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.