Lección 5 OTROS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA Sistemas Electrónicos de Alimentación 5º Curso. Ingeniería de Telecomunicación.

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1 Lección 5 OTROS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA Sistemas Electrónicos de Alimentación 5º Curso. Ingeniería de Telecomunicación

2 EL IGBT DE POTENCIA 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 G C E Bipolar MOSFET Alta capacidad de manejar corriente (como un bipolar) Facilidad de manejo (MOSFET) Menor capacidad de conmutación (Bipolar) No tiene diodo parásito

3 EL IGBT DE POTENCIA 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 > 1000 V El MOSFET es el mejor por debajo de 250 V En los valores intermedios depende de la aplicación, de la frec.,etc.

4 EL IGBT DE POTENCIA El IGBT se suele usar cuando se dan estas condiciones: Bajo ciclo de trabajo Baja frecuencia (< 20 kHz) Aplicaciones de alta tensión (>1000 V) Alta potencia (>5 kW) Aplicaciones típicas del IGBT Control de motores Sistemas de alimentación ininterrumpida Sistemas de soldadura Iluminación de baja frecuencia (<100 kHz) y alta potencia

5 EL IGBT DE POTENCIA 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 A mayor temperatura, menor caída de tensión Conduce más corriente Se calienta más Esto es un problema para paralelizar IGBTs

6 Encapsulados de IGBT TO 220 TO 247 EL IGBT DE POTENCIA Módulos de potencia MTP

7 Parámetros fundamentales para seleccionar un MOSFET Tensión de ruptura Corriente máxima Tensión colector-emisor en saturación Tensiones de ruptura de dispositivos comerciales Media tensión Alta tensión 250 V 300 V 600 V 900 V 1200 V (Poco usuales) EL IGBT DE POTENCIA

8 Características básicas G C E En ocasiones, el encapsulado incorpora internamente un diodo

9 EL IGBT DE POTENCIA Características eléctricas Tensión de saturación colector-emisor (como en bipolares) Tensión umbral de puerta (como en MOSFETS) Características térmicas

10 EL IGBT DE POTENCIA Cola de corriente 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 Esto da lugar a la llamada “cola de corriente” (current tail) Problema: aumento de pérdidas de conmutación

11 EL IGBT DE POTENCIA 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 V CE no queda definido Este tiempo es muy importante para definir las pérdidas Se hace mediante gráficos que proporciona el fabricante

12 TIRISTORES Tipos de Tiristores SCR (Silicon Controlled Rectifier) DIAC TRIAC GTO A este dispositivo se le suele llamar Tiristor

13 TIRISTORES 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 Estructura de 4 capas

14 TIRISTORES SCR V AK IAIA Característica V-I Ánodo Cátodo A K V AK IAIA Con polarización inversa se comporta como un diodo: no conduce Polarización directa: si no se ha disparado, no conduce Polarización directa: una vez disparado, conduce como un diodo Zona de transición El SCR se apaga de forma natural cuando la corriente pasa por cero Puerta

15 Encapsulados de SCR TIRISTORES ADD A PACK MAGN A PACK PACE PACK TO-200

16 Parámetros fundamentales para seleccionar un SCR Tensión de ruptura Corriente máxima Velocidad de conmutación Tensiones de ruptura de dispositivos comerciales Alta tensión 400 V 800 V 1000 V 1200 V TIRISTORES Soportan tensión directa (V DRM ) e inversa (V RRM )

17 TIRISTORES 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 V GK IGIG Ningún SCR se dispara Zona de disparo seguro No se garantiza el disparo

18 TIRISTORES Características de disparo V GK IGIG Zona de disparo seguro El circuito de disparo debe tener una recta de carga tal que el punto de corte esté en la zona de disparo seguro Z1Z1 V1V1 V1V1 V 1 / Z 1

19 TIRISTORES 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) IAIA IGIG I LATCHING Se apaga Sigue conduciendo Una vez disparado, el SCR sigue conduciendo aunque no tenga corriente en puerta

20 TIRISTORES 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 Z1Z1 V1V1 Z 1 = R Z 1 = Ls Se apaga Para evitar esto, se suele disparar los SCR con trenes de pulsos IGIG IAIA IAIA IGIG IGIG

21 TIRISTORES 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 V AK grande i

22 TIRISTORES 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) IAIA Corriente de mantenimiento Corriente de enclavamiento (p.ej 600mA) (p.ej 1 A)

23 TIRISTORES Apagado del SCR Apagado estático Apagado dinámico Hay dos tipos de apagado: El apagado estático se utiliza en aplicaciones de red (50 Hz) El tiristor se apaga de forma natural 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 I MANTENIMIENTO IAIA IAIA V AK ss

24 TIRISTORES Ejemplo de funcionamiento R1R1 V1V1 V1V1 VRVR VTVT VRVR VTVT Disparo

25 TIRISTORES 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 Su uso es común en aplicaciones de “baja” potencia (pero relativamente alta comparada con la potencia de muchos sistemas de alimentación) Especificaciones típicas 200, 400, 600, 800, 1000 V 1- 50 A T1 T2 G

26 TIRISTORES TRIAC Hay 4 posibilidades de funcionamiento No todas son igual de favorables T2 T1 IGIG + - T2 T1 IGIG + - T2 T1 IGIG + - T2 T1 IGIG - + I G > I H < I L < I H Corriente de mantenimiento I L Corriente de enclavamiento 35 mA 30 mA 40 mA60 mA 40 mA 70 mA

27 TIRISTORES TRIACEjemplo C R R L (Carga) Comp. con Histéresis Nivel de comparación V RL V Comp VGVG VGVG   : ángulo de disparo Controlando el ángulo de disparo se controla la potencia que se le da a R L A este tipo de control se le llama control de fase

28 TIRISTORES 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 V DIAC que suele ser de 30 V. Es totalmente simétrico Aplicaciones: se suele usar para disparar TRIACs y tiristores 30 V - 30 V T1 T2 V T12 I T12

29 TIRISTORES GTOGate Turn-Off Thirystor A K G 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 Se utiliza en aplicaciones de mucha potencia Es muy robusto

30 TIRISTORES 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. Caída de tensión en conducción ligeramente superior al SCR Algo más rápido que un SCR