Leccin 5 OTROS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA Sistemas Electrnicos

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

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 EL IGBT DE POTENCIA C MOSFET Bipolar G E Alta capacidad de manejar corriente (como un bipolar) Facilidad de manejo (MOSFET) Menor capacidad de conmutación (Bipolar) No tiene diodo parásito

Estructura del IGBT Es similar a la de un MOSFET Sólo se diferencia en que se añade un sustrato P bajo el sustrato N EL IGBT DE POTENCIA 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.

El IGBT se suele usar cuando se dan estas condiciones: • Bajo ciclo de trabajo • Baja frecuencia (< 20 k. Hz) • Aplicaciones de alta tensión (>1000 V) • Alta potencia (>5 k. W) EL IGBT DE POTENCIA Aplicaciones típicas del IGBT • Control de motores • Sistemas de alimentación ininterrumpida • Sistemas de soldadura • Iluminación de baja frecuencia (<100 k. Hz) y alta potencia

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 EL IGBT DE POTENCIA Problema: Coeficiente de temperatura negativo A mayor temperatura, menor caída de tensión Conduce más corriente Se calienta más Esto es un problema paralelizar IGBTs

Encapsulados de IGBT Módulos de potencia TO 220 EL IGBT DE POTENCIA TO 247 MTP

Parámetros fundamentales para seleccionar un MOSFET • Tensión de ruptura • Corriente máxima EL IGBT DE POTENCIA • Tensión colector-emisor en saturación Tensiones de ruptura de dispositivos comerciales Media tensión Alta tensión 250 V 600 V 300 V 900 V (Poco usuales) 1200 V

EL IGBT DE POTENCIA Características básicas C En ocasiones, el encapsulado incorpora internamente un diodo G E

Características eléctricas Tensión de saturación colector-emisor (como en bipolares) Tensión umbral de puerta (como en MOSFETS) EL IGBT DE POTENCIA Características térmicas

Características dinámicas Circuito equivalente del IGBT La base del bipolar no del accesible EL IGBT DE POTENCIA 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 Cola de corriente

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 EL IGBT DE POTENCIA Se hace mediante gráficos que proporciona el fabricante

Tipos de Tiristores SCR (Silicon Controlled Rectifier) A este dispositivo se le suele llamar Tiristor DIAC TRIAC TIRISTORES GTO

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 TIRISTORES Seguirá teniendo aplicaciones debido a que es de los semiconductores con mayor capacidad de manejar potencia Estructura de 4 capas

SCR IA Ánodo A Característica V-I VAK Puerta Cátodo K IA Polarización directa: una vez disparado, conduce como un diodo Polarización directa: si no se ha disparado, no conduce TIRISTORES VAK Zona de transición Con polarización inversa se comporta como un diodo: no conduce El SCR se apaga de forma natural cuando la corriente pasa por cero

Encapsulados de SCR ADD A PACK MAGN A PACK TIRISTORES PACE PACK TO-200

Parámetros fundamentales para seleccionar un SCR • Tensión de ruptura • Corriente máxima • Velocidad de conmutación TIRISTORES Tensiones de ruptura de dispositivos comerciales 400 V Alta tensión 800 V 1000 V 1200 V Soportan tensión directa (VDRM) e inversa (VRRM)

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 IG Zona de disparo seguro TIRISTORES Ningún SCR se dispara VGK No se garantiza el disparo

Características de disparo El circuito de disparo debe tener una recta de carga tal que el punto de corte esté en la zona de disparo seguro Z 1 V 1 IG V 1 / Z 1 TIRISTORES Zona de disparo seguro V 1 VGK

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 Sigue conduciendo ILATCHING Se apaga TIRISTORES IG Una vez disparado, el SCR sigue conduciendo aunque no tenga corriente en puerta

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 IA Z 1 = R IA Z 1 V 1 Se apaga IG Z 1 = Ls TIRISTORES IG Para evitar esto, se suele disparar los SCR con trenes de pulsos IG

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 i TIRISTORES VAK grande

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 TIRISTORES Corriente de enclavamiento (p. ej 1 A) Corriente de mantenimiento (p. ej 600 m. A)

Apagado del SCR Hay dos tipos de apagado: • Apagado estático • Apagado dinámico El apagado estático se utiliza en aplicaciones de red (50 Hz) IA IMANTENIMIENTO VAK TIRISTORES El tiristor se apaga de forma natural El apagado dinámico se utiliza en aplicaciones de frecuencia más elevada (1 - 20 k. Hz) Se requiere un circuito externo para apagar el SCR de forma forzada IA VAK s

Ejemplo de funcionamiento V 1 Disparo R 1 VR V 1 TIRISTORES VT VR VT

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 TIRISTORES T 1 G T 2 Su uso es común en aplicaciones de “baja” potencia (pero relativamente alta comparada con la potencia de muchos sistemas de alimentación) Especificaciones típicas 200, 400, 600, 800, 1000 V 1 - 50 A

TRIAC Hay 4 posibilidades de funcionamiento No todas son igual de favorables T 2 IG TIRISTORES T 1 + - T 2 IG T 1 + T 2 IG T 1 IG > 35 m. A 70 m. A 35 m. A IH < 30 m. A IL < 40 m. A 60 m. A 40 m. A IH Corriente de mantenimiento IL Corriente de enclavamiento +

TRIAC Ejemplo Nivel de comparación RL (Carga) C Comp. con Histéresis VG R VRL TIRISTORES : 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 VComp VG

DIAC No 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 IT 12 T 1 T 2 TIRISTORES - 30 V VT 12 Aplicaciones: se suele usar para disparar TRIACs y tiristores

GTO Gate Turn-Off Thirystor K G A • 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 TIRISTORES • Con corriente saliente por puerta, se apaga • Se utiliza en aplicaciones de mucha potencia • Es muy robusto

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. TIRISTORES • Caída de tensión en conducción ligeramente superior al SCR • Algo más rápido que un SCR