dispositivos semiconductores de potencia...

Dr. Ciro Alberto Núñez Gutiérrez

Electrónica Industrial “A” D

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a Dispositivos semiconductores de potencia



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a

Transistor bipolar de potencia (BJT): simbología y

estructuras

Flujo de Corriente

E

C

B B

C

E

Flujo de Corriente

Estructura sencilla

(mayor corriente de base)

Estructura Darlington

(menor corriente de base)

Los tiempos de encendido y apagado son del orden de los 5 s



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a BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR (BJT)

Common Emitter

Input characteristics (Base-Emitter circuits)

The input characteristics are a plot of

the input current (IB) versus the input

voltage (VBE) for a range of values of

output voltage (VCE).



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Common Emitter

Output characteristics (Collector-Emitter circuit)

The output characteristics are a plot of the

output current (IC) versus the output voltage

(VCE) for a range of values of output voltage

(IB).



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a BJT

Condiciones de operación

Para el encendido (saturación o cerrado)

• La tensión colector - emisor debe ser positiva.

• Se debe inyectar una corriente de base capaz de saturar al

componente.

• La tensión base - emisor debe ser suficiente para mantener la

saturación.

• El componente saturado mantiene una tensión colector - emisor de

saturación entre 2.0 V y 3.5 V.

• La velocidad con que se inyecte la corriente de base es crítica para

encender y saturar rápidamente al dispositivo.



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a BJT

condiciones de operación

Para el apagado (corte o abierto)

• La corriente de base debe ir a cero o un valor negativo para “descargar”

al componente.

• El apagado debe ser lo suficientemente rápido para minimizar las

pérdidas en conmutación.

• La tensión base - emisor debe mantenerse en cero o negativa para

garantizar el “enganche” en apagado. No deber ser menor a -8 V.

• El flujo de corriente en el dispositivo se puede mantener a través del

diodo de libre circulación (free-wheeling).



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a BJT

parámetros importantes

• Tensión máxima en terminales colector - emisor

• Corriente pico de colector

• Corriente eficaz de operación (asociada a pérdidas)

• Tensión colector - emisor en saturación

• Corriente de base para garantizar saturación (beta)

• Tiempo de encendido

• Tiempo de apagado

• Resistencia térmica

• Temperatura de unión y encapsulado



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Transistor cases



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Datasheets

2N2222



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a

BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR (BJT)

Datasheets

2N2222



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a MOSFET

simbología

Flujo de

Corriente

S

D

G

• El flujo de corriente principal es entre

el Drenaje (Drain) y la Fuente

(Source).

• La terminal de control es la

Compuerta (Gate).

• La estructura de fabricación y

funcionamiento los hace los

componentes de potencia más rápidos

que existen.

Los tiempos de encendido y apagado son del orden de los 0.3 s



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a Estructura de un MOSFET

Flujo de

Corriente

S

D

G



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a ENHANCEMENT-TYPE MOSFET CONSTRUCTION

The Drain (D) and Source (S) connect to

the to n-doped regions.

These n-doped regions are connected

via an n-channel. The Gate (G) connects

to the p-doped substrate via a thin

insulating

layer of SiO2. There is no channel. The

n-doped material lies on a p-doped

substrate that may have an additional

terminal connection called SS.



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a

The electrons in the p substrate will be attracted to the

+G and accumulate in the region near the surface of

the SiO2 layer

The SiO2 layer and its insulating qualities will prevent

the negative carriers from being absorbed at the gate

terminal

VGS increase, the concentration of electrons near the SiO2 surface increase until eventually the induced n-type region can support a measurable flow between D and S

The level of VGS that results in the significant increase in drain current is called the threshold voltage, VT.

VGS increase beyond the VT level the density of the carriers in the induced channel will increase and ID also increase

ENHANCEMENT-TYPE MOSFET OPERATION



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a

If VGS constant and increase the level of

VDS, ID will eventually reach a saturation

level as occurred for the JFET

Applying Kirchoff’s voltage law to the terminal voltage of the MOSFET

VDG = VDS- VGS

If VGS fixed at some value, 8V, VDS increased from 2 – 5V, the VDG will drop from -6V to -3V and the gate will become less and less positive with respect to the drain

ENHANCEMENT-TYPE MOSFET OPERATION



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a

VGS is always positive, As VGS increases, ID increases, but if VGS is kept constant and

VDS is increased, then ID saturates (IDSS). The saturation level, VDSsat is reached.

TGSDsat VVV

ENHANCEMENT-TYPE MOSFET CONSTRUCTION



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a COMPARISON OF OPERATION CURVES OF MOSFET AND BJT

MOSFET

BJT



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a P-CHANNEL ENHANCEMENT-TYPE MOSFETS



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a MOSFET



• La tensión compuerta - fuente debe estar entre los 10 y 18 V, y la

tensión drenaje - fuente debe ser positiva.

• Son dispositivos controlados por tensión, con un consumo mínimo de

corriente en su terminal de encendido.

• Son componentes altamente sensibles a las descargas estáticas,

especialmente en la terminal de compuerta.

• El componente saturado ofrece un comportamiento resistivo entre sus

terminales de drenaje y fuente, por lo que la potencia disipada es

función de la corriente circulando.



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a MOSFET



• La tensión compuerta - fuente debe ser igual a cero volts o negativa,

pero no inferior a -15 V.

• La tensión entre compuerta y fuente debe mantenerse a cero o negativa

para evitar encendidos en “falso”.

• La velocidad de apagado depende directamente de la velocidad de

cambio en la señal de compuerta - fuente.

• El flujo de corriente negativa en el dispositivo se puede mantener a

través del diodo de libre circulación (free-wheeling).



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a MOSFET

limitaciones de operación

A pesar de ser los componentes más veloces, están limitados en los

niveles de potencia que pueden manejar.

• No pueden manejar simultáneamente voltajes altos y corrientes altas.

Los rangos extremos son del orden de 1200 V a 5 A, y 150 V a 200 A.

• Los rápidos tiempos de encendido y apagado limitan las pérdidas en

conmutación, permitiendo que el dispositivo pueda operar a

frecuencias de hasta 250 - 400 KHz..

• Se emplean de manera masiva en balastos, fuentes conmutadas para

PC y otras computadoras industriales, fuentes de alimentación de

equipo electrónico, servos de baja potencia, etc.



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a MOSFET

parámetros importantes

• Tensión máxima en terminales drenaje - fuente

• Corriente pico de drenaje


• Resistencia de operación entre drenaje y fuente

• Máxima potencia que puede disipar

• Tensión compuerta - fuente para encendido y apagado

• Tiempo de encendido y apagado





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a IGBT

simbología

Estructura híbrida

• El flujo de corriente principal es entre

el Colector y el Emisor.

• La terminal de control es la

Compuerta (Gate).

• La estructura de fabricación se basa

en un esquema híbrido, una

combinación de un BJT y un

MOSFET.

Los tiempos de encendido y apagado son menores a 1 s

Flujo de Corriente

E

C

G



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a Estructura de un IGBT



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a Curvas características para un IGBT canal n



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a IGBT en estado de conducción



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a Estructura equivalente de un IGBT



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a Sin embargo, existe un SCR parásito en el IGBT

SCR Parásito



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a ¿Qué efectos puede tener?

¿Qué se puede hacer para evitarlo?: a) Limitar ID máxima al valor

recomendado por el fabricante, b) Limitar la variación de VGS máxima al valor

recomendado por el fabricante



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a Curvas para el apagado. En el encendido es como

un MOSFET



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a Elementos parásitos característicos



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a Algunos encapsulados

Medio Puente

Puente completo

trifásico



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a IGBT



• La tensión compuerta - emisor debe estar entre los 10 y 18 V, y la

tensión compuerta - emisor debe ser positiva.

• Son dispositivos controlados por tensión, con un consumo mínimo de

corriente en su terminal de compuerta.

• Son componentes altamente sensibles a las descargas estáticas,

especialmente en la terminal de compuerta.

• El componente saturado ofrece una caída de tensión del orden de 1.5 a 3

V.



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a IGBT



• La tensión compuerta - emisor debe ser igual a cero volts o negativa,

pero no inferior a -15 V.

• La tensión entre compuerta y emisor debe mantenerse a cero o

negativa para evitar encendidos en “falso”.

• La velocidad de apagado depende directamente de la velocidad de

cambio en la señal de compuerta - fuente.

• El flujo de corriente negativa en el dispositivo se puede mantener a

través del diodo de libre circulación (free-wheeling).



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a IGBT

Generalidades sobre la operación

En los últimos años, los IGBTs son los componentes que más han

evolucionado, desplazando a los BJT e incursionando en potencias que

antes manejaban exclusivamente los SCRs y GTOs.

• Las nuevas tecnologías permiten fabricar dispositivos de 600 A a 2800 V.

• Los rápidos tiempos de encendido y apagado limitan las pérdidas en

conmutación, permitiendo que el dispositivo pueda operar a frecuencias

de 30 kHz en módulos de potencia, y de 150 kHZ en dispositivos

discretos.

• Están siendo ampliamente empleados en variadores de velocidad,

choppers de CD, sistemas de tracción, UPS, etc.



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a IGBT

Parámetros importantes

• Tensión máxima en terminales colector - emisor

• Corriente pico de colector


• Caída de tensión entre colector y emisor en saturación

• Máxima potencia que puede disipar

• Tensión compuerta - emisor para encendido y apagado

• Tiempo de encendido y apagado





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a

SMART POWER

Son módulos híbridos donde se combinan funciones, control y

estructuras de potencia

• Los módulos inteligentes o “smart power” son nuevas tecnologías en el

mercado (5 años o menos), integrando funciones.

• Los dispositivos de potencia empleados suelen ser IGBT’s, incorporando

funciones integradas como impulsores, protección contra sobre corriente

y corto circuito, protección contra sobre temperatura.



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a

• Dispositivo auxiliar (p.e. disparo de tiristores)

• Soporta picos de corrientes elevados

• Se debe conocer la Tensión de encendido (p.e.

33V en el DB3)

• DB3: Diac comercial muy popular

DIAC: Diode AC

Característica

IT

VT

+VB -VB A1 A2



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a

Estructura Interna

P1

P2

N1

N3 N3

T2

T1

N2 N2

DIAC: Diode AC

T2

T1

Podemos decir que es un interruptor que se cierra por tensión (Tensión

de ruptura) y permanece cerrado hasta que la corriente por el pase por

cero (corriente de mantenimiento)



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a

R1 = 0 , máxima potencia

R1 = Elevada, mínima potencia

Ejemplo: Control de TRIAC con DIAC (Típico regulador de luz de salón)

DIAC

Ejemplo de uso

Carga

R1

R2 R3

C

TRIAC controlado por DIAC

(Montaje simplificado)

A2

A1

G

I G



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a GTO

(Gate Turn-off) A C

G

La especial estructura del dispositivo

permite el apagado por puerta (con

un pulso negativo).

Por lo demás es similar al SCR.

Estructura de un GTO simétrico

A

C G

C

G

Vista desde abajo



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a Estructura de un GTO

Las principales diferencias con un SCR son:

• Interconexión de capas de control

minimizando la distancia entre puerta y

centro de regiones catódicas y aumentando

el perímetro de las regiones de puerta

• Ataque químico para acercar el contacto de

puerta al centro de las regiones catódicas

• Las regiones n+ que cortocircuitan regiones

anódicas permiten acelerar el apagado y

tener una tensión inversa de ruptura muy

baja



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a Curvas características y símbolos del GTO



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a

Funcionamiento del GTO

• Para el encendido se usa el

mismo proceso que un SCR

• Para el apagado se requiere

aplicar una corriente

negativa en la compuerta

2 1

2 1 11

B A G

C B A

I I I

I I I

Para que T2 no se sature se requiere que:

2 2

2 22 2

donde 1

CB

II

2 2 1 2

2

2 2

1 1 1C

B A

II I

1 2

2 1

2

1 1B A G AI I I I

2

1 2

donde 1

AG off

off

II

Ganancia de corriente para el corte



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a


Para lograr el apagado del GTO con una corriente razonable en la compuerta

la ganancia off debe ser lo más grande posible. Para lograrlo, de su ecuación

puede verse que conviene que 21 y 10.

LO ANTERIOR TIENE CONSECUENCIAS PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL

DISPOSITIVO



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a

α2 ≈1 implica que la base de T2 (capa de control) sea estrecha y poco dopada y que su emisor (capa catódica) esté muy dopado. Estas condiciones son las normales en los SCR. α1 ≈0 implica que la base de T1 (capa de bloqueo) sea ancha y tenga una vida media de los huecos muy corta. La primera condición es normal en SCRs de alta tensión, la segunda no, porque ocasiona un aumento de las pérdidas en conducción. Para conseguir una buena ganancia βoff será necesario asumir pérdidas en conducción mayores. Los cortocircuitos anódicos evitan estas pérdidas extras, al quitar corriente de base a T1. Respecto a la velocidad de corte de T1, si la vida media de los huecos es larga, el transistor se vuelve muy lento, ya que solo pueden eliminarse por recombinación al no poder difundirse hacia las capas p circundantes por estar llenas de huecos. Los cortocircuitos anódicos aceleran la conmutación de T1 al poder extraerlos (a costa de no soportar tensión inversa)




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a Funcionamiento del GTO: formas de onda de corriente

de compuerta a) Para entrar en conducción, se necesita una subida

rápida y valor IGM suficientes para poner en conducción todo el cristal.

b) Cuando se ha establecido la conducción se deja una corriente IGON de mantenimiento para asegurar que no se corta espontáneamente. (Tiene menos ganancia que el SCR).

c) Para cortar el GTO se aplica una corriente IG- grande, ya que βoff es del orden de 5 a 10

d) Esta corriente negativa se extingue al cortarse el SCR, pero debe mantenerse una tensión negativa en la puerta para evitar que pudiera entrar en conducción esporádicamente



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a Funcionamiento del GTO: ejemplo de circuito de

disparo



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a Tiristor controlado por compuerta aislada IGCT

GTO y Diodo de la misma tensión de ruptura. Para integrarlos en la misma oblea, hay que hacer el diodo más ancho ⇒ Más pérdida

• IGCT y Diodo de la misma tensión de ruptura. Se integran sin problemas.

• Se suprimen los cortocircuitos anódicos, se sustituyen por una capa anódica “transparente” a los electrones con menores pérdidas en conducción.

• Se mejora el diseño de la puerta (muy baja inductancia) ⇒ 4.000 Amp/µs(con una tensión Puerta-Cátodo de sólo 20V).

• Apagado muy rápido lo que permite menores pérdidas en conmutación.

DIODO

SCR

IGCT



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a Tiristor controlado por compuerta aislada IGCT, zona

de operación segura



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a MCT, tiristor controlado por MOS

K

G

A

Símbolo

Estructura de un MCT y circuito equivalente



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a

o Estructura formada por un SCR y dos transistores MOS (uno

para encenderlo y otro para apagarlo).

o Estructura compleja, con muchos requerimientos

contradictorios.

o Comenzaron las investigaciones en 1992, en la actualidad se

han abandonado al no poder alcanzar potencias elevadas y no

ser competitivo con el MOS en bajas potencias (frecuencia

menor y mayor complejidad de fabricación ⇒ mayor costo).

MCT, tiristor controlado por MOS: carcaterísticas



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a LASCR, Tiristor controlado por luz.

• Son Tiristores activados por luz

• Utilizados en Alta tensión

• Frecuencias de conmutación de hasta 2KHz

• Tensiones elevadas 6000V y 1500A

A K

G

NOTA:

Normalmente disponen de conexiones especiales para ser disparados con

fibra óptica. Son interesantes en entornos de corrientes y tensiones

elevadas, permitiendo un elevado aislamiento entre el circuito de

potencia y el de control.



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a

TOSHIBA

Algunos fabricantes de tiristores

dispositivos semiconductores de potencia...

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