Tema 2. Dispositivos de potencia - OCW
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Dispositivos semiconductores para la Electrónica de Potencia Tema 2 Tema 2. Dispositivos http://gsep.uc3m.es TIPOS DE DISPOSITIVOS 1. NO CONTROLADOS • DIODOS 2. SEMICONTROLADOS • TIRISTORES 3. CONTROLADOS • TRANSISTORES BIPOLARES • MOSFET • IGBT • GTO • ETC... Tema 2. Dispositivos http://gsep.uc3m.es 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 http://gsep.uc3m.es 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 http://gsep.uc3m.es 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 Tema 2. Dispositivos http://gsep.uc3m.es 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 Tema 2. Dispositivos http://gsep.uc3m.es 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 http://gsep.uc3m.es 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 Tema 2. Dispositivos Ε ∑ P= = f ⋅ T ∑Ε http://gsep.uc3m.es DIODOS Tema 2. Dispositivos http://gsep.uc3m.es DIODOS Característica estática del diodo I t Intensidad id d I Ánodo Cátodo p n Tensión inversa VB IO Tema 2. Dispositivos Tensión V Tensión directa http://gsep.uc3m.es 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 <1 Influencia del trr en la conmutación Si el tiempo que tarda el diodo en conmutar no es despreciable : • Se limita la frecuencia de funcionamiento Æ no se puede conmutar hasta después de la recuperación • Existe una disipación de potencia durante el tiempo de recuperación inversa Æ convivencia V e I Tema 2. Dispositivos tf S= ts Clasificación diodos • LENTOS • RÁPIDOS • ULTRARÁPIDOS • SCHOTTKY http://gsep.uc3m.es DIODOS DIODO No Controlado • VRRM < 15000V • IF < 3800A • fmáx < tipo Tiempo de recuperación inversa iD Pérdidas en conducción iD rD VD 2 P=VD.iD + rD.iD(RMS) I trr Tema 2. Dispositivos http://gsep.uc3m.es TIRISTOR Tema 2. Dispositivos http://gsep.uc3m.es TIRISTOR Característica estática del tiristor SCR‐Silicon‐Controlled Rectifier iak Ánodo, A 1 ZONA DE CONDUCCIÓN Comportamiento similar al diodo: 2 ZONA DE BLOQUEO DE TENSIÓN INVERSA Puerta, G Cátodo, K Tensión máxima a iG DISPARO iG2 iak rd iG1 k iG DISPARO > 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 Tema 2. Dispositivos http://gsep.uc3m.es 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 Tema 2. Dispositivos iG http://gsep.uc3m.es TIRISTOR Formas de apagado 1 NATURAL. 1. NATURAL 2. FORZADA. • Apagado por fuente inversa de tensión. • Apagado por fuente inversa de intensidad. intensidad Tema 2. Dispositivos http://gsep.uc3m.es 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 Tema 2. Dispositivos http://gsep.uc3m.es TRIAC Tema 2. Dispositivos http://gsep.uc3m.es 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 Tema 2. Dispositivos MT2 Corriente de disparo, p IG Cuadrante III (MT2-vve ) Estado: encendido did -I Cuadrante IV Estado: encendido http://gsep.uc3m.es MOSFET ((Metal Oxide Semiconductor Field Efect Transistor) Tema 2. Dispositivos http://gsep.uc3m.es 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) Tema 2. Dispositivos http://gsep.uc3m.es 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 Tema 2. Dispositivos http://gsep.uc3m.es 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 http://gsep.uc3m.es IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Tema 2. Dispositivos http://gsep.uc3m.es 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 Tema 2. Dispositivos 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 Tema 2. Dispositivos 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 http://gsep.uc3m.es 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 http://gsep.uc3m.es 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
