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ELECTRONICA INDUSTRIALCapítulo 2: Semiconductores de potencia

Marcelo A. Pérez

Segundo semestre 2016

Electrónica Industrial/ Semiconductores de potencia 2

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 semiconductoresEjemplo 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 semiconductoresEjemplo básico de funcionamiento de un convertidor de potencia

Salida del convertidor

a)

V 0 ( t)

V 0

V d

tton to f f

ss f

1T =

V 0( t)

c)

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

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

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Principio de funcionamiento

Convertidores de potencia y semiconductoresEjemplo de una fuente conmutada

● 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

Modulación

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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

Corriente de fuga inversaVoltaje de bloqueo

Tensión de conducciónResistencia de conducción

Corriente de fuga inversaVoltaje de bloqueo

Tensión de conducciónResistencia de conducción

Ron

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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.

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

vd

id

vAKiG

id

vS v dR

vAKiG

id

vS v dR

Empaquetamiento

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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.

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

SiC

GaN

Thyristor

Nuevos Materiales

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Nuevos materiales semiconductores

● Silicon Carbide

● Gallium Nitrade

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Little Box Challenge (IEEE+Google)

● 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

Bajas pérdidas y ultra rápida conmutación.

Ruido electromagnético

Voltaje de caida de apagado

Alto dv/dt genera problemas de aislación

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Integración de semiconductores

PEBB: Power electronics building blocks

a) ANPC de ABBb) Puente H en cascada de Siemensc) 5L-hybrid ANPC de ABBd) Inversor fuente de corriente de Rockwelle) 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

A

D

C

J

R qJC

R qCD

R qDA

T A

T C

T D

T JP

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

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Disipadores

Calculo de disipador1) Pérdidas

a) Hoja de datos (Eon,Eoff)b) Estimación

2) Resistencia térmica total3) Resistencia térmica del disipador

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Disipadores

Modelo térmico dinámicoAumento de temperatura equivale a acumulación de calorSe modela mediante condensadores

Modelo simplificado:

TA

J

CP(t) R TJ TA

A

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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 pipeTambién se usa en semiconductores de baja potencia y electrónica de consumo.

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