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CARACTERISTICAS DE LOS TRANSISTORESDE POTENCIA

Hugo Fernando Duchi Matute

hduchi@est.ups.edu.ec,

AbstractIn this paper we will discuss some features that havethe power transistors such as bipolar transistors, FET transistorsand IGBTs. Besides presenting the general functioning of eachand some of its operating regions.

Index TermsTransistor Bipolar, transistor FET, IGBT, regionde corte, region de saturacion.

I. INTRODUCCION

El funcionamiento y utilizacin de los transistores de poten-cia es idntico al de los transistores normales, teniendo comocaractersticas especiales las altas tensiones e intensidades quetienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar.Existen bsicamente tres tipos de transistores de potencia:

Bipolar. Unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo). IGBT.

Una ventaja importante de los MOSFET es adems que puedencolocarse directamente en paralelo para aumentar la capacidadde entregar corriente. Ya que estos poseen un coeficiente detemperatura negativo. Al aumentar la temperatura disminuyela corriente por el canal. En el caso de los bipolares elcoeficiente es positivo y se produce el fenmeno de embal-amiento trmico. Por esta razn cuando se conectan bipolaresen paralelo para aumentar la capacidad de entregar corrienteestos deben conectase con resistencias de emisor para ecualizary estabilizar la corriente.

El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada MOS,ms la capacidad de carga en corriente de los transistoresbipolares:

Trabaja con tensin. Tiempos de conmutacin bajos (alta frecuencia de fun-

cionamiento) Margen de potencia en conduccin mucho mayor (como

los bipolares).

Nos interesa que el transistor se parezca, lo ms posible, a unelemento ideal: pequeas fugas, alta potencia, bajos tiemposde respuesta (ton, toff), que el efecto avalancha se produzca aun valor elevado, que no se produzcan puntos calientes.

Una limitacin importante de todos los dispositivos depotencia y concretamente de los transistores bipolares, es que

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el paso de bloqueo a conduccin y viceversa no se haceinstantneamente, sino que siempre hay un retardo (ton, toff).A continuacion se detalla cada uno de estos tres transistoresde potencia.

II. FUNDAMENTOS TEORICOS

A. El transistor bipolar de potencia (BJT)

El inters actual del BJT es muy limitado, ya que existendispositivos de potencia con caractersticas muy superiores [1]

Figure 1. Esquemas basicos

Modos de trabajo

Existen cuatro condiciones de polarizacin posibles. Depen-diendo del sentido o signo de los voltajes de polarizacin encada una de las uniones del transistor pueden ser:

Figure 2. Regiones de trabajo

Regin activa directa: Corresponde a una polarizacindirecta de la unin emisor - base y a una polarizacin inversade la unin colector base.

http://xxx@xxx.xxxhttp://xxx@xxx.xxxhttp://xxx@xxx.xxx

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Regin activa inversa: Corresponde a una polarizacininversa de la unin emisor - base y a una polarizacin directade la unin colector base

Regin de corte: Corresponde a una polarizacin inversade ambas uniones. La operacin en esta regin correspondea aplicaciones de conmutacin en el modo apagado, pues eltransistor acta como un interruptor abierto (IC = 0).

Regin de saturacin: Corresponde a una polarizacindirecta de ambas uniones. La operacin en esta regin corre-sponde a aplicaciones de conmutacin en el modo encendido,pues el transistor acta como un interruptor cerrado (VCE =0). [1]

Figure 3. Curva caracterstica de un transistor pnp en configuracin basecomn

Especificaciones importantes

Las principales caractersticas que han de considerarse enlos transistores bipolares de potencia son:

ICmax: intensidad mxima de colector BVCEO: tensin de ruptura de colector-emisor Pmax: potencia mxima disipable en rgimen con-

tinuo

Los transistores utilizados en circuitos de potencia trabajangeneralmente en saturacin y corte.[3]

Tiempos de conmutacin

Cuando el transistor est en saturacin o en corte lasprdidas son despreciables. Pero si tenemos en cuentalos efectos de retardo de conmutacin, al cambiar de unestado a otro se produce un pico de potencia disipada porlo que la potencia media de prdidas en el transistor va aser mayor. Estas prdidas aumentan con la frecuencia detrabajo, debido a que al aumentar sta, tambin lo hace elnmero de veces que se produce el paso de un estado aotro. El tiempo de encendido (ton) y tiempo de apagado(toff) se puede dividir en otros dos: [3]

Tiempo de retardo (Delay Time, td): Es el tiempoque transcurre desde el instante en que se aplica laseal de entrada en el dispositivo conmutador, hastaque la seal de salida alcanza el 10% de su valorfinal.

Tiempo de subida (Rise time, tr): Tiempo queemplea la seal de salida en evolucionar entre el 10%y el 90% de su valor final.

Tiempo de almacenamiento (Storage time, ts):Tiempo que transcurre desde que se quita la ex-citacin de entrada y el instante en que la seal desalida baja al 90% de su valor final.

Tiempo de cada (Fall time, tf): Tiempo que empleala seal de salida en evolucionar entre el 90% y el10% de su valor final.

Los tiempos de encendido (ton) y apagado (toff) limitanla frecuencia mxima (fmax) a la cual puede conmutar eltransistor:

rea de operacin segura en un BJT de potencia

La frontera del rea de operacin sin riesgo (SOA, SafeOperation Area) presenta la forma que se muestra en lasiguiente figura:

Figure 4. Frontera del area de operacion

1) La corriente mxima permisible ICmax. Si se excedepuede dar como resultado que se fundan los alambresdel encapsulado

2) La hiprbola de mxima disipacin de potencia. Secumple que vceic = Pmax. An cuando el punto detrabajo se mueva de modo temporal por encima dela hiprbola, no debe permitirse que el promedio dedisipacin de potencia exceda de Pmax.

3) Lmite de segunda ruptura. Resulta debido a que lacirculacin de corriente por la unin entre emisor y baseno es uniforme. Da lugar a mayor disipacin de potenciay por lo tanto a puntos calientes.

4) Voltaje de ruptura de la unin colector emisorBVCEO. Nunca debe permitirse que el valor instantneode vce exceda de BVCEO; de otra manera, ocurrir laruptura de avalancha de la unin entre colector y base.[3]

B. El transistor MOSFET

Los transistores MOSFET son utilizados masivamente enel mundo como conmutadores gracias a sus caractersticas

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de tamao, facilidad de uso y bajo consumo de energa,estando presentes en prcticamente todos los dispositivos.Estos transistores permiten conmutaciones muy veloces y unbajo consumo de energa, pero con capacidad para manejargrandes tensiones y corrientes.[4]

Figure 5. a) Mosfet canal N b) Mosfet canal P

Regiones de trabajo de los MOSFET

Figure 6. Regiones de trabajo

Regin de Corte.- existen corrientes residualescuando el dispositivo est en corte. Si la tensinaplicada entre Puerta Surtidor es inferior a Vth, eldispositivo continuar en la regin de corte. En estaregin la corriente que circula por el drenador esprcticamente nula.

Regin Activa (Saturacin de Canal).- En estaregin se utiliza el transistor Mos como amplificador.Para un valor de Vgs, que ser como mnimo Vgs(th)se produce el paso de corriente entre el drenador yel surtidor. En la regin activa el valor de la tensinentre puerta y surtidor, controla la magnitud de lacorriente del drenador (id), como la tensin entre eldrenador y el surtidor (vds).

Regin hmica.- Una definicin de la regin h-mica, parte de la caracterstica que satisface la condi-cin que vGS - VGS (th) vDS. Por lo tanto, lasecuaciones tpicas para esta regin son: [4]

Resistencia Drain-Source

Al estar encendido el MOSFET presenta un comportamientoresistivo que se modela por el parmetro RDS cuyo valor varasegn las condiciones de operacin.

Hasta cierto nivel de corriente en el drain la resistenciaRDS se mantiene bastante baja y lineal, sin embargo, alexigir mayor corriente sta aumenta bruscamente subiendo elvoltaje drain source y por consiguiente la potencia disipadapor el MOSFET ponindolo en peligro de quemarse. Tambinse puede apreciar que dicho lmite vara fuertemente condiferentes tensiones en la compuerta (gate), por lo que mayorestensiones de disparo permiten mayor circulacin de corriente.[4]

Figure 7. Caraceristicas de salida para Vgs

Voltaje de umbral en el gate.- Dicho umbral determina latensin necesaria para formar el canal, por lo que una sealde apagado debe estar bajo este umbral y una de encendidosobre el mismo.

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Figure 8. Voltaje de umbral en el gate

Con estos parmetros se pueden determinar las tensionesnecesarias para conmutar el MOSFET dada una aplicacindeterminada.

Tiempo de Conmutacin

Adems de usar un nivel de tensin adecuado en el gate, sele debe entregar una cierta cantidad de carga para encenderlosatisfactoriamente. El tiempo que tarde en acumularse dichacarga determinar el tiempo de conmutacin del MOSFET.

Figure 9. Carga necesaria para obtener la mayor circulacion de corriente

De lo anterior se puede obtener la corriente que debeser capaz de entregar el driver del MOSFET para lograr unencendido en un intervalo de tiempo determinado.

Para el caso del apagado del MOSFET el condensador quese forma en el transistor debe descargarse, lo cual se hace

comnmente a travs del driver, para ello suelen contar consalidas del tipo push-pull. [1]

C. El transistor IGBT

El IGBT (Insulate Gate Bipolar Transistor) combina lasventajas de los BJT y los Mosfet. Tiene una impedanciade entrada elevada, como los Mosfet y bajas perdidas enconmutacin, como los BJT, pero sin el problema de segundaruptura, por lo que puede trabajar a elevada frecuencia y congrandes intensidades. Los IBGT fueron inventados hace pocotiempo, pero su evolucin ha sido rpida debido a que handemostrado tener una resistencia en conduccin muy baja yuna elevada velocidad de conmutacin, adems de una elevadatensin de ruptura. Los IGBT se fabrican desde una tensin de1400V y una corriente de 300A, a una tensin de 600V y unacorriente de 50A. El control por tensin hace que el IGBTsea ms rpido que el BJT, pero ms lento que el Mosfet.La energa aplicada a la puerta que activa el dispositivo espequea con una corriente del orden de los nanoamperios,esta pequea potencia necesaria para conmutar el dispositivo,hace que pueda ser controlado por circuitos integrados. [1]

Figure 10. Representacin Simblica del transistor IGBT. a) Como BJT, b)Como Mosfet

Figure 11. Curva Caracteristica esttica de un transistor IGBT de canal N

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Caractersticas de los igbts

1) Una caracterstica singular de todos los IGBTs es sucapacidad para resistir cortocircuitos. En el caso decortocircuito, la corriente que circula a travs de losIGBTs sigue estando limitada a un nivel impuesto porel diseo del dispositivo, siendo posible desconectar demanera segura el cortocircuito antes de transcurridos10 microsegundos manteniendo el control normal de lapuerta y sin que el dispositivo sufra daos permanentes.

2) Las prdidas en conduccin de los IGBTs son algosuperiores comparadas con los GTOs e IGCTs. Comocontrapartida, las prdidas en el estado de bloqueo soninferiores. Por este motivo, la frecuencia ptima deconmutacin de los IGBTs es superior a la de los GTOse IGCTs con idnticas caractersticas nominales. [5]

Caractersticas en conmutacinEl encendido es anlogo al del MOS, en el apagadodestaca la corriente de cola: La corriente de cola se debea la conmutacin ms lenta del BJT, debido a la cargaalmacenada en su base.

Provoca prdidas importantes (corriente relativa-mente alta y tensin muy elevada) y limita la fre-cuencia de funcionamiento.

La corriente de cola, al estar compuesta por huecosque circulan por la resistencia de dispersin, es lacausa del latchup dinmico.

Se puede acelerar la conmutacin del BJT dismin-uyendo la vida media de los huecos en dicha capa.Tiene el inconveniente de producir ms prdidas enconduccin. [5]

Figure 12. Caracteristicas basicas

Figure 13. Caractersticas de la Tensin y Corriente en el Apagado deunTransistor IGBT conmutando una carga inductiva

Caractersticas y valores lmites

IDmax Limitada por efecto Latch-up. VGSmax Limitada por el espesor del xido de sili-

cio. Se disea para que cuando VGS = VGSmax la

corriente de cortocircuito sea entre 4 a 10 vecesla nominal (zona activa con VDS=Vmax) y puedasoportarla durante unos5 a 10 ts. y pueda actuar unaproteccin electrnica cortando desde puerta.

La temperatura mxima de la unin suele ser de150C(con SiC se esperan valores mayores)

Existen en el mercado IGBTs encapsulados quesoportan hasta 400 o 600 Amp. [5]

Caractersticas Trmicas

Figure 14. Caractersticas trmicas

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Figure 15. Grca de los fabricantes

III. CONCLUSIONES

Los transistores son unos elementos que han facilitado, engran medida, el diseo de circuitos electrnicos de reducidotamao, gran versatilidad y facilidad de control.

Los actuales niveles de tensin, corriente y frecuenciaempleados en las distintas aplicaciones de potencia requierenuna cuidadosa seleccin del dispositivo ms adecuado.

Para su eleccin es fundamental evaluar correctamentecomo sus caractersticas funcionales se adecuan a los requer-imientos de la aplicacin.

IV. BIBLIOGRAFIA

[1] http://www.iuma.ulpgc.es.Transistor de potencia.[2] https://sites.google.com. Transistores fototransistores[3] http://www.icmm.csic.es. Transistores bipolares.[4] http://cursos.smartdreams.cl. Lo fundamental sobre mos-

fet de potencia[5] http://es.scribd.com. Caracteristicas de los IGBT

V. BIOGRAFIA

H ugo Fernando Duchi Matute. Nacio en Cuenca- Ecuador en 1991, Recibio el titulo de Tecnicoen Comercio y Administracion Especialidad Aplica-ciones Informaticas en el colegio Tecnico Salesiano. Actualmente esta haciendo sus estudios en laUniversidad Politecnica Salesiana en la carrera deIngenieria Electronica.

I IntroduccionII Fundamentos teoricosII-A El transistor bipolar de potencia (BJT) II-B El transistor MOSFET II-C El transistor IGBT III Conclusiones IV Bibliografia V BiografiaBiographiesH