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ELECTRONICA INDUSTRIAL
Capítulo 2: Semiconductores de potencia
Marcelo A. Pérez
Segundo semestre 2016
Introducción
Convertidores de potencia
●
●
●
●
El convertidor de potencia actúa como regulador de potencia
Regula las amplitudes, frecuencias y fases de las señales (según corresponda)
Convierte de AC a DC, cualquiera de las combinaciones (AC-AC, DC-DC, DC-AC
y AC-DC)
Los semiconductores actúan en zonas de corte y conducción, pero no en la zona
lineal
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Principio de funcionamiento
Convertidores de potencia y semiconductores
Ejemplo de una fuente lineal
●
●
●
El transistor trabaja en zona lineal
El transistor se usa como resistencia variable controlada
Las caídas de tensión que se utilizan para regular son pérdidas
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Principio de funcionamiento
Convertidores de potencia y semiconductores
Ejemplo básico de funcionamiento de un convertidor de potencia
a)
Salida del convertidor
V 0 (t)
Al operar en corte y saturación (Off y On)
se puede generar en promedio la
característica de un resistor variable
(controlado) pero sin las pérdidas
V 0 (t)
Vd
V0
ton
to ff
Ts =
1
fs
t
c)
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Principio de funcionamiento
Convertidores de potencia y semiconductores
Ejemplo de una fuente conmutada
Modulación
●
●
●
Conviene utilizar el semiconductor en zona de corte y saturación para
producir menos pérdidas
El semiconductor se utiliza como un interruptor
La etapa de modulación se encarga de generar los pulsos de disparo del
semiconductor
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Semiconductores
Semiconductor ideal
●
●
●
●
Puede bloquear voltajes de cualquier polaridad sin corrientes de fuga
Conduce corrientes en ambas direcciones sin caída de tensión
Puede pasar a corte y conducción instantáneamente obedeciendo a una
señal de control
La señal de control demanda potencia despreciable
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El diodo de potencia
Configuración, simbolo y característica ideal
●
●
Juntura dopada P y N se polariza (conduce) cuando el voltaje es positivo.
La juntura se mantiene polarizada (conduciendo) mientra la corriente es
positiva.
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El diodo de potencia
Característica real
Ron
Corriente de fuga inversa
Voltaje de bloqueo
Tensión de conducción
Resistencia de conducción
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El diodo de potencia
Apagado del diodo de potencia
●
●
Circuito para corriente positiva y negativa
Parámetros del modelo dependen del circuito en el que se encuentra conectado
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El diodo de potencia
Ejemplo de funcionamiento: rectificador de media conda con
carga resistiva
Empaquetamientos:
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El tiristor (SCR)
Configuración, símbolo y característica ideal
●
●
●
Permite bloquear voltajes positivos y negativos
Compuerta de control permite encender el dispositivo (conducción)
No se puede apagar (semicontrolado)
SCR: Silicon Controlled Rectifier
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El tiristor (SCR)
Característica real
Posee características similares al
diodo pero puede encenderse a
voluntad con la corriente de la
compuerta.
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El tiristor (SCR)
Conmutación (encendido y apagado)
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El tiristor (SCR)
Ejemplo de funcionamiento: rectificador de media onda con carga
resistiva
v AK
iG
vS
R
id
vd
v AK
iG
Empaquetamiento
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vS
R
id
vd
id
vd
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El Triac
Configuración, símbolo y característica ideal
●
●
●
●
Permite bloquear voltajes positivos y negativos
Conduce corrientes en ambos sentidos.
Compuerta de control permite encender el dispositivo (conducción)
No se puede apagar (semicontrolado)
Triac: Triode for Alternating Current
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El Triac
Característica real
Posee características similares a
dos tiristores conecvtados en
antiparalelo.
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El triac
Elemplo de operación: recortador de señal AC
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El GTO
Configuración, simbollo y característica ideal
●
●
●
Permite bloquear solo voltajes positivos (asimétrico) o positivo y negativos
(simétrico)
Conduce corrientes en un sentido.
Compuerta de control permite encender y apagar el dispositivo
GTO: Gate Turn-Off Thyristor
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El GTO
Característica real y empaquetamiento
●
●
●
Necesita altas corrientes para el apagado (1/5 o ¼ de la corriente del circuito)
Proclive a fallas
Descontinuado industrialmente
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EL IGCT
Símbolo y empaquetamiento
●
●
Es un GTO con el circuito de disparo integrado
Arreglo de condensadores permite lograr altas corrientes
IGCT: Insulated Gate Commutated Thyristor
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El transistor bipolar de potencia
Simbolo, característica y empaquetamiento
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El MOSFET de potencia
Símbolo, característica y empaquetamiento
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El IGBT
Simbolos, modelo, característica y empaquetamientos
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El IGBT
Conmutación en semiconductores basados en
transistores (BJT, MOSFET, IGBT)
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Aplicaciones y rango de potencia
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Comparación
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Evolución
Thyristor
Nuevos
Materiales
SiC
GaN
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Nuevos materiales semiconductores
●
Silicon Carbide
●
Gallium Nitrade
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Little Box Challenge (IEEE+Google)
●
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●
2kVA
●
240Vac /400Vdc
●
40in3 (655.5cm3)
●
1.000.000 USD
13.77in3 (225.6cm3)
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Little Box Challenge (IEEE+Google)
Semiconductores GaN
Baja resistencia de conducción
Baja capacitancia de la compuerta
Baja carga de encendido y
recuperacion inversa
Ruido electromagnético
Voltaje de caida de apagado
Alto dv/dt genera problemas de
aislación
Bajas pérdidas y ultra rápida
conmutación.
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Integración de semiconductores
PEBB: Power electronics building blocks
a) ANPC de ABB
b) Puente H en cascada de Siemens
c) 5L-hybrid ANPC de ABB
d) Inversor fuente de corriente de Rockwell
e) NPC de Siemens
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Pérdidas en semiconductores
Perdidas de conducción y de conmutación
Tº IGBTs
(Imagen térmica)
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Disipadores
Flujo de calor en un semiconductor/disipador:
Modo de funcionamiento:



Convección natural de aire
Convección forzada de aire
Enfriamiento por agua
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Disipadores
Nomenclatura para diseño:




J = juntura
C = Carcaza
D = Disipador
A = Aire
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Disipadores
Modelo térmico estacionario
Equivalencia térmica – eléctrica
Magnitud térmica
Magnitud eléctrica
Potencia térmica
Intensidad de
corriente
Resistencia térmica
Resistencia
eléctrica
Diferencia de
temperatura
Diferencia de
potencial
J
R qJ C
C
R qC D
P
TJ
D
TC
R qD A
TD
A
TA
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Disipadores
Calculo de disipador
1) Pérdidas
a) Hoja de datos (Eon,Eoff)
b) Estimación
2) Resistencia térmica total
3) Resistencia térmica del disipador
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Disipadores
Modelo térmico dinámico
Aumento de temperatura equivale a acumulación de calor
Se modela mediante condensadores
Modelo simplificado:
J
P(t)
R
C
A
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TJ
TA
TA
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Disipadores
Comportamiento dinámico: Ciclo térmico
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Disipadores
Resistencia térmica depende de:
-Masa
-Superficie de disipación
-Material de interface
-Terminación del material
-Curvatura de la superficie
-Presion de montaje
-Area de contacto
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Disipadores
Usados para semiconductores discretos
Usados en módulos
Usados en convertidores completos
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Disipadores
Ventilación forzada
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Disipadores
Enfriamiento por agua
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Disipadores
Heat pipe (refrigeración por agua y convección de aire, pero sin
bomba)
El tubo cerrado contiene agua destilada que se evapora y luego se
refrigera en un intercambiador de calor. Se usa la gravedad en lugar
de bombas de agua. Al no tener partes móviles es más confiable.
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Disipadores
Heat pipe
También se usa en semiconductores de baja potencia y electrónica de
consumo.
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