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ELECTRONICA INDUSTRIALCapítulo 2: Semiconductores de potencia

Marcelo A. Pérez

Segundo semestre 2016

Electrónica Industrial/ Semiconductores de potencia 2

Introducción

Convertidores de potencia● El convertidor de potencia actúa como regulador de potencia● Regula las amplitudes, frecuencias y fases de las señales (según corresponda)● Convierte de AC a DC, cualquiera de las combinaciones (AC-AC, DC-DC, DC-AC

y AC-DC)● Los semiconductores actúan en zonas de corte y conducción, pero no en la zona

lineal


Principio de funcionamiento

Convertidores de potencia y semiconductoresEjemplo de una fuente lineal

● El transistor trabaja en zona lineal● El transistor se usa como resistencia variable controlada● Las caídas de tensión que se utilizan para regular son pérdidas



Convertidores de potencia y semiconductoresEjemplo básico de funcionamiento de un convertidor de potencia

Salida del convertidor

a)

V 0 ( t)

V 0

V d

tton to f f

ss f

1T =

V 0( t)

c)

Al operar en corte y saturación (Off y On) se puede generar en promedio la

característica de un resistor variable (controlado) pero sin las pérdidas

Al operar en corte y saturación (Off y On) se puede generar en promedio la

característica de un resistor variable (controlado) pero sin las pérdidas



Convertidores de potencia y semiconductoresEjemplo de una fuente conmutada

● Conviene utilizar el semiconductor en zona de corte y saturación para producir menos pérdidas

● El semiconductor se utiliza como un interruptor● La etapa de modulación se encarga de generar los pulsos de disparo del

semiconductor

Modulación


Semiconductores

Semiconductor ideal

● Puede bloquear voltajes de cualquier polaridad sin corrientes de fuga● Conduce corrientes en ambas direcciones sin caída de tensión● Puede pasar a corte y conducción instantáneamente obedeciendo a una

señal de control● La señal de control demanda potencia despreciable


El diodo de potencia

Configuración, simbolo y característica ideal

● Juntura dopada P y N se polariza (conduce) cuando el voltaje es positivo.● La juntura se mantiene polarizada (conduciendo) mientra la corriente es

positiva.



Característica real

Corriente de fuga inversaVoltaje de bloqueo

Tensión de conducciónResistencia de conducción

Corriente de fuga inversaVoltaje de bloqueo

Tensión de conducciónResistencia de conducción

Ron



Apagado del diodo de potencia

● Circuito para corriente positiva y negativa● Parámetros del modelo dependen del circuito en el que se encuentra

conectado



Ejemplo de funcionamiento: rectificador de media conda con carga resistiva

Empaquetamientos:


El tiristor (SCR)

Configuración, símbolo y característica ideal

● Permite bloquear voltajes positivos y negativos● Compuerta de control permite encender el dispositivo (conducción)● No se puede apagar (semicontrolado)

SCR: Silicon Controlled Rectifier


El tiristor (SCR)


Posee características similares al diodo pero puede encenderse a voluntad con la corriente de la

compuerta.

Posee características similares al diodo pero puede encenderse a voluntad con la corriente de la

compuerta.


El tiristor (SCR)

Conmutación (encendido y apagado)


El tiristor (SCR)

Ejemplo de funcionamiento: rectificador de media onda con carga resistiva

vd

id

vAKiG

id

vS v dR

vAKiG

id

vS v dR

Empaquetamiento


El Triac

Configuración, símbolo y característica ideal

● Permite bloquear voltajes positivos y negativos● Conduce corrientes en ambos sentidos.● Compuerta de control permite encender el dispositivo (conducción)● No se puede apagar (semicontrolado)

Triac: Triode for Alternating Current


El Triac


Posee características similares a dos tiristores conecvtados en

antiparalelo.

Posee características similares a dos tiristores conecvtados en

antiparalelo.


El triac

Elemplo de operación: recortador de señal AC


El GTO

Configuración, simbollo y característica ideal

● Permite bloquear solo voltajes positivos (asimétrico) o positivo y negativos (simétrico)

● Conduce corrientes en un sentido.● Compuerta de control permite encender y apagar el dispositivo

GTO: Gate Turn-Off Thyristor


El GTO

Característica real y empaquetamiento

● Necesita altas corrientes para el apagado (1/5 o ¼ de la corriente del circuito)● Proclive a fallas● Descontinuado industrialmente


EL IGCT

Símbolo y empaquetamiento

● Es un GTO con el circuito de disparo integrado● Arreglo de condensadores permite lograr altas corrientes

IGCT: Insulated Gate Commutated Thyristor


El transistor bipolar de potencia

Simbolo, característica y empaquetamiento


El MOSFET de potencia

Símbolo, característica y empaquetamiento


El IGBT

Simbolos, modelo, característica y empaquetamientos


El IGBT

Conmutación en semiconductores basados en transistores (BJT, MOSFET, IGBT)


Aplicaciones y rango de potencia


Comparación


Evolución

SiC

GaN

Thyristor

Nuevos Materiales


Nuevos materiales semiconductores

● Silicon Carbide

● Gallium Nitrade


Little Box Challenge (IEEE+Google)

● 2kVA● 240Vac /400Vdc● 40in3 (655.5cm3)● 1.000.000 USD

● 13.77in3 (225.6cm3)


Little Box Challenge (IEEE+Google)

Semiconductores GaN Baja resistencia de conducción

Baja capacitancia de la compuerta

Baja carga de encendido y recuperacion inversa

Bajas pérdidas y ultra rápida conmutación.

Ruido electromagnético

Voltaje de caida de apagado

Alto dv/dt genera problemas de aislación


Integración de semiconductores

PEBB: Power electronics building blocks

a) ANPC de ABBb) Puente H en cascada de Siemensc) 5L-hybrid ANPC de ABBd) Inversor fuente de corriente de Rockwelle) NPC de Siemens


Pérdidas en semiconductores

Perdidas de conducción y de conmutación

Tº IGBTs(Imagen térmica)


Disipadores

Flujo de calor en un semiconductor/disipador:Modo de funcionamiento:

Convección natural de aire Convección forzada de aire Enfriamiento por agua


Disipadores

Nomenclatura para diseño: J = juntura C = Carcaza D = Disipador A = Aire


Disipadores

A

D

C

J

R qJC

R qCD

R qDA

T A

T C

T D

T JP

Modelo térmico estacionario Equivalencia térmica – eléctrica

Magnitud térmica Magnitud eléctrica

Potencia térmica Intensidad de corriente

Resistencia térmica Resistencia eléctrica

Diferencia de temperatura

Diferencia de potencial


Disipadores

Calculo de disipador1) Pérdidas

a) Hoja de datos (Eon,Eoff)b) Estimación

2) Resistencia térmica total3) Resistencia térmica del disipador


Disipadores

Modelo térmico dinámicoAumento de temperatura equivale a acumulación de calorSe modela mediante condensadores

Modelo simplificado:

TA

J

CP(t) R TJ TA

A


Disipadores

Comportamiento dinámico: Ciclo térmico


Disipadores

Resistencia térmica depende de:-Masa-Superficie de disipación-Material de interface-Terminación del material-Curvatura de la superficie-Presion de montaje-Area de contacto


Disipadores

Usados para semiconductores discretos

Usados en módulos

Usados en convertidores completos


Disipadores

Ventilación forzada


Disipadores

Enfriamiento por agua


Disipadores

Heat pipe (refrigeración por agua y convección de aire, pero sin bomba)

El tubo cerrado contiene agua destilada que se evapora y luego se refrigera en un intercambiador de calor. Se usa la gravedad en lugar de bombas de agua. Al no tener partes móviles es más confiable.


Disipadores

Heat pipeTambién se usa en semiconductores de baja potencia y electrónica de consumo.

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