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Capítulo 1
Componentes Empleados En Electrónica de Potencia
Capítulo 1Componentes Empleados En Electrónica de Potencia
1.1 - El Diodo
Fig. 1.1
CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DE UN DIODO IDEAL
Para voltajes VF > 0, presenta resistencia nula
Para voltajes VF < 0, presenta resistencia infinita
No presentando ninguna pérdida cuando es polarizadodirectamente y cuando es polarizado en forma inversaes capaz de bloquear un voltaje infinito.
CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DE UN DIODO REAL
Presenta una fuerza-electromotriz Vto asociado a unaresistencia cuando esta polarizado directamente.
Y cuando es polarizado inversamente, tiene un voltajemáximo inverso (VBR), voltajes superiores destruyen elcomponente.
IDEAL REAL
vF+A
-
Fi
K
+ -vF
RiFF
vto
vF
iF
vF
iF
vTo
vBR
1/RF
iR
Prof. Domingo Ruiz Caballero Dr.Ing.
Capítulo 1Componentes Empleados En Electrónica de Potencia
1.1 - El Diodo
Fig. 1.2 -Donde: C - representa la capacitancia de juntura
QRR – es la carga almacenada en Ccuando D esta en conducción.
Lp - Inductancia parásita
CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS DE LOS DIODOS (Conmutación)De conducción a bloqueo:
Primera Etapa.En t=to S es cerrado, la corriente iF comienza a decrecer. Suvelocidad de decrecimiento depende de ‘E’ y ‘Lp’ según larelación
Ya que : IF = I-ILp
Segunda Etapa.Justo después que la corriente en el diodo se anula, ocurre ladescarga del condensador ‘C’. En este intervalo la corriente iDcircula negativamente (corriente inversa). Una vez que QRR esevacuada, el diodo se bloquea.
PÉRDIDAS EN CONDUCCIÓN
El diodo en conducción tiene pérdidas asociadas a la fuerza-electromotriz (VTo) y a su resistencia interna, por lotanto la potencia perdida es representada por la siguiente expresión:
Siendo una expresión genérica, empleada para cualquier forma de onda.
2eftotalFmedTO IRI.VP
p
FL
Edt
di
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pL
D I+
-
E
z
+
-S
Fi
QRR
Primera Etapa
Lpi
pL
D+
-
E
z
+
-S
RMiVD
SiC
Segunda Etapa
I
Lpi
Capítulo 1Componentes Empleados En Electrónica de Potencia
1.1 - El Diodo
La inductancia parásita, Lp , conjuntamente con la recuperación provoca una sobretensión que puede ser destructivapara el diodo, la figura siguiente muestra las formas de onda aproximadas del proceso.
Los valores de tRR y de IRM pueden ser obtenidos con el empleo de las siguientes formulas empíricas:
y
Donde el valor de QRR es dado por el fabricante del diodo. El valor de depende del circuito y es establecidopor el proyectista del circuito. Observando la expresiones, tanto el tiempo de recuperación del diodo (tRR) como el picode corriente inversa (IRM) dependen de QRR, cuanto menor sea QRR más rápido será el diodo.
dtdiF
dtdiQ3t
FRR
RRdt
diQ34I F
RRRM
t rr
I RM
I
0t
t R t Ri
V =RM
VF
Vpico
dtdi F
t 0 QRRE
t
t
t1
2
3
PrimeraEtapa
SegundaEtapa
Fig. 1.3
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Donde:tRR es el tiempo total derecuperación del diodo.y,IRM es la corriente inversamáxima del diodo.
Capítulo 1Componentes Empleados En Electrónica de Potencia
1.1 - El Diodo
Los diodos en cuanto a su velocidad de recuperación, son clasificados en diodos rápidos y lentos. Los diodosrápidos presentan tRR menores que 200nSeg. Los diodos comunes, empleados en rectificadores de baja frecuenciapresentan tRR superiores a 1uSeg.
Desde Bloqueo a Conducción: Sea el circuito representadopor la figura 1.4:
En el momento que el interruptor S se cierra, se observa la existencia de un retardo para que el diodo entre enconducción, conocido como tiempo de entrada en conducción (tRF) y puede variar de 0.1 a 1.5useg.La existencia de una variación de la resistencia del diodo explica el atraso y la sobre tensión (en algunos casospuede alcanzar valores próximos a 40V), este fenómeno se observa en circuitos atacados por corriente es decirfuente de corriente o de altas tensiones donde la variación de corriente es muy rápida.Como se vio en el bloqueo, el empleo de diodos rápidos reduce el valor de VFp y del tiempo de entrada enconducción tRF.
DV
R1
S
F
300V
+
_iF
Lp t
t
i
V (t)F
VFp
t
R
F
D
dtdiF
VF
tRFFig. 1.5Fig.1.4
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Capítulo 1Componentes Empleados En Electrónica de Potencia
1.1 - El Diodo
PÉRDIDAS EN LA CONMUTACIÓN
Las pérdidas en los diodos en la entrada en conducción son representadas por la siguiente expresión:
Donde VFp = Voltaje directo peakVF= Voltaje directo en régimentRF=Tiempo de entrada en conducción
Para frecuencias de trabajo inferiores a 40Khz estas pérdidas pueden ser ignoradas .
Las pérdidas que ocurren en el bloqueo son calculadas del siguiente modo:
Siendo F la frecuencia de conmutación y E el voltaje aplicado al diodo inmediatamente después del Bloqueo.
Por lo tanto las pérdidas totales son:
FtIVV21P rfDFFp1
FEQP RR2
FEQtIVV21P RRRfDFFpTot
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1.2 - El Tiristor
IDEAL REAL
vAK+A
_
Fi
KG
A K+ -EO
RiTO
A K
vAK
iT
1
Disparo3
2
iT
vTo
vRM
AKmax1
3
2
v
CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DE UN TIRISTOR IDEAL
El tiristor bloquea los voltajes positivos como losnegativos. (Rectas 1 y 2 en la figura)
Con corriente de gate, asume las características de undiodo. (Rectas 1 y 3 en la figura)Por esto también es denominado diodo controlado o
SCR - Silicon Controlled Rectifier.
CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DE UN TIRISTOR REAL
Al igual que el diodo real, el tiristor tiene modificacionessustanciales en relación a la característica idealobservándose que los voltajes máximos que el tiristorconsigue bloquear, tanto directa como inversamente,son limitados. (VAKmax y VRM respectivamente)
Las demás no idealidades mencionadas para el diodoson también válidas para el tiristor. Como son la fuerza-electromotriz en serie con una resistencia.
Fig. 1.6
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Capítulo 1Componentes Empleados En Electrónica de Potencia
1.2 - El Tiristor
PÉRDIDAS EN CONDUCCIÓN
La potencia media disipada por el tiristor en conducción es representada por la expresión siguiente:
Donde ITmed e ITeftotal son los valores medio y eficaz de la corriente que el tiristor conduce.
2eftotaloTTo IRIVP
med
CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS DE LOS TIRISTORES (Conmutación)Bloqueo a Conducción:Inicialmente es estudiado el comportamiento en el disparo. En el instante ‘t0’ el interruptor S es cerrado, lo que dapartida a todo un proceso de inicio de conducción, donde las formas de onda son mostradas por la figura 1.8.
Donde tc - tiempo de cierretd - tiempo de retardotr - tiempo de caída de la tensión
Ánodo-Cátodo
VT
+
_
E
RL
Rg
S
ig
Vg
t
t
v g
i
V T
10% de I g
t
0
10% de E
d
90% de E
0
0
tt t
g
C
RFig. 1.8Fig. 1.7
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1.2 - El Tiristor
El tiempo de retardo (td) depende:A) De la amplitud de la corriente de gate.B) De la velocidad de crecimiento de la corriente de Gate
El tiempo tR es independiente de la corriente de Gate.En general el valor de tC es superior a 1uSeg e inferior a 5 uSeg. La figura muestra dos corrientes de Gate conformas diferentes.
Se tiene que :
La curva 2 - nos da un disparo rápido yla curva 1 - un disparo lento.
I g
0 t
2
1
Fig. 1.9
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1.1 - El Tiristor
t inv
1V
I T
0t
t q
VT
dtdi L
t 0 Q RR
E
tt
t1
2
3
2
S es abierto
2 V
V +VTL
BLOQUEO DE UN TIRISTOR
Sea la estructura mostrada en la Fig. 1.10. Inicialmenteel interruptor S se encuentra abierto, y el tiristor T seencuentra en conducción.Para iniciar el bloqueo de T el interruptor S es cerrado.Donde los fenómenos asociados al bloqueo sonsemejantes al descrito para el diodo, las formas deonda son mostradas por la Fig. 1.11.El tiempo tq es especificado por el fabricante del tiristory es denominado tiempo mínimo de aplicación devoltaje inverso. Si este tiempo no se cumple el tiristorcontinua conduciendo.Cuando se trata de conmutación forzada, el tiempo tqes un dato fundamental cuanto menor es, mejor es eltiristor, ya que podrá operar a frecuencias máselevadas.Para tiristores rápidos se tiene 10uSeg<tq<200uSeg.Obs: El tiristor no puede ser bloqueado por gatillo(gate).
T
1
L+
_
E
R
E 2
G
S
iT
_
+
CircuitoAuxiliar de Apagado
Fig.1.10
Fig. 1.11
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1.3 - El Transistor Bipolar de Potencia
El transistor bipolar de potencia es un semiconductor con estructura NPN.Por razones tecnológicas los PNP no son producidos.Los transistores son unidireccionales en tensión y corriente.
CARACTERISTICA ESTÁTICA DEL TRANSISTOR DE POTENCIA
Es normalmente empleado en corte y saturación. Por este motivo esimportante el comportamiento de la transición del estado de saturación alestado de corte y viceversa, siendo caracterizado en estos casos por lostiempos de conmutación, cuanto menor son estos tiempos mejor es eltransistor.
TRANSISTOR EN CORTE (Región 4)
En este estado el transistor es caracterizado solamente por soportarpolaridad de voltaje positiva.
VCE>0
Este valor también no puede ser muy grande como para dañar elcomponente, este valor máximo es dado por el fabricante, VCEmax.(Catálogo)
COLECTOR
EMISOR
BASE+
-
VCE
bi
i c
Fig. 1.12
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1.3 - El Transistor Bipolar de Potencia
TRANSISTOR EN CONDUCCIÓN (Región 1)También conocida como región activa o lineal (IC= IB) en estaregión el transistor es empleado en amplificadores y reguladoreslineales de tensión.No presenta interés en electrónica de potencia debido a la altadisipación de calor (pérdidas) que se da en esta región.
TRANSISTOR EN CUASI-SATURACIÓN (Región 2)Es la región preferida en electrónica de potencia. El voltaje VCE esbajo, definiéndose en esta región la ganancia forzada F, por larelación F=Ic/Ib.
TRANSISTOR EN SATURACIÓN (Región 3)Es la región donde para un ‘Ic’ dado, un aumento de ‘Ib’ no produceuna reducción de VCE. Si se desea frecuencias de trabajo altas estaregión debe ser evitada, debido a que provoca un aumento en eltiempo de almacenaje (ts), es decir, aumenta los tiempos deconmutación del transistor. En conducción es caracterizado por lossiguientes parámetros:A) VCEsat - Para Ic<ICsat e Ib>Ibsat, el fabricante asegura queVCE<VCEsat , dado por el catalogo del fabricante.
B) F - Ganancia forzada definida por F=Icsat/Ibsat (5< F<10)
C) Corriente máxima de colector: el transistor bipolar soporta estacorriente si todas las otras restricciones son respetadas.
VCE
I
VCEsat
C
1
2
3
4
Ib
Fig. 1.13
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1.3 - El Transistor Bipolar de Potencia
CONMUTACIÓN DEL TRANSISTOR CON CARGA INDUCTIVA
A) Conmutación de bloqueado a conducción
Esta conmutación se da en 4 etapas:1era Etapa: Transistor BloqueadoEn esta etapa la corriente de carga es igual a ‘ID’, la corriente ‘IC’ enel transistor es nula. Sea VD= 0 entonces VCE=VCC.
2da Etapa: Crecimiento de la corriente iCDurante la conmutación la corriente iL se mantiene constante. Así:
IC = iL - IDy
VCE = VCC
Mientras la corriente de carga es conmutada del diodo para eltransistor, el voltaje VCE se mantiene constante. La presenciasimultanea de voltaje y corriente en el transistor provoca pérdidas deconmutación.
3era Etapa: Recuperación del diodoCuando ‘IC’ se iguala a ‘IL’ el diodo D comienza a recuperarse conuna corriente inversa ‘IR’.
ID = - IRAsí:
IC = IL + IRDurante la recuperación del diodo VCE se mantiene igual a VCC.
V
ib2
VCE
CC
I
+
-
IL D
+-VBE
Vb2 a) PRIMERA ETAPA
= VCC
V
ib1
VCE
CC
I
+
-
IL D
+-VBE
Vb1 b) SEGUNDA ETAPA
I C
= VCC
V
ib1
VCE
CC
I
+
-
IL D
+-VBE
Vb1 c) TERCERA ETAPA
ic
= VCC
V
ib1
VCE
CC
+
-
IL
+-VBE
Vb1d) CUARTA ETAPA
ic
DCL
> VCEsat
Fig. 1.14
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Capítulo 1Componentes Empleados En Electrónica de Potencia
1.3 - El Transistor Bipolar de Potencia
4ta Etapa: Decrecimiento de VCE
En esta etapa la tensión colector-emisor cae hasta su valorde saturación. Este cambio se realiza con corriente decolector con valor igual a la corriente de carga, por lo tantoes disipativa.
5ta Etapa: Transistor en conducción
Después de la conmutación el transistor habrá asumido todala corriente de carga así:
Ic = ILVCE = VCEsat
ID = 0
De la Fig. 1.15 se tiene que el tiempo de conmutación debloqueado a conducción es:
tF = tFV + tRi
Donde tRi = Tiempo de crecimiento de la corrientetfV = Tiempo de decrecimiento del voltaje
Se recomienda el empleo de diodos rápidos, con esto lacorriente de pico en el transistor es reducida, comoconsecuencia hay una reducción de la potencia perdida en laconmutación.
Ib
t0
t0
t0
t0
t0
Vb2
Vb1
IC IRMIR
IL
Ib1
VCEsat
tRi
1 2 3 4
P
VB
VCE
t fv
tR
5
Vcc
Fig. 1.15Prof. Domingo Ruiz Caballero Dr.Ing.
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1.3 - El Transistor Bipolar de Potencia
B) Conmutación de conducción a bloqueado
1era Etapa: Transistor saturado y en conducciónÍdem al de la conmutación anterior.
2da Etapa: Tiempo de descargaDurante esta etapa se da la descarga (parte del tiempo dealmacenaje) de la capacitancia intrínseca entre base y emisor CBLa corriente ‘IC’ y el voltaje VCE durante este intervalo no sonmodificados.
3era Etapa: Crecimiento del voltaje VCEMientras VCE<VCC el diodo D se mantiene polarizado inversamentey no entra en conducción. Así:
VCE < VCCIC = IL
Durante esta etapa ocurre la fase más crítica de la conmutación,ya que el transistor conduce toda la corriente de carga mientras elvoltaje VCE crece.
4ta Etapa: Decrecimiento de la corriente de colector
Durante esta etapa, la corriente es conmutada del transistor parael diodo. VCE = VCC
Ic = IL - ID con IL = constanteLa corriente ‘IC’ decrece mientras VCE se mantiene en su valormáximo igual a VCC normalmente tRV << tFi y puede ser ignorado.
V
ib2
V = VCE
CC
I
+
-
IL D
+-VBE
Vb2 d) CUARTA ETAPA
IcCC
V
ib2
V < VCE
CC
+
-
IL DCL
Vb2 c) TERCERA ETAPA
ic
CC
V
ib1
VCE
CC
+
-
IL
+-VBE
Vb1 a) PRIMERA ETAPA
ic
DCL
= VCEsat
V
ib2
VCE
CC
+
-
IL
CBEVb2 b) SEGUNDA ETAPA
ic
DCL
= VCEsat
Fig. 1.16
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Ib
t0
t0
t
t0
t0
ICtfi
1 2 3 4
P
VBE
VCE
tRv
tf
VCC
VCEsat
PÉRDIDAS EN LA CONMUTACIÓN
a) Entrada en conducción:Ignorando la corriente de recuperación del diodo laenergía perdida durante la entrada en conducción esobtenida con la relación siguiente:
Eec = 0.5 * IC * VCE* tRPor lo tanto Pec = 0.5*IC*VCE*tR*F
Donde tR = tRi + tfv
b) Bloqueo:Las pérdidas en el bloqueo son dadas por:
Ebl = 0.5* IC* VCE* tfLuego Pbl = 0.5* IC *VCE * tf * F
Donde tf = tRV + tfi
c) Pérdidas totales:Las pérdidas totales son dadas por la suma, por lo tanto:
Ptot = 0.5* VCE* IC *F *( tR+tf )
Capítulo 1Componentes Empleados En Electrónica de Potencia
1.3 - El Transistor Bipolar de Potencia
Fig. 1.17Prof. Domingo Ruiz Caballero Dr.Ing.
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1.3 - El Transistor Bipolar de Potencia
PÉRDIDAS DE CONDUCCIÓN
Las pérdidas de conducción son calculadas en el modo descrito a seguir:
Así
Donde IC = Corriente de colector media
VCEsat = Voltaje colector-emisor de saturación
IB = Corriente de base media
VBEsat = Voltaje base emisor con el transistor saturado
ton = tiempo de conducción del transistor
F = Frecuencia
TtVIVIP on
BEbCECCond satsat
FtVIVIP onBEbCECCond satsat
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1.4 - El Transistor MOSFET
Es un interruptor con las siguientes características básicas,entendidas como ventajas en relación al bipolar:
A) Tiempos de conmutación extremadamente cortos.B) Alta impedancia de entrada, entre Gate y Source. De este modo
la potencia consumida y la complejidad del circuito de comandoes baja.
C) Comparado con el bipolar, tiene una mayor área de operaciónSegura (SOA - Safe Operating Area).
D) Fácil de ser asociado en paralelo debido a que la resistencia deconducción tiene coeficiente positivo de temperatura.El símbolo del MOSFET canal N esta representado por la figuraal lado.
Gate
Source
Dreno
iD
+
-
Vds
DondeDi = Diodo intrínseco
Fig. 1.18
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1.4 - El Transistor MOSFET
CARACTERISTICA ESTÁTICA DEL MOSFET
La figura muestra la característica, donde pueden serobservadas tres regiones distintas :
A) Región de resistencia constanteB) Región de corriente constante.
C) Región de corteEl MOSFET conduciendo es caracterizado por los siguientesparámetros.a) RDSon - Saturado el MOSFET se comporta como unaresistencia, que es un hecho importante ya que con esto sedeterminan las pérdidas en conducción o la máxima ID.RDSon aumenta con la temperatura con un coeficiente igual0.7% para cada grado Celsius aproximadamente, para Tjmayor que 25 oC.b) ID - Máxima corriente continua que el componente puedeconducir.c) IDM - Máxima corriente pulsada de dreno que el MOSFET
puede conducir.d) Vgs - Máximo voltaje entre gate source que puede seraplicado (positivo o negativo).e) Vgsth - Voltaje gate source necesario para iniciar la
conducción, aproximadamente (~4V)f) VDSon = RDSon * ID - Voltaje dreno-source con el MOSFETconduciendo.
VDS
ID
A
VGS
B
~ 4V
~ 20V
C
Fig. 1.19
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1.4 - El Transistor MOSFET
CARACTERISTICA DINÁMICA DEL MOSFET
La figura 1.20 presenta las capacitancias entre losterminales del MOSFET donde :
CISS = CGD +CGS = capacitancia de entradaCOSS = CGD +CDS = capacitancia de salidaCRSS = CGD = capacitancia de transferencia.
Los valores de las capacitancias son dadas por losfabricantes y varían con VDS pero no con la temperatura.CISS es un parámetro importante en el comando y en lostiempos de conmutación, este condensador debe sercargado y descargado por el circuito de comando de gate ylos tiempos de conmutación dependen de estos tiempos.Sin embargo es COSS la que más influye en las pérdidas deconmutación.El MOSFET no tiene tiempo de almacenaje, (en realidad esdespreciable si se compara con las frecuencias de trabajodel bipolar, siendo el tiempo de carga y descarga de CBE),que es el mayor tiempo que el bipolar tiene en laconmutación.
Gate
Source
Dreno
C
C
C
DS
GS
GD
Fig. 1.20
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1.4 - El Transistor MOSFET
CONMUTACIÓN INDUCTIVA
Se admite que los principales mecanismos de pérdidas en lasconmutaciones del MOSFET se resumen en:a) Recuperación inversa del diodo Db, cuando el MOSFET esaccionado.b) La descarga del condensador parásito CDS cuando entra enconducción el MOSFET.c) Pérdida en bloqueo debido a CDS.
a) Entrada en conducción:
1era Etapa: Transferencia de energíaInicialmente el MOSFET se encuentra bloqueado y la corriente circula através del diodo Db y la fuente Vout.
2da Etapa: Crecimiento de la corriente IDEl transistor es comandado a conducir en t= to. Luego cuando el voltajede gatillo alcanza VTH, la corriente de dreno comienza a crecer mientrasla corriente por ‘Db’ comienza a disminuir. Esta etapa termina cuando lacorriente de dreno llega al valor ILM.
3era Etapa: Comienzo de recuperación inversa del diodoEn esta etapa la corriente en Db tiene crecimiento negativo. Note queesta corriente se suma a la del transistor ocasionando más pérdidas,esta etapa termina cuando la corriente inversa del diodo comienza adecrecer negativamente.
ILMRG
v (t)G
+
_
D
Vout
Db
S
G
a) Primera etapa
CDS
VDS = Vout
+
ILMRG
v (t)G
+
_
D
Vout
Db
S
G
b) Segunda etapaVDS = Vout
+CDS
ILMRG
v (t)G
+
_
D
Vout
Db
S
G
c) Tercera etapaVDS = Vout
+CDS
Fig. 1.21
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1.4 - El Transistor MOSFET
4ta Etapa: Termino de recuperación inversa del diodoEn la cuarta etapa la corriente inversa del diodo comienza a decrecernegativamente hasta anularse, ID aún es la suma de ILM y lacorriente inversa, VDS cae aproximadamente 10 % del valor máximo.Se tiene que cuanto menor es la resistencia de gate (RG) menor eseste intervalo.
5ta Etapa: Decrecimiento de la tensión VDS
En esta etapa la corriente en Db es cero. La corriente de colector esigual a la de la fuente, VDS continua decreciendo (descarga de CDS)hasta llegar al valor de saturación.
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ILMRG
v (t)G
+
_
D
Vout
Db
S
G
e) Quinta etapaVDS < 90% Vout
+CDS
ILMRG
v (t)G
+
_
D
Vout
Db
S
G
c) Cuarta etapa
+CDS
< VDS < Vout90% Vout
b) Bloqueo:
1era Etapa: Transistor conduciendoInicialmente el MOSFET se encuentra conduciendo la corriente de fuenteILM.
2da Etapa: Crecimiento de la Tensión VDS
El transistor es comandado a bloquearse, la corriente de dreno semantiene constante mientras el voltaje VDS comienza a crecer.
3era Etapa: Decrecimiento de la corriente de drenoEn esta etapa el voltaje VDS se hace igual a la tensión de fuente lo quehace que la corriente en Db comience a crecer en desmedro de lacorriente de dreno.
4ta Etapa: Transferencia de energíaEn la cuarta etapa el diodo DB asume la corriente de la fuente por lotanto, la corriente de dreno es cero.
ILMRG
v (t)G
+
_
D
Vout
Db
S
G
c) Tercera etapaV =VDS out
I <ID LM
+
ILMRG
v (t)G
+
_
D
Vout
Db
S
G
b) Segunda etapaV >0DS
+
ILMRG
v (t)G
+
_
D
Vout
Db
S
G
a) Primera etapa
Fig. 1.22
Capítulo 1Componentes Empleados En Electrónica de Potencia
1.4 - El Transistor MOSFET
ILMRG
v (t)G
+
_
D
Vout
Db
S
G
d) Cuarta etapaV =VDS out
+
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1.4 - El Transistor MOSFET
PÉRDIDAS DE CONMUTACIÓN EN EL MOSFET.
- Pérdidas de Entrada en Conduccióna) Debidas a la recuperación del diodo
La figura 1.23 muestra las curvas de corriente de dreno y de la tensiónVDS durante la entrada en conducción. Se observa que el transistor essometido simultáneamente a un aumento lineal de corriente de drenomientras la tensión continúa alta.Las curvas mostradas por la figura son una buena aproximación de lasreales, por lo tanto empíricamente se obtiene la siguiente expresión depérdidas de entrada en conducción.
Aproximando ta = tRI, tiempo de crecimiento de la corrientee Tb =10% de tFV, tiempo de caída de tensión, datos de catalogo.b) Debidas a la capacitancia dreno-source( CDS )La capacitancia CDS es responsable por una parte de potencia disipadadurante la entrada en conducción. Mientras el MOSFET esta abierto,CDS esta cargado a un voltaje Vout. En el inicio de la conducción delMOSFET, durante el intervalo tFV, el voltaje en sus terminales decrecede Vout a cero, descargando el capacitor CDS. Esta descarga ocurre enel interior del MOSFET no siendo posible observar este fenómeno.Finalmente la expresión que representa las pérdidas debidas a CDS es:
6t2t3I
2ttIVfP ba
RMba
LMoutSdiodo
Vout
a b
Recuperación inversa del diodoI + I
LM RM
t t0
v (t)DS
i (t)D
Fig. 1.23
221
outDSSCds VCfP
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Capítulo 1Componentes Empleados En Electrónica de Potencia
1.4 - El Transistor MOSFET
- Pérdidas de bloqueo en el MOSFET
El comportamiento de la tensión y la corriente en elMOSFET, durante el bloqueo, puede ser observado enlas figuras al lado. Durante el intervalo de tiempo ,(Fig 1.24b) la corriente iD(t), la cual es constante e iguala ILM, es dividida internamente en el MOSFET en dospartes complementarias.La primera parte iQ(t) fluye a través del MOSFET y lasegunda, iC(t), recorre el condensador parasito CDS delcomponente. Se observa que solo en existenpérdidas ya que después la corriente es desviadatotalmente para CDS y la corriente iQ es cero.Finalmente la pérdida es representada por:
vDS
0 t
Vout
iD
ILM
Comando deGate
(t)
(t)
tFI
tRV
10% 10%
90%
90%
DILM
i (t)C
S
CDSG
MOSFET
i (t)Q
RDonILM
i (t)Q
0
Variación Cuadráticade la tensión V
RV
v (t)DS
i (t)C
Se considera = a 10% de t
DS
DS
SLMBloq C
fIP24
22
(a)
Fig. 1.24
(b)
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Capítulo 1Componentes Empleados En Electrónica de Potencia
1.5 - Cálculo Térmico
CÁLCULO TÉRMICO EN RÉGIMEN PERMANENTE
El objetivo del cálculo térmico es llegar a un valor de disipadorde modo de evitar que la temperatura de juntura alcancevalores próximos de la máxima temperatura permitida por eldispositivo.
a) Un solo semiconductor en el disipadorPara el cálculo térmico será empleado el circuito equivalenterepresentado en la figura al lado.Las variables representadas en la figura son definidas delsiguiente modo:
TJ - temperatura de juntura (OC)TC - temperatura de la capsula (OC)Ta - temperatura ambiente (OC)Td - temperatura del disipador (OC)
P(AV) - potencia térmica producida por la corriente que circula en eldispositivo y siendo transferida al medio ambiente (W).
RthJC - resistencia térmica entre juntura y capsula (OC /W)RthCD - resistencia térmica entre el componente y el disipador (OC
/W)RthDA - resistencia térmica entre el disipador y el medio ambiente
(OC /W)
RthJA = RthJC+RthCD+RthDA - resistencia térmica entre la juntura y elambiente.
P(av)
Tj CT Td
TaRR thcdR thdathjc
Fig. 1.25
Prof. Domingo Ruiz Caballero Dr.Ing.
Capítulo 1Componentes Empleados En Electrónica de Potencia
1.5 - Cálculo Térmico
La ecuación empleada para el cálculo térmico de un componentees la siguiente:
TJ - Ta = RthJA * P(AV)
Existe una analogía con un circuito eléctrico resistivo, representadopor la Fig. 1.26.
Se adopta el siguiente procedimiento:
a) P(AV) es calculado a partir de las características del componentey de la corriente que por él circula.
b) TJ - dato dado por el fabricante del componente.
c) Ta - valor adoptado por el proyectista .
d) desde la expresión anterior se determina la resistencia térmicatotal.
)(avP
aTjTthjaR
V1 2
I
R
V
Fig. 1.26
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Capítulo 1Componentes Empleados En Electrónica de Potencia
1.5 - Cálculo Térmico
e) con la expresión dada anteriormente se determina laresistencia térmica del disipador.
Las resistencias térmicas RthJC y RthCD son datos dados porel fabricante del dispositivo. Con un catálogo dedisipadores se puede escoger el más conveniente o elvalor más próximo.
b) Varios semiconductores en el mismo disipador
El diagrama de resistencias térmicas es mostrado por lafigura al lado.Para determinar la resistencia térmica para este casopueden ser considerados los siguientes criterios:A) - Calcular la temperatura del disipador, Td, para cadadispositivo de la siguiente manera:
Luego tomar como temperatura del disipador,Td, el menorvalor calculado de las ecuaciones anteriores.
)( thcdRthjcRthjaRthdaR
Ptot(av)1
Tj1 c1T Td1
TaR
Rthcd1R
thda
thjc1
Ptot(av)2
Tj2 c2T Td2
Rthcd2Rthjc2
Ptot(av)n
Tjn cnT Tdn
RthcdnRthjcn
Td
)( 111)(11 thcdthjcavtotjd RRPTT
)( 222)(22 thcdthjcavtotjd RRPTT
)()( thcdnthjcnnavtotjndn RRPTT
Fig. 1.27
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Capítulo 1Componentes Empleados En Electrónica de Potencia
1.5 - Cálculo Térmico
Finalmente, la resistencia térmica del disipador es dada por la siguiente ecuación:
B) Considerar inicialmente las temperaturas de juntura para todos los semiconductores, iguales y menores a lamáxima temperatura de juntura (por ejemplo se recomienda admitir TJM =100OC).
Una vez determinados los diferentes valores de temperatura del disipador con las tres ecuaciones dadasanteriormente, tomar la temperatura del disipador Td, como la media de los valores obtenidos:
Una vez calculado, Td, se debe verificar si las temperaturas de juntura de cada semiconductor están dentrodel margen indicada por el fabricante en el catálogo. Si alguno esta arriba del máximo se debe reducir latemperatura Td, hasta que todos estén abajo del valor máximo permitido.
Luego sustituir en la ecuación que representa RthDA .
navtotavtotavtot
adthda PPP
TTR)(2)(1)( .....
nTTTT dndd
d....21
Prof. Domingo Ruiz Caballero Dr.Ing.
FINCAPITULO 1