Captulo 4 Transistores de potencia Los transistores de potencia tienen caractersticas controladas de encendido y apagado. Los transistores, que se utilizan como elementos de conmutacin, se operan en la regin de saturacin, y producen una pequea cada de voltaje en el estado de encendido. La velocidad de conmutacin de los transistores modernos es mucho mayor que la de los tiristores y se emplean frecuentemente en convertidores cd-cd y cd-ca, con diodos conectados en paralelo inverso para proporcionar flujo bidireccional de corriente. Sin embargo, sus especificaciones nominales de voltaje y corriente son menores que Las de Jos tiristores, y normalmente los transistores se emplean en aplicaciones de baja a mediana potencia. Los transistores de potencia se pueden clasificar, de manera general, en cinco categoras: Transistores bipolares de unin (BJT) Transistores de efecto de campo de metal oxido semiconductor (MOSFET) Transistores de induccin esttica (SIT) Transistores bipolares de compuerta asilada (IGBT) COOLMOSTransistores bipolares de uninUn transistor bipolar se forma agregando una segunda regin pon a un diodo de unin pn. Con dos regiones n y una p, se forman dos uniones, tenindose as un transistor NPN, como se muestra en la figura 4.1. Con dos regiones p y una regin n, se forma lo que se llama transistor PNP, que se muestra en la figura 4.1b. Las tres terminales son colector, emisor y base. Un transistor bipolar tiene dos uniones: la unin colector-base (CBJ) y la unin base-emisor (BEJ). En la figura 4.2 aparecen transistores NPN de varios tamaos.Hay dos regiones n* para el emisor del transistor NPN de la figura 4.3a, y dos regiones p* para el emisor del transistor PNP de la figura 4.3b. Para un transistor NPN, la capan del lado del emisor es ancha, la base p es angosta, y la capan del lado del colector es angosta y con un fuerte dopado.

Figura 4.2 Transistores NPN

Caractersticas en estado permanenteAunque hay 3 configuraciones posibles: colector comn, base comn y emisor comn, la configuracin emisor comn, que se ve en la figura 4.4 para un transistor NPN, es la que generalmente se utiliza en aplicaciones de conmutacin. En la figura 4.4b se muestran las caractersticas tpicas de entrada de corriente de base Ib en funcin de voltaje base-emisor Vbe. La figura 4.4c muestra las caractersticas tipas de salida de corriente de colector Ic en funcin del voltaje de colector- emisor Vce. Para un transistor PNP, se invierten las polaridades de todas las corrientes y voltajes.Hay tres regiones de operacin de un transistor: de corte, activa y de saturacin. En la regin de corte, el transistor est abierto o apagado, la corriente de base no es suficiente para saturarlo, y las dos uniones estn polari2adas inversamente. En la regin activa, el transistor acta como un amplificador, en el que la corriente de base se amplifica una ganancia determinada, y el voltaje colector-emisor disminuye al aumentar la corriente de base.El modelo de un transistor NPN se ve en la figura 4.6, en operacin a cd a gran seal. La ecuacin que relaciona las corrientes es

La corriente de base es de hecho la de entrada, y la corriente del colector es la de salida. La relacin de la corriente de colector Ic entre la corriente de base Ib se llama ganancia de corriente en sentido directo, Bf:La corriente del colector tiene dos componentes: uno debido a la corriente de base y el otro es la corriente de fuga de la unin CBJ

Donde Iceo es la corriente de fuga de colector a emisor, con la base con circuito abierto, y se puede considerar despreciable en comparacin con Caractersticas de conmutacin Una unin pn con polarizacin directa contiene dos capacitancias en paralelo: una capacitancia de la capa de agotamiento y una capacitancia de difusin. Por otra parte. una unin pn con polarizacin inversa slo tiene la capacitancia de agotamiento. Bajo condiciones de estado permanente, esas capacitancias no juegan papel alguno. Sin embargo. bajo condiciones transitorias, influyen sobre el comportamiento del transistor en su encendido y apagado.A causa de las capacitancias internas, el transistor no se enciende al instante, Cuando el voltaje de entrada v8 aumenta de cero a V1 y la corriente de base aumenta a 181, la corriente de colector no responde de inmediato. Hay un retardo, llamado tiempo de retardo t11, para que haya un flujo de corriente por el colector. Este retardo se requiere para cargar la capacitancia de la unin BEJ hasta el voltaje de polarizacin directa V8E (unos 0.7 V). Despus de ese retardo, la corriente de colector sube hasta el valor les de estado permanente, El tiempo de subida Ir depende de la constante de tiempo determinada por la capacitancia de la unin BEJMientras mayor sea el ODF, ms alta ser la cantidad de carga adicional almacenada en la base. Esa carga adicional, llamada carga de saturacin, es proporcional al exceso de excitacin de la corriente de base y la corriente l~ correspondiente es

Y la carga de saturacin esta determinada por:

Donde Ts se llama constante de tiempo de almacenamiento del transistor.Cuando el voltaje de entrada se invierte de V1 a - V2 y la corriente de base tambin cambia a -182, la corriente de colector no cambia durante un tiempo es, llamado tiempo de almacenamiento. Se requiere el rs para remover la carga de saturacin de la base.El tiempo de encendido o tiempo de activacin, tencin es la suma del tiempo de retardo td y el tiempo de subida t,

Y el tiempo de apagado o tiempo de desactivacin, 10 tr, es la suma del tiempo de almacenamiento ts y el tiempo de cada tf

Lmites de conmutacin Segunda avalancha (SB, de second breakdown). La segunda avalancha o avalancha secundaria, que es un fenmeno destructivo, se debe al flujo de corriente por una pequea porcin de la base, que produce puntos calientes localizados. Si la energa de esos puntos calientes es suficiente, el calentamiento localizado excesivo puede daar al transistor.rea de operacin segura en polarizacin directa (FBSOA, de jorward-biased saje operating area). Durante las condiciones de activacin y de estado activo, la temperatura promedio de la unin y la segunda avalancha limitan la capacidad de manejo de potencia de un transistor.rea de operacin segura en polarizacin inversa (RBSOA, de reverse-biased saje operating area). Durante el tiempo de apagado, el transistor debe sostener una gran corriente y un alto voltaje, en la mayor parte de los casos con polarizacin inversa de base a emisor.Prdida de disipacin de potencia. el circuito trmico equivalente. Si la prdida de disipacin de potencia total promedio es por la temperatura del encapsulado es Voltajes de ruptura. Un voltaje de ruptura, o voltaje disruptivo se define como el voltaje absoluto mximo entre dos terminales, con la tercera terminal abierta, en corto o polarizada en forma directa o inversa. Un voltaje de ruptura permanece relativamente constante donde la corriente aumenta con rapidez.MOSFET de potencia Un BJT es un dispositivo controlado por corriente, y requiere corriente de base para que pase corriente en el colector. Como la corriente de colector es independiente de la corriente de entrada (o de base), la ganancia de corriente depende de la temperatura de la unin.Un MOSFET de potencia es un dispositivo controlado por voltaje, y slo requiere una pequea corriente de entrada. La velocidad de conmutacin es muy alta, y los tiempos de conmutacin son del orden de nanosegundos. Los MOSFET de potencia estn encontrando aplicaciones cada vez ms numerosas en convertidores de baja potencia y alta frecuencia. Los MOSFET no tienen los problemas de fenmenos de segunda avalancha, como los BJT. Sin embargo, los MOSFET tienen los problemas de descarga electrosttica y requieren cuidados especiales en su manejo. Adems, es relativamente difcil protegerlos en condiciones de falla por cortocircuito.Los dos tipos de MOSFET son 1) MOSFET decrementales y 2) MOSFET incrementales:Un MOSFET de tipo decremental con canal se forma sobre un substrato de silicio tipo p. Con dos regiones de silicio n+ muy dopado, para formar conexiones de baja resistencia. La compuerta est aislada del canal por una capa muy delgada de xido.Las tres terminales son compuerta, drenaje y fuente. En el caso normal, el substrato se conecta a la fuente. El voltaje de compuerta a fuente es V GS y puede ser positivo o negativo. Si V GS es negativo, algunos de los electrones en el rea del canal11 son repelidos, y se crea una regin de agotamiento abajo de la capa de xido, dando como resultado un canal efectivo ms angosto y una alta resistencia del drenaje a la fuente Rds.Un MOSFET de canal n de tipo incremental no tiene canal fsico, Si V GS es positivo, un voltaje inducido atrae a los electrones del substrato p y los acumula, en la superficie, bajo la capa de xido. Si V os es mayor o igual a u o valor llamado voltaje umbral o voltaje de entrada, V r. se acumula una cantidad suficiente de electrones para formar un canal n virtual, y la corriente circula del drenaje a la fuente.Ya que un MOSFET de decremental permanece activo con cero voltaje de compuerta, mientras que un MOSFET de tipo incremental permanece apagado con cero voltaje de compuerta, en general los MOSFET de tipo incremental se usan como dispositivos de conmutacin en la electrnica de potencia. Un corte transversal de un MOSFET de potencia, llamado MOSFET vertical (V).Los MOSFET requieren poca energa de compuerta, y tienen una velocidad muy grande de conmutacin, y bajas prdidas por conmutacin. La resistencia de entrada es muy alta, de 109 a 1011 . Sin embargo, la desventaja de los MOSFET es su alta resistencia en sentido directo en estado activo, y por consiguiente grandes prdidas en estado activo; eso los hace menos atractivos como dispositivos de potencia, aunque son excelentes como dispositivos amplificadores de compuerta para tiristores.Para los MOSFET de tipo de decremental, el voltaje de compuerta (o de entrada) podra ser positivo o negativo. Sin embargo, los MOSFET de tipo de incremental responden slo a un voltaje de compuerta positivo. En general, los MOSFET de potencia son del tipo de incremental. Sin embargo, los de tipo decremental tendran ventajas y simplifican el diseo lgico en algunas aplicaciones que requieren alguna forma de interruptor de lgica compatible para cd o ca que permaneciera cerrado cuando la fuente de potencia falla y V Gs se vuelve cero. Ya no se describirn ms las caractersticas de los MOSFET de tipo de decremental.Caractersticas de conmutacinSi no tiene seal de compuerta, un MOSFET de tipo incremental se puede considerar como dos diodos conectados espalda con espalda, o como un transistor NPN. La estructura de la compuerta

tiene las capacitancias parsitas Cgs respecto a la fuente y Cgd respecto al drenaje. El transistor npn tiene una unin con polarizacin inversa, del drenaje a la fuente, y forma una capacitancia Cd: