prestaciones entre los diferentes dispositivos de
electrónica de potencia.
A continuación se presenta una tabla con las prestaciones de los dispositivos de potencia
más utilizados, haciendo especial hincapié en los límites de tensión, corriente y frecuencia de
trabajo.
Tabla de prestaciones:
DISPOSITIVO TENSIÓN CORRIENTE FRECUENCIA
DIODOS <10kV <5000A <10MHz
TIRISTORES <6000V <5000A <500Hz
GTOs <6000V <3000A <500Hz
TRIACs <1000V <25A <500Hz
MOSFETs <1000V <100A <1MHz
BJTs <1200V <700A <25kHz
IGBTs <2000V <500A <75kHz
Regiones de Utilización: en función de las características de cada dispositivo, se suele
trabajar en distintas zonas, parametrizadas por la tensión, la corriente y la frecuencia de
trabajo. Una clasificación cualitativa se presenta en la siguiente figura:
DISPOSITIVO POTENCIA FRECUENCIA
TIRISTORES Alta Baja
GTOs Alta Baja
TRIACs Baja Baja
MOSFETs Baja Alta
BJTs Media Media
IGBTs Media-Alta Media
Por otro lado, la figura 2.28 muestra un gráfico que compara las capacidades de
tensión, corriente y frecuencia de los componentes controlables. Dispositivos de Electrónica de Potencia
1kHz
10kHz
100kHz
1MHz
1kA 2kA 3kA 4kA 5kA 6kA
1kV
2kV
3kV
4kV
5kV
V
I
f
Tiristor
GTO
IGBT
BJT
MOSFET
Figura 2.28. Comparativa de los dispositivos de potencia
En la siguiente tabla se añaden otras características importantes a tener en cuenta en el
diseño de circuitos de electrónica de potencia.
Dispositivos
DIODO SCR GTO BJT MOSFET IGBT
Características de disparo --------- En corriente En corriente En corriente En tensión En tensión
Potencia del circuito de
mando
--------- Media - Alta Alta Media - Alta Muy baja Muy Baja
Complejidad del circuito de
mando
--------- Baja Alta Alta Muy Baja Muy Baja
Densidad de corriente Media p/ Alta Alta Media - Alta Media Alta - Baja Alta
Máxima tensión inversa Media Alta Alta Baja - Media Media - Baja Madia - Alta
Perdidas en conmutación
(circuitos convencionales)
Baja p/ media Alta Alta Media - Alta Muy Baja Madia - Alta
Por último la figura 2.29 muestra algunas posibles aplicaciones de los distintos
dispositivos de electrónica de potencia. Dispositivos de Electrónica de Potencia
Figura 2.29. Aplicaciones de la Electrónica de Potencia según los dispositivos empleados.
2.7 Bibliografía
- “Power Electronics: Converters, Applications and Design”, Mohan, Undeland y Robbins,
John Wiley & Sons, 2ª Ed, Nueva York, 1995.
- “Eletrónica de Potência”, J. A. Pomilio, Universidade Estadual de Campinas, SP - Brasil.
- “Electrónica de Potencia”, D. W. Hart, Valparaíso University, Valparaíso Indiana.
Prentice Hall.
MOSFET
MOSFET son las siglas de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Consiste en un transistor de efecto de campo basado en la estructura MOS. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica. Prácticamente la totalidad de los procesadores comerciales están basados en transistores MOSFET.
QUÉ ES?
MOSFET significa "FET de Metal Oxido Semiconductor" o FET de compuerta aislada, es un arreglo de cientos de transistores integrados en un sustrato de silicio. Cada uno entrega una parte a la corriente total.
Uno de los motivos que impulsó su desarrollo es que los transistores bipolares presentan limitaciones. Es un dispositivo controlado por tensión, Es un dispositivo extremadamente veloz en virtud a la pequeña corriente necesaria para estrangular o liberar el canal. Por esta facultad se los usa ampliamente en conmutación. Su velocidad permite diseñar etapas con grandes anchos de banda minimizando, así, lo que se denomina distorsión por fase.
La característica constructiva común a todos los tipos de transistor MOS es que el terminal de puerta (G) está formado por una estructura de tipo Metal/Óxido/Semiconductor. El óxido es aislante, con lo que la corriente de puerta es prácticamente nula, mucho menor que en los JFET. Por ello, los MOS se emplean para tratar señales de muy baja potencia.
Tiene una versión NPN y otra PNP. El NPN es llamado MOSFET de canal N y el PNP es llamado MOSFET de canal P, En el MOSFET de canal N la parte "N" está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain)
En el MOSFET de canal P la parte "P" está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain):
Historia
Fue ideado teóricamente por el austrohúngaro Julius von Edgar Lilienfeld en 1930, aunque debido a problemas de carácter tecnológico y el desconocimiento acerca de cómo se comportan los electrones sobre la superficie del semiconductor no se pudieron fabricar hasta décadas más tarde. En concreto, para que este tipo de dispositivos pueda funcionar correctamente, la intercara entre el sustrato dopado y el aislante debe ser perfectamente lisa y lo más libre de defectos posible. Esto es algo que sólo se pudo conseguir más tarde, con el desarrollo de la tecnología del silicio.
Funcionamiento
Curvas característica y de salida de un transistor MOSFET de acumulación canal n.
Curvas característica y de salida de un transistor MOSFET de deplexión canal n.
Un transistor MOSFET consiste en un sustrato de material semiconductor dopado en el que, mediante técnicas de difusión de dopantes, se crean dos islas de tipo opuesto separadas por un área sobre la cual se hace crecer una capa de dieléctrico culminada por una capa de conductor. Los transistores MOSFET se dividen en dos tipos fundamentales dependiendo de cómo se haya realizado el dopaje:
Tipo nMOS: Sustrato de tipo p y difusiones de tipo n.
Tipo pMOS: Sustrato de tipo n y difusiones de tipo p.
Las áreas de difusión se denominan fuente(source) y drenador(drain), y el conductor entre ellos es la puerta(gate).
El transistor MOSFET tiene tres estados de funcionamiento:
[editar]Estado de corte
Cuando la tensión de la puerta es idéntica a la del sustrato, el MOSFET está en estado de no conducción: ninguna corriente fluye entre fuente y drenador. También se llama mosfet a los aislados por juntura de dos componentes.
Conducción lineal
Al polarizarse la puerta con una tensión negativa (pMOS) o positiva (nMOS), se crea una región de deplexión en la región que separa la fuente y el drenador. Si esta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadores minoritarios (electrones en pMOS, huecos en nMOS) en la región de deplexión que darán lugar a un canal de conducción. El transistor pasa entonces a estado de conducción, de modo que una diferencia de potencial entre fuente y drenador dará lugar a una corriente. El transistor se comporta como una resistencia controlada por la tensión de puerta.
Saturación
Cuando la tensión entre drenador y fuente supera cierto límite, el canal de conducción bajo la puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del drenador y desaparece. La corriente entre fuente y drenador no se interrumpe, ya que es debido al campo eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales.
Aplicaciones
La forma más habitual de emplear transistores MOSFET es en circuitos de tipo CMOS, consistentes en el uso de transistores pMOS y nMOS complementarios. Véase Tecnología CMOS
Las aplicaciones de MOSFET discretos más comunes son:
Resistencia controlada por tensión.
Circuitos de conmutación de potencia (HEXFET, FREDFET, etc).
Mezcladores de frecuencia, con MOSFET de doble puerta.
Ventajas
La principal aplicación de los MOSFET está en los circuitos integrados, p-mos, n-mos y c-mos, debido a varias ventajas sobre los transistores bipolares:
Consumo en modo estático muy bajo.
Tamaño muy inferior al transistor bipolar (actualmente del orden de media micra).
Gran capacidad de integración debido a su reducido tamaño.
Funcionamiento por tensión, son controlados por voltaje por lo que tienen una impedencia de entrada muy alta. La intensidad que circula por la puerta es del orden de los nanoamperios.
Los circuitos digitales realizados con MOSFET no necesitan resistencias, con el ahorro de superficie que conlleva.
La velocidad de conmutación es muy alta, siendo del orden de los nanosegundos.
Cada vez se encuentran más en aplicaciones en los convertidores de alta frecuencias y baja potencia.
PRINCIPIO DE OPERACION
Tanto en el MOSFET de canal N o el de canal P, cuando no se aplica tensión en la compuerta no hay flujo de corriente entre en drenaje (Drain) y la fuente (Source)
Para que circule corriente en un MOSFET de canal N una tensión positiva se debe aplicar en la compuerta. Así los electrones del canal N de la fuente (source) y el drenaje (Drain) son atraídos a la compuerta (Gate) y pasan por el canal P entre ellos.
El movimiento de estos electrones, crea las condiciones para que aparezca un puente para los electrones entre el drenaje y la fuente. La amplitud o anchura de este puente (y la cantidad de corriente) depende o es controlada por la tensión aplicada a la compuerta.
En el caso del MOSFET de canal P, se da una situación similar. Cuando se aplica una tensión negativa en la compuerta, los huecos (ausencia de electrones) del canal P del drenaje y de la fuente son atraídos hacia la compuerta y pasan a través del canal N que hay entre ellos, creando un puente entre drenaje y fuente. La amplitud o anchura del puente (y la cantidad de corriente) depende de la tensión aplicada a la compuerta.
Debido a la delgada capa de óxido que hay entre la compuerta y el semiconductor, no hay corriente por la compuerta. La corriente que circula entre drenaje y fuente es controlada por la tensión aplicada a la compuerta.
APLICACION
El MOSFET es frecuentemente usado como amplificador de potencia ya que ofrecen dos ventajas sobre los MESFET’s y los JFET’s y ellas son:
En la región activa de un MOSFET en modo de enriquecimiento, la capacitancia de entrada y la trasconductancia es casi independiente del voltaje de la compuerta y la capacitancia de salida es independiente del voltaje del drenador. Este puede proveer una potencia de amplificación muy lineal.
El rango de voltaje activo de la compuerta puede ser mayor porque los MOSFET’s de canal n en modo de vaciamiento pueden operar desde la región de modo de vaciamiento (-Vg) a la región de modo de enriquecimiento (+Vg).
Capacitancia en el MOSFET
Dos capacitancias son importantes en un conmutador de encendido-apagado con MOSFET. Éstas son Cgs entre Gate y la fuente y Cgd entre Gate y drenaje. Cada valor de capacitancia es una función no lineal del voltaje. El valor para Cgs tiene solamente una variación
pequeña, pero en Cgd, cuando uDG haya pasado a través de cero, es muy significativa. Cualquier desprecio de estas variaciones crea un error substancial en la carga que es requerida en Gate que es necesaria para estabilizar una condición dada de operación.
Encendido
En la mayoría de los circuitos con MOSFET, el objetivo es encenderlo tan rápido como sea posible para minimizar las pérdidas por conmutación. Para lograrlo, el circuito manejador del gatillo debe ser capaz de alimentar la suficiente corriente para incrementar rápidamente el voltaje de gatillo al valor requerido.
Apagado
Para apagar el MOSFET, el voltaje gate-fuente debe reducirse en acción inversa como fue hecho para encenderlo. La secuencia particular de la corriente y el voltaje depende de los arreglos del circuito externo.
Área segura de operación
El área segura de operación de el MOSFET está limitada por tres variables que forman los límites de una operación aceptable. Estos límites son:
1. Corriente máxima pulsante de drenaje
2. Voltaje máximo drenaje-fuente
3. Temperatura máxima de unión.
Pérdidas del MOSFET
Las pérdidas de potencia del MOSFET son un factor tomado en cuenta para la selección de un dispositivo de conmutación. La elección no es sencilla, pues no puede decirse que el MOSFET tenga menores o mayores pérdidas que un BJT en un valor específico de corriente. Las pérdidas por conmutación en el encendido y apagado juegan un papel más importante en la selección. La frecuencia de conmutación es también muy importante.
CONCLUSIONES
1.El mosfet gracias a su gran velocidad de conmutación presenta una gran versatilidad de trabajo;este puede reemplazar dispostivos como el jfet.
2.los MOS se emplean para tratar señales de muy baja potencia esto es una gran ventaja ya que pueden ser utilizados en una gran gama de aplicaciones
3.Para que circule corriente en un MOSFET de canal N una tensión positiva se debe aplicar en la compuerta. Así los electrones del canal N de la fuente (source) y el drenaje (Drain) son atraídos a la compuerta (Gate) y pasan por el canal P entre ellos.
4.gracias a la delgada capa de óxido que hay entre la compuerta y el semiconductor, no hay corriente por la compuerta. La corriente que circula entre drenaje y fuente es controlada por la tensión aplicada a la compuerta.
QUÉ ES?
MOSFET significa "FET de Metal Oxido Semiconductor" o FET de compuerta aislada, es un arreglo de cientos de transistores integrados en un sustrato de silicio. Cada uno entrega una parte a la corriente total.
Uno de los motivos que impulsó su desarrollo es que los transistores bipolares presentan limitaciones. Es un dispositivo controlado por tensión, Es un dispositivo extremadamente veloz en virtud a la pequeña corriente necesaria para estrangular o liberar el canal. Por esta facultad se los usa ampliamente en conmutación. Su velocidad permite diseñar etapas con grandes anchos de banda minimizando, así, lo que se denomina distorsión por fase.
La característica constructiva común a todos los tipos de transistor MOS es que el terminal de puerta (G) está formado por una estructura de tipo Metal/Óxido/Semiconductor. El óxido es aislante, con lo que la corriente de puerta es prácticamente nula, mucho menor que en los JFET. Por ello, los MOS se emplean para tratar señales de muy baja potencia.
Tiene una versión NPN y otra PNP. El NPN es llamado MOSFET de canal N y el PNP es llamado MOSFET de canal P, En el MOSFET de canal N la parte "N" está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain)
En el MOSFET de canal P la parte "P" está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain):
Historia
Fue ideado teóricamente por el austrohúngaro Julius von Edgar Lilienfeld en 1930, aunque debido a problemas de carácter tecnológico y el desconocimiento acerca de cómo se comportan los electrones sobre la superficie del semiconductor no se pudieron fabricar hasta décadas más tarde. En concreto, para que este tipo de dispositivos pueda funcionar correctamente, la intercara entre el sustrato dopado y el aislante debe ser perfectamente lisa y lo más libre de defectos posible. Esto es algo que sólo se pudo conseguir más tarde, con el desarrollo de la tecnología del silicio.
Funcionamiento
Curvas característica y de salida de un transistor MOSFET de acumulación canal n.
Curvas característica y de salida de un transistor MOSFET de deplexión canal n.
Un transistor MOSFET consiste en un sustrato de material semiconductor dopado en el que, mediante técnicas de difusión de dopantes, se crean dos islas de tipo opuesto separadas por un área sobre la cual se hace crecer una capa de dieléctrico culminada por una capa de conductor. Los transistores MOSFET se dividen en dos tipos fundamentales dependiendo de cómo se haya realizado el dopaje:
Tipo nMOS: Sustrato de tipo p y difusiones de tipo n.
Tipo pMOS: Sustrato de tipo n y difusiones de tipo p.
Las áreas de difusión se denominan fuente(source) y drenador(drain), y el conductor entre ellos es la puerta(gate).
El transistor MOSFET tiene tres estados de funcionamiento:
[editar]Estado de corte
Cuando la tensión de la puerta es idéntica a la del sustrato, el MOSFET está en estado de no conducción: ninguna corriente fluye entre fuente y drenador. También se llama mosfet a los aislados por juntura de dos componentes.
Conducción lineal
Al polarizarse la puerta con una tensión negativa (pMOS) o positiva (nMOS), se crea una región de deplexión en la región que separa la fuente y el drenador. Si esta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadores minoritarios (electrones en pMOS, huecos en nMOS) en la región de deplexión que darán lugar a un canal de conducción. El transistor pasa entonces a estado de conducción, de modo que una diferencia de potencial entre fuente y drenador dará lugar a una corriente. El transistor se comporta como una resistencia controlada por la tensión de puerta.
Saturación
Cuando la tensión entre drenador y fuente supera cierto límite, el canal de conducción bajo la puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del drenador y desaparece. La corriente entre fuente y drenador no se interrumpe, ya que es debido al campo eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales.
Aplicaciones
La forma más habitual de emplear transistores MOSFET es en circuitos de tipo CMOS, consistentes en el uso de transistores pMOS y nMOS complementarios. Véase Tecnología CMOS
Las aplicaciones de MOSFET discretos más comunes son:
Resistencia controlada por tensión.
Circuitos de conmutación de potencia (HEXFET, FREDFET, etc).
Mezcladores de frecuencia, con MOSFET de doble puerta.
Ventajas
La principal aplicación de los MOSFET está en los circuitos integrados, p-mos, n-mos y c-mos, debido a varias ventajas sobre los transistores bipolares:
Consumo en modo estático muy bajo.
Tamaño muy inferior al transistor bipolar (actualmente del orden de media micra).
Gran capacidad de integración debido a su reducido tamaño.
Funcionamiento por tensión, son controlados por voltaje por lo que tienen una impedencia de entrada muy alta. La intensidad que circula por la puerta es del orden de los nanoamperios.
Los circuitos digitales realizados con MOSFET no necesitan resistencias, con el ahorro de superficie que conlleva.
La velocidad de conmutación es muy alta, siendo del orden de los nanosegundos.
Cada vez se encuentran más en aplicaciones en los convertidores de alta frecuencias y baja potencia.
PRINCIPIO DE OPERACION
Tanto en el MOSFET de canal N o el de canal P, cuando no se aplica tensión en la compuerta no hay flujo de corriente entre en drenaje (Drain) y la fuente (Source)
Para que circule corriente en un MOSFET de canal N una tensión positiva se debe aplicar en la compuerta. Así los electrones del canal N de la fuente (source) y el drenaje (Drain) son atraídos a la compuerta (Gate) y pasan por el canal P entre ellos.
El movimiento de estos electrones, crea las condiciones para que aparezca un puente para los electrones entre el drenaje y la fuente. La amplitud o anchura de este puente (y la cantidad de corriente) depende o es controlada por la tensión aplicada a la compuerta.
En el caso del MOSFET de canal P, se da una situación similar. Cuando se aplica una tensión negativa en la compuerta, los huecos (ausencia de electrones) del canal P del drenaje y de la fuente son atraídos hacia la compuerta y pasan a través del canal N que hay entre ellos, creando un puente entre drenaje y fuente. La amplitud o anchura del puente (y la cantidad de corriente) depende de la tensión aplicada a la compuerta.
Debido a la delgada capa de óxido que hay entre la compuerta y el semiconductor, no hay corriente por la compuerta. La corriente que circula entre drenaje y fuente es controlada por la tensión aplicada a la compuerta.
APLICACION
El MOSFET es frecuentemente usado como amplificador de potencia ya que ofrecen dos ventajas sobre los MESFET’s y los JFET’s y ellas son:
En la región activa de un MOSFET en modo de enriquecimiento, la capacitancia de entrada y la trasconductancia es casi independiente del voltaje de la compuerta y la capacitancia de salida es independiente del voltaje del drenador. Este puede proveer una potencia de amplificación muy lineal.
El rango de voltaje activo de la compuerta puede ser mayor porque los MOSFET’s de canal n en modo de vaciamiento pueden operar desde la región de modo de vaciamiento (-Vg) a la región de modo de enriquecimiento (+Vg).
Capacitancia en el MOSFET
Dos capacitancias son importantes en un conmutador de encendido-apagado con MOSFET. Éstas son Cgs entre Gate y la fuente y Cgd entre Gate y drenaje. Cada valor de capacitancia es una función no lineal del voltaje. El valor para Cgs tiene solamente una variación
pequeña, pero en Cgd, cuando uDG haya pasado a través de cero, es muy significativa. Cualquier desprecio de estas variaciones crea un error substancial en la carga que es requerida en Gate que es necesaria para estabilizar una condición dada de operación.
Encendido
En la mayoría de los circuitos con MOSFET, el objetivo es encenderlo tan rápido como sea posible para minimizar las pérdidas por conmutación. Para lograrlo, el circuito manejador del gatillo debe ser capaz de alimentar la suficiente corriente para incrementar rápidamente el voltaje de gatillo al valor requerido.
Apagado
Para apagar el MOSFET, el voltaje gate-fuente debe reducirse en acción inversa como fue hecho para encenderlo. La secuencia particular de la corriente y el voltaje depende de los arreglos del circuito externo.
Área segura de operación
El área segura de operación de el MOSFET está limitada por tres variables que forman los límites de una operación aceptable. Estos límites son:
1. Corriente máxima pulsante de drenaje
2. Voltaje máximo drenaje-fuente
3. Temperatura máxima de unión.
Pérdidas del MOSFET
Las pérdidas de potencia del MOSFET son un factor tomado en cuenta para la selección de un dispositivo de conmutación. La elección no es sencilla, pues no puede decirse que el MOSFET tenga menores o mayores pérdidas que un BJT en un valor específico de corriente. Las pérdidas por conmutación en el encendido y apagado juegan un papel más importante en la selección. La frecuencia de conmutación es también muy importante.
CONCLUSIONES
1.El mosfet gracias a su gran velocidad de conmutación presenta una gran versatilidad de trabajo;este puede reemplazar dispostivos como el jfet.
2.los MOS se emplean para tratar señales de muy baja potencia esto es una gran ventaja ya que pueden ser utilizados en una gran gama de aplicaciones
3.Para que circule corriente en un MOSFET de canal N una tensión positiva se debe aplicar en la compuerta. Así los electrones del canal N de la fuente (source) y el drenaje (Drain) son atraídos a la compuerta (Gate) y pasan por el canal P entre ellos.
4.gracias a la delgada capa de óxido que hay entre la compuerta y el semiconductor, no hay corriente por la compuerta. La corriente que circula entre drenaje y fuente es controlada por la tensión aplicada a la compuerta.
transistor igbt
Transistor IGBT
Símbolo más extendido del IGBT: Gate o puerta (G), colector (C) y emisor (E).
El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor) es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia.
Este dispositivo 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 deltransistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT.
Los transistores IGBT han permitido desarrollos que no habían sido viables hasta entonces, en particular en los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones enmaquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso: automóvil, tren,metro, autobús, avión, barco, ascensor, electrodoméstico, televisión, domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI (en Inglés UPS), etc.
Sección de un IGBT.
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 kHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias energía como fuente conmutada, control de la tracción en motores y cocina de inducción. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios con voltajes de bloqueo de 6.000 voltios.
Se puede concebir el IGBT como un transistor Darlington híbrido. Tiene la capacidad de manejo de corriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de base para mantenerse en conducción. Sin embargo las corrientes transitorias de conmutacion de la base pueden ser igualmente altas. En aplicaciones de electrónica de potencia es intermedio entre los tiristores y los mosfet. Maneja más potencia que los segundos siendo más lento que ellos y lo inverso respecto a los primeros.
Circuito equivalentede un IGBT.
Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de control de puerta es de unos 15 V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta.
QUE ES EL IGBT:
La sigla IGBT corresponde a las iniciales de isolated gate bipolar transistor o sea transistor bipolar de puerta de salida
El IGBT es un dispositivo semiconductor de potencia híbrido que combina los atributos del TBJ y del MOSFET. Posee una compuerta tipo MOSFET y por consiguiente tiene una alta impedancia de entrada. El gate maneja voltaje como el MOSFET. El símbolo más comúnmente usado se muestra en la figura . Al igual que el MOSFET de potencia, el IGBT no exhibe el fenómeno de ruptura secundario como el TBJ.
El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es un dispositivo electrónico que generalmente se aplica a circuitos de potencia.
Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de control de puerta es de unos 15V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta.
El IGBT de la figura es una conexión integrada de un MOSFET y un BJT. 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
SIMBOLOGIA:
Es un componente de tres terminales que se denominan GATE (G) o puerta, COLECTOR (C) y EMISOR (E) y su símbolo corresponde al dibujo de la figura siguiente.
Su estructura microelectrónica es bastante compleja es por ello que lo describimos en base a su esquema equivalente.
CURVA CARACTERISTICA IGBT:
COMO FUNCIONA:
Consideremos que el IBGT se encuentra bloqueado inicialmente. Esto significa que no existe ningún voltaje aplicado al gate. Si un voltaje VGS es aplicado al gate, el IGBT enciende inmediatamente, la corriente ID es conducida y el voltaje VDS se va desde el valor de bloqueo hasta cero. LA corriente ID persiste para el tiempo tON en el que la señal en el gate es aplicada. Para encender el IGBT, la terminal drain D debe ser polarizada positivamente con respecto a la terminal S. LA señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado al gate G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15, puede causar que el tiempo de encendido sea menor a 1 s, después de lo cual la corriente de drain iD es igual a la corriente de carga IL (asumida como constante). Una vez encendido, el dispositivo se mantiene así por una señal de voltaje en el gate. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en el gate es muy baja.
EL IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la terminal gate. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 micro segundos, por lo que la frecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz.
EL IGBT requiere un valor límite VGS(TH) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4 V. Arriba de este valor el voltaje VDS cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el gate debe tener un voltaje arriba de 15 V, y la corriente iD se autolimita.
El IGBT se aplica en controles de motores eléctricos tanto de corriente directa como de corriente alterna, manejados a niveles de potencia que exceden los 50 kW.
CARACTERISTICAS A TENER EN CUENTA EN UN IGBT:
• IDmax Limitada por efecto Latch-up.
• VGSmax Limitada por el espesor del óxido de silicio.
• Se diseña para que cuando VGS = VGSmax la corriente de cortocircuito sea entre
4 a 10 veces la nominal (zona activa con VDS=Vmax) y pueda soportarla durante
unos 5 a 10 μs. y pueda actuar una protección electrónica cortando desde
puerta.
• VDSmax es la tensión de ruptura del transistor pnp. Como α es muy baja, será
VDSmax=BVCB0 Existen en el mercado IGBTs con valores de 600, 1.200, 1.700,
2.100 y 3.300 voltios. (anunciados de 6.5 kV).
• La temperatura máxima de la unión suele ser de 150ºC (con SiC se esperan
valores mayores)
• Existen en el mercado IGBTs encapsulados que soportan hasta 400 o 600 Amp.
• La tensión VDS apenas varía con la temperatura ⇒ Se pueden conectar en
paralelo fácilmente ⇒ Se pueden conseguir grandes corrientes con facilidad,
p.ej. 1.200 o 1.600 Amperios.
En la actualidad es el dispositivo mas usado para potencias entre varios kW y un
par de MW, trabajando a frecuencias desde 5 kHz a 40kHz.
A continuacion se presentan algunas de las presentaciones mas comunes de un IGBT.
GTO
Great Teacher Onizuka
conocido también como GTO (es la continuación de otro manga de Tōru Fujisawa llamado Shounan Jun'ai Gumi en el que Onizuka hacía el papel de delincuente junto a su mejor amigo Ryuji. En este manga el autor decidió elegir a Onizuka como protagonista y meterlo en el papel menos esperado, profesor. Fue premiado con el premio Kōdansha al mejor manga en 1998 en la categoría shōnen.También cuenta con una secuela llamada Shonan 14 days, que relata la historia ocurrida en los 14 días después del incidente con el profesor Teshigawara, los cuales no salieron en el manga original.
Fue adaptado a anime y a una serie live action, exitosos ambos.
GTO (Gate Turn-off Thyristor)
Un tiristor GTO es un SCR que puede apagarse por una pulsación suficientemente grande en su compuerta de entrada, aun si la corriente iD excede IH.
se usan desde 1960, pero se potencializaron al final de los años setenta. son comunes en las unidades de control de motores, ya que eliminan componentes externos para apagar los SCR en circuitos de cc.
CARACTERISTICAS
El disparo se realiza mediante una VGK >0
El bloqueo se realiza con una VGK < 0.
La ventaja del bloqueo por puerta es que no se precisan de los circuitos de bloqueo forzado que requieren los SCR.
La desventaja es que la corriente de puerta tiene que ser mucho mayor por lo que el generador debe estar mas dimensionado.
El GTO con respecto al SCR disipa menos potencia.
FUNCIONAMIENTO DEL GTO
Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista señal en el gate, el dispositivo se bloquea para cualquier polaridad en el ánodo, pero una corriente de fuga (IA leak) existe. Con un voltaje de bias en directa el GTO se bloquea hasta que un voltaje de ruptura VAK = VB0 es alcanzado. En este punto existe un proceso dinámico de encendido., VAK = 3V y la corriente IA es determinada por la carga. Cuando el GTO se apaga y con la aplicación de una voltaje en inversa, solo una pequeña corriente de fuga (IA leak) existe. Una polarización en inversa VAK puede ser alcanzada cuando ocurra un corte. El valor del voltaje del voltaje de ruptura inverso depende del método de fabricación para la creación de una regeneración interna para facilitar el proceso de apagado.
Con un voltaje de polarización directo aplicado al ánodo y un pulso de corriente positiva es aplicada al gate, el GTO se enciende y permanece de esa forma. Para ésta condición, existen 2 formas de apagarlo. Una forma es reduciendo la corriente de ánodo IA por medios externos hasta un valor menor a la corriente de holding Ih, en la cual, la acción regenerativa interna no es efectiva. La segunda forma de apagarlo es por medio de un pulso en el gate, y este es el método más recomendable porque proporciona un mejor control.
La ganancia se calcula con la siguiente formula.
Para conseguir cortar el GTO, con una corriente soportable por la puerta, debe ser lo mayor posible, para ello debe ser a2=1 (lo mayor posible) y a1=0 (lo menor posible):
·alfa2=1 implica que la base de T2 (capa de control) sea estrecha y poco dopada y que su emisor (capa catódica) este muy dopado. Estas condiciones también son normales en los SCRs.
·alfa1=0 implica que la base de T1 (capa de bloqueo) sea ancha y tenga una vida media de los huecos muy corta.
ESPECIFICACIONES DE PUERTA DEL GTO
FORMA DE ONDA EN EL ENCENDIDO DEL GTO
Para entrar en conducción, se necesita una subida rápida y valor IGM suficientes para poner en conducción todo el cristal. Si solo entra en conducción una parte y circula toda la corriente se puede dañar. Si solo entra en conducción bajara una parte de la tensión ánodo-cátodo y el resto de celdillas que forma el cristal no podrán entrar en conducción.
Cuando se ha establecido la conducción se deja una corriente IGON de mantenimiento para asegurar que no se corta espontáneamente (tiene menos ganancia que el SCR).
FORMA DE ONDA EN EL APAGADO DEL GTO
Para cortar el GTO se aplica una corriente IG- =IA/boff muy grande. Ya que boff es del orden de 5 a 10.
Esta corriente negativa debe mantenerse para evitar que el dispositivo entre en conducción espontáneamente.
APLICACIONES
Como el GTO tiene una conducción de corriente unidireccional, y puede ser apagado en cualquier instante, éste se aplica en circuitos chopper (conversiones de dc- dc) y circuitos inversores (conversiones dc -ac) a niveles de potencia en los que los MOSFET's, TBJ's e IGBT's no pueden ser utilizados. A bajos niveles de potencia los semiconductores de conmutación rápida son preferibles. En la conversión de AC - DC, los GTO's, son útiles porque las estrategias de conmutación que posee, pueden ser usadas para regular la potencia, como el factor de potencia.
a nivel industrial algunos usos son:
troceadores y convertidores.
Control de motores asíncronos.
Inversores.
Caldeo inductivo.
Rectificadores.
Soldadura al arco.
Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI).
Control de motores.
Tracción eléctrica.
CONCLUSIONES
·Un tiristor GTO puede ser encendido por un solo pulso de corriente positiva en la terminal “gate” o apagado por un pulso negativo en el mismo terminal.
·El tiempo de caída de la corriente de ánodo (IA) es abrupta, típicamente menor a 1 s. Después de esto, la corriente de ánodo varía lentamente y ésta porción de la corriente de ánodo es conocido como corriente de cola.
·La estructura del GTO es esencialmente la misma que un tiristor convencional. Existen 4 capas de silicón (pnpn), 3 uniones y tres terminales (ánodo, cátodo y gate). La diferencia en la operación, radica en que en que una señal negativa en el gate puede apagar el GTO.
·Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista señal en el gate, el dispositivo se bloquea para cualquier polaridad en el ánodo, pero existe corriente de fuga.
·Con un voltaje de polarización directo aplicado al ánodo y un pulso de corriente positiva es aplicada al gate, el GTO se enciende y permanece de esa forma.
·existen 2 formas de apagar el tiristor: Una forma es reduciendo la corriente de ánodo, La segunda forma de apagarlo es por medio de un pulso en el gate, y este es el método más recomendable porque proporciona un mejor control.
GTO (Gate Turn-off Thyristor)
El proceso de encendido
es similar al del tiristor. Las características de apagado son un poco diferentes. Cuando un voltaje negativo es aplicado a través de las terminales “gate” y cátodo, la corriente en el gate (ig), crece. Cuando la corriente en el gate alcanza su máximo valor IGR, la corriente de ánodo comienza a caer y el voltaje a través del dispositivo (VAK), comienza a crecer. El tiempo de caída de la corriente de ánodo (IA) es abrupta, típicamente menor a 1 s. Después de esto, la corriente de ánodo varía lentamente y ésta porción de la corriente de ánodo es conocido como corriente de cola.
La razón (IA/IGR) de la corriente de ánodo IA a la máxima corriente negativa en el gate (IGR) requerida para el voltaje es baja, comúnmente entre 3 y 5. Por ejemplo, para un voltaje de 2500 V y una corriente de 1000 A, un GTO normalmente requiere una corriente negativa de pico en el gate de 250 A para el apagado.
La estructura del GTO es esencialmente la misma que un tiristor convencional. Como se muestra en la figura, existen 4 capas de silicón (pnpn), 3 uniones y tres terminales (ánodo, cátodo y gate). La diferencia en la operación, radica en que en que una señal negativa en el gate puede apagar el GTO.
Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista señal en el gate, el dispositivo se bloquea para cualquier polaridad en el ánodo, pero una corriente de fuga (IA leak) existe. Con un voltaje de bias en directa el GTO se bloquea hasta que un voltaje de ruptura VAK = VB0 es alcanzado. En este punto existe un proceso dinámico de encendido., VAK = 3V y la corriente IA es determinada por la carga. Cuando el GTO se apaga y con la aplicación de una voltaje en inversa, solo una pequeña corriente de fuga (IA leak) existe. Una polarización en inversa VAK puede ser alcanzada cuando ocurra un corte. El valor del voltaje del voltaje de ruptura inverso depende del método de fabricación para la creación de una regeneración interna para facilitar el proceso de apagado.
Con un voltaje de polarización directo aplicado al ánodo y un pulso de corriente positiva es aplicada al gate, el GTO se enciende y permanece de esa forma. Para ésta condición, existen 2 formas de apagarlo. Una forma es reduciendo la corriente de ánodo IA por medios externos hasta un valor menor a la corriente de holding Ih, en la cual, la acción regenerativa interna no es efectiva. La segunda forma de apagarlo es por medio de un pulso en el gate, y este es el método más recomendable porque proporciona un mejor control.
Como el GTO tiene una conducción de corriente unidireccional, y puede ser apagado en cualquier instante, éste se aplica en circuitos chopper (conversiones de dc- dc) y circuitos inversores (conversiones dc -ac) a niveles de potencia en los que los MOSFET's, TBJ's e IGBT's no pueden ser utilizados. A bajos niveles de potencia los semiconductores de conmutación rápida son preferibles. En la conversión de AC - DC, los GTO's, son útiles porque las estrategias de conmutación que posee, pueden ser usadas para regular la potencia, como el factor de potencia.
webgrafia
www.redeya.com/electronica/ tutoriales/elembas/introd.htm
html.rincondelvago.com/ dispositivos-de-electronica-potencial.html
es.wikipedia.org/wiki/Great_Teacher_Onizuka
www.ehu.es/Electronica_EUITI/potencia/introduccion.htm
www.dte.uvigo.es/recursos/potencia/dc-ac/tiristor.htm
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