Presentaci

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Lección 5
OTROS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Sistemas Electrónicos de Alimentación 5º Curso.
Ingeniería de Telecomunicación
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El transistor Bipolar de Puerta Aislada Insulated
Gate Bipolar Transistor (IGBT)
Este dispositivo aparece en los años 80 Mezcla
características de un transistor bipolar y de un
MOSFET La característica de salida es la de un
bipolar pero se controla por tensión y no por
corriente
EL IGBT DE POTENCIA
MOSFET
Bipolar
Alta capacidad de manejar corriente (como un
bipolar) Facilidad de manejo (MOSFET)
Menor capacidad de conmutación (Bipolar) No tiene
diodo parásito
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Estructura del IGBT
Es similar a la de un MOSFET Sólo se diferencia
en que se añade un sustrato P bajo el sustrato N
Es el dispositivo más adecuado para tensiones gt
1000 V El MOSFET es el mejor por debajo de 250
V En los valores intermedios depende de la
aplicación, de la frec.,etc.
EL IGBT DE POTENCIA
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El IGBT se suele usar cuando se dan estas
condiciones

• Bajo ciclo de trabajo
• Baja frecuencia (lt 20 kHz)
• Aplicaciones de alta tensión (gt1000 V)
• Alta potencia (gt5 kW)

EL IGBT DE POTENCIA
Aplicaciones típicas del IGBT

• Control de motores
• Sistemas de alimentación ininterrumpida
• Sistemas de soldadura
• Iluminación de baja frecuencia (lt100 kHz) y alta
  potencia

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Gran capacidad de manejo de corriente
Comparación IGBT-MOSFET con el mismo área de
semiconductor
El IGBT tiene menor caída de tensión
Menores pérdidas en conducción
Problema Coeficiente de temperatura negativo
EL IGBT DE POTENCIA
A mayor temperatura, menor caída de tensión
Conduce más corriente
Se calienta más
Esto es un problema para paralelizar IGBTs
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Encapsulados de IGBT
Módulos de potencia
TO 220
MTP
TO 247
EL IGBT DE POTENCIA
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Parámetros fundamentales para seleccionar un
MOSFET

• Tensión de ruptura
• Corriente máxima
• Tensión colector-emisor en saturación

EL IGBT DE POTENCIA
Tensiones de ruptura de dispositivos comerciales
Alta tensión
Media tensión
250 V 300 V
600 V 900 V 1200 V
(Poco usuales)
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Características básicas
EL IGBT DE POTENCIA
En ocasiones, el encapsulado incorpora
internamente un diodo
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Características eléctricas
Tensión de saturación colector-emisor (como en
bipolares)
Tensión umbral de puerta (como en MOSFETS)
Características térmicas
EL IGBT DE POTENCIA
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Características dinámicas
Circuito equivalente del IGBT
La base del bipolar no del accesible La
circuitería exterior no puede solucionar el
problema de la eliminación de los minoritarios de
la base
EL IGBT DE POTENCIA
Esto da lugar a la llamada cola de corriente
(current tail)
Problema aumento de pérdidas de conmutación
Cola de corriente
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Características dinámicas
Al contrario que en el MOSFET, los tiempos de
conmutación del IGBT no dan información sobre las
pérdidas de conmutación
Causa
No tienen en cuenta el efecto de cola de
corriente Este efecto es muy significativo en el
conjunto de pérdidas Además, el tiempo de caída
de la tensión VCE no queda definido Este tiempo
es muy importante para definir las pérdidas
EL IGBT DE POTENCIA
Se hace mediante gráficos que proporciona el
fabricante
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Tipos de Tiristores
SCR (Silicon Controlled Rectifier)
A este dispositivo se le suele llamar Tiristor
DIAC
TIRISTORES
TRIAC
GTO
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SCR (Silicon Controlled Rectifier)
Es uno de los semiconductores más antiguos 1957
General Electric Research Laboratories
Tiene una enorme capacidad de manejar
potencia Son muy robustos Seguirá teniendo
aplicaciones debido a que es de los
semiconductores con mayor capacidad de manejar
potencia
TIRISTORES
Estructura de 4 capas
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SCR
Ánodo
IA
A
Característica V-I
VAK
Puerta
K
Cátodo
IA
Polarización directa una vez disparado, conduce
como un diodo
TIRISTORES
Polarización directa si no se ha disparado, no
conduce
VAK
Zona de transición
Con polarización inversa se comporta como un
diodo no conduce
El SCR se apaga de forma natural cuando la
corriente pasa por cero
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Encapsulados de SCR
MAGN A PACK
ADD A PACK
TIRISTORES
PACE PACK
TO-200
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Parámetros fundamentales para seleccionar un SCR

• Tensión de ruptura
• Corriente máxima
• Velocidad de conmutación

TIRISTORES
Tensiones de ruptura de dispositivos comerciales
400 V 800 V 1000 V 1200 V
Soportan tensión directa (VDRM) e inversa (VRRM)
Alta tensión
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Características de disparo
Para disparar el SCR hay que introducir corriente
por la puerta
Para que el disparo sea efectivo, se deben de
cumplir dos condiciones
1. La corriente de puerta debe ser superior a un
cierto valor
Zona de disparo seguro
IG
TIRISTORES
Ningún SCR se dispara
VGK
No se garantiza el disparo
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Características de disparo
El circuito de disparo debe tener una recta de
carga tal que el punto de corte esté en la zona
de disparo seguro
Z1
V1
IG
TIRISTORES
V1 / Z1
Zona de disparo seguro
VGK
V1
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Características de disparo
2. Hay que mantener el disparo hasta que la
corriente ánodo-cátodo sobrepase un cierto valor
que se llama Corriente de Enclavamiento
(Latching Current)
Sigue conduciendo
IA
ILATCHING
TIRISTORES
Se apaga
IG
Una vez disparado, el SCR sigue conduciendo
aunque no tenga corriente en puerta
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Características de disparo
Podríamos disparar el SCR con un pulso de
corriente Esto funciona con carga resistiva ya
que la corriente crece rápidamente y se alcanza
fácilmente la corriente de enclavamiento
IA
Z1 R
IA
TIRISTORES
Z1
V1
Z1 Ls
Se apaga
IG
IG
Para evitar esto, se suele disparar los SCR con
trenes de pulsos
IG
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Características de disparo
El SCR se puede llegar a disparar por derivada de
tensión Si la tensión ánodo-cátodo cambia muy
bruscamente, puede inducirse corriente en la
puerta y entrar en conducción
i
TIRISTORES
VAK
grande
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Apagado del SCR
Idealmente, cuando la corriente que circula entre
ánodo y cátodo llega a cero, el SCR se apaga de
forma natural
En realidad, se apaga cuando la corriente baja
hasta un cierto valor llamado Corriente de
mantenimiento (holding current)
IA
TIRISTORES
Corriente de enclavamiento
Corriente de mantenimiento
(p.ej 1 A)
(p.ej 600mA)
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Apagado del SCR
Hay dos tipos de apagado

• Apagado estático
• Apagado dinámico

IA
IMANTENIMIENTO
El apagado estático se utiliza en aplicaciones de
red (50 Hz) El tiristor se apaga de forma natural
VAK
TIRISTORES
El apagado dinámico se utiliza en aplicaciones de
frecuencia más elevada (1 - 20 kHz) Se requiere
un circuito externo para apagar el SCR de forma
forzada
IA
?s
VAK
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Ejemplo de funcionamiento
V1
Disparo
R1
VR
V1
TIRISTORES
VR
VT
VT
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TRIAC
Funciona como un tiristor Al dispararlo, conduce
hasta que la corriente pasa por cero
Es bidireccional. Conduce en ambos sentidos Se
puede disparar con corrientes entrantes y
salientes
TIRISTORES
T1
T2
G
Su uso es común en aplicaciones de baja
potencia (pero relativamente alta comparada con
la potencia de muchos sistemas de alimentación)
200, 400, 600, 800, 1000 V
Especificaciones típicas
1- 50 A
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TRIAC
Hay 4 posibilidades de funcionamiento No todas
son igual de favorables
-

T2

T2
T2
-
T2
IG
IG
IG
IG
-
-


T1
T1
T1
T1
TIRISTORES
35 mA
IG gt
35 mA
70 mA
35 mA
IH lt
30 mA
30 mA
30 mA
30 mA
IL lt
40 mA
60 mA
60 mA
40 mA
IH Corriente de mantenimiento
IL Corriente de enclavamiento
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TRIAC
Ejemplo
Nivel de comparación
RL (Carga)
C
Comp. con Histéresis
VG
VRL
R
TIRISTORES
?
? ángulo de disparo
Controlando el ángulo de disparo se controla la
potencia que se le da a RL
VComp
A este tipo de control se le llama control de fase
VG
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DIAC
No es un interruptor
Una vez disparado se comporta como un
diodo Cuando su corriente pasa por cero, se
apaga Para dispararlo hay que sobrepasar una
tensión característica VDIAC que suele ser de 30
V. Es totalmente simétrico
IT12
TIRISTORES
T1
T2
VT12
30 V
- 30 V
Aplicaciones se suele usar para disparar TRIACs
y tiristores
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GTO
Gate Turn-Off Thirystor
K
G
A

• En muchas aplicaciones, el hecho de no poder
  apagar el SCR es un grave problema
• El GTO solventa ese inconveniente
• Con corriente entrante por puerta, se dispara
• Con corriente saliente por puerta, se apaga

TIRISTORES

• Se utiliza en aplicaciones de mucha potencia
• Es muy robusto

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GTO

• Soporta altas tensiones
• Puede manejar corrientes elevadas
• La caída de tensión en conducción es
  relativamente baja

• El GTO es básicamente igual que un SCR
• Se han modificado algunos parámetros
  constructivos para poder apagarlo por puerta
• Se pierden algunas características (solución de
  compromiso). Por ejemplo, la corriente de disparo
  es mayor.

TIRISTORES

• Caída de tensión en conducción ligeramente
  superior al SCR
• Algo más rápido que un SCR