curso electronica de potencia

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Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 1 de 21 TEMA 1. INTRODUCCIÓN AL MODELADO Y ANÁLISIS DE CIRCUITOS DE POTENCIA 1.1. GENERALIDADES. 1.2. REGLAS PARA EL ANÁLISIS DE CIRCUITOS DE POTENCIA. 1.3. DESARROLLO EN SERIE. 1.3.1. Cálculo de Armónicos. 1.3.2. Potencia. 1.3.3. Cálculo de valores eficaces. 1.4. FORMULACIÓN SISTEMÁTICA UTILIZANDO VARIABLES DE ESTADO. Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 2 de 21 GENERALIDADES Años 50: SCR. Años 70: Microprocesadores. Años 90: ASIC y DSP Frecuencias mayores IGBT Menor tamaño y coste de componentes reactivos Mayores prestaciones, Menor coste, Posibilidad de emplearlos en nuevas aplicaciones. Aplicaciones Industriales: Control de Motores DC, AC (70% de la energía eléctrica consumida). Fuentes de Alimentación. Energías Renovables. El objetivo de la ELECTRONICA DE POTENCIA es: “Modificar, utilizando dispositivos de estado sólido, la forma de presentación de la energía eléctrica” Uso de Fuentes de Alimentación, Componentes Reactivos e Interruptores. (no Resistencias) Definición de Interruptor Ideal: R off = , V BD = , T on =0 R on =0, I on = , T off =0 a) Interruptor Abierto b) Interruptor Cerrado Otras características a tener en cuenta son: coste del dispositivo y de los elementos auxiliares, potencia necesaria para controlar el dispositivo.

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GENERALIDADES Aos 50: SCR. Aos 70: Microprocesadores. Aos 90: ASIC y DSP IGBT Frecuencias mayores Menor tamao y coste de componentes reactivos aplicaciones. Aplicaciones Industriales:

TEMA 1. INTRODUCCIN AL MODELADO Y ANLISIS DE CIRCUITOS DE POTENCIA1.1. GENERALIDADES. 1.2. REGLAS PARA EL ANLISIS DE CIRCUITOS DE POTENCIA. 1.3. DESARROLLO EN SERIE. 1.3.1. Clculo de Armnicos. 1.3.2. Potencia. 1.3.3. Clculo de valores eficaces. 1.4. FORMULACIN SISTEMTICA UTILIZANDO VARIABLES DE ESTADO.

Mayores prestaciones, Menor coste, Posibilidad de emplearlos en nuevas

Control de Motores DC, AC (70% de la energa elctrica consumida). Fuentes de Alimentacin. Energas Renovables.El objetivo de la ELECTRONICA DE POTENCIA es:

Modificar, utilizando dispositivos de estado slido, la forma de presentacin de la energa elctrica Uso de Fuentes de Alimentacin, Componentes Reactivos e Interruptores. (no Resistencias) Definicin de Interruptor Ideal:

Roff=, VBD= , Ton=0a) Interruptor Abierto

Ron=0, Ion= , Toff=0b) Interruptor Cerrado

Otras caractersticas a tener en cuenta son: coste del dispositivo y de los elementos auxiliares, potencia necesaria para controlar el dispositivo.

Tema 1. Introduccin al Modelado y Anlisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 1 de 21

Tema 1. Introduccin al Modelado y Anlisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 2 de 21

GENERALIDADESFlujo de Potencia

REGLAS PARA EL ANLISIS DE CIRCUITOS DE POTENCIA

R=50Fuente de Energa Elctrica Convertidor de Estado Slido

Carga

IR=10A E=500V VCE

Ejemplo simple con un solo interruptor.

Circuito de Mando

Fuente de Energa Alterna (Mono Trifsica): Red Elctrica Generador aislado: Diesel Elico Continua: Bateras Celdas de Combustible Paneles Solares

Carga Alterna (Mono Trifsica): Motor Estufa Horno Iluminacin ... Continua: Motores

Real: Cortado Saturado

IC 1mA 9.96 Amp

VCE 499.95V 2V

VRes 50mV 498V

Valores reales Ideal: Cortado Saturado IC 0 Amp 10 Amp VCE 500V 0V VRes 0mV 500V

Valores ideales Error (%): Cortado Saturado IC 0.01 0.4 VCE 0.01 0.4 VRes 0.01 0.4

Circuito de mando Microprocesadores/DSP Circuitos microelectrnicos: ASIC FPGA

Convertidor de potencia Interruptores Componentes reactivos: Transformadores Bobinas Condensadores

% de error sobre el valor mximo.

Tema 1. Introduccin al Modelado y Anlisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 3 de 21

Tema 1. Introduccin al Modelado y Anlisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 4 de 21

REGLAS PARA EL ANLISIS DE CIRCUITOS DE POTENCIA. Elementos Bsicos

REGLAS PARA EL ANLISIS DE CIRCUITOS DE POTENCIA. Elementos Bsicos

i

v=L

di dt1 t v(t )dt L t 01 2 Li 2

IL VL

L

V

i (t ) = i (t 0 ) +

L

= ivdt = L idi =

i C V

i=C

dv dt1 t i (t )dt C t 0

i (t ) = i (t0 ) +

1 t v (t ) dt L t0

v(t ) = v(t0 ) +

1 = ivdt = C vdv = Cv 2 2Ecuaciones fundamentales de Bobinas y Condensadores

Funcionamiento de una Bobina al aplicar una tensin constante

Tema 1. Introduccin al Modelado y Anlisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 5 de 21

Tema 1. Introduccin al Modelado y Anlisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 6 de 21

REGLAS PARA EL ANLISIS DE CIRCUITOS DE POTENCIA. Elementos Bsicos

REGLAS PARA EL ANLISIS DE CIRCUITOS DE POTENCIA. Elementos Bsicos

IcC

IL

VcL

VL

1 t v(t ) = v(t0 ) + i (t )dt C t0

t

Funcionamiento de un Condensador al aplicar una corriente constante

Funcionamiento de una Bobina al aplicar una tensin alternada positiva y negativa

Tema 1. Introduccin al Modelado y Anlisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 7 de 21

Tema 1. Introduccin al Modelado y Anlisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 8 de 21

REGLAS PARA EL ANLISIS DE CIRCUITOS DE POTENCIA. Elementos Bsicos

REGLAS PARA EL ANLISIS DE CIRCUITOS DE POTENCIA. EjemploD

IL VL

Carga LRL

L

V = E sen t

i(t)

R

Suponiendo como condicin inicial i(0)=0, cuando V se hace positivo en t=0, el diodo se polariza directamente y empieza a conducir. El circuito equivalente si se supone el diodo ideal ser:

Diodo Conduciendo

Carga LRL

V = E sen t

i(t)

R

Circuito equivalente en el primer intervalot

Ecuacin de mallas:

V = E sen t = R i + L

di dt

que, para i(0) = 0 tiene una solucin del tipo: Funcionamiento de una Bobina al aplicar una tensin alternada positiva y negativa

i (t ) =

Rt sen e L + sen( t ) 2 2 2 R +L

E

Este circuito es vlido para el anlisis en tanto i (t ) 0 . Sea t1 el instante en el que la intensidad se anula. El valor de t1 se obtiene de resolver la ecuacin i(t1)=0Tema 1. Introduccin al Modelado y Anlisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 9 de 21 Tema 1. Introduccin al Modelado y Anlisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 10 de 21

INTRODUCCIN

TEMA 17. CONVERTIDORES CC/CA CON SALIDA SINUSOIDAL17.1 INTRODUCCIN 17.2 ESTUDIO DE UNA RAMA DE UN PUENTE INVERSOR 17.2.1 Modulacin Senoidal PWM 17.2.1.1 Armnicos 17.2.2 Sobremodulacin 17.2.2.1 Armnicos 17.2.3 Generacin de Seales PWM con Microprocesadores 17.3 INVERSOR MEDIO PUENTE. 17.4 INVERSOR PUENTE COMPLETO. 17.4.1 Modulacin Bipolar 17.4.2 Modulacin Unipolar 17.4.3 Comparacin entre Modulacin Bipolar y Unipolar 17.4.4 Efecto de Tiempos Muertos 17.5 PUENTE TRIFSICO 17.5.1 Generacin de Seales PWM Trifsicas 17.5.2 Modulacin Space Vector 17.5.3 PWM Modificado 17.5.3.1 Extensin del Indice de Modulacin 17.5.3.2 Cancelacin de Armnicos 17.5.4 Control de Corriente

Tema anterior: Inversores conmutando a bajas frecuencias: Formas de ondas cuadradas a frecuencia de red. Generacin de armnicos de baja frecuencia. Alto coste de elementos reactivos para filtrado. No es posible controlar la amplitud de las tensiones alternas generadas (en trifsica). Normalmente empleados en potencias muy elevadas (Empleo de convertidores multinivel).

Este tema: Inversores conmutando a altas frecuencias: Formas de ondas cuadradas de frecuencia mucho mayor que la de la red. Generacin de armnicos de alta frecuencia. Menor coste de elementos reactivos para filtrado. Control de la amplitud de las tensiones alternas generadas. Posibilidad de controlar las corrientes aplicadas a la carga. Empleados en potencias ms bajas: Control de velocidad de motores AC. Fuentes de alimentacin ininterrumpidas (UPS). Conexin a red de sistemas de energas renovables.

Tema 16. Inversores II. 1 de 28

Tema 16. Inversores II. 2 de 28

ESTUDIO DE UNA RAMA DE UN PUENTE INVERSOR. Modulacin Senoidal PWMVdTA +0 A

ESTUDIO DE UNA RAMA DE UN PUENTE INVERSOR. Modulacin Senoidal PWMts = 1 f s

2

DA +

io

$ V tri

Vd

2

TA N

D A V AN

Vcont$ V tri+ Vd 2

Rama de un Puente Inversor

$ V tri

ts = 1 f s

V AO

Vcont$ V tri+ Vd 2

Vd 2

V AO

Formas de onda en una rama de un Puente Inversor fs=1/ts : Frecuencia de modulacin (frecuencia de la onda triangular que ser constante). f1 : Frecuencia de la seal de control (puede ser variable).

Vd 2Formas de onda en una rama de un Puente Inversor

cont : Mximo de la seal de control. V tri : Mximo de la seal triangular (constante). V V

1 si Vcontrol > Vtri TA + (on) V AO = + Vd 2 1 si Vcontrol < Vtri TA (on) V AO = Vd 2Tema 16. Inversores II. 3 de 28

cont ma = : ndice de modulacin (podra ser >1) Vtri

mf =

fs : Relacin de frecuencias. f1Tema 16. Inversores II. 4 de 28

ESTUDIO DE UNA RAMA DE UN PUENTE INVERSOR. Modulacin Senoidal PWMSi

ESTUDIO DE UNA RAMA DE UN PUENTE INVERSOR. ArmnicosSi

ma < 1 , La amplitud de la componente fundamental de V AO se puede obtener de:ts

Vtri

ton 2V tri

Va,cont t V tri

0

Si mf es grande, durante el tiempo ts la seal de control no variar, y el valor medio ciclo a ciclo ir coincidiendo con el valor de la senoide Va,cont ya que por semejanza de tringulos:

ma 1 se habla de sobremodulacin, el problema es que aparecen armnicos de bajas frecuencias.

(V$ )Vd 2

Para mf=15 lineal sobremodulacin onda cuadrada

AO 1

4 = 1,278

1

1

3,24

ma

Tensin de salida normalizada en funcin de ma para mf=15 Si mf=15, para ma>3,24, ser (onda cuadrada): y

(V$ )

) = (V ) (V hAO h

AO 1

=

4 Vd V = 1,278 d 2 2

AO 1

h= 3, 5, 7.

Al tratarse de una onda cuadrada no se puede controlar V AO

( )

1

salvo variando Vd .

Tema 16. Inversores II. 9 de 28

Tema 16. Inversores II. 10 de 28

ESTUDIO DE UNA RAMA DE UN PUENTE INVERSOR. Sobremodulacin

ESTUDIO DE UNA RAMA DE UN PUENTE INVERSOR. Sobremodulacin. Armnicos

t

Comparacin entre ma=0.8 y ma=1.5 para ms=35Armnico

Comparacin entre ma=0.8 y ma=1.5 (sobremodulacin) para ms=35

t

Tema 16. Inversores II. 11 de 28

Tema 16. Inversores II. 12 de 28

ESTUDIO DE UNA RAMA DE UN PUENTE INVERSOR. Generacin de Seales PWM con MicroprocesadoresVtri Va

INVERSOR MEDIO PUENTE

C 0

Vd/2

TA+

DA+

0

t

Vd C

Z TADA-

Vd/2

Va0 T0 T1 T0,T1= Instantes de Muestreo

Configuracin en Medio Puentet

Vtri

Va

Los condensadores consiguen un punto medio equivalente a tener una batera con toma media. Las formas de onda son exactamente las mismas que las que se acaban de estudiar.

0

t

T1 0 T2 T0 T0,T1...= Instantes de Muestreo

T3

Vat

Generacin de Seales PWM con microprocesadoresTema 16. Inversores II. 13 de 28 Tema 16. Inversores II. 14 de 28

INVERSOR PUENTE COMPLETO

INVERSOR PUENTE COMPLETO. Comparacin entre Modulacin Bipolar y Unipolar1.5

TA+ Vd/2 0 Vd/2 TAA

DA+ Z io DAVo= VA0 VB0

TB+ B

DB+1

Vsin

Vsal Bipolar

0.5

TBN

DB0

-0.5

Configuracin en Puente Completo Monofsico Son posibles las dos estrategias de disparo explicadas al estudiar los convertidores DC/DC: a) Bipolar: Se dispara TA + y TB y a continuacin TA y TB + . Las tensiones V AO y VBO son idnticas a las explicadas para una rama simple, solo que V BO (t ) = V AO (t ) , luego: V AB (t ) = V AO (t ) V BO (t ) = 2V AO (t ) , es decir, tendremos el doble de tensin.-1

-1.5 1.5

Vsin1

Vsal Unipolar

$ = m V (m a 1) V 01 a d 4 $ Vd < V01 < Vd (ma > 1)

0.5

0

Lo explicado anteriormente respecto a los armnicos es vlido.-0.5

b) Unipolar: En este caso:

Si Vcontrol > Vtri T A + on (V AN = Vd ) Si V T A on (V AN = 0 ) control < Vtri Si (-Vcontrol ) > Vtri TB + on (VBN = Vd ) Si (-Vcontrol ) < Vtri TB on (VBN = 0 )

-1

-1.5

Comparacin entre modulacin Bipolar y Unipolar en un puente monofsico. Para ma=0.8 y mf=22Tema 16. Inversores II. 16 de 28

Tema 16. Inversores II. 15 de 28

INVERSOR PUENTE COMPLETO. Comparacin entre Modulacin Bipolar y Unipolar0.9

INVERSOR PUENTE COMPLETO. Efecto de Tiempos Muertos

Bipolar0.8

Unipolar

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73

tarmnico

Comparacin entre modulacin Bipolar y Unipolar en un puente monofsico. Para ma=0.8 y mf=22 Interr. ON TA+TBTA-TBTA+TB+ TA-TBVAN Vd 0 Vd 0 VBN 0 Vd Vd 0 Vo =VAN VBN Vd -Vd 0 0

Efecto de los Tiempos Muertos en la Tensin de salida cuando la corriente cambia de signo

V A = VdV(i0) 0 V(i0 I0 I0 Vo=-Vd/2Vd/ 2 D-

T1

D1

Io0 Vo=-Vd/2Vd/ 2 D-

T1

D1

Io0 Vo=0Vd/ 2 D-

T1

D1

Io0 Vo=0Vd/ 2 D-

T1

D1

Io0 Vo=-Vd/2Vd/ 2 D-

T1

D1

Io0 Vo=Vd/2Vd/ 2 D-

T1

D1

Io0 Vo=Vd/2Vd/ 2 D-

T1

D1

Io0A

VdA

io 0 e i o < 0

S1 Vd iOA

Conducen S 2 y D4B

Si S1 = on (S 2 = off ) V A = Vd Si S1 = off (S 2 = on) V A = 0 VA = Vd t onA + 0 t offA TS = Vd D A

S2 D2

iO0, la corriente circulara por D2 y S4). Estados Posibles S1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 S2 0 0 0 1 1 1 0 0 0 S3 0 0 1 0 0 1 0 0 1 io>0 S4 0 1 0 0 1 0 0 1 0 VO Conduce -Vd D2 D3 0 D2 S4 -Vd D2 D3 -Vd D2 D3 0 D2 S4 -Vd D2 D3 0 S1 D3 Vd S1 S4 0 S1 D3 S1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 S2 0 0 0 1 1 1 0 0 0 S3 0 0 1 0 0 1 0 0 1 io0, Io>0 (S1,S4)S1 Vd S2 D2 Vo S4 D4 D1 Io Vd S2 D2 Vo S4 D4 S3 D3

CONVERTIDOR PUENTE. Control Bipolar

Vo>0, Io> c = H c Hg = campo en el ncleo (Hc) ser mucho menor que en 0 entrehierro (Hg). Despreciando, por tanto, la intensidad de campo en el material magntico frente a la intensidad de campo en el aire, de la ley de Ampere, puede obtenerse:

H g g = NI p

De estas ecuaciones se obtiene la longitud del entrehierro que hay que realizar para una corriente mxima Ip:

g=

NI p Hg

LI p Ip 0 Ag L 2 0 Ag L 2 max = = 2 Ip = 2 2 Ip max Bmax Ac max 0 Ag

Donde g es la longitud del entrehierro.Tema 11. Componentes Reactivos. Transparencia 9 de 13 Tema 11. Componentes Reactivos. Transparencia 10 de 13

DISEO DE TRANSFORMADORESPara el diseo de los transformadores se puede proceder de forma anloga al diseo de los S inductores. Para ello se deducir una expresin A A = c w anloga para el producto de reas escrita en funcin 2 fBmax Jkcu de la potencia aparente del transformador. (se deducir posteriormente): La relacin entre la tensin aplicada V1 en el primario de un transformador y el flujo que aparece es:

DISEO DE TRANSFORMADORES Acu1 = Acu 2 I 1 max = I 2 max Aw k cu 2 N1 Aw k cu = 2N2(D)

De la frmula anterior (Awkcu =2N1Acu1=2N2Acu2) se deduce:

t

d V1 = N1 , que en el caso de ondas dt2 V1 = N1 max = 4 N1 f max 1 2fcuadradas es:

De las frmulas anteriores y de I1=Acu1J I2=Acu2J se pueden calcular las corrientes mximas por los devanados:

JAw k cu 2 N1 JAw k cu = 2N 2

max0

Para demostrar la frmula del producto de reas, se puede despejar V1 de la ecuacin (C) obteniendo: Si la ecuacin anerior se multiplica por el valor de la corriente I1max del primario (D) se obtiene la potencia aparente mxima (para la que hay que dimensionar el transformador): Reorganizando los trminos de la ecuacin anterior se obtiene la ecuacin que da el producto de reas:

V1 = 4 fN1 Ac B S1 = 2 fAc BJAwkcu Ac Aw = S1 2 fBJkcu

El nmero de espiras en el primario es:

-max1/f

t

N1 =

V1 V1 = 4 f max 4 fAc B

(C)

Tensin y Flujo en un Transformador Conductores

y en el secundario: N2=N1/a, donde a es la relacin de transformacin.

Suponiendo despreciable la corriente de magnetizacin, la fuerza magnetomotriz primaria es igual a la secundaria: Si J es la densidad de corriente mxima que admiten los conductores, en ambos devanados ser (Acu=Seccin de los conductores): De las expresiones anteriores, si se supone el mismo tipo de conductores en primario y secundario: El rea de ventana se reparte entre los dos devanados:

= N1 I 1 = N 2 I 2I1=Acu1J I2=Acu2J N1Acu1=N2Acu2

Awkcu= N1Acu1+N2Acu2= 2N1Acu1=2N2Acu2

Tema 11. Componentes Reactivos. Transparencia 11 de 13

Tema 11. Componentes Reactivos. Transparencia 12 de 13

SELECCIN DE CONDENSADORES Capacidad. Tensin mxima. Corriente eficaz. Frecuencia. Resistencia Serie Equivalente (ESR). Autoinduccin Serie Equivalente (ESL). Volumen (tamao).

En electrnica de potencia se utilizan fundamentalmente tres tipos: Electrolticos. Alta capacidad. Altas ESR y ERL (Fuertes prdidas I2R). Tensin mxima de unos 450500 V. Necesidad de conexin serie. Tienen polaridad (peligro de explosin si se cambia la polaridad). Plsticos y Cermicos. Muy baja capacidad. Muy bajas ESR y ERL. Tensiones mximas muy elevadas. No tienen polaridad. El uso principal de los condensadores electrolticos es para mantener en determinados nudos una tensin constante. Si se requiere que el condensador suministre altas corrientes con cambios bruscos, es necesario conectar en serie con el condensador electroltico un condensador plstico o cermico que pueda suministrar instantneamente la corriente solicitada, que el electroltico no puede dar debido a su ESL. Los condensadores plsticos y cermicos suelen emplearse adems para realizar circuitos resonantes o amortiguadores, en los que se requieren valores pequeos de las capacidades.

Tema 11. Componentes Reactivos. Transparencia 13 de 13

INTRODUCCIN

TEMA 12. RECTIFICADORES NO CONTROLADOS12.1.INTRODUCCIN 12.2.RECTIFICADOR MONOFSICO 12.2.1. Rectificador Media Onda 12.2.2. Puente Completo 12.2.2.1. Conmutacin Instantnea 12.2.2.2. Conmutacin no Instantnea 12.2.2.3. Carga Tipo Tensin Constante 12.2.3. Conexin en Redes Trifsicas. Corrientes por el Neutro 12.3.RECTIFICADORES TRIFSICOS Y POLIFSICOS 12.3.1. Montajes Simples 12.3.2. Conexin Serie 12.3.2.1. Conexin en Fase 12.3.2.2. Conexin en Oposicin de Fases 12.3.3. Conexin Puente Completo 12.3.4. Conexin Paralelo 12.3.5. Tensiones y Corrientes Rectificadas 12.3.5.1. Valor Medio de la Tensin Rectificada 12.3.5.2. Valor Eficaz VRMS 12.3.5.3. Factor de Ondulacin 12.3.5.4. Desarrollo en Serie 12.3.5.5. Factor de Potencia del Secundario 12.3.5.6. Corriente Para Carga Altamente Inductiva

AC, 1

DC

AC, 1

DC

AC,3

DC

AC, 3

DC

Smbolos de Convertidores AC/DC

Entrada AC, monofsica o polifsica. Salida DC no controlada, su valor depende de: La tensin de entrada La corriente por la carga Topologa del convertidor Flujo de potencia desde la entrada a la salida Aplicaciones: Pueden usarse en aplicaciones con las siguientes caractersticas: De coste mnimo No sensibles al valor de la tensin de salida No problema con el factor de potencia Algunos ejemplos: Entrada de fuentes de alimentacin Alimentacin de motores DC

Tema 12. Rectificadores no Controlados. Transparencia 1 de 32

Tema 12. Rectificadores no Controlados. Transparencia 2 de 32

RECTIFICADOR MONOFSICO+ +Carga Carga

RECTIFICADOR MONOFSICO. Rectificador Media Onda

D

VS

iR

R

VS

a) b) Rectificador no Controlado con Carga Resistiva

+

Primer intervalo: VR=VS IR=VS/R VAK=0 Tensin media en la carga:

Segundo intervalo: VR=0 IR=0 VAK= VS

Carga

c)

-

VR ( AV ) =

1 2

0

2VS sen(t )dt =

2VS

Diferentes Topologas de Rectificadores: a) Media Onda, b) Onda Completa con Transformador de Toma Media, c) Onda Completa con Puente de Diodos

Tensin eficaz en la carga:

VR ( RMS ) =

VS 2

Tema 12. Rectificadores no Controlados. Transparencia 3 de 32

Tema 12. Rectificadores no Controlados. Transparencia 4 de 32

RECTIFICADOR MONOFSICO. Rectificador Media OndaD iR VS L VL R VR

RECTIFICADOR MONOFSICO. Rectificador Media OndaArea A

VS = V L + V R ; V L = L di =

di ; dtD iL VS E L VL

1 V L dt L i (t2 ) 1 t2 i (0) di = L 0 VL dt = 0 0 = Area( A) Area( B)

Area B

Area APrimer Intervalo

Area B

Formas de Onda en un Rectificador con Carga Resistiva-Inductiva

Primer Intervalo

Formas de Onda en un Rectificador con Carga Inductiva y Fuerza Contraelectromotriz (Cargador de Bateras o Motor DC).

Tema 12. Rectificadores no Controlados. Transparencia 5 de 32

Tema 12. Rectificadores no Controlados. Transparencia 6 de 32

RECTIFICADOR MONOFSICO. Rectificador Media OndaD iR VS L VL R VR

RECTIFICADOR MONOFSICO. Rectificador Media OndaD iL VS E L VL

Area A Area B

Area A Area B

1er Intervalo 1er Intervalo 2o Intervalo

2o Interv

Formas de Onda en un Rectificador con Carga Resistiva-Inductiva y Diodo de Libre Circulacin

Formas de Onda en un Rectificador con Carga Inductiva y Fuerza Contraelectromotriz (Cargador de Bateras o Motor DC) y Diodo de Libre Circulacin.

Tema 12. Rectificadores no Controlados. Transparencia 7 de 32

Tema 12. Rectificadores no Controlados. Transparencia 8 de 32

RECTIFICADOR MONOFSICO. Puente CompletoInductancia parsita Puente Rectificador LS D1 VS iS D3 id

RECTIFICADOR MONOFSICO. Puente Completo Conmutacin InstantneaPuente Rectificador id

+D1 Carga Vd iS VS D2 D4 D3

+Carga

Vd

D2

D4

-

-

Rectificador en Puente Completo Monofsico Se estudiarn los siguientes casos:

Rectificador en Puente Completo Monofsico con conmutacin ideal y carga resistiva: Puente Rectificador D1 id D3

Para LS despreciable. Con carga resistiva Con carga fuertemente inductiva. Teniendo en cuenta el efecto de LS. Con carga fuertemente inductiva.VS >0 iS

VS

+Carga

Vd = VS

VS

D2 a) Vs>0

D4

id

Puente Rectificador

Carga D2

iS VS V AK = V AK L = V AK1 2 3

n

V AK1 = I1 R = E P ; Em = E p + (n 1) R I 2Como:

RD C C

I 2 = I 1 I Amax

resulta:

R

n E p Em (n 1) I Amax

Se ha de repetir para bloqueo directo e inverso y elegir el menor valor que resulte para R.

Esta solucin tiene el problema de que al cebar los SCR hay unas elevadas corrientes andicas y sobre todo una elevada derivada de dicha corriente

M

MEsta solucin tiene el problema de no ser capaz de retrasar los SCR el tiempo requerido.

Tema 8. Limitaciones de Corriente y Tensin. Transparencia 5 de 25

Tema 8. Limitaciones de Corriente y Tensin. Transparencia 6 de 25

ASOCIACIN DE DISPOSITIVOS. CONEXIN EN SERIELa solucin pasa por tener un circuito con un diodo, que al cebar permita una descarga lenta del condensador a travs de RD pero al bloquear, conecte C directamente a la tensin nodo-ctodo. El circuito completo para la conexin serie de un grupo de SCRs ser por tanto:

ASOCIACIN DE DISPOSITIVOS. CONEXIN EN PARALELOAl conectar en paralelo dos dispositivos se trata de poder realizar un convertidor en el que soporten corrientes mayores que las que soporta un solo dispositivo. ptimo deberan soportar una corriente el doble de lo que soporta cada uno de ellos. Problema reparto desigual de las corrientes entre los dos dispositivos (aunque sean del mismo fabricante y de la misma serie). Ejemplo con SCR

RD

D RS C

IA IA IA1 SCR1 IA2 SCR2 VAK IA2 IA1

RD

D

RS C Ecualizacin Dinmica Ecualizacin Esttica

VAKReparto de Corrientes en una Asociacin Paralelo de Tiristores El problema se agrava cuando la derivada de la tensin nodo-ctodo en conduccin es negativa

M

Ecualizacin Esttica y Dinmica de un grupo de SCRs conectados en serie.

Tema 8. Limitaciones de Corriente y Tensin. Transparencia 7 de 25

Tema 8. Limitaciones de Corriente y Tensin. Transparencia 8 de 25

ASOCIACIN DE DISPOSITIVOS. CONEXIN EN PARALELOEl problema se agrava cuando la derivada de la tensin nodo-ctodo en conduccin es negativa:

ASOCIACIN DE DISPOSITIVOS. CONEXIN EN PARALELOSi los dispositivos tienen coeficiente negativo es necesario el uso de ecualizacin, por ejemplo empleando resistencias o bobinas acopladas:

IAIA

SCR1 SCR2 IA1IA IA

T1 T2

T1 +T1 T2 - T 2

IA R IA1 SCR1 R VAK IA2 SCR2

IA IA1 IA1 IA2 IA2

IA1 IA2

IA1 IA2

IA2

IA1

IA

IA2

VAK

VAK VAK

a)

VAK VAK

VAK

b)

Uso de resistencias ecualizadoras. Problema: La Potencia crece con el cuadrado de la corriente No se puede usar para corrientes elevadas.

Conexin en paralelo de dos dispositivos de potencia: a) Con coeficiente de temperatura negativo y b) Con coeficiente positivo. Si por uno de los dispositivos pasa ms corriente, se calentar ms. Si sube la temperatura se desplaza la curva caracterstica esttica para disminuir su cada de tensin. Si tiene menor cada de tensin que los dems, circular una corriente an mayor. Ese incremento de corriente ocasionar un aumento de la temperatura, haciendo que el desequilibrio de corrientes sea muy grande. Si la derivada de la tensin nodo-ctodo en conduccin es positiva el efecto es justo el contrario y se equilibran las corrientes.

Tema 8. Limitaciones de Corriente y Tensin. Transparencia 9 de 25

Tema 8. Limitaciones de Corriente y Tensin. Transparencia 10 de 25

ASOCIACIN DE DISPOSITIVOS. CONEXIN EN PARALELOConexin de tres dispositivos en paralelo Conexin de dos dispositivos en paralelo

ASOCIACIN DE DISPOSITIVOS. CONEXIN EN PARALELOAunque los dispositivos tengan coeficiente de temperatura negativo, se pueden conectar si te tienen en cuenta las siguientes recomendaciones: Si se puede elegir midiendo las cadas a corriente nominal y a Temperatura constante, se puede definir una banda de voltajes por ejemplo de 50 mVoltios y escoger los que caigan dentro de la banda. Se debe cuidar especialmente el cableado (pletinas) para que sean del mismo tamao y no provoque cadas extra que ocasionen mayores desequilibrios. Se deben montar en una misma aleta, para tratar de igualar las temperaturas de las cpsulas. Se debe cuidar especialmente el circuito de disparo generando un pulso con una pendiente elevada y del valor adecuado al nmero de dispositivos conectados en paralelo. A cada dispositivo le debe llegar el pulso a la vez. Retrasos en el disparo pueden hacer que no lleguen a entrar en conduccin los SCR retrasados (por tensin nodo-ctodo muy baja), sobrecargando a los que se han adelantado. SCR Auxiliar Mdulo de Potencia

nodo

Puerta Ctodo Conexin de 2 y 3 Tiristores en Paralelo con Bobinas Ecualizadoras: Ventaja: No prdida de potencia en resistencias Desventajas: Demasiada complejidad al subir el nmero de dispositivos en paralelo: coste, peso y volumen. Conjunto de Varios Tiristores en Paralelo en un mismo Encapsulado incluyendo un SCR auxiliar para el disparo. En el encapsulado de estos mdulos, los fabricantes tienen en cuenta las recomendaciones anteriores, por lo que pueden usarse sin problemas.

Tema 8. Limitaciones de Corriente y Tensin. Transparencia 11 de 25

Tema 8. Limitaciones de Corriente y Tensin. Transparencia 12 de 25

PROTECCIONES.En este tema se va a estudiar la proteccin de los dispositivos, no la proteccin de mquinas o personas (objeto de otras asignaturas). Los dispositivos debern protegerse contra: Sobreintensidades: Posibles causas: Sobrecargas. Cortocircuitos. Medidas a tomar: Al tratarse ambas causas de un mal funcionamiento, debe detenerse la operacin del dispositivo, hasta que un operador repare la causa. Fusibles. Interruptores. Sobretensiones: Posibles causas: Causas externas al circuito: Perturbaciones atmosfricas Conexiones y desconexiones de equipos en la red. Causas internas al circuito: Variaciones bruscas de corrientes por bobinas. Medidas a tomar: Al ser un funcionamiento normal del circuito, deber evitarse que se superen los lmites de tensin de cada dispositivo y sus derivadas. Por tanto, se limitar el efecto de las sobretensiones dejando el circuito en servicio. Redes RC. Dispositivos auxiliares limitadores de tensin.

PROTECCIN CONTRA SOBREINTENSIDADEStm : Tiempo de fusin ta : Tiempo de arco tc : Tiempo de limpieza de la falta Corriente sin el fusible

Icc

ImaxCorriente sin el fusible

tm tc

ta

t

Efecto Limitador de Corriente en un Fusible Al seleccionar un fusible es necesario calcular la corriente de fallo y tener en cuenta lo siguiente: 1. El fusible debe conducir de forma continua la corriente nominal del dispositivo. 2. El valor de la energa permitida del fusible (i tc) debe ser menor que la del dispositivo que se pretende proteger. 3. El fusible debe ser capaz de soportar toda la tensin una vez que se haya extinguido el arco. 4. La tensin que provoca un arco en el fusible debe ser mayor que la tensin de pico del dispositivo.2

Tema 8. Limitaciones de Corriente y Tensin. Transparencia 13 de 25

Tema 8. Limitaciones de Corriente y Tensin. Transparencia 14 de 25

PROTECCIN CONTRA SOBREINTENSIDADESI(RMS)

PROTECCIN CONTRA SOBREINTENSIDADES

Caracterstica del dispositivo

Rectificador

Caracterstica del fusibleF1 Red AC F2

T1

T2 Carga

T4

T3

10-2

10-1

1

10

t, segundos

Proteccin de un Grupo de Dispositivos Rectificador F1

Proteccin Completa con un Fusible

I(RMS)

dispositivo fusible disyuntor magntico

F2

Red AC T4 T3

disyuntor trmico 10-2 10-1 1 10 t, segundos

F4

F3

Proteccin Individual de los DispositivosTema 8. Limitaciones de Corriente y Tensin. Transparencia 16 de 25

Tema 8. Limitaciones de Corriente y Tensin. Transparencia 15 de 25

Carga

T1

T2

PROTECCIN CONTRA DERIVADA MXIMA DE INTENSIDAD

PROTECCIN CONTRA SOBRETENSIONES

IAAmortiguador de encendido

IA dIA /dt=VR /LS t ta tb t VAK VR t VP Sobretensin VR Carga almacenada t

LS

Ron Lon Don

IA

VAK

IA

En el encendido del SCR o GTO ser:

I A 1 = V Lon t Lon

a)

b)

c)

Sobretensin Producida al Cortar un Circuito Inductivo.: a) Circuito, b) Conmutacin con un Dispositivo Ideal, c) Conmutacin con un Dispositivo Real

Limitacin de la Derivada Mxima de la Corriente en un Dispositivo

Tema 8. Limitaciones de Corriente y Tensin. Transparencia 17 de 25

Tema 8. Limitaciones de Corriente y Tensin. Transparencia 18 de 25

PROTECCIN CONTRA SOBRETENSIONES. USO DE REDES RCIA ta LS Amortiguador de apagado IA R C VAK VP VR t tb=0 t

PROTECCIN CONTRA SOBRETENSIONES. DESCONEXIN DE LA RED

Red AC

S1

Transformador

AmortiguadorConvertidor de Potencia

VAC

Lm

R C

Vo

a) Circuito Equivalente antes de la Desconexin de la Red Uso de un Circuito Amortiguador en la Conmutacin de un Dispositivo

Circuito Resonante

Lm

R C

Vo

b) Circuito Equivalente tras la Desconexin de la Red

Tema 8. Limitaciones de Corriente y Tensin. Transparencia 19 de 25

Tema 8. Limitaciones de Corriente y Tensin. Transparencia 20 de 25

PROTECCIN CONTRA SOBRETENSIONES. DESCONEXIN DE LA CARGAConvertidor de Potencia Amortiguador S2 LS VS Vo Carga R

PROTECCIN CONTRA SOBRETENSIONES. SVSSVS: Silicon Surge Voltage Supressor: Hace el efecto de dos diodos Zener conectados en antiparalelo, entrando en conduccin si se supera la tensin Lmite, protegiendo los dispositivos contra sobretensiones.

IL

Ca) Carga Conectada

Estructura, smbolo de circuito y fotografa de SVS Se conectarn en paralelo con el dispositivo o equipo que deba ser protegido, as para proteger a un SCR, se elegir un SVS de forma que teniendo en cuenta las tolerancias de fabricacin del SVS para la corriente mxima prevista por el SVS no se alcance la tensin VDRM o VRRM del SCR.

Circuito Resonante LS VS R C

b) Desconexin de la Carga

Carga

Tensiones y corrientes al conectar un SVS en paralelo con un SCR.

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Tema 8. Limitaciones de Corriente y Tensin. Transparencia 22 de 25

PROTECCIN CONTRA SOBRETENSIONES. OTROS DISPOSITIVOS: Diodos de Selenio y MOVsAdems de los SVS, se utilizan Diodos de Selenio y MOV (Metal xido Varistor): Los Diodos de Selenio son Diodos Zener, y por tanto protegen en un solo sentido. Son bastante antiguos y con poca capacidad de disipacin de energa. Los MOV son resistencias no lineales dependientes de la tensin, de forma que a tensiones por debajo del umbral presentan una resistividad muy elevada, pero al superar su umbral tienen una resistividad mucho mas baja comportndose de forma parecida a los SVS (como dos diodos Zener en antiserie). Son dispositivos formados por un aglomerado de microgrnulos de xido de Zinc, y pequeas cantidades de otros xidos metlicos (Bismuto, Cobalto, Manganeso...). Estos grnulos forman uniones p-n en sus bordes, de forma que el conjunto es un numero elevado de uniones p-n en serie. Estos dispositivos pueden conectarse en serie o en paralelo si es necesario. Comparacin entre estos dispositivos: V. DC (V) SVS 400-3.200 MOV 60-1400 Diodo de Selenio 35-700 Carburo de Silicio 6Cpsulas de Arcos 90I. Pico (A) 135-50 350 30 2000 1700 P. Pico (kW) 65-192 200 15 4000 3.4 E. Pico (Julios) 3.5-10 20 1.5 400 0.34 Vp/Vnom

PROTECCIN CONTRA SOBRETENSIONES COMPARACIN ENTRE SVS Y MOV

VDWM). Ruptura 3. Aplicacin de tensin nodo-Ctodo positiva antes de que el proceso de bloqueo haya terminado (ttqdVF < max dt

t Uso de redes RC (Snubbers) 5. Temperatura elevada Normalmente no ocurre, aunque si se produce una combinacin de varias causas, podra provocarse la entrada en conduccin 6. Radiacin luminosa Slo se ocurre en los dispositivos especialmente construidos para funcionar de esta forma (LASCR)

tps

t

Curvas de Tensin y Corriente del SCR durante la Conmutacin

Tema 5. SCR Transparencia 11 de 15

Tema 5. SCR Transparencia 12 de 15

TRIAC. Constitucin y Funcionamientonodo nodo / T1 Puerta Puerta Ctodo / T2 Ctodo VAK

TRIAC. Caracterstica EstticaiT

VBD

Combinacin de dos SCR para formar un TRIAC. Smbolo del TRIAC T1 VBD

VT1T2

P1 J1 N1

N4

Caracterstica Esttica del TRIACG

iG

J2 P2 G N3 N2T2

vG

T2 Estructura Interna del TRIAC

Caracterstica de Puerta de un TRIAC Caractersticas generales del TRIAC: Estructura compleja (6 capas). Baja velocidad y poca potencia. Uso como interruptor esttico.

Tema 5. SCR Transparencia 13 de 15

Tema 5. SCR Transparencia 14 de 15

RESUMEN DE LAS CARACTERISTICAS DEL SCRCaractersticas mas destacadas del SCR: Estructura de cuatro capas p-n alternadas. Directamente polarizado tiene dos estados: cebado y bloqueado. Inversamente polarizado estar bloqueado. Dispositivo capaz de soportar las potencias ms elevadas. nico y dispositivo capaz de soportar I>4000Amp. (Von24Volt.) V>7000Volt. Control del encendido por corriente de puerta (pulso). No es posible apagarlo desde la puerta (s GTO tema 7). El circuito de potencia debe bajar la corriente andica por debajo de la de mantenimiento. Frecuencia mxima de funcionamiento baja, ya que se sacrifica la velocidad (vida media de los portadores larga) para conseguir una cada en conduccin lo menor posible. Su funcionamiento se centra en aplicaciones a frecuencia de red. La derivada de la corriente andica respecto al tiempo en el momento del cebado debe limitarse para dar tiempo a la expansin del plasma en todo el cristal evitando la focalizacin de la corriente. La derivada de la tensin nodo ctodo al reaplicar tensin positiva debe limitarse para evitar que vuelva cebarse. Tambin se debe esperar un tiempo mnimo para reaplicar tensin positiva.

Tema 5. SCR Transparencia 15 de 15

INTRODUCCIN. Transistor de Efecto de Campo de SealPuerta (G) Contacto metlico Drenador (D)

Fuente (S)

TEMA 4. TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO DE POTENCIA4.1. INTRODUCCIN 4.1.1. Transistor de Efecto de Campo de Seal 4.2. TECNOLOGAS DE FABRICACIN 4.2.1. Transistor VMOS 4.2.2. Transistor D-MOS 4.2.3. Transistor Trenched-MOS 4.2.4. Evolucin del Transistor MOS 4.3. FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO DE POTENCIA 4.4. DIODO EN ANTIPARALELO 4.4.1. Conmutacin en una Rama de un Puente 4.5. CARACTERSTICAS ESTTICAS, DINMICAS Y TRMICAS 4.6. REA DE OPERACIN SEGURASiO2 SiO2 n+ Canal inducido n n+ SiO2

Sustrato p

Sustrato (B) Transistor de Seal MOSFET de Enriquecimiento, Canal n

Tema 4. MOS. Transparencia 1 de 18

Tema 4. MOS. Transparencia 2 de 18

INTRODUCCIN. Transistor de Efecto de Campo de SealiD D iD VGS Ohmica Saturacin Ruptura

TECNOLOGAS DE FABRICACIN. Transistor VMOS (Siliconix-1976)

S n+ ep

G

S n+ p

G S

VDS

e-

VGS

CanalCorte

a) Smbolo

b) Curva Caracterstica Transistor MOS Canal N de Enriquecimiento

VBV VBD

VDS

n

Zonas de funcionamiento del transistor MOS: Zona de corte, VGS VBD.

Tema 4. MOS. Transparencia 3 de 18

Tema 4. MOS. Transparencia 4 de 18

TECNOLOGAS DE FABRICACIN. Transistor DMOSSeccin de una celdilla elemental Fuente Puerta

TECNOLOGAS DE FABRICACIN. Transistor Trenched-MOSS G SiO2 S G

n+

n+ p

n+

n+

SiO2 xido de puerta n+ p (sustrato) n-

p

p

n+

n+canal

n+ p

1019 cm-3 1016 cm-3Canal

L

10 1015 cm-314

n-epitaxial

n+ (oblea)

iD

iD

1019 cm-3

n+-oblea

Drenador

D

Seccin de un Transistor DMOS de Enriquecimiento Canal n

Transistores MOS de potencia modernos: Transistores con Trinchera

Tema 4. MOS. Transparencia 5 de 18

Tema 4. MOS. Transparencia 6 de 18

TECNOLOGAS DE FABRICACIN. Evolucin del Transistor MOS

FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR D-MOSVGS1 tomos aceptores ionizados electrones libres

n+ lmite de la zona de deplexin

p n-

a) Para valores bajos de VGS y VDSVGS2

Evolucin en el tiempo de las generaciones de transistores MOS a partir de DMOS hasta los transistores con trinchera.n+ lmite de la zona de deplexin

p n-

b) Para valores bajos de VDS (VGS2 > VGS1 , VGS2 < VT)

Tema 4. MOS. Transparencia 7 de 18

Tema 4. MOS. Transparencia 8 de 18

FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR D-MOSVGS3

FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR D-MOSVGS 3

n+ lmite de la zona de inversin lmite de la zona de deplexin p n-

n+

lmite de la zona de inversin lmite de la zona de deplexin

p

n

c) Para valores bajos de VDS (VGS3 > VGS2, VGS3 > VT)VGS4

e) Para valores mayores de VDS (VGS3 > VGS2, VGS3 > VT)

n+ lmite de la zona de inversin lmite de la zona de deplexin-

p n

d) Para valores mayores de VDS (VGS4 > VT)

Tema 4. MOS. Transparencia 9 de 18

Tema 4. MOS. Transparencia 10 de 18

DIODO EN ANTIPARALELOS n+ E G

DIODO EN ANTIPARALELO. Conmutacin en una Rama de un PuenteT1 D1 IDiodo IL Carga inductiva VDD

B p nC

T2D

D2 IDrenador VDD

C

G

B E S

Transistor Bipolar asociado al Transistor MOS

El transistor MOS con el Diodo en Antiparalelo Conmutando una Carga Inductiva en una rama de un Puente.

Tema 4. MOS. Transparencia 11 de 18

Tema 4. MOS. Transparencia 12 de 18

DIODO EN ANTIPARALELO. Conmutacin en una Rama de un Puente

DIODO EN ANTIPARALELO. Conmutacin en una Rama de un PuenteDA

DB

Diodos Rpidos Aadidos al Transistor

La velocidad de subida o bajada de la tensin VGS se controla fcilmente con el valor de la resistencia de la fuente de excitacin de puerta.

Tema 4. MOS. Transparencia 13 de 18

Tema 4. MOS. Transparencia 14 de 18

Efecto de las Capacidades Parsitas en la Tensin de PuertaCarga CGD D Transistor MOS Vcom

Efecto de las Capacidades Parsitas en la Tensin de Puerta

RG VG =0V

G CGS S

CDS

Cambio de tensin debido a la conmutacin de otro dispositivo

Transistor cortado

Efecto de la conmutacin de otros dispositivos sobre la tensin de puerta con distintos valores de RG .RG =200

El efecto de la conmutacin de otros dispositivos puede provocar variaciones importantes en la tensin de puerta debido al acoplamiento capacitivo CGD CGS . Esto tiene como consecuencias no deseadas: a) Se supere la tensin mxima que el xido puede soportar. b) Haciendo que el transistor (que estaba cortado) conduzca. Si se produce un flanco de subida, ese flanco se transmitir a la puerta, con lo que si se supera la tensin umbral, el MOS entra en conduccin.

En ambos casos es determinante el valor de la resistencia equivalente de la fuente que excita a la puerta (RG) cuanto menor sea esta resistencia menos se notar este efecto. Se debe tener especial cuidado con las conexiones en el circuito de puerta, porque cualquier inductancia parsita presente dar una impedancia equivalente muy alta ante cambios bruscos.

Efecto de la conmutacin de otros dispositivos sobre la tensin de puerta con distintos valores de RG .

Tema 4. MOS. Transparencia 15 de 18

VGS

Tema 4. MOS. Transparencia 16 de 18

VDS

Si se produce un flanco de bajada, ese flanco se transmitir igualmente a la puerta, permaneciendo el transistor cortado, pero con peligro de superar la tensin mxima del xido.

Vcom

ID

RG =2000

Esto tiene el efecto de que baje la tensin VDS con lo que el efecto se compensa, cortndose de nuevo el transistor a costa de sufrir grandes prdidas por la corriente que circula durante el transitorio.

RG =20

CARACTERSTICAS ESTTICAS, DINMICAS Y TRMICASRD =10 D Ro =50 G Vi =10V V1 V CGS GS S iD VDD =100V

REA DE OPERACIN SEGURAT, para ondas cuadradas con D=1% Lmite debido a RDS IDM=10A ID=5A 10s 0.1ms 1ms 10ms

SOA (DC)Lmite de potencia a Tc=25C 0.1A 10V

100ms

a) Circuito Empleado V110V 0 Velocidades de subida y bajada reguladas por RG t Umbral de conduccin Umbral de corteID

DC

BVDSS=500V

VDS

VGS10V 0

Zona de Operacin Segura (SOA) en un MOSFET de Potencia (iD y VDS en escala logartmica)ID es funcin del rea del transistor IC depende de min

iD9.85A 90% 0 10% tr tf

t

IC

SOA (DC)

VDS100V 1.5V 0

t

Lmite de potencia a Tc=25C

Avalancha secundaria del BJT

Comparacin entre las Zonas de Operacin Segura de dos transistores MOSFET y BJT de Potencia construidos para las mismas tensiones mximas y de secciones anlogas.

BVDSS o BVCE

VDS1000A

t

P=iDVDS0 t

b) Formas de Onda Resultantes Caractersticas Dinmicas del Transistor MOSFET

Ntese que los lmites de corrientes y tensiones de dispositivos de mayores potencias que pueden encontrarse en el mercado son aproximadamente:

100A

SOA BJT SOA MOS

1000V 1500V

Tema 4. MOS. Transparencia 17 de 18

Tema 4. MOS. Transparencia 18 de 18

INTRODUCCIN. Caractersticas Generales del BJTEl inters actual del Transistor Bipolar de Potencia (BJT) es muy limitado, ya que existen dispositivos de potencia con caractersticas muy superiores. Le dedicamos un tema porque es necesario conocer sus limitaciones para poder comprender el funcionamiento y limitaciones de otros dispositivos de gran importancia en la actualidad.

TEMA 3. TRANSISTOR BIPOLAR DE POTENCIA3.1. 3.2. 3.3. INTRODUCCIN CONSTITUCIN DEL BJT FUNCIONAMIENTO DEL BJT

Saturacin

Cuasi-Saturacin 1/Rd Ruptura Secundaria Ruptura Primaria Activa Corte B IB IE

C IC

IC(A)

3.3.1. Zona Activa 3.3.2. Zona de Cuasi-Saturacin 3.3.3. Zona de Saturacin 3.3.4. Ganancia 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. TRANSISTOR DARLINGTON EL TRANSISTOR EN CONMUTACIN EXCITACIN DEL BJT CONSIDERACIONES TRMICAS AVALANCHA SECUNDARIAb)

E 0 BVSUS BVCE0 BVCB0 VCE (V)

Caracterstica de salida (IC frente a VCE ) del transistor NPN de potencia, para distintas corrientes de base, IB5>IB4>...IB1 y Esquema del BJT de tipo NPN. Valores mximos de VCE : BVCB0>BVCE0>BVSUS BVSUS : Continua. BVCE0 : Para IB=0 BVCB0 : Para IE=0 Definicin de Corte: de IC= - IE+IC0 ; -IE=IC+IB ; se deduce:

IC =

1 IB + IC0 1 11 I C 0 10 I C 0 1

Posibles definiciones de corte: a) I B = 0 I C =

I E = 0I C = I C 0

ZONA DE OPERACIN SEGURA (SOA)

Por tanto se considera el transistor cortado cuando se aplica una tensin VBE ligeramente negativa IB = -IC = -IC0Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 2 de 17

Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 1 de 17

CONSTITUCIN DEL BJTE n+ B p n+ C Transistor Tipo Meseta (en desuso) La anchura de la base y su dopado sern lo menores posibles para conseguir una ganancia lo mayor posible (baja recombinacin de los electrones que atraviesan la base). Para conseguir BV elevada, se necesita una anchura de base grande y un dopado pequeo. El problema surge cuando el dopado es pequeo, pues para alojar la zona de deplexin la base debe ser muy ancha, bajando la ganancia. Es por tanto necesario encontrar unos valores intermedios de compromiso. Este compromiso implica que los BJT de potencia tienen una ganancia tpica de corriente entre 5 y 10. (muy baja). B

CONSTITUCIN DEL BJT

B WE=10m WB=520m Zona de expansin 50200mWC=250m

E+ 1019 cm-3 n

B

1016 cm-3 1014 cm-3

p n-

1019 cm-3

n+

CSeccin Vertical de un Transistor Bipolar de Potencia Tpico Ventajas de la estructura vertical: Maximiza el rea atravesada por la corriente: Minimiza resistividad de las capas Minimiza prdidas en conduccin Minimiza la resistencia trmica. En la prctica, los transistores bipolares de potencia no se construyen como se ve en esta figura, sino que se construyen en forma de pequeas celdillas como la representada, conectadas en paralelo.

Los dispositivos de potencia que estudiaremos en este curso se construyen empleando una estructura vertical y en forma de pequeas celdillas en paralelo.

Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 3 de 17

Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 4 de 17

CONSTITUCIN DEL BJTBase Emisor

FUNCIONAMIENTO DEL BJT. Zona Activa R nCarga (Exceso de electrones en la Base) Unin Colector-Base (inversamente polarizada) C

Vbb B Ep

Vcc p

n

+

n+

nn+ ColectorSeccin Vertical de un Transistor Bipolar de Potencia Multiemisor de Tipo NPN Ventajas de la estructura multiemisor: Reduce la focalizacin de la corriente debida al potencial de la base causante de la avalancha secundaria. Reduce el valor de RB (disminuye prdidas y aumenta la frecuencia fT ).

Distribucin de la carga almacenada en la base de un transistor bipolar de potencia tpico en activa.

Activa Zona Activa: VCE Elevada

n+

n+

n+

n+

Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 5 de 17

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FUNCIONAMIENTO DEL BJT. Zona de Cuasi-Saturacin

FUNCIONAMIENTO DEL BJT. Zona de Saturacin

Vbb B E n+

Vcc p

R nCarga (Exceso de electrones en la Base) n+ CE n+

Vbb B p

Vcc

R nn+ Carga en exceso Q2 C

CuasiSaturacin

Saturacin

Q1 Base Virtual

Base VirtualDistribucin de la carga almacenada en la base de un transistor bipolar de potencia tpico, en Cuasi-Saturacin. Cuasi-Saturacin: En activa al subir IB, IC VCE (=VCC - ICR ). Simultneamente: VjCB (=VCE - ICRd ). Donde Rd es la resistencia de la capa de expansin. El lmite de la zona activa se alcanza cuando: VjCB=0 (VCE = ICRd ). Si VjCB>0 (Unin directamente polarizada): Habr inyeccin de huecos desde p a n- (Recombinacin con electrones procedentes del emisor en n-) Desplaz. a la derecha de la unin efectiva: Rd Disminuye Aumento del ancho efectivo de la base. Disminuye

Distribucin de la carga almacenada en la base de un transistor bipolar de potencia tpico, en saturacin.

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Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 8 de 17

FUNCIONAMIENTO DEL BJT. Ganancia

TRANSISTOR DARLINGTON

log( )

max min garantizada por el fabricanteVCE-Saturacin

Basen+

IeTA

Emisorn+TB Ib

p

TA Ib

SiO2

IcTA

nn+ Colector

IcTB

ICmax /10

ICmax

log(IC)

Variacin de en Funcin de IC

Colector Base

TA D1 Emisor TB

D2

=BA+B+A

Estructura de un Par Darlington Monoltico Montaje Darlington para Grandes Corrientes.

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EL TRANSISTOR EN CONMUTACIN

EL TRANSISTOR EN CONMUTACIN

Colector VccZL IC

Colector VccZLInterruptor BJT conmutando una Carga Inductiva

IC

Base IBVBE

VCE

Base IBVBEIC

Interruptor BJT conmutando una Carga Inductiva

VCE

IL IC IB IBon dI B dt

IBon IB IBoff t

IBoff VBE

tVCE VBE t t=0 tdon tri tfv1 tfv2

VCE t=0 ts trv1 trv2 tfi

t

Proceso de conmutacin: Saturacin

Proceso de conmutacin: Corte

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EL TRANSISTOR EN CONMUTACIN

EXCITACIN DEL BJTAislamiento galvnico entre circuitos de control y potencia

IC1 2 3

4 Potencia disipada muy baja

5

Potencia disipada muy alta

VCC

Amplificador Acoplamiento Cb BJT de potencia

Fotoacoplador

6

Seal digital de control Tierra digital

VCE1, 2, 3, 4, 5 y 6: instantes de tiempo Trayectorias en el plano IC-VCE durante la conmutacinIC IB IBon 1 dI B dt

Tierra de potencia -VCC

2

IL 3 4 5 6 IB IBoff IBoff t VCE VBE

IC 6 5

Circuito Tpico de Excitacin de Base para BJTs de PotenciaIBon 4 1 t

VBE

VCE t=0 ts trv1 trv2 tfi

t t=0 tdon tri tfv1 tfv2

t

Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 13 de 17

Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 14 de 17

CONSIDERACIONES TRMICASVBE Vcc Vcontrol VBE t IC VCE td tr tf 90% 10% ts t IB VBE Pd t RC IC VCE

AVALANCHA SECUNDARIACada de tensin Concentracin de corriente B B Cada de tensin E B + ee-

Vcc

Las prdidas en corte suelen despreciarse al ser la corriente muy baja. Las prdidas conduccin pueden aproximadas por: en ser

B +

E

pe-

n+e-

e-

+

pe-

n++

-

T Pon = I c VCEsat ON T

nT=1/f t

nC C

Las prdidas en conmutacin pueden estimarse suponiendo que la corriente y la tensin siguen una lnea recta durante la conmutacin:

a) b) Concentracin o Focalizacin de Corriente en un BJT. a) En la Conmutacin a Saturacin (IB >0) y b) en la Conmutacin a Corte (IB