TEMA 3. TRANSISTOR BIPOLAR DE POTENCIA

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1 INTRODUIÓN. aracerísicas Generales del JT TMA 3. TRANSISTOR IPOLAR D POTNIA l inerés acual del Transisor ipolar de Poencia (JT) es muy limiado, ya que exisen disposiivos de poencia con caracerísicas muy superiores. Le dedicamos un ema porque es necesario conocer sus limiaciones para poder comprender el funcionamieno y limiaciones de oros disposiivos de gran imporancia en la acualidad. 3.. INTRODUIÓN 3.2. ONSTITUIÓN DL JT 3.3. FUNIONAMINTO DL JT Zona Aciva Zona de uasi-sauración Zona de Sauración Sauración I (A) 0 uasi-sauración /R d Rupura Secundaria Rupura Primaria Aciva ore V SUS 0 V 0 (V) I I I Ganancia 3.4. TRANSISTOR DARLINGTON 3.5. L TRANSISTOR N ONMUTAIÓN 3.6. XITAIÓN DL JT 3.7. ONSIDRAIONS TÉRMIAS 3.8. AVALANHA SUNDARIA 3.9. ZONA D OPRAIÓN SGURA (SOA) Tema 3. Transisor ipolar de Poencia. Transparencia de 7 aracerísica de salida (I frene a ) del ransisor NPN de poencia, para disinas corrienes de base, I 5 >I 4 >...I y squema del JT de ipo NPN. Valores máximos de : V 0 >0 >V SUS V SUS : oninua. 0 : Para I =0 V 0 : Para I =0 Definición de ore: de I = -α I +I 0 ; -I =I +I ; I α = I α + I α se deduce: 0 Posibles definiciones de core: a) I = α 0 I = I 0 0 I 0 I = = 0 I I b) 0 Por ano se considera el ransisor corado cuando se aplica una ensión V ligeramene negaiva I = -I = -I 0 Tema 3. Transisor ipolar de Poencia. Transparencia 2 de 7

2 ONSTITUIÓN DL JT ONSTITUIÓN DL JT p Transisor Tipo Mesea (en desuso) La anchura de la base y su dopado serán lo menores posibles para conseguir una ganancia lo mayor posible (baja recombinación de los elecrones que araviesan la base). W =0µm W =5 20µm Zona de expansión µm 0 9 cm -3 p 0 6 cm cm -3 n - Para conseguir V elevada, se necesia una anchura de base grande y un dopado pequeño. l problema surge cuando el dopado es pequeño, pues para alojar la zona de deplexión la base debe ser muy ancha, bajando la ganancia. s por ano necesario enconrar unos valores inermedios de compromiso. W =250µm 0 9 cm -3 se compromiso implica que los JT de poencia ienen una ganancia ípica de corriene enre 5 y 0. (muy baja). Sección Verical de un Transisor ipolar de Poencia Típico Venajas de la esrucura verical: Maximiza el área aravesada por la corriene: Minimiza resisividad de las capas Minimiza pérdidas en conducción Minimiza la resisencia érmica. n la prácica, los ransisores bipolares de poencia no se consruyen como se ve en esa figura, sino que se consruyen en forma de pequeñas celdillas como la represenada, conecadas en paralelo. Los disposiivos de poencia que esudiaremos en ese curso se consruyen empleando una esrucura verical y en forma de pequeñas celdillas en paralelo. Tema 3. Transisor ipolar de Poencia. Transparencia 3 de 7 Tema 3. Transisor ipolar de Poencia. Transparencia 4 de 7

3 ONSTITUIÓN DL JT FUNIONAMINTO DL JT. Zona Aciva ase misor V bb p n - R p n - Aciva arga (xceso de elecrones en la ase) olecor Sección Verical de un Transisor ipolar de Poencia Muliemisor de Tipo NPN Venajas de la esrucura muliemisor: Zona Aciva: levada Unión olecor-ase (inversamene polarizada) Disribución de la carga almacenada en la base de un ransisor bipolar de poencia ípico en aciva. Reduce la focalización de la corriene debida al poencial de la base causane de la avalancha secundaria. Reduce el valor de R (disminuye pérdidas y aumena la frecuencia f T ). Tema 3. Transisor ipolar de Poencia. Transparencia 5 de 7 Tema 3. Transisor ipolar de Poencia. Transparencia 6 de 7

4 FUNIONAMINTO DL JT. Zona de uasi-sauración FUNIONAMINTO DL JT. Zona de Sauración V bb p n - R V bb p n - R uasi- Sauración arga (xceso de elecrones en la ase) Sauración Q Q 2 arga en exceso ase Virual ase Virual Disribución de la carga almacenada en la base de un ransisor bipolar de poencia ípico, en uasi-sauración. Disribución de la carga almacenada en la base de un ransisor bipolar de poencia ípico, en sauración. uasi-sauración: n aciva al subir I, I (=V - I R ). Simuláneamene: V j (= - I R d ). Donde R d es la resisencia de la capa de expansión. l límie de la zona aciva se alcanza cuando: V j =0 ( = I R d ). Si V j >0 (Unión direcamene polarizada): Habrá inyección de huecos desde p a n - (Recombinación con elecrones procedenes del emisor en n - ) Desplaz. a la derecha de la unión efeciva: R d Disminuye Aumeno del ancho efecivo de la base. β Disminuye Tema 3. Transisor ipolar de Poencia. Transparencia 7 de 7 Tema 3. Transisor ipolar de Poencia. Transparencia 8 de 7

5 FUNIONAMINTO DL JT. Ganancia TRANSISTOR DARLINGTON log(β) β max β min garanizada por el fabricane ase p I b T A I e T A SiO 2 I b T misor -Sauración I c T A n - I c T I max /0 I max log(i ) Variación de β en Función de I olecor olecor ase T A D 2 β=β β A +β +β A D T misor srucura de un Par Darlingon Monolíico Monaje Darlingon para Grandes orrienes. Tema 3. Transisor ipolar de Poencia. Transparencia 9 de 7 Tema 3. Transisor ipolar de Poencia. Transparencia 0 de 7

6 L TRANSISTOR N ONMUTAIÓN L TRANSISTOR N ONMUTAIÓN olecor olecor Z L Z L ase I I Inerrupor JT conmuando una arga Induciva ase I I Inerrupor JT conmuando una arga Induciva V V I I L I I on I di I on d I I off I off V V =0 don ri fv fv2 =0 s rv rv2 fi Proceso de conmuación: Sauración Proceso de conmuación: ore Tema 3. Transisor ipolar de Poencia. Transparencia de 7 Tema 3. Transisor ipolar de Poencia. Transparencia 2 de 7

7 L TRANSISTOR N ONMUTAIÓN XITAIÓN DL JT 2 3 I 4 Poencia disipada muy baja 5 6 Poencia disipada muy ala Aislamieno galvánico enre circuios de conrol y poencia Señal digial de conrol Fooacoplador λ V Amplificador b Acoplamieno JT de poencia, 2, 3, 4, 5 y 6: insanes de iempo Trayecorias en el plano I - durane la conmuación Tierra digial -V Tierra de poencia I I di I on d I L I I 6 5 I on 4 ircuio Típico de xciación de ase para JTs de Poencia I off I off V V =0 s rv rv2 fi =0 don ri fv fv2 Tema 3. Transisor ipolar de Poencia. Transparencia 3 de 7 Tema 3. Transisor ipolar de Poencia. Transparencia 4 de 7

8 ONSIDRAIONS TÉRMIAS AVALANHA SUNDARIA V I P d d r V conrol V f s 90% 0% I V R I Las pérdidas en core suelen despreciarse al ser la corriene muy baja. Las pérdidas en conducción pueden ser aproximadas por: P on = I V c sa T T ON aída de ensión - - oncenración de corriene p e - e - p e - e - e - aída de ensión e - n n T=/f Las pérdidas en conmuación pueden esimarse suponiendo que la corriene y la ensión siguen una línea reca durane la conmuación: dwr = V Ic d + V I d V Ic d = ( Vcc Rc Icmax ) Icmax d r r Rc Icmax = Vcc Vsa ( V Sauracion 0) dw V I r = cc cmax ( ) d r r r Wr = Vcc Icmax ( ) d = Vcc Icmax r 0 ; 6 r r a) b) oncenración o Focalización de orriene en un JT. a) n la onmuación a Sauración (I >0) y b) en la onmuación a ore (I <0) análogamene se hace para W f : Wcom = Wr + Wf = Vcc Icmax ( r + f ) ; 6 La poencia media disipada en el período T será por ano: Wcom P com = = Vcc Icmax f ( r + T 6 f ) Tema 3. Transisor ipolar de Poencia. Transparencia 5 de 7 Tema 3. Transisor ipolar de Poencia. Transparencia 6 de 7

9 I I M ZONA D OPRAIÓN SGURA f 3 f f 2 Límie érmico dc Avalancha Secundaria β0 a) FSOA (f <f 2 <f 3 ) I I M V off <0 V off =0 β0 βv 0 b) RSOA (Trancisiones de menos de µs) Zonas de Operación Segura del Transisor ipolar Tema 3. Transisor ipolar de Poencia. Transparencia 7 de 7