cap1_1_2013
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8/18/2019 Cap1_1_2013
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Taller de ElectrónicaUnidad 1: Introducción
Componentes Electrónicos de Potencia
Prof. Carlos R. Baier.
Departamento de Tecnologías Industriales
Universidad de Talca
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Semiconductores de Potencia
• El desarrollo de los dispositivos semiconductores comienza con el inventodel transistor en 1948, por Bardeen, Brattain, and Shockley, utilizado principalmente como amplificador de señales en electrónica. (Sin olvidar aHenry Dunwooy, 1906)
• En electrónica de potencia el semiconductor se utiliza como un interruptorelectrónico, por lo que siempre se trabaja en la zona de corte (circuitoabierto) y en la zona de saturación (cortocircuito).
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• El desarrollo de la electrónica de potencia comienza a fines de la
década del 50 con el desarrollo del diodo, y se consolida en la década
del 60 con la invención del tiristor.
• Los semiconductores se pueden clasificar de diferentes manera, pero la
mejor forma de hacerlo es por su principio de operación y
características constructivas.
• De esta forma se pueden distinguir:
– Semiconductores no controlados (diodos).
– Semiconductores semi-controlados (tiristores).
– Semiconductores controlados (transistores y otros).
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• Otra forma de clasificar a los semiconductores es por la
forma en que se conmutan (encienden y apagan), y de
acuerdo a este criterio se clasifican en:
– Semiconductores con conmutación natural:
• Diodos y Tiristores
– Semiconductores con conmutación forzada:
• Transistores y Otros con características de encendido y apagado
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• Características Voltaje-Corriente de un Switch Ideal.
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• Características de un Switch Ideal en estado On.
Caída de tensión nula durante la
conducción. (Voltaje de Saturación)
Alta capacidad de conducción de
corriente. (Corriente Nominal)
Capacidad de conmutación instantánea
entre estados on – off cuando se aplican los pulsos de encendido y apagado. (Tiempos
de encendido y apagado).
Además, los circuitos de control deben
consumir bajas cantidades de potencia
para generar los pulsos de disparo y
apagado del dispositivo.
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• Características de un Switch Ideal en estado Off.
Gran capacidad de soportar altas
tensiones inversas y directas cuando se
encuentran apagados. (Tensión de
Bloqueo)
Corrientes nulas durante el estado
apagado. (Corrientes de Fuga)
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• Los principales desafíos que se deben resolver en el
desarrollo de Semiconductores de Potencia se relacionan
con: – Aumento de capacidad de potencia (voltaje de bloqueo y corriente
de conducción).
– Mayor velocidad de conmutación.
– Menores pérdidas de conducción (menor tensión de saturación).
– Facilidad de control (proceso de encendido y apagado).
– Reducción de costos.
– Permitir el desarrollo de nuevas topologías de convertidores.
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• Clasificación de los Convertidores Estáticos de Potencia
– Básicamente los convertidores estáticos se pueden clasificar talcomo lo muestra la figura.
– Los accionamientos de altas potencias se pueden formar a partir de
configuraciones básicas utilizando semiconductores que puedan
conducir altas corrientes y soporten altos voltajes de bloqueo
Power Converters
High Power
Drives
DC/DC
Converters
AC/DC
Converters
AC/AC
Converters
DC/AC
Converters
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• Los accionamientos de altas potencias
– Se pueden clasificar tal como lo muestra la figura. – Una clasificación mas especifica muestra distintas topologías
usadas y comercializadas.
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Convertidores de Potencia
va
vb
vc
DC
+
-
Motor
Inducción
DC
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03-500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03-500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
Rectificador No Controlado
Inversor
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03-150
-100
-50
0
50
100
150
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El Diodo
Ánodo
Cátodo
ID
VD
• La conducción está definida por la polaridad de la corriente
y el voltaje entre anodo y catodo
Símbolo Característica V-I Característica Ideal V-I
ID
VD
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El Diodo
Curvas caracteristicas de un diodo de potencia (6000[V]-1320 [A]).
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El Tiristor
La familia de los tiristores engloba a diversos dispositivos semiconductores teniendo en
común una estructura de 4 capas semiconductoras.
Familia de Tiristores:
• SCR (Silicon Controlled Rectifier) generalmente llamado tiristor.
• LTT (Light Triggered Thyristor) Tiristor Activado por un haz de luz.
• TRIAC Tiristor Triodo Bidireccional.
• DIAC Tiristor Diodo Bidireccional.
• MCT (Mos-Controlated Thyristor).
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El Tiristor (SCR).
Los tiristores o SCR (Silicon Controlled Rectifierrs) requieren de un
pulso de corriente en el Gate (compuerta) para que conduzca. La
corriente ánodo-cátodo debe superar un valor mínimo para permanecerencendido. Deja de conducir cuando la corriente ánodo cátodo se
hace cero.
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El Tiristor (SCR).
Configuraciones Físicas del Gate de un SCR.
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SCR de Potencia (1400 [V] - 1850 [A]).
Voltaje de Saturación – Corriente.
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El Tiristor (SCR).
Curvas de Disipación de Potencia de un SCR de Potencia (1400 [V] - 1850 [A]).
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El Tiristor (SCR).
Parámetros Relevantes en la Especificación Técnica.
• Tensión Directa de Ruptura (VBO).
• Máxima Tensión Reversa (VBR ).• Máxima Corriente de Anodo (Iamax).
• Máxima Temperatura de Operación (T jmax).
• Característica I2t.
• Máxima tasa de crecimiento del Voltaje directo (dv/dt).
• Máxima tasa de crecimiento de la corriente (di/dt).
• Corriente de disparo (IL).• Tiempo de Disparo (ton).
• Corriente de Recombinación Inversa (Irqm).
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El Tiristor GTO (Gate Turn Off).
Para apagar un tiristor es necesario no entregar pulso de corriente en el Gate y
esperar que la corriente ánodo-cátodo se haga cero. El GTO se apaga al aplicar
una corriente negativa en el Gate proporcional a la corriente que circula entre elánodo y el cátodo.