ELECTRONICA INDUSTRIAL Capítulo 2: Semiconductores de potencia. Marcelo A. Pérez

Transcripción

1 ELECTRONICA INDUSTRIAL Capítulo 2: Semiconductores de potencia Marcelo A. Pérez Segundo semestre 2016

2 Introducción Convertidores de potencia El convertidor de potencia actúa como regulador de potencia Regula las amplitudes, frecuencias y fases de las señales (según corresponda) Convierte de AC a DC, cualquiera de las combinaciones (AC-AC, DC-DC, DC-AC y AC-DC) Los semiconductores actúan en zonas de corte y conducción, pero no en la zona lineal 2

3 Principio de funcionamiento Convertidores de potencia y semiconductores Ejemplo de una fuente lineal El transistor trabaja en zona lineal El transistor se usa como resistencia variable controlada Las caídas de tensión que se utilizan para regular son pérdidas 3

4 Principio de funcionamiento Convertidores de potencia y semiconductores Ejemplo básico de funcionamiento de un convertidor de potencia a) Salida del convertidor V 0 (t) Al operar en corte y saturación (Off y On) se puede generar en promedio la característica de un resistor variable (controlado) pero sin las pérdidas V 0 (t) Vd V0 ton to ff Ts = 1 fs t c) 4

5 Principio de funcionamiento Convertidores de potencia y semiconductores Ejemplo de una fuente conmutada Modulación Conviene utilizar el semiconductor en zona de corte y saturación para producir menos pérdidas El semiconductor se utiliza como un interruptor La etapa de modulación se encarga de generar los pulsos de disparo del semiconductor 5

6 Semiconductores Semiconductor ideal Puede bloquear voltajes de cualquier polaridad sin corrientes de fuga Conduce corrientes en ambas direcciones sin caída de tensión Puede pasar a corte y conducción instantáneamente obedeciendo a una señal de control La señal de control demanda potencia despreciable 6

7 El diodo de potencia Configuración, simbolo y característica ideal Juntura dopada P y N se polariza (conduce) cuando el voltaje es positivo. La juntura se mantiene polarizada (conduciendo) mientra la corriente es positiva. 7

8 El diodo de potencia Característica real Ron Corriente de fuga inversa Voltaje de bloqueo Tensión de conducción Resistencia de conducción 8

9 El diodo de potencia Apagado del diodo de potencia Circuito para corriente positiva y negativa Parámetros del modelo dependen del circuito en el que se encuentra conectado 9

10 El diodo de potencia Ejemplo de funcionamiento: rectificador de media conda con carga resistiva Empaquetamientos: 10

11 El tiristor (SCR) Configuración, símbolo y característica ideal Permite bloquear voltajes positivos y negativos Compuerta de control permite encender el dispositivo (conducción) No se puede apagar (semicontrolado) SCR: Silicon Controlled Rectifier 11

12 El tiristor (SCR) Característica real Posee características similares al diodo pero puede encenderse a voluntad con la corriente de la compuerta. 12

13 El tiristor (SCR) Conmutación (encendido y apagado) 13

14 El tiristor (SCR) Ejemplo de funcionamiento: rectificador de media onda con carga resistiva v AK ig vs R id vd v AK ig Empaquetamiento vs R id vd id vd 14

15 El Triac Configuración, símbolo y característica ideal Permite bloquear voltajes positivos y negativos Conduce corrientes en ambos sentidos. Compuerta de control permite encender el dispositivo (conducción) No se puede apagar (semicontrolado) Triac: Triode for Alternating Current 15

16 El Triac Característica real Posee características similares a dos tiristores conecvtados en antiparalelo. 16

17 El triac Elemplo de operación: recortador de señal AC 17

18 El GTO Configuración, simbollo y característica ideal Permite bloquear solo voltajes positivos (asimétrico) o positivo y negativos (simétrico) Conduce corrientes en un sentido. Compuerta de control permite encender y apagar el dispositivo GTO: Gate Turn-Off Thyristor 18

19 El GTO Característica real y empaquetamiento Necesita altas corrientes para el apagado (1/5 o ¼ de la corriente del circuito) Proclive a fallas Descontinuado industrialmente 19

20 EL IGCT Símbolo y empaquetamiento Es un GTO con el circuito de disparo integrado Arreglo de condensadores permite lograr altas corrientes IGCT: Insulated Gate Commutated Thyristor 20

21 El transistor bipolar de potencia Simbolo, característica y empaquetamiento 21

22 El MOSFET de potencia Símbolo, característica y empaquetamiento 22

23 El IGBT Simbolos, modelo, característica y empaquetamientos 23

24 El IGBT Conmutación en semiconductores basados en transistores (BJT, MOSFET, IGBT) 24

25 Aplicaciones y rango de potencia 25

26 Comparación 26

27 Evolución Thyristor Nuevos Materiales SiC GaN 27

28 Nuevos materiales semiconductores Silicon Carbide Gallium Nitrade 28

29 Little Box Challenge (IEEE+Google) 2kVA 240Vac /400Vdc 40in3 (655.5cm3) USD 13.77in3 (225.6cm3) 29

30 Little Box Challenge (IEEE+Google) Semiconductores GaN Baja resistencia de conducción Baja capacitancia de la compuerta Baja carga de encendido y recuperacion inversa Ruido electromagnético Voltaje de caida de apagado Alto dv/dt genera problemas de aislación Bajas pérdidas y ultra rápida conmutación. 30

31 Integración de semiconductores PEBB: Power electronics building blocks a) ANPC de ABB b) Puente H en cascada de Siemens c) 5L-hybrid ANPC de ABB d) Inversor fuente de corriente de Rockwell e) NPC de Siemens 31

32 Pérdidas en semiconductores Perdidas de conducción y de conmutación Tº IGBTs (Imagen térmica) 32

33 Disipadores Flujo de calor en un semiconductor/disipador: Modo de funcionamiento: Convección natural de aire Convección forzada de aire Enfriamiento por agua 33

34 Disipadores Nomenclatura para diseño: J = juntura C = Carcaza D = Disipador A = Aire 34

35 Disipadores Modelo térmico estacionario Equivalencia térmica eléctrica Magnitud térmica Magnitud eléctrica Potencia térmica Intensidad de corriente Resistencia térmica Resistencia eléctrica Diferencia de temperatura Diferencia de potencial J R qj C C R qc D P TJ D TC R qd A TD A TA 35

36 Disipadores Calculo de disipador 1) Pérdidas a) Hoja de datos (Eon,Eoff) b) Estimación 2) Resistencia térmica total 3) Resistencia térmica del disipador 36

37 Disipadores Modelo térmico dinámico Aumento de temperatura equivale a acumulación de calor Se modela mediante condensadores Modelo simplificado: J P(t) R C A TJ TA TA 37

38 Disipadores Comportamiento dinámico: Ciclo térmico 38

39 Disipadores Resistencia térmica depende de: -Masa -Superficie de disipación -Material de interface -Terminación del material -Curvatura de la superficie -Presion de montaje -Area de contacto 39

40 Disipadores Usados para semiconductores discretos Usados en módulos Usados en convertidores completos 41

41 Disipadores Ventilación forzada 42

42 Disipadores Enfriamiento por agua 43

43 Disipadores Heat pipe (refrigeración por agua y convección de aire, pero sin bomba) El tubo cerrado contiene agua destilada que se evapora y luego se refrigera en un intercambiador de calor. Se usa la gravedad en lugar de bombas de agua. Al no tener partes móviles es más confiable. 44

44 Disipadores Heat pipe También se usa en semiconductores de baja potencia y electrónica de consumo. 45

45 Electrónica Industrial/ Semiconductores de potencia 46