ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL CONVERSORES ESTÁTICOS

Consulta: 01 Nombre: Criollo Gualotuña Gustavo Gonzalo

PROTECCIONES PARA SEMICONDUCTORES Control Térmico El estudio térmico en varios elementos de potencia es fundamental para obtener un óptimo rendimiento de cada uno de ellos y evitar que disminuya su vida útil. Se menciona esto porque cuando circulan corrientes por los elementos haciendo conmutar entre corte y saturación se producen unas pérdidas de potencia que se transforma en calor en el dispositivo. Este calor incrementa la temperatura del elemento y si no es extraído provocará que su vida útil disminuya o que de destruya el elemento. Disipador: La capacidad de evacuación del calor al medio externo podrá variar según el tipo de cápsula pero en cualquier caso será demasiado pequeña, por lo que necesita una ayuda adicional para transferir el calor disipado mediante un dispositivo de mayor volumen y superficie conocido como disipador de calor, el cual hace de puente para evacuar el calor de la cápsula al medio ambiente.

La temperatura en la juntura ( maxJT ) no puede superar un valor máximo de 125ºC ya que puede

empeorar las características funcionales del dispositivo como se puede apreciar en la siguiente curva:

En el gráfico anterior puede observarse que un dispositivo funcionando a 75ºC durará unas cuatro veces más, que cuando trabaja a su temperatura máxima, por tanto es muy importante mantener la temperatura del cristal controlada, aún en las condiciones más desfavorables (máximas disipación de potencia y temperatura del medio ambiente). Es por eso que se deben tomar algunas acciones: - Limitar la potencia disipada en el elemento: Usando dispositivos con menor caída en conducción, limitando la corriente máxima por el dispositivo o usando técnicas que reduzcan las pérdidas en la conmutación. - Facilitar la evacuación del calor generado hacia el medio ambiente: Con algo parecido sumidero de calor infinito, tales como por ejemplo:

Capsulas adecuadas.- Que las diseña el fabricante.

Radiadores.- Que son disipadores de aluminio extrusionado o radiadores con ventilación forzada, que son disipadores de aluminio con ventiladores.

Por refrigeración.- Utilizando líquidos, con o sin evaporación.

La transferencia de calor se puede hacer de tres formas: - Por convección.- Este mecanismo ocurre entre un sólido y el fluido con el que está en contacto. Cuando las capas del fluido más próximas se calientan y crean un flujo para transportarlo a otro lugar se llama convección natural, pero si la circulación del fluido está provocada por un medio externo se lo denomina convección forzada.

La transferencia de calor por convección natural que existe en el aire se puede estimar por:

Donde:

, es la potencia transferida por el mecanismo de convección desde el disipador hacia el ambiente (W). A, es el área de la superficie vertical (m2). d, es la altura vertical del área de la superficie A (m). ΔT, es el incremento de temperatura entre el fluido y la superficie (ºC). La resistencia térmica equivalente será por lo tanto:

- Por radiación.- El calor se transfiere mediante emisiones electromagnéticas que son irradiadas por cualquier cuerpo cuya temperatura sea mayor a la del medio que lo rodea. El estado de la superficie influye en gran medida en la cantidad de calor radiado. Esta forma de transmisión de calor tiene una gran dependencia del color del cuerpo siendo los cuerpos negros los de mayor poder de radiación. La transferencia de calor por radiación no se tiene en cuenta puesto que a las temperaturas a que se trabaja ésta es despreciable.

La transferencia de calor por Radiación se rige por la ley de Stefan Boltzmann:

Donde:

, es la potencia transferida entre la superficie del disipador y el ambiente (W). E, es la emisividad de la superficie del disipador. Esta constante depende del tipo de material. Para objetos oscuros, como el aluminio pintado de negro utilizado en radiadores es 0.9. A, es el área de la superficie (m2). TS, es la temperatura de la superficie expresada en grados Kelvin. σ=5.67x10-8xWxm-2xºK-4 es la constante de Stefan Boltzmann; La resistencia térmica equivalente será por tanto:

Se debe tener en cuenta que si se colocan radiadores próximos a otros objetos más calientes absorberán más energía que la que emitan por radiación. - Por conducción.- Conocido como el principal medio de transferencia de calor, porque el calor generado en la unión se transmite por el interior del cuerpo del dispositivo hasta que se alcanza la misma temperatura en todos los puntos del encapsulado. Es decir, el flujo de calor va desde los puntos más calientes del material hacia los más fríos. En este tipo de transmisión se debe tener en cuenta la conductividad térmica de las sustancias (cantidad de calor transmitido por unidad de tiempo, superficie, gradiente de temperatura). Según la ley de Fourier, la evacuación de calor por conducción se puede aproximar suponiendo que el material que conduce el calor presenta una resistencia térmica independiente de la temperatura y de la cantidad de calor evacuada:

Donde:

, es la resistividad térmica del material (ºC⋅m/W).

l, es la longitud (m). A, es el área (m2). PD, es la potencia disipada (W).

R , es la resistencia térmica del trozo de material (ºC/W).

En el estudio técnico de los dispositivos semiconductores se establece ciertas semejanzas con los circuitos eléctricos tales como:

Magnitud Eléctrica Magnitud Térmica

Diferencia de Potenciales Diferencia de Temperaturas

Intensidad Potencia

Resistencia Eléctrica Resistencia Térmica

El calor generado en las uniones de los dispositivos sigue el siguiente camino:

Aquí debe cumplirse que la temperatura del ambiente sea inferior a la temperatura que se alcanza en la unión para que pueda existir la transferencia de calor, caso contrario no encontraremos con un grave problema. A continuación se presenta el modelo térmico estático, que es el modelo multicapa de un semiconductor montado sobre un disipador para analizar la transferencia de calor desde el silicio hacia el ambiente.

Fórmula: Donde: Rθjc, es la resistencia térmica debido a mecanismos de transferencia de calor por conducción entre el silicio y el encapsulado del dispositivo. Rθcs, es la resistencia térmica debido a mecanismos de transferencia de calor por conducción entre el encapsulado del dispositivo y el disipador. Rθsa, es la resistencia térmica debido a mecanismos de transferencia de calor por convección y radiación entre el disipador y el ambiente. Estos mecanismos, aunque más complejos, se pueden modelar de forma aproximada mediante una resistencia térmica y serán estudiados posteriormente. Circuito equivalente basado en resistencias térmicas:

Fórmula:

Donde: Tj, es la temperatura de la unión del semiconductor. Ta, es la temperatura ambiente del medio exterior. Estos cálculos no son exactos, debido a que las resistencias térmicas varían con la temperatura, con el contacto térmico entre cápsula y radiador (montaje), con las dispersiones de fabricación y con los efectos transitorios. Rjc y Rcs quedan especificados por los fabricantes del dispositivo de potencia. Una vez que se conoce la pérdida de potencia PD se puede calcular la resistencia térmica requerida del disipador de calor, en relación con una temperatura ambiente conocida, Ta. El siguiente paso es seleccionar el disipador de calor de una dimensión que cumpla con el requisito de la resistencia térmica. Las características de resistencia térmica de un disipador de calor típico, con enfriamiento natural y forzado aparecen en la siguiente figura:

Características: - La disipación de potencia en función de la elevación del disipador queda para un enfriamiento natural. - En caso de un enfriamiento forzado, la resistencia térmica se reduce con la velocidad del aire. - El área de contacto entre el dispositivo y el disipador de calor es de extrema importancia para minimizar la resistencia térmica entre la carcaza y el disipador. - Las superficies deben ser planas, lisas y libres de suciedad, corrosión y óxidos superficiales. La temperatura máxima de la unión es el límite superior de temperatura a la que no se debe llegar y menos sobrepasar si queremos evitar la destrucción de la unión. Este dato es un valor que se suele suministrar, normalmente, en los manuales de los fabricantes de semiconductores.

Tipos de pasta aislante: - Silicio y zinc-based.- Es grasa térmica que generalmente viene en un tubo y es una pasta blanca. No es de calor por conducción en sí, pero llena las posibles lagunas entre las superficies, proporcionando una interfaz satisfactoria. - Grasa de cerámica.- Incluye en las partículas de grasa térmica algunos materiales como el óxido de aluminio. El rendimiento máximo se alcanza después de varios ciclos de uso normal, utilizando el sistema, según sea necesario después de apagarlo para enfriar. La ventaja de grasa térmica de cerámica sobre base de plata de grasa es que la grasa de cerámica no es conductora de electricidad. - Base de plata.- Esta grasa térmica contiene partículas de metal de alta conductividad. Además es excelente para la realización de calor, pero también pueden conducir electricidad. Se recomienda precaución en la aplicación de base metálica grasa térmica. La mica: En la fabricación de dispositivos electrónicos el aislador de la mica es cortado en cintas, perforando el aislador de natural. Estas rebanadas de la mica se utilizan en electrónica para proporcionar el aislamiento eléctrico entre un componente electrónico que pueda generar calor y un disipador de calor que lo esté refrescando. Se utiliza la mica porque puede estar partido en rebanadas muy finas, ya que ésta mantiene su resistencia termal en niveles bajos mientras que conserva suficiente fuerza dieléctrica para evitar que la corriente fluya a través de él en los voltajes moderados. En aplicaciones de alta potencia los elementos se enfrían con mayor éxito mediante un líquido, por lo común aceite o agua. El enfriamiento por agua es muy eficaz, aproximadamente tres veces más efectivo que el enfriamiento por aceite. Refrigeración por líquidos: Mediante estos dispositivos, se puede evacuar una gran cantidad de calor con un tamaño de disipador mucho más reducido si se compara con los refrigerados por aire. Normalmente se empleará un circuito cerrado, y se forzará mediante una bomba la circulación del líquido. Suele utilizarse como líquido refrigerante agua (a veces con aditivos).

El circuito completo será el siguiente:

Como se vio al estudiar el mecanismo de convección, si se utiliza un sistema que incluya un líquido que se evapora y condensa, el coeficiente h que define la cantidad de calor que se evacua por convección, alcanza un valor muy alto.

Redes Snubbers Los circuitos de ayuda a la conmutación conocidos comúnmente como “snubber” son una parte esencial en muchos de los circuitos electrónicos de potencia. Se los considera como un conjunto de componentes (pasivos y/o activos) que se incorporan al circuito de potencia para reducir en el dispositivo semiconductor las variaciones de voltaje o corriente que puedan existir durante las conmutaciones, y asegurar un régimen de trabajo seguro. El dimensionamiento de los componentes de éstas debe satisfacer requerimientos a menudo contrapuestos por lo que su diseño no resulta fácil. A continuación se presentan varias funciones que tienen los snubbers en los circuitos de potencia: - Limitan el pico máximo de tensión aplicado al interruptor durante el transitorio que aparece en el proceso de apagado. - Limitando el pico máximo de corriente a través del interruptor durante proceso de encendido. - Limitando la pendiente de la corriente (di/dt) que circula por el interruptor en el proceso de encendido. - Limitando la pendiente de la tensión (dv/dt) en el interruptor durante el proceso de apagado. Los snubbers se clasifican en: a) Red RC no polarizados.- Utilizados para proteger diodos, tiristores, configuraciones de puentes de transistores, etc. b) Red RC polarizados.- Utilizados para interruptores controlados, como los snubbers de apagado, snubbers de sobrevoltaje o los snubbers de dv/dt. c) Red RL polarizados.- Utilizados para limitar la pendiente de la corriente, como los snubbers de encendido. Se entiende por interruptores controlados a los dispositivos en los que mediante una señal de control se enciende y apaga el semiconductor. Redes snubbers para diodos de potencia: Estos circuitos son esenciales para diodos utilizados para la conmutación en circuitos. Se puede proteger un diodo contra picos de sobrevoltaje que puede suceder durante el proceso de recuperación inversa. Un circuito snubber muy común para diodos de potencia consiste de un capacitor y una resistencia conectada en paralelo con el diodo como se muestra en la siguiente figura.

Debido al tiempo de recuperación inversa trr y a la corriente de recuperación IR, cierta cantidad de energía queda atrapada en las inductancias del circuito, dando como resultado la aparición de voltajes transitorios a través del dispositivo. Como primera aproximación de cálculo, supongamos que el snubber carece de resistencia (Rs=0). En este caso, el circuito equivalente que resulta se muestra en la siguiente figura (considerando Rs=0). Puesto que asumimos el bloqueo instantáneo del diodo una vez alcanzado el pico de corriente de recuperación inversa Irr, la corriente inicial a través de la inductancia Ls es precisamente Irr. En cambio el condensador Cs parte inicialmente con una tensión nula.

Con estas hipótesis de partida, podemos plantear la ecuación diferencial que rige el comportamiento del circuito anteriormente indicado:

Por otro lado se tiene también que:

La solución de estas ecuaciones diferenciales nos conduce a las expresiones que definen la evolución de la corriente y tensión en el snubber incorporado:

Siendo:

Si se define al término CB como:

Se puede expresar la siguiente ecuación:

Como:

Siendo el valor máximo de la tensión que soportaría el diodo (asumiendo que Rs=0):

A la vista de esta última ecuación, podemos afirmar que valores reducidos del condensador Cs provocarían elevadas sobretensiones en el diodo. Puesto que el circuito considerado no presenta ninguna resistencia serie (Rs=0), las oscilaciones de tensión y corriente que aparecen no están amortiguadas y si el circuito exterior no cambia entraríamos en un régimen oscilatorio. Para evitar esta situación añadiremos la resistencia Rs al snubber como se indica en la siguiente figura.

La corriente del circuito se expresa como:

Con condiciones iniciales i(t=0)=IR y VC(t=0)=0, las soluciones de las dos ecuaciones anteriores proporcionan el voltaje inverso a través del dispositivo como:

Donde:

La frecuencia natural sin amortiguamiento es:

La relación de amortiguamiento es:

Y la frecuencia natural amortiguada es:

Si diferenciamos la siguiente ecuación:

Tenemos como resultado:

El voltaje inverso inicial dv/dt puede determinarse a partir de las siguientes ecuaciones:

Y mediante el establecimiento mínimo de t=0:

Donde el factor de corriente de d esta dado por:

Si el dv/dt inicial de la siguiente ecuación es negativo, el voltaje inicial inverso RIR es máximo lo que puede producir un dv/dt destructivo.

En el caso de un dv/dt positivo, es mayor que cero, es decir: Y además el voltaje inverso tendrá su máximo en t=t1. El tiempo t1 puede obtenerse igualando la siguiente ecuación a cero:

Quedando la siguiente expresión:

Y el voltaje pico puede determinarse a partir de la ecuación anterior haciendo:

Se debe considerar que el voltaje pico depende de la relación de amortiguación, , y del factor de la corriente, d. Además, si asignamos a Cs el valor de CB (Cs=CBASE), la mínima sobretensión se obtendrá cuando Rs=1.3RBASE (RBASE=Vd/Irr), y el valor de la tensión en el semiconductor bajo estas condiciones será aproximadamente:

Vdf=1.5Vd La energía que se disipa en la resistencia Rs durante el apagado del transistor podemos calcularla como:

Al final de las oscilaciones que se establecen durante la conmutación el condensador quedará cargado con una energía igual a:

Esta energía se disipará a través de la resistencia y el diodo cuando éste entre nuevamente en conducción. Por lo tanto, la energía total disipada en el conjunto diodo más circuito RC, suponiendo una entrada en conducción instantánea para el diodo, vendrá definida por la expresión:

Después de todo este análisis se extrae algunas conclusiones: - Las pérdidas aumentan linealmente con la capacidad Cs - La tensión máxima decrece ligeramente al aumentar Cs Por lo tanto es aconsejable que el valor del condensador Cs sea próximo a CBASE, con el objeto de no incrementar excesivamente las pérdidas totales en el circuito. La resistencia Rs quedará definida por la línea punteada correspondiente a aquellos valores de Rs que minimizan la sobretensión en el diodo (Rs, opt=1.3RBASE). Redes snubbers para transistores de potencia: En esta parte a la carga RL se la representa como una fuente de corriente porque se comporta de esa manera durante las conmutaciones. En las características de transferencia para carga inductiva con y sin red snubber se observa que sin red snubber se sobrepasa la curva SOA en la conmutación de conducción a corte provocándose la destrucción del dispositivo por el efecto de segunda ruptura. Esto se lo puede visualizar en gráfico siguiente:

Red snubber para el transitorio Turn off (Apagado): Mediante este circuito se pretende que conforme aumenta la tensión en el transistor, la corriente Ic disminuya, para evitar que el producto sea elevado, limitando de este modo la disipación de potencia del transistor. Para ello, se coloca un condensador en paralelo con el transistor. Este condensador debe absorber más intensidad cuando la tensión empiece a crecer. Durante el apagado del transistor el snubber se llevara la mayor parte de la corriente transfiriéndose una gran parte de la disipación de potencia que tendría que soportar el transistor sin snubber, a este último. El siguiente gráfico ayuda a entender el funcionamiento básico del circuito.

Cuando el transistor se apaga, la corriente que procede de la bobina es conducida a través del diodo Ds hacia el condensador del snubber Cs. La tensión en dicho condensador aumentará hasta alcanzar la tensión de alimentación del circuito, momento en que el diodo principal Df entraría en conducción para llevarse la corriente de la bobina. Cuando el interruptor entra en conducción el condensador del snubber se descarga a través de la resistencia R y del propio interruptor. Una condición de diseño importante es que el condensador Cs se descargue totalmente durante la conducción del transistor para poder comenzar el siguiente

periodo de conmutación con condiciones iniciales de tensión nulas. Por lo tanto, la constante de tiempo RsCs en el mencionado snubber, debe ser menor que el periodo de conmutación ya que se ha de dar tiempo suficiente al condensador C para cargarse y descargarse en cada ciclo de trabajo. Características.- - Suaviza las formas de onda de tensión en el apagado del transistor. Es decir, controla la trayectoria de apagado reduciendo las perdidas dinámicas de apagado más importantes. - Parte de las pérdidas de conmutación se trasladan a otros componentes. - Previene efectos de posibles transitorios de voltaje. - Durante el apagado, el condensador limita la tasa de crecimiento de la tensión UCE cargándose a través del diodo a la vez que la corriente de colector va decreciendo. - La tensión en el transistor se enclava a la del condensador, que es inicialmente cero. Cuando la tensión en el condensador llega a Vd, el diodo Df entra en conducción. En el intervalo de tiempo 0 < t < tf:

Cuando Ic = 0 (t = tf) se verifica:

A continuación se presentan las formas de onda de la corriente y la tensión durante el turn-off. El área sombreada representa la carga almacenada en la capacidad snubber durante el turn - off, carga que tendrá que ser disipada por el transistor.

Se elige una resistencia tal que el condensador se descargue antes de que el transistor vuelva a apagarse. Es necesario un intervalo de tiempo igual a entre tres y cinco constantes de tiempo (para limitar la descarga instantánea del condensador sobre el transistor). Suponiendo que la descarga completa sean cinco constantes de tiempo: El condensador se descarga a través de la resistencia y el transistor cuando éste entra en conducción. La energía almacenada:

IoRVs Lsw ·

Se transfiere mayoritariamente a la resistencia, luego la potencia absorbida por la resistencia es la energía dividida entre el tiempo, siendo éste el periodo de conmutación.

Red snubber para el transitorio Turn on (Encendido): Aquí se debe mencionar que la conmutación del encendido es más rápido que la del apagado, sus inductancias parasitas son de valores pequeños. Este tipo de redes son implementadas para reducir las pérdidas en el encendido de los semiconductores al realizar la conmutación a alta frecuencia, limitando también la presencia del pico de recuperación inversa del diodo. A continuación se presentan un par de circuitos típicos de estos tipos de redes:

Para explicar su funcionamiento partiremos de una situación en la que el transistor está bloqueado soportando la tensión de alimentación. Cuando se provoca la entrada en conducción del transistor, se supone que la tensión entre colector y emisor sufre una evolución lineal hacia cero alcanzándose este punto transcurrido un tiempo tfv. La bobina Ls limita la tasa de crecimiento de la corriente de colector mientras disminuye la tensión colector-emisor. Una vez que se supera el tiempo de entrada en conducción, el transistor quedará conduciendo la corriente Im y soportando cero voltios en extremos. Posteriormente durante el proceso de bloqueo del interruptor, la bobina descargará la energía en ella almacenada sobre la resistencia. Esta reducción de voltaje se puede determinar por la siguiente expresión:

tri

IoLsVsw

·

Mediante esta expresión se puede dimensionar a Ls. Mientras el semiconductor esté conduciendo, por Ls circula la corriente Io, en el momento de apagado, la energía almacenada en el inductor:

2

· 2IoLs

Se disipa en la resistencia RL, de tal manera que para seleccionar el valor adecuado de esta resistencia se considera la constante de tiempo del inductor en el apagado:

LsR

Ls

Y el sobrevoltaje máximo que soporta el semiconductor en el encendido, queda de la siguiente manera: Además del tiempo de apagado se expresa así:

LsR

Lsstatetoff 3.2_

- Para valores pequeños de la inductancia del snubber (Ls<Ls1)

El es controlado por el interruptor Sw y por el circuito de manejo. - Para valores altos de la inductancia del snubber (Ls>Ls1)

Es limitado por el circuito para que Irr es reducido cuando Ls>Ls1, porque Irr es proporcional a Red snubber combinada: En este caso se plantea la combinación de los snubbers de encendido y de apagado, formando uno solo. Los componentes de este circuito Ls, Cs, Rs se diseñan siguiendo los pasos anteriormente indicados para cada tipo de snubber considerado por separado. La potencia que ahora ha de disipar la resistencia Rs depende de la energía almacenada por los dos elementos reactivos, es decir:

Red snubber de sobre voltaje: El sobrevoltaje en terminales del transistor es causado por la interrupción de la corriente en las inductancias parásitas (o de las conexiones). La forma de remediar este efecto es usar un condensador que tome la energía almacenada en esta inductancia sin causar demasiado sobrevoltaje (controlar el sobrevoltaje para no causar daño).

Red snubber de corriente: El objetivo de un snubber de corriente (o de encendido) es lograr que la tensión del transistor disminuya a cero mientras la corriente de colector sea reducida. Este efecto puede conseguirse empleando una inductancia saturable:

La inductancia saturable del circuito se diseña de modo que alcance la saturación después que la tensión en el interruptor ha llegado a cero. Antes de la saturación, la inductancia presenta una

1

22

200100

1.0max

22

max

s

fi

fi

ov

CkCovVd

tIokCov

VdVceUsando

t

IoLoKVdLrParaestima

IoLVceC

elevada impedancia y solo fluye una pequeña corriente magnetizante. Una vez alcanzado el paso por cero de la tensión en el colector del transistor, la inductancia se saturará presentando una impedancia despreciable por lo que la evolución de la corriente hacia Im será muy rápida. Se consigue de esta forma minimizar la presencia de corriente cuando el transistor soporta tensión y reducir las pérdidas en el circuito. La curva de conmutación en este tipo de circuitos se aproxima notablemente a los ejes, lo que se traduce en bajas pérdidas de conmutación. Esta curva nos indica la Trayectoria de la corriente y tensión en el interruptor del snubber con inductancia saturable.

Bibliografía: - MARTÍN P., ALBERTO, Redes de Ayuda a la Conmutación: Snubbers, Universidad de Oviedo - RASHID, MUHAMMAD Y GONZÁLEZ VIRGILIO, Electrónica de Potencia. - SEGUÍ CH. SALVADOR, Fundamentos Básicos de la Electrónica de Potencia - http://www.redeya.com/electronica/cursos/disipa/disipa.htm - http://voltio.ujaen.es/jaguilar/temarioEP/Tema%202/Texto/Tema%202.pdf - http://www.ugr.es/~amroldan/enlaces/dispo_potencia/transis.htm - http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_electrica_y_electronica/electronicadepotencia/