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Lección 5
OTROS SEMICONDUCTORES
DE POTENCIA
Sistemas Electrónicos de Alimentación
5º Curso. Ingeniería de Telecomunicación
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
C
MOSFET
Bipolar
G
E
Alta capacidad de manejar corriente (como un bipolar)
Facilidad de manejo (MOSFET)
Menor capacidad de conmutación (Bipolar)
No tiene diodo parásito
Estructura del IGBT
Es similar a la de un MOSFET
Sólo se diferencia en que se añade un sustrato P bajo el sustrato N
EL IGBT DE POTENCIA
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.
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)
EL IGBT DE POTENCIA
Aplicaciones típicas del IGBT
• Control de motores
• Sistemas de alimentación ininterrumpida
• Sistemas de soldadura
• Iluminación de baja frecuencia (<100 kHz)
y alta 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
EL IGBT DE POTENCIA
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
Encapsulados de IGBT
Módulos de potencia
TO 220
MTP
EL IGBT DE POTENCIA
TO 247
Parámetros fundamentales para seleccionar un MOSFET
• Tensión de ruptura
• Corriente máxima
EL IGBT DE POTENCIA
• Tensión colector-emisor
en saturación
Tensiones de ruptura de dispositivos comerciales
Media tensión
Alta tensión
250 V
600 V
300 V
900 V
(Poco usuales)
1200 V
EL IGBT DE POTENCIA
Características básicas
C
En ocasiones, el encapsulado incorpora
internamente un diodo
G
E
Características eléctricas
Tensión de saturación colector-emisor (como en bipolares)
Tensión umbral de puerta (como en MOSFETS)
EL IGBT DE POTENCIA
Características térmicas
Características dinámicas
Circuito equivalente del IGBT
La base del bipolar no del accesible
EL IGBT DE POTENCIA
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
Cola de corriente
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
Tipos de Tiristores
SCR (Silicon Controlled Rectifier)
A este dispositivo se le suele llamar Tiristor
DIAC
TRIAC
TIRISTORES
GTO
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
TIRISTORES
Seguirá teniendo aplicaciones debido a que es de los
semiconductores con mayor capacidad de manejar potencia
Estructura de 4 capas
SCR
IA Ánodo
A
Característica V-I
VAK
Puerta
Cátodo K
IA
Polarización directa: una vez
disparado, conduce como un diodo
Polarización directa: si no se
ha disparado, no conduce
TIRISTORES
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
Encapsulados de SCR
ADD A PACK
MAGN A PACK
TIRISTORES
PACE PACK
TO-200
Parámetros fundamentales para seleccionar un SCR
• Tensión de ruptura
• Corriente máxima
• Velocidad de conmutación
TIRISTORES
Tensiones de ruptura de dispositivos comerciales
400 V
Alta tensión
800 V
1000 V
1200 V
Soportan tensión directa (VDRM)
e inversa (VRRM)
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
IG
Zona de disparo seguro
TIRISTORES
Ningún SCR se dispara
VGK
No se garantiza el disparo
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
V1 / Z1
TIRISTORES
Zona de disparo seguro
VGK
V1
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)
IA
Sigue conduciendo
ILATCHING
Se apaga
TIRISTORES
IG
Una vez disparado, el SCR sigue conduciendo
aunque no tenga corriente en puerta
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
Z1
V1
Z1 = Ls
Se apaga
IG
TIRISTORES
IG
Para evitar esto, se suele disparar los SCR con trenes de pulsos
IG
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
dVAK
grande
dt
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
(p.ej 1 A)
Corriente de
mantenimiento
(p.ej 600mA)
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)
VAK
TIRISTORES
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
IA
VAK
s
Ejemplo de funcionamiento
V1
Disparo
R1
VR
V1
TIRISTORES
VT
VR
VT
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
G
T2
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
TRIAC
Hay 4 posibilidades de funcionamiento
No todas son igual de favorables
T2
IG
TIRISTORES
T1
+
-
T2
IG
T1
+
-
T2
IG
T1
+
T2
IG
T1
IG >
35 mA
35 mA
70 mA
35 mA
IH <
30 mA
30 mA
30 mA
30 mA
IL <
40 mA
60 mA
60 mA
40 mA
IH Corriente de mantenimiento
IL Corriente de enclavamiento
+
TRIAC
Ejemplo
Nivel de
comparación
RL (Carga)
C
Comp. con
Histéresis
VG
R
VRL

TIRISTORES
: ángulo de disparo
Controlando el ángulo de
disparo se controla la
potencia que se le da a RL
A este tipo de control se
le llama control de fase
VComp
VG
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
T1
T2
TIRISTORES
- 30 V
30 V
VT12
Aplicaciones: se suele usar para disparar TRIACs y tiristores
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
TIRISTORES
• Con corriente saliente por puerta, se apaga
• Se utiliza en aplicaciones de mucha potencia
• Es muy robusto
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