dispositivos de potencia

Presentacin de PowerPoint

Seleccin de dispositivos electrnicos de potencia

Universidad de OviedoDiseo de Sistemas Electrnicos de Potencia4 Curso. Grado en Ingeniera en Tecnologas y Servicios de Telecomunicacin Leccin 2 El Diodo de potencia El MOSFET de potencia El Transistor Bipolar de Puerta Aislada (IGBT) El Rectificador Controlado de Silicio (SCR) El Tiristor Apagado por Puerta (GTO) El Triodo de Corriente Alterna (TRIAC) Dispositivos a estudiarNuevos para vosotros Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA AxialesDO 35

DO 41

DO 15DO 201

Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA Para usar radiadores

Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA Para grandes potencias

B 44

DO 5 Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA Agrupaciones de 2 diodos

2 diodos en ctodo comn

2 diodos en serie Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA Agrupaciones de 2 diodos (con varias conexiones)

Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA Agrupaciones de 2 diodos (sin conectar)

Nombre del dispositivo Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA Agrupaciones de 2 diodos. Diversos encapsulados para el mismo dispositivo

Nombre del dispositivoEncapsulados Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos)

Dual in line Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos)

Encapsulados de diodos DIODOS DE POTENCIA Puentes de diodos. Toda la gama de Fagor

Encapsulados mixtos de diodos y otros dispositivos DIODOS DE POTENCIA Dan origen a mdulos de potencia - Adecuados para alta potencia y relativa alta frecuencia - Minimizan las inductancias parsitas del conexionado - Se usan en aplicaciones industriales, espaciales, militares, etc - Se pueden pedir a medida

Control de Motores

Electrnica militarCircuito equivalente estticoVrdModelo asintticoideal0iVV Circuito equivalente asintticoCurva caracterstica asinttica. Pendiente = 1/rd

Curva caracterstica idealDIODOS DE POTENCIACurva caracterstica realDIODOS DE POTENCIACaractersticas fundamentales de cualquier diodo1 -Mxima tensin inversa soportada2 -Mxima corriente directa conducida3 -Cada de tensin en conduccin4 -Corriente de inversa en bloqueo 5 -Velocidad de conmutacinBaja tensin15 V30 V45 V55 V60 V80 VAlta tensin500 V600 V800 V1000 V1200 V1 Mxima tensin inversa soportadaMedia tensin100 V150 V200 V400 V

Ejemplo de clasificacin Corresponde a la tensin de ruptura de la unin inversamente polarizada

DIODOS DE POTENCIA1 Mxima tensin inversa soportada El fabricante suministra (a veces) dos valores:- Tensin inversa mxima de pico repetitivo VRRM- Tensin inversa mxima de pico no repetitivo VRSMLa tensin mxima es crtica. Superarla suele ser determinante del deterioro irreversible del componente

DIODOS DE POTENCIA2 Mxima corriente directa conducida El fabricante suministra dos (y a veces tres) valores:- Corriente eficaz mxima IF(RMS)- Corriente directa mxima de pico repetitivo IFRM- Corriente directa mxima de pico no repetitivo IFSM

Depende de la cpsula

DIODOS DE POTENCIA La cada de tensin en conduccin (obviamente) crece con la corriente directa conducida. A corrientes altas crece linealmente3 Cada de tensin en conducciniVVrdideal

IDVD5 ADIODOS DE POTENCIA3 Cada de tensin en conduccin La cada de tensin en conduccin crece con la mxima tensin soportable por el diodo

DIODOS DE POTENCIA3 Cada de tensin en conduccin Se obtiene directamente de las curvas tensin corriente

IF(AV) = 4A, VRRM = 200V


1,25V @ 25A2,2V @ 25A En escala lineal no son muy tiles Frecuentemente se representan en escala logartmica

DIODOS DE POTENCIA3 Cada de tensin en conduccin Curva caracterstica en escala logartmica0,84V @ 20A1,6V @ 20AIF(AV) = 25A, VRRM = 200VIF(AV) = 22A, VRRM = 600VDIODOS DE POTENCIA3 Cada de tensin en conduccin Los Schottky tienen mejor comportamiento en conduccin para VRRM < 200 (en silicio)

0,5V @ 10A

DIODOS DE POTENCIA3 Cada de tensin en conduccin Schottky de VRRM relativamente alta0,69V @ 10A

La cada de tensin en conduccin no slo va creciendo al aumentar VRRM, sino que se aproxima a la de un diodo PNDIODOS DE POTENCIA3 Cada de tensin en conduccinSchottky

Schottky

PNSimilares valores de VRRM y similares cadas de tensin en conduccin Depende de los valores de IF(AV) y VRRM, de la tensin inversa (poco) y de la temperatura (mucho) Algunos ejemplos de diodos PNDIODOS DE POTENCIA4 Corriente de inversa en bloqueo



IF(AV) = 8A, VRRM = 200VCrece con IF(AV)Crece con TjDIODOS DE POTENCIA4 Corriente de inversa en bloqueo



Dos ejemplos de diodos Schottky Decrece con VRRM Crece con IF(AV) Crece con TjTransicin de a a b, es decir, de conduccin a bloqueo (apagado)abV1V2RiV+-iVttV1/R-V2DIODOS DE POTENCIA5 Velocidad de conmutacin Comportamiento ideal de un diodo en conmutacinabV1V2RiV+-Transicin de a a b, es decir, de conduccin a bloqueo (apagado)iVtttrrV1/R-V2/Rtstf (i= -0,1V2/R)-V2ts = tiempo de almacenamiento (storage time )tf = tiempo de cada (fall time )trr = tiempo de recuperacin inversa (reverse recovery time )DIODOS DE POTENCIA5 Velocidad de conmutacin Comportamiento real de un diodo en conmutacinabV1V2RiV+-itd = tiempo de retraso (delay time )tr = tiempo de subida (rise time )tfr = td + tr = tiempo de recuperacin directa (forward recovery time )tr0,9V1/Rtd0,1V1/RtfrEl tiempo de recuperacin directa genera menos problemas reales que el de recuperacin inversaDIODOS DE POTENCIATransicin de b a a, es decir, de bloqueo conduccin (encendido) Comportamiento real de un diodo en conmutacin5 Velocidad de conmutacinDIODOS DE POTENCIA5 Velocidad de conmutacin


Informacin suministrada por los fabricantes Corresponde a conmutaciones con cargas con comportamiento inductivoDIODOS DE POTENCIA5 Velocidad de conmutacin Ms informacin suministrada por los fabricantes

STTA506DDIODOS DE POTENCIA5 Velocidad de conmutacin La velocidad de conmutacin (valorada con la trr) ayuda a clasificar los diodos Las caractersticas de todos los semiconductores (por supuesto, tambin de los diodos) se pueden encontrar en Internet (pdf)www.irf.comwww.onsemi.comwww.st.comwww.infineon.com

Direcciones webStandardFastUltra FastSchottkyVRRMtrrIF100 V - 600 V100 V - 1000 V200 V - 800 V15 V - 150 V (Si)300 V 1200 V (SiC)> 1 s100 ns 500 ns 20 ns 100 ns < 2 ns 1 A 150 A1 A 50 A1 A 50 A1 A 50 A< 2 ns 1 A 20 ADIODOS DE POTENCIAPrdidas en diodos Son de dos tipos:- Estticas en conduccin (en bloqueo son despreciables)- DinmicasVrdidealiDPotencia instantnea perdida en conduccin: pDcond (t) = vD (t)iD (t) = (V + rd iD(t)) iD(t)PDcond = VIM + rd Ief2IM : Valor medio de iD(t)Ief : Valor eficaz de iD(t)Prdidas estticas en un diodoiDForma de onda frecuente

Potencia media en un periodo:tfDIODOS DE POTENCIA Las conmutaciones no son perfectas Hay instantes en los que conviven tensin y corriente La mayor parte de las prdidas se producen en la salida de conducciniDtVDtPrdidas dinmicas (prdidas de conmutacin) en un diodo0,8 V-200 V10 A3 APotencia instantnea perdida en la salida de conduccin: pDsc (t) = vD (t)iD (t)

Potencia media en un periodo:DIODOS DE POTENCIA EstticasInformacin de los fabricantes sobre prdidas

(de las hojas de caractersticas (Datasheet) del diodo STTA506) DIODOS DE POTENCIA DinmicasInformacin de los fabricantes sobre prdidas

(de las hojas de caractersticas (Datasheet) del diodo STTA506)

DIODOS DE POTENCIA DinmicasInformacin de los fabricantes sobre prdidas

(de las hojas de caractersticas (Datasheet) del diodo STTA506)

DIODOS DE POTENCIACaractersticas Trmicas Las prdidas generan calor y ste debe ser evacuado El silicio pierde sus propiedades semiconductoras a partir de 175-150CSijUnin (oblea)cEncapsuladoaAmbienteP (W) Magnitudes trmicas: - Resistencias trmicas, RTH en C/W- Increm. de temperaturas, T en C - Potencia perdida, P en W Ley de Ohm trmica: T=PRTH RTHjcRTHca Magnitudes elctricas: - Resistencias elctricas, R en - Difer. de tensiones, V en voltios - Corriente, I en ARTH RT VP IEquivalente elctricoDIODOS DE POTENCIACaractersticas TrmicasAmbienteSijUnincEncapsuladoaP (W)RTHjcRTHcaRTH RT VP IEquivalente elctricoPRTHjcRTHcaTajca0 KTCTJPor tanto: T = PRTH Tj-Ta = P(RTHjc + RTHca)Y tambin: Tj-TC = PRTHjc y Tc-Ta = PRTHca DIODOS DE POTENCIACaractersticas Trmicas La resistencia trmica unin-cpsula es baja ( 0,5-5 C/W) La resistencia trmica cpsula-ambiente es alta ( 30-100 C/W) Para reducir la temperatura de la unin hay que disminuir la resistencia trmica entre la cpsula y el ambiente. Para ello se coloca un radiador en la cpsula.


CpsulaTO 3TO 5TO 66TO 220TOP 3RTHca [C/W]30105456040DIODOS DE POTENCIACaractersticas TrmicasjcPRTHjcRTHcaTaa0 KTCTJPor tanto: Tj-Ta = P[RTHjc + (RTHcaRTHrad)/(RTHca+RTHrad)]Y tambin: Tj-TC = PRTHjc y Tc-Ta = P(RTHcaRTHrad)/(RTHca+RTHrad)]AmbienteSijUnincEncapsuladoaP (W)RTHjcRTHcaRTHradRTHradEL MOSFET DE POTENCIAVDS [V]ID [mA] 4 284120VGS = 2,5VVGS = 3VVGS = 3,5VVGS = 4VVGS = 4,5VVGS = 0V< 2,5V< 3V < 3,5V< 4V Comportamiento resistivoVGS < VTH = 2V< 4,5V Comportamiento como circuito abierto10V+ -VDSID+ -VGS2,5KWGDS Zonas de trabajo de un MOSFET de sealIdeas generales sobre los MOSFETs de acumulacin de sealComportamiento como fuente de corriente (sin inters en electrnica de potencia)42GDSDSG+P-SubstratoN+N+ Precauciones en el uso de transistores MOSFET- El terminal puerta al aire es muy sensible a los ruidos- El xido se puede llegar a perforar por la electricidad esttica de los dedos. A veces se integran diodos zener de proteccin- Existe un diodo parsito entre fuente y drenador en los MOSFET de enriquecimientoEL MOSFET DE POTENCIAIdeas generales sobre los MOSFETs de acumulacin de sealGDS Estn formados por miles de celdas puestas en paralelo (son posibles integraciones de 0,5 millones por pulgada cuadrada) Los dispositivos FET (en general) se paralelizan fcilmente Algunas celdas posibles (dispositivos verticales): EL MOSFET DE POTENCIAEstructura de los MOSFETs de Potencia PuertaDrenadorFuenten+n-pn+n+Estructura planar(D MOS)Estructura en trinchera(V MOS)Drenadorn+n-pn+PuertaFuente En general, semejantes a los de los diodos de potencia (excepto los encapsulados axiales) Existe gran variedad de encapsulados Ejemplos: MOSFET de 60VEL MOSFET DE POTENCIAEncapsulados de MOSFETs de Potencia

RDS(on)=9,4mW, ID=12A

RDS(on)=12mW, ID=57A

RDS(on)=9mW, ID=93A

RDS(on)=5,5mW, ID=86A

RDS(on)=1.5mW, ID=240A

Otros ejemplos de MOSFET de 60VEL MOSFET DE POTENCIAEncapsulados de MOSFETs de Potencia RDS(on)=3.4mW, ID=90A

EL MOSFET DE POTENCIACaractersticas fundamentales de los MOSFETs de potencia1 -Mxima tensin drenador-fuente 2 -Mxima corriente de drenador3 -Resistencia en conduccin4 -Tensiones umbral y mximas de puerta 5 -Proceso de conmutacin1 Mxima tensin drenador-fuente Corresponde a la tensin de ruptura de la unin que forman el substrato (unido a la fuente) y el drenador. Se mide con la puerta cortocircuitada a la fuente. Se especifica a qu pequea circulacin de corriente corresponde (por ejemplo, 0,25 mA)

MOSFET con puerta en trinchera DrenadorN+N-PN+FuentePuertaDiodo FuenteDrenadorEL MOSFET DE POTENCIA1 Mxima tensin drenador-fuenteBaja tensin15 V30 V45 V55 V60 V80 VMedia tensin100 V150 V200 V400 VAlta tensin500 V600 V800 V1000 V1200 V (SiC)Ejemplo de clasificacin La mxima tensin drenador-fuente de representa como VDSS o como V(BR)DSS Ayuda a clasificar a los transistores MOSFET de potenciaEL MOSFET DE POTENCIA2 Mxima corriente de drenador El fabricante suministra dos valores (al menos):- Corriente continua mxima ID- Corriente mxima pulsada IDM

La corriente continua mxima ID depende de la temperatura de la cpsula (mounting base aqu)A 100C, ID=230,7=16,1AEL MOSFET DE POTENCIA3 Resistencia en conduccin Es uno de los parmetro ms importante en un MOSFET. Cuanto menor sea, mejor es el dispositivo Se representa por las letras RDS(on) Para un dispositivo particular, crece con la temperatura Para un dispositivo particular, decrece con la tensin de puerta. Este decrecimiento tiene un lmite.

Drain-source On Resistance, RDS(on) (Ohms)

EL MOSFET DE POTENCIA3 Resistencia en conduccin Comparando distintos dispositivos de valores de ID semejantes, RDS(on) crece con el valor de VDSS

EL MOSFET DE POTENCIA3 Resistencia en conduccin En los ltimos tiempos se han mejorado sustancialmente los valores de RDS(on) en dispositivos de VDSS relativamente alta (600-1000 V)

MOSFET de los aos 2000MOSFET de 1984EL MOSFET DE POTENCIA 4 Tensiones umbral y mximas de puerta La tensin puerta fuente debe alcanzar un valor umbral para que comience a haber conduccin entre drenador y fuente Los fabricantes definen la tensin umbral VGS(TO) como la tensin puerta-fuente a la que la corriente de drenador es 0,25 mA, o 1 mA Las tensiones umbrales suelen estar en el margen de 2-4 V

EL MOSFET DE POTENCIA 4 Tensiones umbral y mximas de puerta La tensin umbral cambia con la temperatura

EL MOSFET DE POTENCIA 4 Tensiones umbral y mximas de puerta La mxima tensin soportable entre puerta y fuente es tpicamente de 20V

EL MOSFET DE POTENCIA5 Proceso de conmutacin Los MOSFET de potencia son ms rpidos que otros dispositivos usados en electrnica de potencia (tiristores, transistores bipolares, IGBT, etc.) Los MOSFET de potencia son dispositivos de conduccin unipolar. En ellos, los niveles de corriente conducida no estn asociados al aumento de la concentracin de portadores minoritarios, que luego son difciles de eliminar para que el dispositivo deje de conducir La limitacin en la rapidez est asociada a la carga de las capacidades parsitas del dispositivo Hay, esencialmente tres: - Cgs, capacidad de lineal - Cds, capacidad de transicin Cds k/(VDS)1/2 - Cdg, capacidad Miller, no lineal, muy importanteSDGCdgCgsCdsEL MOSFET DE POTENCIA5 Proceso de conmutacin Los fabricantes de MOSFET de potencia suministran informacin de tres capacidades distintas de las anteriores, pero relacionadas con ellas:- Ciss = Cgs + Cgd con Vds=0 ( capacidad de entrada)- Crss = Cdg (capacidad Miller)- Coss = Cds + Cdg ( capacidad de salida)

CissCoss

EL MOSFET DE POTENCIA5 Proceso de conmutacin Ejemplo de informacin de los fabricantes

Ciss = Cgs + Cgd Crss = Cdg Coss = Cds + Cdg

V1RCCarga y descarga de un condensador desde una resistenciaEL MOSFET DE POTENCIA5 Proceso de conmutacin La carga y la descarga de estas capacidades parsitas generan prdidas que condicionan las mximas frecuencias de conmutacin de los MOSFET de potencia

En la carga de C: - Energa perdida en R = 0,5CV12 - Energa almacenada en C = 0,5CV12

En la descarga de C: - Energa perdida en R = 0,5CV12

Energa total perdida: CV12 = V1QCV1 Adems, en general estas capacidades parsitas retrasan las variaciones de tensin, ocasionando en muchos circuitos convivencia entre tensin y corriente, lo que implica prdidas en las fuentes de corriente dependientes que caracterizan la operacin esttica del MOSFET EL MOSFET DE POTENCIA5 Proceso de conmutacin Anlisis de una conmutacin tpica en conversin de energa: - Con carga inductiva - Con diodo de enclavamiento - Suponiendo diodo ideal CdgCgsCdsV1RV2ILEL MOSFET DE POTENCIA5 Proceso de conmutacin Situacin de partida: - Transistor sin conducir (en bloqueo) y diodo en conduccin - Por tanto:

vDG = V2, vDS = V2 y vGS = 0 iDT = 0 y iD = IL+-vDSvGS+-+-vDGCdgCgsCdsV1RV2ILiDTiDBA - En esa situacin, el interruptor pasa de B a A +-+-EL MOSFET DE POTENCIA5 Proceso de conmutacin iDT = 0 hasta que vGS = VGS(TO) vDS = V2 hasta que iDT = IL +-vDSvGS+-+-vDGCdgCgsCdsV1RV2ILiDTiDBAVGS(TO)vDSiDTvGSBAILPendiente determinada por R, Cgs y por Cdg(V2) +-+-+-EL MOSFET DE POTENCIA5 Proceso de conmutacin La corriente que da V1 a travs de R se emplea fundamentalmente en descargar Cdg prcticamente no circula corriente por Cgs vGS = Cte+-vDSvGS+-+-vDGCdgCgsCdsV1RV2ILiDTBAVGS(TO)vDSiDTvGSBAIL+-+-+-EL MOSFET DE POTENCIA5 Proceso de conmutacin Cgs y Cdg se continan cargandoVGS(TO)vDSiDTvGSBAIL+-vDSvGS+-+-vDGCdgCgsCdsV1RV2ILiDTBA+-V1Constante de tiempo determinada por R, Cgs y por Cdg (medida a V1) +-EL MOSFET DE POTENCIA5 Proceso de conmutacin Valoracin de prdidas entre t0 y t2: - Hay que cargar Cgs (grande) y descargar Cdg (pequea) VM voltios (energa perdida en el circuito de mando) - Hay convivencia tensin corriente entre t1 y t2 (energa perdida en la fuente de corriente dependiente del MOSFET)iDT+-vDSvGS+-CdgCgsCdsV2+-+-+-iDTt0t1t2t3VGS(TO)vDSiDTvGSBAILV1VMPVIValoracin de prdidas de entrada en conduccin (caso de conmutaciones sin recuperacin de energa)EL MOSFET DE POTENCIA5 Proceso de conmutacin Valoracin de prdidas entre t2 y t3: - Hay que descargar Cds hasta 0 (energa perdida en el transistor) e invertir la carga de Cdg desde V2-VM hasta -VM (energa perdida transistor y en el circuito de mando) - Hay convivencia tensin corriente entre t2 y t3 (energa suministrada externamente al transistor y perdida)V1VMt0t1t2t3VGS(TO)vDSiDTvGSBAILPVIiDT = IL+-vDSvGS+-CdgCgsCds+-+-+-ILiCdsiCdg+iCds+ILiCdgEL MOSFET DE POTENCIA5 Proceso de conmutacin Valoracin de prdidas a partir de t3: - Hay que acabar de cargar Cgs y Cdg hasta V1 - No hay convivencia tensin corriente salvo la propia de las prdidas de conduccint0t1t2t3VGS(TO)vDSiDTvGSBAILPVIV1VMiDT = IL+-vDSvGS+-CdgCgsCds+-+-ILiCdgiLEL MOSFET DE POTENCIA5 Proceso de conmutacin Valoracin de la rapidez de un dispositivo por la carga de puerta: - La corriente que da la fuente V1 es aproximadamente constante entre t0 y t3 (comienzo de una exponencial, con IV1 V1/R) - De t0 a t2, la corriente IV1 se ha encargado esencialmente en cargar Cgs. Se ha suministrado una carga elctrica Qgs - De t2 a t3, la corriente Iv1 se ha encargado en invertir la carga de Cdg. Se ha suministrado una carga elctrica Qdg - Hasta que VGS = V1 se sigue suministrando carga. Qg es el valor total (incluyendo Qgs y Qdg) - Para un determinado sistema de gobierno (V1 y R), cuanto menores sean Qgs, Qdg y Qg ms rpido ser el transistor - Obviamente t2-t0 QgsR/V1, t3-t2 QdgR/V1 y PV1 = V1QgfS, siendo fS la frecuencia de conmutacinvGSiV1t0t2t3V1iV1RQgsQdgQgEL MOSFET DE POTENCIA5 Proceso de conmutacin Valoracin de la rapidez de un dispositivo por la carga de puerta: Informacin de los fabricantes

IRF 540

MOSFET de los aos 2000

BUZ80MOSFET de 1984EL MOSFET DE POTENCIA5 Proceso de conmutacin Otro tipo de informacin suministrada por los fabricantes: conmutacin con carga resistiva (no es importante para nosotros)VDSVGS10%90%trtd ontftd offtd on: retraso de encendidotr: tiempo de subidatd off: retraso de apagadotf: tiempo de bajada+ -vDSiDT+ -vGSGDS+RGRDEL MOSFET DE POTENCIA5 Proceso de conmutacin

IRF 540td on: retraso de encendidotr: tiempo de subidatd off: retraso de apagadotf: tiempo de bajada+ -vDSiDT+ -vGSGDS+RGRD Otro tipo de informacin suministrada por los fabricantes: conmutacin con carga resistiva (no es importante para nosotros)EL MOSFET DE POTENCIAPrdidas en un MOSFET de potencia Prdidas por convivencia tensin corriente entre drenador y fuentevDSiDTvGSPVIPrdidas en conduccinPrdidas en conmutacinPcond = RDS(on)iDT(rms)2WonWoffPconm = fS(won + woff)EL MOSFET DE POTENCIAPrdidas en un MOSFET de potencia Prdidas en la fuente de gobiernovGSiV1t0t2t3QgsQdgQgPV1 = V1QgfSV1iV1RCircuito tericoV1iV1RBCircuito realEL MOSFET DE POTENCIAEl diodo parsito de los MOSFETs de potenciaEl diodo parsito suele tener malas caractersticas, sobre todo en MOSFETs de alta tensinGDS

IRF 540

EL MOSFET DE POTENCIAEl diodo parsito de los MOSFETs de potenciaEl diodo parsito en un MOSFET de alta tensin

EL MOSFET DE POTENCIACaractersticas trmicas de los MOSFETs de potencia Es vlido todo lo comentado para los diodos de potencia

Este fabricante denomina mounting base a la cpsula y suministra informacin de la RTHja = RTHjc + RTHca El IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) se basa en una estructura que permite: Modulacin de la conductividad (lo que implica bajas prdidas en conduccin) Antisaturacin del transistor bipolar interno (no tan lento como si se saturara completamente) Control desde una puerta MOS (como un MOSFET). P P N V2RS1P P N V2RGDSEL IGBTPrincipio de operacin y estructuraCircuito equivalente simplificado de un IGBT P P N GDSE B C Colector (C)Emisor (E)Puerta (G)Colector (Collector)Emisor(Emitter)Puerta(Gate)

Smbolo de un IGBT de canal NOtro smbolo usadoEL IGBTPrincipio de operacin y estructuraConcepto de nivel de inyeccin en una unin PNPortadores/cm3104101210141016-0.3-0.2-0.10- 0+0.10.20.3Longitud [mm]1010108106P+N-nPVnNpPpNVBajo nivel de inyeccin :nN(0+) >> pNV(0+) Bajo nivel de inyeccin es lo que siempre hemos considerado hasta ahora en otros casos de uniones PN y P+N- En el caso de uniones P+N- esto es vlido para polarizaciones directas no muy intensas. En caso contrario, entramos en alta inyeccin.Principio de operacin y estructuraEL IGBT-0.3-0.2-0.10- 0+0.10.20.3Longitud [mm]P+N-nPVnNpPpNVAlto nivel de inyeccin:nN(0+) pNV(0+) Si la tensin de polarizacin directa es suficientemente intensa, pNV(0+) se aproxima a nN(0+). En este caso, nN no permanece constante, sino que se incrementa notablementeNo es posible!Concepto de nivel de inyeccin en una unin PNPrincipio de operacin y estructuraEL IGBTPortadores/cm3Modulacin de la Conductividad101610610101410P+N+N-NA = 1019ND2 = 1019ND1 = 1014nP+pN+nN- pN-Huecos inyectados desde la zona P+Electrones inyectados desde la zona N+ Hay inyeccin de portadores desde las regiones adyacentes muy dopadas (doble inyeccin) , lo que disminuye la resistividad de la regin poco dopada cuando est en conduccin. Este fenmeno se llama Modulacin de la Conductividad y slo ocurre en dispositivos bipolaresPrincipio de operacin y estructuraEL IGBT Se utilizaban antes del desarrollo de los MOSFET de potencia. Hoy se utilizan poco (como interruptores principales) Son mucho ms lentos que los MOSFETs (como unas 10 veces ms lentos) Adems, hay que inyectar una corriente bastante apreciable por la base (slo 5-20 veces menor que la corriente de colector) Sin embargo, tienen modulacin de la conductividad, lo que implica que se pueden hacer dispositivos que soporten mucha tensin (zona N- poco dopada) y que tengan baja resistencia en conduccin (por modulacin de la conductividad) En resumen, superan a los MOSFET en comportamiento estticoN+N+N-P-EBCSiO2Corriente de colectorCorriente de BaseEL IGBTPrincipio de operacin y estructuraTransistores bipolares (BJTs) de potencia ConmutacinControlModulacin de la ConductividadPrdidas en conduccin en dispositivos de alta tensinBJTsLentaDifcilSBajasMOSFETsRpidaFcilNoAltas Se puede conseguir un dispositivo con las ventajas de ambos? La respuesta es el IGBT, que presenta muy buenas caractersticas en aplicaciones de mayor potencia que las de uso de los MOSFET (sacrificando frecuencia de conmutacin) Comparacin entre BJTs y MOSFETs de potencia EL IGBTPrincipio de operacin y estructuraColector (C)Emisor (E)Puerta (G)ColectorEmisorPuertaP+N-PN+N+N+ColectorEmisorPuerta Estructura interna de un IGBT(modelo muy simple) EL IGBTPrincipio de operacin y estructuraP+N-PN+N+N+ColectorEmisorPuertaRdriftColectorEmisorPuertaRdriftEL IGBT Estructura interna de un IGBT(modelo un poco ms elaborado) Principio de operacin y estructura El IGBT bloqueando (soportando) tensinP+N-N+ColectorEmisorPuertaColectorEmisorPuertaRdriftRV2N+N+PRV2Zona de transicinEL IGBTPrincipio de operacin y estructuraColectorEmisorPuertaRdriftP+N-N+ColectorEmisorPuertaN+N+PRV2V1V1RdriftRV2Modulacin de la ConductividadEfecto transistorEL IGBT El IGBT conduciendo corrientePrincipio de operacin y estructura Hay un tiristor parsito que creaba problemas en los primeros IGBTs. El problema est hoy solucionado, cortocircuitando RbodyP+N-N+ColectorEmisorN+PRdriftRbodyPuertaColectorEmisorPuertaRdriftRbodyEL IGBT Modelo completo de la estructura interna de un IGBTPrincipio de operacin y estructuraEL IGBT Modelo completo de la estructura interna de un IGBT actual (solucionado el problema del tiristor parsito interno)Principio de operacin y estructuraP+N-N+ColectorEmisorPPuertaCanalP+N+P+N-N+ColectorEmisorN+PPuertaRbodyCorriente por el BJTCanalCorriente por el BJTTiristor parsitoCorriente que dispara el tiristor parsitoPara evitar el disparo de tiristor parsito El IGBT no puede conducir corriente inversa con tensin cero en puerta, como s ocurra en los MOSFETsGDSDiodo parsitoCorriente inversaCEGNPPCorriente inversaCEGNPPDiodo externoCorriente inversa El IGBT por tanto puede soportar tensin inversa Los IGBTs simtricos se disean para este fin. Sin embargo, la cada de tensin directa es mayor en ellos. Para conducir corriente inversa hay que colocar un diodo en antiparaleloEL IGBTPrincipio de operacin y estructura Estructuras asimtrica y simtricaP+N-N+ColectorEmisorPPuertaP+N+ IGBT asimtrico(tambin llamado punch-through IGBT) P+N-ColectorEmisorPPuertaP+N+ IGBT simtrico(tambin llamado non-punch-through IGBT) EL IGBTPrincipio de operacin y estructuravDS [V]iD [A] 4 2 6420vGS = 4VvGS = 5VvGS = 6VvGS < VGS(TO) = 3VvGS = 8VvGS = 10VCEGvCE [V]iC [A] 4 2 6420vGE = 4VvGE = 5VvGE = 6VvGE < VGE(th) = 3VvGE = 8VvGE = 10V Caso de un MOSFET. Tambin es as en la parte MOSFET del IGBT Caso de un IGBT. Se obtienen sumando vEB_BJT a las curvas caractersticas de un MOSFET+-vEB_BJTvEB_BJTEL IGBTCurvas caractersticas de salida de los IGBTs

EL IGBTCaractersticas generales de un IGBT

Informacin general del IRG4PC50W.EL IGBTCaractersticas generales de un IGBT

EL IGBTCaractersticas estticas de un IGBT

IC_max @ T = 50 oC: 55 A IC_max @ T = 75 oC: 48 A EL IGBTCaractersticas estticas de un IGBT

Asymmetrical IGBTEL IGBTCaractersticas estticas de un IGBT

vCE [V]iC [A] 4 2 6420vGE = 15VvEB_BJT Curva caracterstica esttica para una tensin vGE dadavEB_BJT 1VEL IGBTCaractersticas estticas de un IGBT

Comportamiento trmico como un BJTComportamiento trmico como un MOSFETEL IGBTCaractersticas estticas de un IGBTvGEvGE(th)vCEiCGCE Apagado con carga inductiva y diodo idealApagado de la parte MOSFETApagado de la parte BJTCola del IGBTVGRGVDCILCEG+-vCEvGE+-iCBAVGEL IGBTCaractersticas dinmicas de los IGBTsvGEvGE(th)vCEiCGCE Comparacin de IGBTs y MOSFETs en el apagadoParte MOSFET Parte BJTColaPeriodo con prdidas de apagadoPrdidas de conmutacinvGSvDS(TO)vDSiDGDSEL IGBTCaractersticas dinmicas de los IGBTsGCEEncendido de la parte MOSFETParte BJTvGEvCEiCvGE(th)Periodo con prdidas de encendidoEL IGBTCaractersticas dinmicas de los IGBTs Encendido con carga inductiva y diodo idealVGRGVDCILCEG+-vCEvGE+-iCBAVG

Conmutaciones reales del IGBT IRG4PC50W teniendo en cuenta el comportamiento real del diodo y las inductancias parsitasEL IGBTCaractersticas dinmicas de un IGBT

EL IGBTCaractersticas dinmicas de un IGBT

Capacidades parsitas y carga de puertaEL IGBTCaractersticas dinmicas de un IGBT

Las de conmutacin a partir de curvas especficas de los fabricantes:

Las de conduccin se calculan desde las curvas caractersticas estticas:EL IGBTPrdidas en un IGBT Los tiristores fueron, durante muchos aos, los dispositivos que dominaban la electrnica de potencia Son dispositivos bipolares de ms de dos uniones Por ser bipolares, son lentos, pero capaces de manejar grandes corrientes y tensiones (modulacin de la conductividad) Los ms importantes son:- El Rectificador Controlado de Silicio (Silicon Controlled Rectifier, SCR), al que se le aplica muchas veces el nombre de Tiristor El GTO (Gate Turn-Off thyristor) o Tiristor apagado por puerta El TRIAC (Triode AC ) o Triodo para Corriente Alterna El DIAC (Diode AC) Todos ellos los estudiaremos con menos profundidad que los diodos, los MOSFETs y los IGBTsLos TiristoresIntroduccin a los TiristoresLos TiristoresLa estructura de 3 uniones (4 capas)E1B1C1E2B2C2 La base de los tiristores es la estructura PNPN PNNPPNPNNPSe trata de una estructura realimentada que admite dos estados estables (es como un biestable) RgVgLos TiristoresRVCCE1B1C1E2B2C2-+Pol. inversa+-Polarizacin directaPolarizacin directa+-La estructura de 4 capas puede soportar tensin sin conducir corriente, ya que una unin queda polarizada inversamenteLa estructura de 3 uniones (4 capas)RVCCE1B1C1E2B2C2-++-+-Ahora inyectamos corriente en la unin B1-E1 desde una fuente externa VgiB1Ahora circula iB1 = ig por la unin B1-E1igLos TiristoresLa estructura de 3 uniones (4 capas)RgVgRVCCiB1 iB1 genera iC1 = b1iB1 Pero iC1 = iB2; por tanto: iC2 = b2iB2 = b2b1iB1 La corriente iB1 ser ahora:iB1 = ig + iC2 = ig + b2b1iB1 Es decir, iB1 b2b1iB1 >> iB1

iC1iB2iC2igiB1Conclusiones: La corriente de base crece hasta saturar a los dos transistores Como consecuencia, el dispositivo se comporta como un cortocircuito La corriente ig puede eliminarse y la situacin no cambia

b1b2-+Los TiristoresRVCCLa estructura de 3 uniones (4 capas)+-0 V+-0 V-+VCCiCC = 0 A

RVCC+- 0,7 V+- 0,7 V+- 0,5 ViCC VCC/R

0,9 V+ - Por tanto, el mismo circuito puede estar en dos estados, dependiendo de la historia anterior:- Con la estructura de 4 capas sin conducir- Con la estructura de 4 capas conduciendoVCC+ - RgVgLos TiristoresLa estructura de 3 uniones (4 capas)iCC VCC/R

Cmo se puede conseguir que la estructura de 4 capas conduzca? (I)- Inyectando corriente en B1(ya explicado) 0,9 V+ - RVCCB1- Aumentando mucho VCC: las corrientes inversas de las uniones base-colector alcanzan valores suficientes para la saturacin mutua de los transistoresRVCCiCC VCC/R

0,9 V+ - iC1iC2Esto slo ocurre cuando las b son suficientemente grandes, lo que se alcanza cuando las corrientes inversas tambin lo sonLos TiristoresLa estructura de 3 uniones (4 capas)Cmo se puede conseguir que la estructura de 4 capas conduzca? (II)- Sometiendo a la estructura a una fuerte derivada de tensin: la corriente de carga de la capacidad parsita colector base pone en conduccin la estructura

iCC VCC/R

0,9 V+ - iC1iC2RVCC+iB2iB1- Haciendo incidir radiacin (luz) en la zona B1iCC VCC/R

iC2iB2iB1 0,9 V+ - RVCCB1LuzLos TiristoresEl SCR Es el tiristor por antonomasia Su smbolo es como el de un diodo con un terminal ms (la puerta) Se enciende (dispara) por puerta No se puede apagar por puerta nodo (A)Ctodo(K)Puerta(G)iAVAK +-PN-NP- AKGEstructura internaLos TiristoresEl SCR Curva caracterstica sin corriente de puerta-600 V 0iA [A]VAK [V]600 V Disparo por sobretensin nodo-ctodoPolarizacin directa cuando est ya disparado (como un diodo en polarizacin directa)Polarizacin inversa (como un diodo)Polarizacin directa a tensin menor de la disparo por sobretensin nodo-ctodo (como un diodo en polarizacin inversa)

ig = 0Los TiristoresEl SCR Curva caracterstica con corriente de puerta-600 V 0iA [A]VAK [V]600 V Polarizacin directa cuando est ya disparado (como un diodo en polarizacin directa)ig1ig2ig3ig4Disparo por sobretensin nodo-ctodo 0 < ig1 < ig2 < ig3 < ig4Disparo por puerta

Los TiristoresEl SCR Disparo por puerta:- Es el modo de disparo deseado0igVGKUnin fraZona de disparo imposibleRgVgAKGiAVAK +-igVGK +-Unin calienteLmite de disipacin de potenciaEn disparo se realiza con poca potencia (bajos niveles de corriente y tensin)Vg/RgVg- Para que se mantenga disparado, la corriente nodo-ctodo tiene que ser mayor que el valor llamado latching currentLos TiristoresEl SCR Apagado del SCR : No se puede hacer por puerta Para apagarse, el valor de su corriente nodo-ctodo tiene que bajar por debajo de un valor llamado corriente de mantenimiento (holding current) Aunque en el pasado los SCRs se usaban en todo tipo de convertidores, su dificultad para apagarlos los ha relegado a conversiones con entrada en alterna y a aplicaciones de altsima potencia En aplicaciones de entrada en continua, se usaban circuitos auxiliares para conseguir el apagado (con bobinas, condensadores y SRCs auxiliares) Los TiristoresCaractersticas de un ejemplo de SCR

Los TiristoresCaractersticas de un ejemplo de SCR



Los TiristoresEl GTO Es un SCR que se puede apagar por puerta La corriente de encendido es similar a la de un SCR Se apaga por corriente saliente en puerta, que llega a ser tan grande como un tercio de la de nodo-ctodo Su capacidad de soportar tensin directa cuando no est disparado es alta Su capacidad de soportar tensin inversa es muy limitada (unos 30 V) Es un dispositivo lento, pensado para aplicaciones de muy alta potencia La estructura interna es muy compleja nodo (A)Ctodo(K)Puerta(G)Smbolo

Los TiristoresEl GTO Estructura interna de un GTO (obtenida del texto "Power Electronics: Converters, Applications and Design de N. Mohan, T. M. Undeland y W. P. Robbins. Editorial John Wiley and Sons.)El TRIAC Es el equivalente a dos SCRs conectados en antiparalelo No se puede apagar por puertaLos TiristoresSmboloTerminal 1 (T1)Puerta(G)Terminal 2 (T2)T1GT2EquivalenteEstructura internaPN-NP- T2T1NNGEl TRIAC Los Tiristores Curva caracterstica sin corriente de puerta-600 V 0iT2 [A]VT2T1 [V]600 V Disparo por sobretensin T2-T1Polarizacin directa cuando est ya disparado (como un diodo en polarizacin directa)Polarizacin inversa: se comporta como en polarizacin directaPolarizacin directa a tensin menor de la disparo por sobretensin T2-T1

Los TiristoresEl TRIAC Curva caracterstica con corriente de puerta

Disparo por puertaig = 0ig = 0ig1ig2ig3Disparo por sobretensin T2-T1Disparo por sobretensin T2-T1ig1ig2ig3-600 V 0iT2 [A]VT2T1 [V]600 V ig4ig4 Las corrientes de puerta pueden ser positivas o negativas Hay 4 modos posibles:- Modo I+: VT2T1 > 0 y iT2 > 0- Modo I-: VT2T1 > 0 y iT2 < 0- Modo III+: VT2T1 < 0 y iT2 > 0- Modo III-: VT2T1 < 0 y iT2 < 01234FacilidadDesaconsejadoLos Tiristores No es un componente de potencia, sino que es un componente auxiliar para el disparo de TRIACs Slo tiene dos terminales y es simtricoCurva caracterstica-30 V 0iA2 [A]VA2A1 [V]30 V Estructura internaPNNP A2A1NEl DIAC A1iA2VA2A1 +-A2Smbolo

CpsulaDO-35

Ejemplo de DIAC

dispositivos de potencia

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