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Paràmetros de los dispositivos de PotenciaPaùl Santiago Saldaña Caldas

psaldana@est.ups.edu.ec

paul_ssc@hotmail.com

Resumen—Los parametros que se va a taratar en este articulo,afectan al comportamiento de cada uno de los dispositivos queson utilizados para la industria sobretodo cuando se trabaja conaltas potencias.

Estos dispositivos por lo general son utilizados para, el controlde moteres sincronos,inversores, rectificadores,etc.

Muchos aspectos de los dispositivos influyen ,en su compor-tamiento estas caracteristicas se dan debido a la buena o malaconduccion , susu caracteristicas estaticas y dinamicas.

Los didpositivos mas utilizados son el diodo , los diferentestipos de transistores, TRIAC,etc

I. INTRODUCCIÒN

Los semiconductores de potencia se han extendido durantelas últimas décadas a una amplia gama de aplicaciones. Estaextensión ha sido consecuencia del continuo y rápido desar-rollo de la tecnología de semiconductores de potencia, que haconseguido dispositivos muy potentes, efectivos y fáciles deusar.

Existe una gran varieda de dispositivos de potencia, entrelos cuales podemos citar: los diodos y transistores de potencia,el tiristor, así como otros derivados de éstos, tales como lostriac, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor uniunióno UJT, el transistor uniunión programable o PUT y el diodoShockley.

En este articulo se va ha explicar los dispositivos de potencia, asi tambien como susu caracteristicas indiviuales.

II. CARACTERISTICAS ESPECIFICAS

Lo más importante a considerar de estos dispositivos, esla curva característica que nos relaciona la intensidad quelos atraviesa con la caída de tensión entre los electrodosprincipales.

El componente básico del circuito de potencia debe cumplirlos siguientes requisitos:

• Tener dos estados claramente definidos, uno de altaimpedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (con-ducción).

• Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidady pequeña potencia.

• Ser capaces de soportar grandes intensidades y altastensiones cuando está en estado de bloqueo, con pequeñascaídas de tensión entre sus electrodos, cuando está enestado de conducción. Ambas condiciones lo capacitanpara controlar grandes potencias

• Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado aotro.

El último requisito se traduce en que a mayor frecuencia defuncionamiento habrá una mayor disipación de potencia. Portanto, la potencia disipada depende de la frecuencia.

Figure 1. Dependencia de la frecuencia y potencia

Acontinuacion se enuncia los 3 bloques basicos de semi-conductores de potencia y sus aplicaciones fundamentales:

A. Semiconductores de alta potencia

Figure 2. Caracteristicas

Aplicaciones:1) Tracción eléctrica: troceadores y convertidores.2) Industria:

• Control de motores asíncronos.• Inversores• Caldeo inductivo• Rectificadores.• Etc.

B. Módulos de potencia

Figure 3. Descripciòn

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Figure 4. Descripcion

Aplicaciones:• Soldadura al arco.• Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI).• Control de motores.• Tracción eléctrica.

C. Semiconductores de baja potencia

• Aplicaciones :– Control de motores.– Aplicaciones domésticas.– Cargadores de baterías.– Control de iluminación.– Control numérico.– Ordenadores,– etc.

III. DIODO DE POTENCIA

Uno de los dispositivos más importantes de los circuitosde potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, lassiguientes limitaciones : son dispositivos unidireccionales,no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al deconducción. El único procedimiento de control es invertir elvoltaje entre ánodo y cátodo.

Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado deconducción, deben ser capaces de soportar una alta intensidadcon una pequeña caída de tensión. En sentido inverso, debenser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodocon una pequeña intensidad de fugas.

Figure 5. Curva caracteristica

El diodo responde a la ecuación:

I = Is(eqV/KT − 1)

La curva característica será la que se puede ver en la partesuperior, donde:VRRM :Tensiòn Inversa màxima

VD: Tension del codoA continuación vamos a ir viendo las características más

importantes del diodo, las cuales podemos agrupar de lasiguiente forma:

1) Características estáticas:• Parámetros en bloqueo (polarización inversa).• Parámetros en conducción.• Modelo estático.

2) Caracteristicas Dinamicas• Tiempo de recuperación inverso (t rr ).• Influencia del t rr en la conmutación.• Tiempo de recuperación directo.

3) Potencias:• Potencia máxima disipable.• Potencia media disipada.• Potencia inversa de pico repetitivo.• Potencia inversa de pico no repetitivo.

4) Características térmicas.5) Protección contra sobreintensidades.

A. Características estáticas

Figure 6. La señal indica el comportamiento del diodo

1) Parametros en bloqueo:• Tensión inversa de pico de trabajo (VRWM ): es la

que puede ser soportada por el dispositivo de formacontinuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha.

• Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM ): es la quepuede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10ms de forma continuada.

• Tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM ): esaquella que puede ser soportada una sola vez durante10ms cada 10 minutos o más.

• Tensión de ruptura (VBR ): si se alcanza, aunque seauna sola vez, durante 10 ms el diodo puede destruirse odegradar las características del mismo.

• Tensión inversa continua (VR): es la tensión continuaque soporta el diodo en estado de bloqueo

l2) Parametros en Conducciòn: Intensidad media nominal

(IF (AV ) ): es el valor medio de la máxima intensidad deimpulsos sinusoidales de 180º que el diodo puede soportar.

Intensidad de pico repetitivo (IFRM ): es aquella que puedeser soportada cada 20 ms , con una duración de pico a 1 ms,

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a una determinada temperatura de la cápsula (normalmente25º).

Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM ): es elmáximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10minutos, con una duración de 10 ms.

Intensidad directa (IF ): es la corriente que circula por eldiodo cuando se encuentra en el estado de conducción.

3) Modelos estáticos del diodo: Los distintos modelos deldiodo en su región directa (modelos estáticos) se representanen la figura superior. Estos modelos facilitan los cálculos arealizar, para lo cual debemos escoger el modelo adecuadosegún el nivel de precisión que necesitemos.

Figure 7. Curvas de los modelos del diodo

B. Características dinamicas

1) Tiempo de recuperación inverso: El paso del estadode conducción al de bloqueo en el diodo no se efectúainstantáneamente. Si un diodo se encuentra conduciendo unaintensidad IF , la zona central de la unión P-N está saturadade portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de éstoscuanto mayor sea IF .

Figure 8. Recuperacion Inversa del diodo

Si mediante la aplicación de una tensión inversa forzamos laanulación de la corriente con cierta velocidad di/dt, resultaráque después del paso por cero de la corriente existe ciertacantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento

y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario duranteun instante. La tensión inversa entre ánodo y cátodo no seestablece hasta después del tiempo t a llamado tiempo dealmacenamiento, en el que los portadores empiezan a escaseary aparece en la unión la zona de carga espacial. La intensidadtodavía tarda un tiempo t b (llamado tiempo de caída) en pasarde un valor de pico negativo (IRRM ) a un valor despreciablemientras van desapareciedo el exceso de portadores.

• ta(tiempo de almacenamiento): es el tiempo que tran-scurre desde el paso por cero de la intensidad hasta llegaral pico negativo.

• tb(tiempo de caída): es el tiempo transcurrido desde elpico negativo de intensidad hasta que ésta se anula, yes debido a la descarga de la capacidad de la uniónpolarizada en inverso. En la práctica se suele medir desdeel valor de pico negativo de la intensidad hasta el 10 %de éste.

• trr(tiempo de recuperación inversa): es la suma de ta ytb .

trr = ta + tb

• Qrr: se define como la carga eléctrica desplazada, yrepresenta el área negativa de la característica de recu-peración inversa del diodo.

• di/dt: es el pico negativo de la intensidad.• Irr: es el pico negativo de la intensidad.

La relación entre tb/ta es conocida como factor de suavizado"SF"

2) Disipación de potencia:a) Potencia máxima disipable (Pmax ) : Es un valor de

potencia que el dispositivo puede disipar, pero no debemosconfundirlo con la potencia que disipa el diodo durante elfuncionamiento, llamada ésta potencia de trabajo.

b) Potencia media disipada (PAV ): Es la disipaciónde potencia resultante cuando el dispositivo se encuentra enestado de conducción, si se desprecia la potencia disipadadebida a la corriente de fugas.

c) Potencia inversa de pico repetitiva (PRRM ): Es lamáxima potencia que puede disipar el dispositivo en estadode bloqueo.

d) Potencia inversa de pico no repetitiva (PRSM ):Similar a la anterior, pero dada para un pulso único.

3) Caracteristicas Termicas:a) Temperatura de la unión (Tjmax ): Es el límite

superior de temperatura que nunca debemos hacer sobrepasara la unión del dispositivo si queremos evitar su inmediatadestrucción. En ocasiones, en lugar de la temperatura de launión se nos da la "operating temperature range" (margende temperatura de funcionamiento), que significa que el dis-positivo se ha fabricado para funcionar en un intervalo detemperaturas comprendidas entre dos valores, uno mínimo yotro máximo.

b) Temperatura de almacenamiento (Tstg ): Es la tem-peratura a la que se encuentra el dispositivo cuando no se leaplica ninguna potencia. El fabricante suele dar un margen devalores para esta temperatura.

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Resistencia térmica unión-contenedor (Rjc ) : Es laresistencia entre la unión del semiconductor y el encapsuladodel dispositivo. En caso de no dar este dato el fabricante sepuede calcular mediante la fórmula:Rjc = (Tjmax − Tc)/Pmax

siendo Tc la temperatura del contenedor y Pmax la potenciamáxima disipable.

c) Resistencia térmica contenedor-disipador (Rcd ): Esla resistencia existente entre el contenedor del dispositivo y eldisipador (aleta refrigeradora). Se supone que la propagaciónse efectúa directamente sin pasar por otro medio (como micaaislante, etc)

IV. TRANSISTOR DE POTENCIA

El funcionamiento y utilización de los transistores de poten-cia es idéntico al de los transistores normales, teniendo comocaracterísticas especiales las altas tensiones e intensidades quetienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar.

Existen tres tipos de transistores de potencia:• bipolar.• unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo).• IGBT

Figure 9. Parametros de los transistores

El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada MOS,más la capacidad de carga en corriente de los transistoresbipolares:

• Trabaja con tensión.• Tiempos de conmutación bajos.• Disipación mucho mayor (como los bipolares).

Nos interesa que el transistor se parezca, lo más posible, a unelemento ideal:

• Pequeñas fugas.• Alta potencia• Bajos tiempos de respuesta (ton , toff), para conseguir

una alta frecuencia de funcionamiento.• Alta concentración de intensidad por unidad de superficie

del semiconductor.• Que el efecto avalancha se produzca a un valor elevado

( VCE máxima elevada).• Que no se produzcan puntos calientes (grandes di/dt ).

Una limitación importante de todos los dispositivos de po-tencia y concretamente de los transistores bipolares, es queel paso de bloqueo a conducción y viceversa no se hace

instantáneamente, sino que siempre hay un retardo (ton ,toff). Las causas fundamentales de estos retardos son lascapacidades asociadas a las uniones colector - base y base- emisor y los tiempos de difusión y recombinación de losportadores

A. Principios básicos de funcionamiento

La diferencia entre un transistor bipolar y un transistorunipolar o FET es el modo de actuación sobre el terminalde control. En el transistor bipolar hay que inyectar unacorriente de base para regular la corriente de colector, mientrasque en el FET el control se hace mediante la aplicaciónde una tensión entre puerta y fuente. Esta diferencia vienendeterminada por la estructura interna de ambos dispositivos,que son substancialmente distintas.

Es una característica común, sin embargo, el hecho de que lapotencia que consume el terminal de control (base o puerta)es siempre más pequeña que la potencia manejada en losotros dos terminales.

En resumen, destacamos tres cosas fundamentales:

• En un transistor bipolar I B controla la magnitud de IC.• En un FET, la tensión V GS controla la corriente I D .• En ambos casos, con una potencia pequeña puede con-

trolarse otra bastante mayor.

B. Tiempos de conmutaciòn

Cuando el transistor está en saturación o en corte laspérdidas son despreciables. Pero si tenemos en cuenta losefectos de retardo de conmutación, al cambiar de un estado aotro se produce un pico de potencia disipada, ya que en esosinstantes el producto IC x V CE va a tener un valor apreciable,por lo que la potencia media de pérdidas en el transistor vaa ser mayor. Estas pérdidas aumentan con la frecuencia detrabajo, debido a que al aumentar ésta, también lo hace elnúmero de veces que se produce el paso de un estado a otro.

Figure 10. Cambios de estados del transistor

Podremos distinguir entre tiempo de excitación o encendido(ton) y tiempo de apagado (toff). A su vez, cada uno de estostiempos se puede dividir en otros dos.

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Figure 11. Tiempos del transistor en funcionamiento

Tiempo de retardo (Delay Time, td): Es el tiempo quetranscurre desde el instante en que se aplica la señal deentrada en el dispositivo conmutador, hasta que la señal desalida alcanza el 10% de su valor final.

Tiempo de subida (Rise time, tr): Tiempo que emplea laseñal de salida en evolucionar entre el 10% y el 90% de suvalor final.

Tiempo de almacenamiento (Storage time, ts): Tiempo quetranscurre desde que se quita la excitación de entrada y elinstante en que la señal de salida baja al 90% de su valorfinal.

Tiempo de caída (Fall time, tf): Tiempo que emplea la señalde salida en evolucionar entre el 90% y el 10% de su valorfinal.

C. Otros parámetros importantes

Figure 12. Comportamiento de la corriente

Corriente media: es el valor medio de la corriente que puedecircular por un terminal (ej. ICAV , corriente media por elcolector).

Corriente máxima: es la máxima corriente admisible decolector (ICM ) o de drenador (IDM ). Con este valor sedetermina la máxima disipación de potencia del dispositivo.

VCBO: tensión entre los terminales colector y base cuandoel emisor está en circuito abierto.VEBO: tensión entre los terminales emisor y base con el

colector en circuito abierto.

Tensión máxima: es la máxima tensión aplicable entre dosterminales del dispositivo (colector y emisor con la baseabierta en los bipolares, drenador y fuente en los FET)

Estado de saturación: queda determinado por una caída detensión prácticamente constante. V CEsat entre colector yemisor en el bipolar y resistencia de conducción R DSon enel FET. Este valor, junto con el de corriente máxima,determina la potencia máxima de disipación en saturación.

Relación corriente de salida - control de entrada: hFE parael transistor bipolar (ganancia estática de corriente) y g dspara el FET (transconductancia en directa).

D. Protección del transistor de potencia

Los tiempos de conmutación limitan el funcionamiento deltransistor, por lo que nos interesaría reducir su efecto en lamedida de lo posible.

Figure 13. Comportamiento del voltaje en el tiempo

Los tiempos de conmutación pueden ser reducidos medianteuna modificación en la señal de base.

Puede verse como el semiciclo positivo está formado por untramo de mayor amplitud que ayude al transistor a pasar asaturación (y por tanto reduce el ton) y uno de amplitudsuficiente para mantener saturado el transistor (de este modola potencia disipada no será excesiva y el tiempo dealmacenamiento no aumentará). El otro semiciclo comienzacon un valor negativo que disminuye el toff, y una vez queel transistor está en corte, se hace cero para evitar pérdidasde potencia.

En consecuencia, si queremos que un transistor que actúaen conmutación lo haga lo más rápidamente posible y conmenores pérdidas, lo ideal sería atacar la base del dispositivocon una señal como el de la figura anterior. Para esto se puedeemplear el circuito de la figura siguiente:

En estas condiciones, la intensidad de base aplicada tendrála forma indicada a continuación.

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Figure 14. Diagrama de conexion

Figure 15. Comportamiento de la corriente en el tiempo

Durante el semiperiodo t1, la tensión de entrada (Ve) semantiene a un valor Ve (máx). En estas condiciones la V BEes de unos 0.7 v y el condensador C se carga a una tensiónVC de valor

VC = R2V e(max)−0.7R1+R2

debido a que las resistencias R1 y R2 actúan como undivisor de tensión.

La cte. de tiempo con que se cargará el condensador seráaproximadamente de:

τ1 = C R1∗R2R1+R2

Con el condensador ya cargado a VC , la intensidad de basese estabiliza a un valor IB que vale:

IB = V e(max)−0.7R1+R2

En el instante en que la tensión de entrada pasa a valer−Ve(min), tenemos el condensador cargado a VC , y la V BE= 0.7 v. Ambos valores se suman a la tensión de entrada, loque produce el pico negativo de intensidad IB(mın).

IB(min) = V e(min)+V c−0.7R1+R2

A partir de ese instante el condensador se descarga a travésde R2 con una constante de tiempo de valor R2C.

Para que todo lo anterior sea realmente efectivo, debecumplirse que:

5(τ1) ≤ t1

5(τ2) ≤ t2

con esto nos aseguramos que el condensador está cargadocuando apliquemos la señal negativa. Así, obtendremos final-mente una frecuencia máxima de funcionamiento :

f(max) = 1t1+t2 = 1

5∗τ1+5∗τ2 = 0.4t1+t2

V. CONCLUCIONES

Los dispositivos semiconductores de potencia permitenconstruir puentes convertidores electrónicos, eficientes quemejoran las prestaciones estáticas y dinámicas de los procesosde conversión . Estos puentes originan procesos más eficientesdebido a la capacidad de conmutar grandes bloques de energíacon mínimas pérdidas. Estos incrementos en las prestaciones yeficiencia se logra al combinar distintas áreas del conocimientodentro de las aplicaciones de la electrónica de potencia.

La conmutación de altos bloques de energía trae consigo laintroducción de contaminación armónica en tensión y corrientesobre las líneas de alimentación, problemas de resonancia,interferencia electromagnética, fallas de aislación, entre otras.Estos problemas pueden solucionarse mediante filtros pasivosy/o activos o mejorando las estrategia de conmutación de lospuentes electrónicos.

REFERENCES

[www.elprisma.com/apuntes/ingenieria electrica y electronica][book.google.com.ec/book]