Electrónica de Potencia

Transcripción

1 Dispositivos semiconductores para la Electrónica de Potencia Tema 2

2 TIPOS DE DISPOSITIVOS 1. NO CONTROLADOS DIODOS 2. SEMICONTROLADOS TIRISTORES 3. CONTROLADOS TRANSISTORES BIPOLARES MOSFET IGBT GTO ETC...

3 SEMICONDUCTORES DE POTENCIA Modo de operación Los semiconductores utilizados en la Electrónica de Potencia operan como interruptores: Nos interesa conocer Características de conducción Características de conmutación Método de control

4 SEMICONDUCTORES DE POTENCIA Valores que definen un componente Tensión Inversa Tensión que debe poder bloquear sin dañarse Tensión máxima en continua V RRM : Maximum Repetitive Peak Reverse Voltage Tensión de pico repetitivo V RSM : Maximum Non Repetitive Peak Reverse Voltage Tensión de pico no repetitivo Tensión Directa Caída de tensión en conducción V F : Forward Voltage También aparece como V D, VCE sat... t

5 SEMICONDUCTORES DE POTENCIA Valores que definen un componente Corriente Directa Corriente media máxima I F (Avg) : Average Forward Current Corriente eficaz máxima I F (RMS) : Maximum RMS Current Corriente de pico repetitivo I FRM : Maximum Repetitive Peak Forward Current Corriente de pico no repetitivo I FSM : Maximum Non Repetitive Peak Forward Current

6 SEMICONDUCTORES DE POTENCIA Valores que definen un componente Otros límites Potencia máxima Temperatura máxima en la unión Avalancha Secundaria Safe Operating Area log I max log i SOA log V max Avalancha Secundaria Potencia máxima log v

7 SEMICONDUCTORES DE POTENCIA Pérdidas Siempre que existe convivencia tensión corriente en el componente, se disipa energía en forma de calor V Ε= u i dt I 0 T P P. Conducción P. Conmutación P Ε = = f T Ε encendido apagado P TOTALES = P ENCENDIDO +P APAGADO +P CONDUCCIÓN +P EXCITACIÓN

8 SEMICONDUCTORES DE POTENCIA Frecuencia de conmutación Rapidez con la cual es capaz de conmutar un dispositivo Viene limitada por: Capacidades parásitas Difusión de portadores Pérdidas en conmutación T Ε= u i dt 0 P Ε = = f T Ε

9 DIODOS

10 DIODOS Característica estática del diodo Intensidad d I Ánodo Cátodo Tensión inversa p n V B I O Tensión directa Tensión V

11 DIODOS Modelos estáticos del diodo en estado de conducción Modelo Primera Segunda ideal aproximación aproximación Cortocircuito P 2 d = V d I d, med P d = V d I d, med + r d I d, ef

12 DIODOS 8.3. Diodos Característica dinámica del diodo: tiempo de recuperación inversa t rr IF IRR IR R ts trr Ejemplo de conmutación con recuperación suave S < 1 tf t Qrr S Carga eléctrica almacenada o desplazada. Factor de suavizado. Es la relación entre los tiempos de caída y almacenamiento S = t t f s Influencia del t rr en la conmutación Si el tiempo que tarda el diodo en conmutar no es despreciable : Se limita la frecuencia de funcionamiento no se puede conmutar hasta después de la recuperación Existe una disipación de potencia durante el tiempo de recuperación inversa convivencia V e I Clasificación diodos LENTOS RÁPIDOS ULTRARÁPIDOS SCHOTTKY

13 DIODOS DIODO No Controlado V RRM < 15000V I F < 3800A f máx < tipo Tiempo de recuperación inversa i D I Pérdidas en conducción i D r D V D 2 P=V D.i D + r D.i D(RMS) t rr

14 TIRISTOR

15 TIRISTOR Característica estática del tiristor SCR Silicon Controlled Rectifier Ánodo, A i ak 1 ZONA DE CONDUCCIÓN ZONA DE BLOQUEO a DE TENSIÓN INVERSA Puerta, G i G DISPARO i G2 i G1 Cátodo, K IMPLICACIONES CARACTERÍSTICA ESTÁTICA 2 Tensión máxima V RRM Comportamiento similar al diodo: V DRM rd v ak i ak i > i > i k G DISPARO G2 G1 1. REQUISITOS DE DISPARO v ak > 0 (Previamente polarizado en directa) i G > i G DISPARO I ak > I H CORRIENTE DE ENCLAVAMIENTO EFECTO AVALANCHA 3 ZONA DE BLOQUEO DE TENSIÓN DIRECTA Tensión máxima v DRM 2. REQUISITOS DE APAGADO El modelo de pérdidas en conducción es igual al del diodo i ak < 0 CORRIENTE DE MANTENIMIENTO

16 TIRISTOR Corriente de enclavamiento (Latching current I L ) HAY QUE MANTENER EL PULSO DE i G HASTA QUE i ak > I L i G Retrasa la subida de i ak i ak I L t Se apaga No se ha alcanzado I L Se enclava Sigue disparado aunque i G = 0 t i G i ak

17 TIRISTOR Formas de apagado 1. NATURAL. 2. FORZADA. Apagado por fuente inversa de tensión. Apagado por fuente inversa de intensidad.

18 TIRISTOR TIRISTOR Semicontrolado por corriente de puerta V máx < 8000V I AVG < 15000A f máx = 50-60Hz Circuitos de apagado Pérdidas en conducción i r D D V D P=V D.i D + r D.i D(RMS) 2 Controlo el instante de encendido, pero el apagado debe producirlo el circuito externo Apaga cuando I AK =0

19 TRIAC

20 TRIAC Característica estática del TRIAC T 1 MT 1 T 2 TRIAC MT 1 G -V Cuadrante II +I Estado: encendido Cuadrante I (MT 2 +v e ) Corriente de disparo, I G V G MT 2 Circuito equivalente de un TRIAC MT 2 Corriente de disparo, I G Cuadrante III (MT 2 -v e ) Estado: encendido -I Estado: apagado Cuadrante IV

21 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Efect Transistor)

22 MOSFET Característica estática del MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Efect Transistor V GS1 > V GSn Drenador (drain, D) D Puerta (gate, G) G S Surtidor o fuente (source, S) Intensid dad de sumide ero I D Zona óhmica Fuente de corriente V GS1 V GS2 V GS3 Se controla aplicando una tensión entre la puerta y la fuente (aplicando V GS ) V GSn Región de corte Tensión drenador-fuente V DS El MOSFET se modela en conducción como una resistencia (R DSon ) Por tanto, el modelo de pérdidas en conducción del MOSFET es: G 2 cond = RDSon I D,ef S P = R D I D I D R DSon

23 MOSFET Disparo del MOSFET I D D + RD R D + - V DD Circuito de excitación G S V DS - VMM P El correcto manejo de la puerta es fundamental para utilizar un MOSFET Tensión umbral (V GSth ): tensión mínima entre puerta y surtidor para ponerlo en conducción Tensión máxima: el MOSFET se rompe si se aplica una tensión superior entre puerta y surtidor Interesa gobernarlo con la tensión más alta posible (V GS ~10 V): cuanto más alta es la tensión de puerta, menor es la RDS(on)

24 MOSFET G C gd C gs Características dinámicas del MOSFET I D D C ds La carga y descarga de las capacidades parásitas tiene un efecto muy importante en la conmutación del dispositivo, limitando la frecuencia de conmutación 90% 10% V DS V GS t r = tiempo de subida t F = tiempo de bajada t d(on) = retraso de encendido t t d(off) = retraso de apagado d(off) I D S D t d(on) t F t d(off) t R Existe un diodo parásito entre drenador y fuente que puede conducir cuando el MOSFET está en estado de bloqueo. Su conducción no es aconsejable porque es un diodo lento y aumenta considerablemente las pérdidas C gd G C gs C ds VMM P S

25 MOSFET MOSFET Controlado por tensión de puerta V máx < 1500V I máx < 400A máx f máx < 10 MHz No presenta avalancha secundaria Coeficiente negativo de temperatura tu La mayoría de los MOSFET de potencia son de acumulación y canal N Pérdidas en conducción i D r DS(on) 2 P CON =r DS(on).i D(RMS)

26 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

27 IGBT Circuito equivalente del IGBT Isolated Gate Bipolar Transistor Puerta (gate, G) Colector (collector, C) Emisor (emitter, C) C C R MOD R MOD PNP PNP C, COLECTOR G NPN R BE G G, PUERTA R BE E, EMISOR E E Circuito equivalente Circuito simplificado Circuito equivalente de un IGBT

28 IGBT Característica Estática del IGBT ic Es capaz de bloquear tensión V CE negativa, al contrario que el MOSFET, que no puede debido a su diodo parásito V GE1 V GE2 V GE3 V GE1 > V GEn Se controla con tensión de puerta como un MOSFET G C E VRM V GEn BVDSS VCE Modelo de pérdidas en conducción similar il al de un transistor bipolar En muchas ocasiones se incorpora internamente un diodo al dispositivo, pero no pertenece a la estructura del IGBT P C cond + V CEsat - Ron i = V I + R 2 CE, sat C, med on C, ef E I

29 IGBT IGBT Ventajas como MOSFET Totalmente Controlado por tensión de puerta Rapidez de conmutación No presenta avalancha secundaria Ventajas como Bipolar Modelo pérdidas en conducción Corriente de colector similar il al bipolar V máx < 6500V I máx < 3600A f máx < 75 khz

30 IGBT IGBT Desventajas V máx < 6500V Cola de corriente I máx < 3600A Efecto tiristor i t parásito f máx < 75 khz Pérdidas en conducción i T r d V CEsat P=V CEsat.i T + r d.i T(RMS) 2