ETAPAS DE SALIDA BJTs de potencia Definiciones

Transcripción

1 Temperatura de unión Definiciones Los transistores de potencia disipan grandes cantidades de potencia en sus uniones entre colector y base. La potencia disipada se convierte en calor, que eleva la temperatura de la unión (T J ). Dicha temperatura no debe superar un máximo especificado (T Jmáx ) que para el silicio es de 150ºC a 200ºC. Resistencia térmica Consideremos un transistor que opera al aire libre. El calor disipado en la unión del transistor será disipado de la unión hacia la caja del transistor, y de ésta hacia el medio ambiente. Si en estado estable el transistor disipa una potencia P D, el calentamiento de la unión respecto al medio ambiente puede expresarse como: T J -T A =θ JA P D T J : Temperatura de la unión [ºC] ; T A : Temperatura ambiente [ºC] ; θ JA : resistencia térmica [ºC/W] ; P D : Potencia disipada [W] Disipación de potencia El fabricante de un transistor de potencia suele especificar T Jmáx, la máxima disipación de potencia a una temperatura ambiente T A0 (que por lo general es de 25ºC), y la resistencia térmica θ JA. T J P D θ JA T A T Jmáx -T A0 θ JA = P D0 T Jmáx -T A P Dmáx = θ JA

2 La resistencia térmica entre unión y ambiente, θ JA, se puede expresar como: θ JA =θ JC +θ CA Donde θ JC es la resistencia térmica entre la unión y la caja del transistor y θ CA es la resistencia térmica entre la caja y el medio ambiente. Para un transistor dado, θ JC está fijada por el diseño y paquete del dispositivo. El fabricante intenta disminuir θ JC mediante el diseño del encapsulado. Ej. Encapsulado tipo TO3. El diseñador puede reducir considerablemente θ CA por debajo de su valor al aire libre mediante el uso de disipadores de calor (superficies metálicas extendidas) y aletas. Se reduce su valor mediante el uso de aletas. θ CA =θ CS +θ SA Se reduce su valor mediante el uso de superficies metálicas extendidas. donde θ CS es la resistencia térmica entre la caja del transistor y el disipador y θ SA la resistencia térmica entre el disipador y el ambiente.

3 T J T J -T A = (θ JC +θ CS +θ SA ) P D θ JC T C T Jmáx -T C P Dmáx = θ JC P D θ SC T S θ SA T A

4 Además de especificar la máxima disipación de potencia a diferentes temperaturas de caja, los fabricantes suelen suministrar el área de operación sin riesgo (SOA) en el plano i C -v CE. 1.- La corriente máxima permisible I Cmáx. Si excede esta corriente de manera continua puede dar como resultado que se fundan los alambres que conectan el dispositivo a los terminales del empaquetamiento. 2.- La hipérbola de máxima disipación de potencia. Éste es el lugar geométrico de los puntos para los cuales v CE i C =P Dmáx (a T C0 ). Para temperaturas T C >T C0, deben usarse las curvas de reducción de corriente descritas anteriormente y por tanto se obtiene una hipérbola más baja. Aun cuando se puede permitir que el punto de operación se mueva de modo temporal arriba de la hipérbola, no debe permitirse que el promedio de potencia disipada exceda P Dmáx.

5 3.- Límite de segunda ruptura. La segunda ruptura es un fenómeno debido a que la circulación de corriente por la unión entre emisor y base no es uniforme. Más bien, la densidad de corriente es mayor cerca de la periferia de la unión. Esta concentración de corriente da lugar a que la potencia se disipe en puntos localizados produciendo los denominados puntos calientes. Como el calentamiento de estas zonas produce un aumento de la corriente, puede ocurrir un embalamiento térmico que conduzca a la destrucción de la unión. 4.- Tensión de ruptura de colector a emisor, BV CEO. Nunca debe permitirse que el valor instantáneo de v CE exceda BV CEO ; de otra manera, ocurrirá la ruptura por avalancha de la unión entre colector y base.

6 Parámetros típicos Debido a sus grandes dimensiones y elevadas corrientes de operación, los transistores de potencia muestran valores típicos de parámetros que pueden ser muy distintos de los transistores de pequeña señal. Las principales diferencias son: (v 1.- A elevadas corrientes, la relación exponencial i C -v BE es i C =I BE /2V T ) S e 2.- β es pequeña, típicamente entre 30 y 80, pero puede llegar en algunos casos a ser de sólo A elevadas corrientes, r π se hace muy pequeña y r b se hace significativa. 4.- f T es pequeña debido a sus grandes dimensiones. Dichas dimensiones hacen que las capacidades parásitas del transistor sean elevadas. 5.- BV CEO es típicamente de 50 a 100 V, pero puede ser de hasta 500 V. 6.- I Cmáx es típicamente 1 A, pero puede ser de hasta 100 A. Transistor MOS de potencia i D = k W 2 L (v GS -V t )2 W L BV DSO Los transistores MOS de pequeña señal no son capaces de manejar las elevadas tensiones típicas de las aplicaciones de los transistores de potencia. Estructura DMOS BV DSO ~ 600 V I Cmáx ~ 50 A

7 Transistor MOS de potencia Curvas características i D = (1/2) C ox W U sat (v GS -V t ) Vt = 2 ~ 4 V Transistor MOS de potencia Efectos de la temperatura