Download Tema 2. Dispositivos de potencia - OCW

Dispositivos semiconductores para la
Electrónica de Potencia
Tema 2
Tema 2. Dispositivos
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TIPOS DE DISPOSITIVOS
1. NO CONTROLADOS
• DIODOS
2. SEMICONTROLADOS
• TIRISTORES
3. CONTROLADOS
• TRANSISTORES BIPOLARES
• MOSFET
• IGBT
• GTO
• ETC...
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SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Modo de operación
Los semiconductores utilizados en la Electrónica de
Potencia operan como interruptores:
N interesa
Nos
i t
conocer
¾ Características de conducción
¾ Características de conmutación
¾ Método de control
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SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Valores que definen un componente
Tensión Inversa
Tensión q
que debe p
poder bloquear
q
sin dañarse
¾ Tensión máxima en continua
¾ VRRM : Maximum Repetitive Peak Reverse Voltage
Tensión de pico repetitivo
¾ VRSM : Maximum Non Repetitive Peak Reverse Voltage
Tensión de pico no repetitivo
Tensión Directa
Caída de tensión en conducción
¾ VF : Forward Voltage
T bié aparece como VD, VCE satt...
También
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SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Valores que definen un componente
Corriente Directa
¾ Corriente media máxima
IF (Avg) : Average Forward Current
¾ Corriente eficaz máxima
IF (RMS) : Maximum RMS Current
¾ Corriente de
d pico repetitivo
IFRM : Maximum Repetitive Peak Forward Current
¾ C
Corriente
i t de
d pico
i no repetitivo
titi
IFSM : Maximum Non Repetitive Peak Forward Current
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SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Valores que definen un componente
Otros límites
¾ Potencia máxima
¾ Temperatura máxima en la unión
¾ Avalancha Secundaria
Safe
Operating
Area
Avalancha
A
l
h
Secundaria
log i
log Imax
Potencia
máxima
SOA
log v
log Vmax
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SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Pérdidas
Siempre que existe convivencia tensión corriente en el componente,
se disipa energía en forma de calor
V
Ε=
I
T
∫ u ⋅ i ⋅ dt
0
Ε
∑
P=
= f ⋅
P. Conducción
P
T
∑Ε
P. Conmutación
encendido
apagado
p g
PTOTALES= PENCENDIDO+PAPAGADO+PCONDUCCIÓN+PEXCITACIÓN
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SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Frecuencia de conmutación
Rapidez con la cual es capaz de conmutar un dispositivo
Viene limitada por:
¾ Capacidades
p
parásitas
p
¾ Difusión de portadores
¾ Pérdidas en conmutación
Ε=
∫
T
u ⋅ i ⋅ dt
0
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Ε
∑
P=
= f ⋅
T
∑Ε
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DIODOS
Tema 2. Dispositivos
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DIODOS
Característica estática del diodo
I t
Intensidad
id d I
Ánodo
Cátodo
p
n
Tensión
inversa
VB
IO
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Tensión V
Tensión
directa
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DIODOS
Modelos estáticos del diodo en estado de
conducción
d
ió
Modelo
ideal
Cortocircuito
Tema 2. Dispositivos
Primera
aproximación
Pd = Vd ⋅ I d ,med
Segunda
g
aproximación
Pd = Vd ⋅ I d ,med + rd ⋅ I d2,ef
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8.3. Diodos
DIODOS
Característica dinámica del diodo: tiempo
de recuperación inversa trr
trr
IF
Qrr
ts
S
0
0.25IRR
IR
R
t
Carga eléctrica almacenada o
desplazada.
Factor de suavizado. Es la relación
entre los tiempos de caída y
almacenamiento
tf
Ejemplo de conmutación con
recuperación suave
S <1
Influencia del trr en la conmutación
Si el tiempo que tarda el diodo en conmutar no es
despreciable :
• Se limita la frecuencia de funcionamiento Æ no se
puede conmutar hasta después de la recuperación
• Existe una disipación de potencia durante el tiempo
de recuperación inversa Æ convivencia V e I
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tf
S=
ts
Clasificación diodos
• LENTOS
• RÁPIDOS
• ULTRARÁPIDOS
• SCHOTTKY
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DIODOS
DIODO
No Controlado
• VRRM < 15000V
• IF < 3800A
• fmáx < tipo
Tiempo de recuperación
inversa
iD
Pérdidas en conducción
iD
rD
VD
2
P=VD.iD + rD.iD(RMS)
I
trr
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TIRISTOR
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TIRISTOR
Característica estática del tiristor
SCR‐Silicon‐Controlled Rectifier
iak
Ánodo, A
1
ZONA DE CONDUCCIÓN
Comportamiento similar al diodo:
2
ZONA DE BLOQUEO
DE TENSIÓN INVERSA
Puerta, G
Cátodo, K
Tensión
máxima
a
iG DISPARO
iG2
iak
rd
iG1
k
iG DISPARO > iG 2 > iG1
VRRM
VDRM
vak
IMPLICACIONES CARACTERÍSTICA ESTÁTICA
3 ZONA DE BLOQUEO
1. REQUISITOS DE DISPARO
vak > 0 (Previamente polarizado en directa)
EFECTO
AVALANCHA
DE TENSIÓN DIRECTA
Tensión máxima vDRM
iG > iG DISPARO
Iak > IH CORRIENTE DE ENCLAVAMIENTO
2. REQUISITOS DE APAGADO
El modelo de pérdidas en conducción es igual al del diodo
iak < 0 CORRIENTE DE MANTENIMIENTO
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TIRISTOR
Corriente de enclavamiento (Latching current IL)
HAY QUE MANTENER EL PULSO DE iG HASTA QUE iak > IL
Retrasa la subida
de iak
iG
iakk
t
IL
iak
t
Se enclava
Se apaga
Sigue disparado
No se ha alcanzado IL
aunque iG = 0
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iG
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TIRISTOR
Formas de apagado
1 NATURAL.
1.
NATURAL
2. FORZADA.
• Apagado por fuente inversa de tensión.
• Apagado por fuente inversa de intensidad.
intensidad
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TIRISTOR
TIRISTOR
• Semicontrolado por
corriente de puerta
Pérdidas en conducción
• Vmáx < 8000V
iD
rD
VD
• IAVG < 15000A
• fmáx = 50 - 60Hz
• Circuitos de apagado
2
P=VD.iD + rD.iD(RMS)
¾ Controlo el instante de encendido, pero el
apagado debe producirlo el circuito externo
¾ Apaga cuando IAK=0
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TRIAC
Tema 2. Dispositivos
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TRIAC
Característica estática del TRIAC
TRIAC
MT1
+II
MT1
Cuadrante I
(MT2+ve ) Corriente de
disparo, IG
V
Cuadrante II
G
T1
-V
V
T2
Estado:
apagado
G
MT2
Circuito equivalente de un
TRIAC
Tema 2. Dispositivos
MT2
Corriente de
disparo,
p
IG
Cuadrante III
(MT2-vve )
Estado:
encendido
did
-I
Cuadrante IV
Estado:
encendido
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MOSFET
((Metal Oxide Semiconductor Field Efect
Transistor)
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MOSFET
Característica estática del MOSFET
Metal Oxide Semiconductor Field Efect Transistor
Drenador (drain,
(drain D)
D
Puerta (gate, G) G
Surtidor o fuente (source, S)
Zona óhmica
VGS1
VGS2
Se controla aplicando una
tensión entre la p
puerta y la
fuente (aplicando VGS)
VGS3
…
S
Intensid
dad de sumide
ero ID
VGS1 > VGSn
Fuente de corriente
VGSn
Región de corte
Tensión drenador-fuente VDS
ID
El MOSFET se modela en conducción como una resistencia (RDSon)
Por tanto, el modelo de pérdidas en conducción del MOSFET es:
Pcond = RDSon ⋅ I
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2
D ,ef
ID
D
RDSon
G
S
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MOSFET
Disparo del MOSFET
ID
RD
D
-
VDD
VDS
G
Circuito de
excitación
+
+
S
-
VMM 1000-01P
El correcto manejo de la puerta es fundamental para utilizar un MOSFET
¾ Tensión umbral (VGSth): tensión mínima entre puerta y surtidor para ponerlo en conducción
¾ Tensión máxima: el MOSFET se rompe si se aplica una tensión superior entre puerta y
surtidor
¾ Interesa gobernarlo con la tensión más alta posible (VGS~10
10 V): cuanto más alta es la
tensión de puerta, menor es la RDS(on)
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MOSFET
Características dinámicas del MOSFET
La carga y descarga de las capacidades parásitas tiene un efecto muy importante en la
conmutación del dispositivo, limitando la frecuencia de conmutación
ID
D
VGS
VDS
tr = tiempo de subida
90%
Cgd
tF = tiempo de bajada
G
Cds
Cgs
td(on) = retraso de encendido
10%
td(on) tF
S
ID
t
D
td(off)
p g
td(off) = retraso de apagado
tR
Existe un diodo parásito entre drenador y fuente que puede conducir cuando el
MOSFET está
tá en estado
t d d
de bloqueo.
bl
S conducción
Su
d
ió no es aconsejable
j bl porque es
un diodo lento y aumenta considerablemente las pérdidas
Cgd
Cds
G
VMM 1000-01P
Cgs
S
Tema 2. Dispositivos
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MOSFET
MOSFET
• Controlado por tensión de
puerta
p
• Vmáx < 1500V
• Imáx < 400A
• fmáx < 10 MHz
• No p
presenta avalancha
secundaria
• Coeficiente negativo de
t mp
temperatura
tu
Pérdidas en conducción
iD
rDS(on)
2
PCON=rDS(on).iD(RMS)
• La mayoría de los MOSFET
de potencia son de
acumulación y canal N
Tema 2. Dispositivos
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IGBT
(Insulated Gate Bipolar Transistor)
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IGBT
Circuito equivalente del IGBT
Isolated Gate Bipolar Transistor
Colector (collector, C)
Puerta (gate, G)
Emisor (emitter, C)
C
C
RMOD
RMOD
PNP
G
NPN
PNP
G
C, COLECTOR
G,
PUERTA
RBE
RBE
E, EMISOR
E
Circuito equivalente
Tema 2. Dispositivos
E
Circuito simplificado
Circuito equivalente de un IGBT
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IGBT
Característica Estática del IGBT
iC
Es capaz de bloquear tensión VCE
negativa, al contrario que el
MOSFET, q
que no p
puede debido a
su diodo parásito
Se controla con tensión
de puerta como un
MOSFET
OS
VGE1
VGE2
VGE1 > VGEn
VGE3
…
C
VRM
VGEn
VCE
BVDSS
G
E
En muchas ocasiones se
incorpora internamente un
diodo al dispositivo, pero no
pertenece a la estructura del
IGBT
Tema 2. Dispositivos
Modelo de pérdidas en
conducción
d
ió similar
i il all d
de
un transistor bipolar
C
+ VCEsat -
Ron
E
i
Pcond = VCE , sat ⋅ I C ,med + Ron ⋅ I C2 ,ef
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IGBT
IGBT
Ventajas como MOSFET
• Totalmente Controlado por
tensión de puerta
• Rapidez de conmutación
• No presenta avalancha
secundaria
Ventajas como Bipolar
• Modelo p
pérdidas en
conducción
• Vmáx < 6500V
• Imáx
á < 3600A
• fmáx < 75 kHz
• Corriente de colector
similar
i il all bi
bipolar
l
Tema 2. Dispositivos
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IGBT
IGBT
Desventajas
• Cola de corriente
• Efecto
Ef t tiristor
ti i t parásito
á it
• Vmáx < 6500V
• Imáx < 3600A
• fmáx < 75 kHz
Pérdidas en conducción
iT
rd
VCEsat
P=VCEsat.iT +
Tema 2. Dispositivos
2
rd.iT(RMS)
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