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Lección 5 OTROS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA Sistemas Electrónicos de Alimentación 5º Curso. Ingeniería de Telecomunicación

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Lección 5. OTROS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA. Sistemas Electrónicos de Alimentación 5º Curso. Ingeniería de Telecomunicación. C. G. E. El transistor Bipolar de Puerta Aislada I nsulated G ate B ipolar T ransistor (IGBT). Este dispositivo aparece en los años 80 - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Lección 5

Lección 5

OTROS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

Sistemas Electrónicos de Alimentación

5º Curso. Ingeniería de Telecomunicación

Page 2: Lección 5

EL

IGB

T D

E P

OT

EN

CIA

El transistor Bipolar de Puerta Aislada

Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)

Este dispositivo aparece en los años 80

Mezcla características de un transistor bipolar y de un MOSFET

La característica de salida es la de un bipolar pero se controla por tensión y no por corriente

G

C

E

BipolarMOSFET

Alta capacidad de manejar corriente (como un bipolar)

Facilidad de manejo (MOSFET)

Menor capacidad de conmutación (Bipolar)

No tiene diodo parásito

Page 3: Lección 5

EL

IGB

T D

E P

OT

EN

CIA

Estructura del IGBT

Es similar a la de un MOSFET

Sólo se diferencia en que se añade un sustrato P bajo el sustrato N

Es el dispositivo más adecuado para tensiones > 1000 V

El MOSFET es el mejor por debajo de 250 V

En los valores intermedios depende de la aplicación, de la frec.,etc.

Page 4: Lección 5

EL

IGB

T D

E P

OT

EN

CIA

El IGBT se suele usar cuando se dan estas condiciones:

• Bajo ciclo de trabajo

• Baja frecuencia (< 20 kHz)

• Aplicaciones de alta tensión (>1000 V)

• Alta potencia (>5 kW)

Aplicaciones típicas del IGBT

• Control de motores

• Sistemas de alimentación ininterrumpida

• Sistemas de soldadura

• Iluminación de baja frecuencia (<100 kHz) y alta potencia

Page 5: Lección 5

EL

IGB

T D

E P

OT

EN

CIA

Gran capacidad de manejo de corriente

Comparación IGBT-MOSFET con el mismo área de semiconductor

El IGBT tiene menor caída de tensión

Menores pérdidas en conducción

Problema:

Coeficiente de temperatura negativo

A mayor temperatura, menor caída de tensión

Conduce más corriente

Se calienta más

Esto es un problema para paralelizar IGBTs

Page 6: Lección 5

Encapsulados de IGBT

TO 220

TO 247

EL

IGB

T D

E P

OT

EN

CIA

Módulos de potencia

MTP

Page 7: Lección 5

Parámetros fundamentales para seleccionar un MOSFET

• Tensión de ruptura

• Corriente máxima

• Tensión colector-emisor en saturación

Tensiones de ruptura de dispositivos comerciales

Media tensión Alta tensión

250 V

300 V

600 V

900 V

1200 V(Poco usuales)E

L IG

BT

DE

PO

TE

NC

IA

Page 8: Lección 5

EL

IGB

T D

E P

OT

EN

CIA

Características básicas

G

C

E

En ocasiones, el encapsulado incorpora internamente un diodo

Page 9: Lección 5

EL

IGB

T D

E P

OT

EN

CIA

Características eléctricas

Tensión de saturación colector-emisor (como en bipolares)

Tensión umbral de puerta (como en MOSFETS)

Características térmicas

Page 10: Lección 5

EL

IGB

T D

E P

OT

EN

CIA

Cola de corriente

Características dinámicas

Circuito equivalente del IGBT

La base del bipolar no del accesible

La circuitería exterior no puede solucionar el problema de la eliminación de los minoritarios de la base

Esto da lugar a la llamada “cola de corriente” (current tail)

Problema: aumento de pérdidas de conmutación

Page 11: Lección 5

EL

IGB

T D

E P

OT

EN

CIA

Características dinámicas

Al contrario que en el MOSFET, los tiempos de conmutación del IGBT no dan información sobre las pérdidas de conmutación

Causa:

No tienen en cuenta el efecto de cola de corriente

Este efecto es muy significativo en el conjunto de pérdidas

Además, el tiempo de caída de la tensión VCE no queda definido

Este tiempo es muy importante para definir las pérdidas

Se hace mediante gráficos que proporciona el fabricante

Page 12: Lección 5

TIR

IST

OR

ES

Tipos de Tiristores

SCR (Silicon Controlled Rectifier)

DIAC

TRIAC

GTO

A este dispositivo se le suele llamar Tiristor

Page 13: Lección 5

TIR

IST

OR

ES

SCR (Silicon Controlled Rectifier)

Es uno de los semiconductores más antiguos

1957 General Electric Research Laboratories

Tiene una enorme capacidad de manejar potencia

Son muy robustos

Seguirá teniendo aplicaciones debido a que es de los semiconductores con mayor capacidad de manejar potencia

Estructura de 4 capas

Page 14: Lección 5

TIR

IST

OR

ES

SCR

VAK

IA

Característica V-I

Ánodo

Cátodo

A

K

VAK

IA

Con polarización inversa se comporta como un diodo: no conduce

Polarización directa: si no se ha disparado, no conduce

Polarización directa: una vez disparado, conduce como un diodo

Zona de transición

El SCR se apaga de forma natural cuando la corriente pasa por cero

Puerta

Page 15: Lección 5

Encapsulados de SCRT

IRIS

TO

RE

S

ADD A PACK MAGN A PACK

PACE PACK

TO-200

Page 16: Lección 5

Parámetros fundamentales para seleccionar un SCR

• Tensión de ruptura

• Corriente máxima

• Velocidad de conmutación

Tensiones de ruptura de dispositivos comerciales

Alta tensión

400 V

800 V

1000 V

1200 V

TIR

IST

OR

ES

Soportan tensión directa (VDRM) e inversa (VRRM)

Page 17: Lección 5

TIR

IST

OR

ES

Características de disparo

Para disparar el SCR hay que introducir corriente por la puerta

Para que el disparo sea efectivo, se deben de cumplir dos condiciones:

1. La corriente de puerta debe ser superior a un cierto valor

VGK

IG

Ningún SCR se dispara

Zona de disparo seguro

No se garantiza el disparo

Page 18: Lección 5

TIR

IST

OR

ES

Características de disparo

VGK

IG

Zona de disparo seguro

El circuito de disparo debe tener una recta de carga tal que el punto de corte esté en la zona de disparo seguro

Z1

V1

V1

V1 / Z1

Page 19: Lección 5

TIR

IST

OR

ES

Características de disparo

2. Hay que mantener el disparo hasta que la corriente ánodo-cátodo sobrepase un cierto valor que se llama Corriente de Enclavamiento

(Latching Current)

IA

IG

ILATCHING

Se apaga

Sigue conduciendo

Una vez disparado, el SCR sigue conduciendo aunque no tenga corriente en puerta

Page 20: Lección 5

TIR

IST

OR

ES

Características de disparo

Podríamos disparar el SCR con un pulso de corriente

Esto funciona con carga resistiva ya que la corriente crece rápidamente y se alcanza fácilmente la corriente de enclavamiento

Z1V1

Z1 = R

Z1 = LsSe apaga

Para evitar esto, se suele disparar los SCR con trenes de pulsos

IG

IA

IA

IG

IG

Page 21: Lección 5

TIR

IST

OR

ES

Características de disparo

El SCR se puede llegar a disparar por derivada de tensión

Si la tensión ánodo-cátodo cambia muy bruscamente, puede inducirse corriente en la puerta y entrar en conducción

VAKdt

dVAK grande

i

Page 22: Lección 5

TIR

IST

OR

ES

Apagado del SCR

Idealmente, cuando la corriente que circula entre ánodo y cátodo llega a cero, el SCR se apaga de forma natural

En realidad, se apaga cuando la corriente baja hasta un cierto valor llamado Corriente de mantenimiento (holding current)

IA

Corriente de mantenimiento

Corriente de enclavamiento

(p.ej 600mA)(p.ej 1 A)

Page 23: Lección 5

TIR

IST

OR

ES

Apagado del SCR

• Apagado estático

• Apagado dinámico

Hay dos tipos de apagado:

El apagado estático se utiliza en aplicaciones de red (50 Hz)

El tiristor se apaga de forma natural

El apagado dinámico se utiliza en aplicaciones de frecuencia más elevada (1 - 20 kHz)

Se requiere un circuito externo para apagar el SCR de forma forzada

IMANTENIMIENTO

IA

IA

VAK

VAK

s

Page 24: Lección 5

TIR

IST

OR

ES

Ejemplo de funcionamiento

R1

V1

V1

VR

VT

VR

VT

Disparo

Page 25: Lección 5

TIR

IST

OR

ES

TRIAC

Funciona como un tiristor

Al dispararlo, conduce hasta que la corriente pasa por cero

Es bidireccional. Conduce en ambos sentidos

Se puede disparar con corrientes entrantes y salientes

Su uso es común en aplicaciones de “baja” potencia (pero relativamente alta comparada con la potencia de muchos sistemas de alimentación)

Especificaciones típicas200, 400, 600, 800, 1000 V

1- 50 A

T1 T2G

Page 26: Lección 5

TIR

IST

OR

ES

TRIAC

Hay 4 posibilidades de funcionamiento

No todas son igual de favorables

T2

T1

IG

+

-

T2

T1

IG

+

-

T2

T1

IG +

- T2

T1

IG

-

+

IG >

IH <

IL <

IH Corriente de mantenimiento IL Corriente de enclavamiento

35 mA 35 mA 35 mA

30 mA 30 mA 30 mA 30 mA

40 mA 60 mA 60 mA 40 mA

70 mA

Page 27: Lección 5

TIR

IST

OR

ES

TRIAC Ejemplo

C

R

RL (Carga)

Comp. con Histéresis

Nivel de comparación

VRL

VComp

VG

VG

: ángulo de disparo

Controlando el ángulo de disparo se controla la potencia que se le da a RL

A este tipo de control se le llama control de fase

Page 28: Lección 5

TIR

IST

OR

ES

DIACNo es un interruptor

Una vez disparado se comporta como un diodo

Cuando su corriente pasa por cero, se apaga

Para dispararlo hay que sobrepasar una tensión característica VDIAC que suele ser de 30 V.

Es totalmente simétrico

Aplicaciones: se suele usar para disparar TRIACs y tiristores

30 V- 30 V

T1

T2 VT12

IT12

Page 29: Lección 5

TIR

IST

OR

ES

GTO Gate Turn-Off Thirystor

A

KG

• En muchas aplicaciones, el hecho de no poder apagar el SCR es un grave problema

• El GTO solventa ese inconveniente

• Con corriente entrante por puerta, se dispara

• Con corriente saliente por puerta, se apaga

• Se utiliza en aplicaciones de mucha potencia

• Es muy robusto

Page 30: Lección 5

TIR

IST

OR

ES

GTO

• Soporta altas tensiones

• Puede manejar corrientes elevadas

• La caída de tensión en conducción es relativamente baja

• El GTO es básicamente igual que un SCR

• Se han modificado algunos parámetros constructivos para poder apagarlo por puerta

• Se pierden algunas características (solución de compromiso). Por ejemplo, la corriente de disparo es mayor.

• Caída de tensión en conducción ligeramente superior al SCR

• Algo más rápido que un SCR