Dispositivos de potencia y circuitos de aplicación

Transcripción

1 Dispositivos de potencia y circuitos de aplicación Contenido: 1. Introducción a la electrónica de potencia 2. Diodos de potencia 3. Modelo térmico y cálculo de disipadores 4. Tiristores 5. Transistores de potencia 6. Conclusiones Adaptación de la clase desarrollada por el Prof. A. Lutenberg para (2010) (revisión 2016)

2 1.Introducción a la electrónica de potencia Objetivos: Entender alcance y aplicaciones de la electrónica de potencia. Conocer diferentes dispositivos de potencia y sus usos. Introducir las ejemplos básicos de conversión de potencia. Definición de electrónica de potencia: Es la aplicación de dispositivos electrónicos al control y conversión de energía eléctrica. Ejemplos de control: accionamiento de motores, calefacción, sistemas de iluminación. Ejemplos de conversión: rectificadores, fuentes de alimentación, fuentes reguladas, fuentes conmutadas, onduladores.

3 1.Introducción a la electrónica de potencia Los circuitos que permiten convertir potencia eléctrica pueden clasificarse de la siguiente manera : 1. Conversores AC-DC (rectificadores) 2. Conversores AC-AC (indirectos, cicloconversores) 3. Conversores DC-DC (DC choppers o switching) 4. Conversores DC-AC (onduladores o inversores)

4 1.Introducción a la electrónica de potencia Efectos indeseados: Estos circuitos operan encendiendo y apagándose constantemente, lo que introduce ruido en: La tensión de salida La fuente de alimentación En equipos electrónicos cercanos debido a EMI (interferencia electromagnética) Para reducir estos problemas se puede: Usar filtros de entrada y de salida Elegir el circuito más conveniente Usar blindaje electromagnético

5 2.Diodos de potencia Los diodos de potencia son junturas PN con las siguientes características constructivas: Gran área para soportar altas corrientes. Niveles de dopajes controlados para reducir la resistencia en directa y soportar altas tensiones en inversa. Encapsulados especiales para favorecer la disipación térmica.

6 Tiempo de recuperación inversa : 2.Diodos de potencia - Al apagar el diodo sigue circulando corriente por un corto tiempo t b : - En algunos circuitos esta corriente I RR puede ser crítica. - Se puede clasificar a los diodos según su recovery time en tres tipos: Standard o general-purpose Diodos Fast-recovery Diodos Schottky

7 Diodos de propósito general: 2.Diodos de potencia - Tiempo de recuperación ~ 10 s - 1A-6000A / 400V-3600V / V ON = 1.2V - Usados en aplicaciones de baja frecuencia (rectificadores de red) Diodos Fast-recovery: - Tiempo de recuperación ~ 0.1 a 10 s - 30A-200A / 400V-1500V / V ON = 1.2V - Usados como conversores DC-DC o DC-AC (inversores, UPS) Diodos Schottky (metal-semiconductor): - Tiempo de recuperación ~ 5 ns - 1A-120A / 15V-150V / V ON = 0.7V - Usados en alta frecuencia (fuentes conmutadas, cargadores de baterías)

8 Encapsulado DO-5: 2.Diodos de potencia Función del encapsulado: - Conexión eléctrica - Disipación térmica - Aislamiento eléctrico

9 Ejemplo de hoja de datos (1/4): 2.Diodos de potencia

10 2.Diodos de potencia Ejemplo de hoja de datos (continuación 2/4):

11 2.Diodos de potencia Ejemplo de hoja de datos (continuación 3/4): Para la misma tensión V D : Mayor temperatura Mayor corriente Porque hay más portadores libres en el silicio.

12 2.Diodos de potencia Ejemplo de hoja de datos (continuación 4/4): Al aumentar la corriente I D aumenta la potencia disipada y el diodo comienza a recalentarse:

13 1.Introducción a la electrónica de potencia Rectificadores con diodos Ejemplo Nº1:

14 1.Introducción a la electrónica de potencia Rectificadores con diodos Ejemplo Nº1:

15 1.Introducción a la electrónica de potencia Rectificadores con diodos Ejemplo Nº1: Funcionamiento: t 1 t 2

16 2.Diodos de potencia Rectificadores con diodos Ejemplo Nº2:

17 3.Modelo térmico y cálculo de disipadores Cálculo de disipadores Analogía térmico - eléctrica: Pot disipada R Term = T 2 -T 1 I.R = V Regímenes máximos Modelo térmico equivalente: Juntura Carcaza Ambiente - Usualmente debe garantizarse: Tj < Tjmax = 125ºC Las características térmicas del diodo se definen según: Tj Rjc Tc Ta Rca T ambiente Pd Forma típica (Tj=125ºC): = 25W Rjc = 1,4 ºC/W Alternativa (Tj=125ºC): = 25W = 70W Frecuentemente (Tj=125ºC) : = 70W derate = 0,25 W/ºC Ocasionalmente (Tj=125ºC) : Rjc = 1,4 ºC/W Rca = 2,6 ºC/W Estos cuatro casos son exactamente equivalentes (demostrarlo).

18 3.Modelo térmico y cálculo de disipadores Cálculo de disipadores Problema: Dado un diodo con máximos: Tamb = 25 ºC : 25 W Tcase = 25 ºC : 70 W y sabiendo que Pd = 4 W y Ta = 50 ºC, determine si debe usarse disipador. Solución: A partir del modelo térmico: Del enunciado: Pdja. (Rjc + Rca) + Ta = Tjmax Pdjc. Rjc + Tcase = Tjmax Rjc = Tjmax Tc = 125 ºC 25 ºC = 1,4 ºC/W Pdjc 70 W Rca = Tjmax Ta - Rjc = 125 ºC 25 ºC - 1,4 ºC/W = 2,6 ºC/W Pdja 25 W Entonces: Tj = 50 ºC + 4W ( 1,4 + 2,6 ºC/W) = 66ºC < 125ºC Si no se cumple hay que usar disipador El disipador quedaría en paralelo con Rca: Rca//Rd ~ Rd, Rd = (Tj Ta)/Pd - Rjc

19 3.Modelo térmico y cálculo de disipadores Ejercicio Un transistor 2N3055 se utiliza en una etapa de salida de potencia en un circuito de audio y disipa una potencia media de 30W. El circuito se encuentra en montado en el interior de un gabinete dónde el aire puede alcanzar una temperatura máxima de 50ºC. El fabricante indica las especificaciones de la figura. a) Indicar si en necesario o no colocar un disipador al transistor. Si el disipador es necesario calcular su resistencia térmica. b) Si por fallas en la ventilación la temperatura dentro del gabinete aumenta a 75ºC, Qué le ocurre al transistor?

20 3.Modelo térmico y cálculo de disipadores Solución Datos del fabricante extraídos de los regímenes máximos absolutos: Temperatura de juntura máxima: Disipación de potencia máxima: T j máx = 200 ºC P máx =6 T a =25 ºC P máx T c =25 ºC Por lo tanto: R jc = T máx j T P c = máx 177 ºC W =1.50 ºC W R ja = T máx j T P a = ºC máx 6 W =29.17 ºC W º C º C R ca = R ja R jc = = W W

21 3.Modelo térmico y cálculo de disipadores Puede el dispositivo, sin disipador externo, disipar 30W a Ta = 50ºC? Verificación: Si P =30 W T a =50 ºC R ja = ºC W T = R P T = º C 50º C = 925º C j ja a Resulta >> 200ºC Qué hacemos? T j máx

22 3.Modelo térmico y cálculo de disipadores TO-92 TO-5 TO-220 TO-247 TO-218 TO-3 Mayor disipador menor resistencia TO-220 TO-3

23 3.Modelo térmico y cálculo de disipadores Incidencia de la posición Ventilación forzada Diferentes tipos de aislantes Mantenimiento de disipadores Limpieza Pulido Lubricado Ajuste

24 3.Modelo térmico y cálculo de disipadores Ejercicio (resolución - continuación) Un transistor 2N3055 se utiliza en una etapa de salida de potencia en un circuito de audio y disipa una potencia media de 30W. El circuito se encuentra en montado en el interior de un gabinete dónde el aire puede alcanzar una temperatura máxima de 50 ºC. El fabricante indica las especificaciones de la figura. a) Indicar si en necesario o no colocar un disipador al transistor. Si el disipador es necesario calcular su resistencia térmica. b) Si por fallas en la ventilación la temperatura dentro del gabinete aumenta a 75ºC, Qué le ocurre al transistor? Dispositivo con disipador externo: P = 30 W T a =50 ºC R jc =1.50 ºC W º C R ja = W Si tomamos: T c máx =T j máx P R jc T j =200 ºC T = 200º C 301.5º C máx c = 155º C Quema! Y cuanto debe valer Rdis?

25 3.Modelo térmico y cálculo de disipadores Dispositivo con disipador externo: Conviene tener un factor de seguridad en la elección del disipador. En general se elige un disipador con R 30% menor a la calculada. Si el cálculo da un disipador de R = 4 ºC/W, conviene colocar un disipador de R =0.7 x 4 ºC/W= 2.8 ºC/W. A simple modo de referencia, si queremos utilizar un disipador de aluminio se necesita una superficie de aletas aproximadamente de 156 cm 2 de acuerdo a la siguiente fórmula empírica: 2 R = dis 50 cmº C A W 50 A= cm 156cm 4 ; 2 Para obtener 2.8 ºC/W el disipador tendría una superficie de aletas DOS veces mayor (318 cm 2 ).

26 Bibliografía Power Electronics: Converters, Applications and Design, Mohan, Undeland y Robbins, John Wiley & Sons, 2ª Ed, Nueva York, Eletrónica de Potência, J. A. Pomilio, Universidade Estadual de Campinas, SP - Brasil. Electrónica de Potencia, D. W. Hart, Valparaíso University, Valparaíso Indiana. Prentice Hall.