Dispositivos semiconductores para la Electrónica de Potencia Tema 2

Tema 2. Dispositivos

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TIPOS DE DISPOSITIVOS

1. NO CONTROLADOS • DIODOS

2. SEMICONTROLADOS • TIRISTORES

3. CONTROLADOS • TRANSISTORES BIPOLARES • MOSFET • IGBT • GTO • ETC...

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SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

Modo de operación Los semiconductores utilizados en la Electrónica de Potencia operan como interruptores:

N interesa Nos i t conocer ¾ Características de conducción ¾ Características de conmutación ¾ Método de control Tema 2. Dispositivos

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SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

Valores que definen un componente Tensión Inversa Tensión q que debe p poder bloquear q sin dañarse ¾ Tensión máxima en continua ¾ VRRM : Maximum Repetitive Peak Reverse Voltage Tensión de pico repetitivo ¾ VRSM : Maximum Non Repetitive Peak Reverse Voltage Tensión de pico no repetitivo

Tensión Directa Caída de tensión en conducción ¾ VF : Forward Voltage T bié aparece como VD, VCE satt... También Tema 2. Dispositivos

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SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

Valores que definen un componente Corriente Directa ¾ Corriente media máxima IF (Avg) : Average Forward Current ¾ Corriente eficaz máxima IF (RMS) : Maximum RMS Current ¾ Corriente de d pico repetitivo IFRM : Maximum Repetitive Peak Forward Current ¾ C Corriente i t de d pico i no repetitivo titi IFSM : Maximum Non Repetitive Peak Forward Current

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SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

Valores que definen un componente Otros límites ¾ Potencia máxima ¾ Temperatura máxima en la unión ¾ Avalancha Secundaria

Safe Operating Area

Avalancha A l h Secundaria

log i log Imax

Potencia máxima

SOA log v log Vmax

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SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

Pérdidas Siempre que existe convivencia tensión corriente en el componente, se disipa energía en forma de calor V

Ε=

I

T

∫ u ⋅ i ⋅ dt 0

Ε ∑ P= = f ⋅

P. Conducción P

T

∑Ε

P. Conmutación encendido

apagado p g

PTOTALES= PENCENDIDO+PAPAGADO+PCONDUCCIÓN+PEXCITACIÓN Tema 2. Dispositivos

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SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

Frecuencia de conmutación Rapidez con la cual es capaz de conmutar un dispositivo Viene limitada por:

¾ Capacidades p parásitas p ¾ Difusión de portadores ¾ Pérdidas en conmutación Ε=

∫

T

u ⋅ i ⋅ dt

0

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Ε ∑ P= = f ⋅ T

∑Ε http://gsep.uc3m.es

DIODOS

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DIODOS

Característica estática del diodo I t Intensidad id d I

Ánodo

Cátodo

p

n

Tensión inversa

VB IO

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Tensión V Tensión directa

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DIODOS

Modelos estáticos del diodo en estado de conducción d ió Modelo ideal

Cortocircuito Tema 2. Dispositivos

Primera aproximación

Pd = Vd ⋅ I d ,med

Segunda g aproximación

Pd = Vd ⋅ I d ,med + rd ⋅ I d2,ef http://gsep.uc3m.es

8.3. Diodos

DIODOS

Característica dinámica del diodo: tiempo de recuperación inversa trr trr

IF

Qrr

ts

S

0 0.25IRR

IR R

t

Carga eléctrica almacenada o desplazada. Factor de suavizado. Es la relación entre los tiempos de caída y almacenamiento

tf

Ejemplo de conmutación con recuperación suave

S iG 2 > iG1

VRRM VDRM

vak

IMPLICACIONES CARACTERÍSTICA ESTÁTICA 3 ZONA DE BLOQUEO

1. REQUISITOS DE DISPARO vak > 0 (Previamente polarizado en directa)

EFECTO AVALANCHA

DE TENSIÓN DIRECTA Tensión máxima vDRM

iG > iG DISPARO Iak > IH CORRIENTE DE ENCLAVAMIENTO 2. REQUISITOS DE APAGADO

El modelo de pérdidas en conducción es igual al del diodo

iak < 0 CORRIENTE DE MANTENIMIENTO

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TIRISTOR

Corriente de enclavamiento (Latching current IL) HAY QUE MANTENER EL PULSO DE iG HASTA QUE iak > IL Retrasa la subida de iak

iG

iakk

t

IL iak t Se enclava Se apaga Sigue disparado No se ha alcanzado IL aunque iG = 0

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iG

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TIRISTOR

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

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TIRISTOR

TIRISTOR • Semicontrolado por corriente de puerta

Pérdidas en conducción

• Vmáx < 8000V

iD

rD

VD

• IAVG < 15000A • fmáx = 50 - 60Hz • Circuitos de apagado

2 P=VD.iD + rD.iD(RMS)

¾ Controlo el instante de encendido, pero el apagado debe producirlo el circuito externo ¾ Apaga cuando IAK=0

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TRIAC

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TRIAC

Característica estática del TRIAC

TRIAC MT1

+II

MT1

Cuadrante I (MT2+ve ) Corriente de disparo, IG V

Cuadrante II G

T1

-V V

T2

Estado: apagado

G

MT2 Circuito equivalente de un TRIAC

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MT2

Corriente de disparo, p IG

Cuadrante III (MT2-vve )

Estado: encendido did

-I

Cuadrante IV

Estado: encendido

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MOSFET ((Metal Oxide Semiconductor Field Efect Transistor)

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MOSFET

Característica estática del MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Efect Transistor

Drenador (drain, (drain D)

D Puerta (gate, G) G

Surtidor o fuente (source, S)

Zona óhmica

VGS1 VGS2

Se controla aplicando una tensión entre la p puerta y la fuente (aplicando VGS)

VGS3

…

S

Intensid dad de sumide ero ID

VGS1 > VGSn

Fuente de corriente

VGSn Región de corte

Tensión drenador-fuente VDS

ID

El MOSFET se modela en conducción como una resistencia (RDSon) Por tanto, el modelo de pérdidas en conducción del MOSFET es:

Pcond = RDSon ⋅ I Tema 2. Dispositivos

2 D ,ef

ID

D

RDSon G S http://gsep.uc3m.es

MOSFET

Disparo del MOSFET ID RD D

-

VDD

VDS

G Circuito de excitación

+

+

S

-

VMM 1000-01P

El correcto manejo de la puerta es fundamental para utilizar un MOSFET ¾ Tensión umbral (VGSth): tensión mínima entre puerta y surtidor para ponerlo en conducción ¾ Tensión máxima: el MOSFET se rompe si se aplica una tensión superior entre puerta y surtidor ¾ Interesa gobernarlo con la tensión más alta posible (VGS~10 10 V): cuanto más alta es la tensión de puerta, menor es la RDS(on)

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MOSFET

Características dinámicas del MOSFET La carga y descarga de las capacidades parásitas tiene un efecto muy importante en la conmutación del dispositivo, limitando la frecuencia de conmutación ID

D VGS

VDS

tr = tiempo de subida

90%

Cgd

tF = tiempo de bajada

G

Cds Cgs

td(on) = retraso de encendido 10%

td(on) tF

S

ID

t

D

td(off)

p g td(off) = retraso de apagado

tR

Existe un diodo parásito entre drenador y fuente que puede conducir cuando el MOSFET está tá en estado t d d de bloqueo. bl S conducción Su d ió no es aconsejable j bl porque es un diodo lento y aumenta considerablemente las pérdidas

Cgd Cds

G

VMM 1000-01P

Cgs S

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MOSFET

MOSFET • Controlado por tensión de puerta p • Vmáx < 1500V • Imáx < 400A • fmáx < 10 MHz • No p presenta avalancha secundaria • Coeficiente negativo de t mp temperatura tu

Pérdidas en conducción

iD

rDS(on) 2

PCON=rDS(on).iD(RMS)

• La mayoría de los MOSFET de potencia son de acumulación y canal N Tema 2. Dispositivos

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IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

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IGBT

Circuito equivalente del IGBT Isolated Gate Bipolar Transistor Colector (collector, C) Puerta (gate, G)

Emisor (emitter, C)

C

C

RMOD

RMOD PNP

G

NPN

PNP

G

C, COLECTOR

G, PUERTA

RBE

RBE E, EMISOR

E Circuito equivalente

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E Circuito simplificado

Circuito equivalente de un IGBT http://gsep.uc3m.es

IGBT

Característica Estática del IGBT iC

Es capaz de bloquear tensión VCE negativa, al contrario que el MOSFET, q que no p puede debido a su diodo parásito

Se controla con tensión de puerta como un MOSFET OS

VGE1

VGE2

VGE1 > VGEn VGE3

…

C

VRM

VGEn VCE BVDSS

G E En muchas ocasiones se incorpora internamente un diodo al dispositivo, pero no pertenece a la estructura del IGBT

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Modelo de pérdidas en conducción d ió similar i il all d de un transistor bipolar C

+ VCEsat -

Ron

E

i

Pcond = VCE , sat ⋅ I C ,med + Ron ⋅ I C2 ,ef

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IGBT

IGBT Ventajas como MOSFET • Totalmente Controlado por tensión de puerta • Rapidez de conmutación • No presenta avalancha secundaria Ventajas como Bipolar • Modelo p pérdidas en conducción

• Vmáx < 6500V • Imáx á < 3600A • fmáx < 75 kHz

• Corriente de colector similar i il all bi bipolar l Tema 2. Dispositivos

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IGBT

IGBT Desventajas • Cola de corriente • Efecto Ef t tiristor ti i t parásito á it

• Vmáx < 6500V • Imáx < 3600A • fmáx < 75 kHz

Pérdidas en conducción

iT

rd

VCEsat

P=VCEsat.iT + Tema 2. Dispositivos

2 rd.iT(RMS) http://gsep.uc3m.es