BJTs de potencia Definiciones BJTs de potencia Disipación de

ETAPAS DE SALIDA
BJTs de potencia
Definiciones
Temperatura de unión
Los transistores de potencia disipan grandes cantidades de potencia en sus
uniones entre colector y base. La potencia disipada se convierte en calor, que
eleva la temperatura de la unión (TJ). Dicha temperatura no debe superar un
máximo especificado (TJmáx) que para el silicio es de 150ºC a 200ºC.
Resistencia térmica
Consideremos un transistor que opera al aire libre. El calor disipado en la
unión del transistor será disipado de la unión hacia la caja del transistor, y de
ésta hacia el medio ambiente. Si en estado estable el transistor disipa una
potencia PD, el calentamiento de la unión respecto al medio ambiente puede
expresarse como:
TJ-TA=θJA· PD
tecnun
TJ: Temperatura de la unión [ºC] ; TA: Temperatura ambiente [ºC] ; θJA: resistencia térmica [ºC/W] ;
PD: Potencia disipada [W]
ETAPAS DE SALIDA
BJTs de potencia
Disipación de potencia
El fabricante de un transistor de potencia suele especificar TJmáx, la máxima
disipación de potencia a una temperatura ambiente TA0 (que por lo general
es de 25ºC), y la resistencia térmica θJA.
TJ
PD
θJA
TA
tecnun
θJA=
TJmáx-TA0
PD0
PDmáx=
TJmáx-TA
θJA
ETAPAS DE SALIDA
BJTs de potencia
Caja de transistor y disipador de calor
La resistencia térmica entre unión y ambiente, θJA, se puede expresar como:
θJA=θJC+θCA
Donde θJC es la resistencia térmica entre la unión y la caja del transistor y
θCA es la resistencia térmica entre la caja y el medio ambiente. Para un
transistor dado, θJC está fijada por el diseño y paquete del dispositivo. El
fabricante intenta disminuir θJC mediante el diseño del encapsulado. Ej.
Encapsulado tipo TO3.
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ETAPAS DE SALIDA
BJTs de potencia
Caja de transistor y disipador de calor
El diseñador puede reducir considerablemente θCA por debajo de su valor al
aire libre mediante el uso de disipadores de calor (superficies metálicas
extendidas) y aletas.
Se reduce su valor mediante el
θCA=θCS+θSA
uso
de aletas.
Se reduce su valor mediante el uso
de superficies metálicas extendidas.
donde θCS es la resistencia térmica entre la caja del transistor y el disipador y
θSA la resistencia térmica entre el disipador y el ambiente.
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ETAPAS DE SALIDA
BJTs de potencia
Caja de transistor y disipador de calor
tecnun
ETAPAS DE SALIDA
BJTs de potencia
Caja de transistor y disipador de calor
TJ
θJC
TC
PD
θSC
TS
θSA
tecnun
TA
TJ-TA= (θJC+θCS+θSA)· PD
PDmáx=
TJmáx-TC
θJC
ETAPAS DE SALIDA
BJTs de potencia
Área de operación sin riesgo (SOA)
Además de especificar la máxima disipación de potencia a diferentes
temperaturas de caja, los fabricantes suelen suministrar el área de operación
sin riesgo (SOA) en el plano iC-vCE.
1.- La corriente máxima permisible ICmáx. Si excede esta corriente de manera
continua puede dar como resultado que se fundan los alambres que conectan
el dispositivo a los terminales del empaquetamiento.
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ETAPAS DE SALIDA
BJTs de potencia
Área de operación sin riesgo (SOA)
2.- La hipérbola de máxima disipación de potencia. Éste es el lugar
geométrico de los puntos para los cuales vCE·iC=PDmáx (a TC0). Para
temperaturas TC>TC0, deben usarse las curvas de reducción de corriente
descritas anteriormente y por tanto se obtiene una hipérbola más baja. Aun
cuando se puede permitir que el punto de operación se mueva de modo
temporal arriba de la hipérbola, no debe permitirse que el promedio de
potencia disipada exceda PDmáx.
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ETAPAS DE SALIDA
BJTs de potencia
Área de operación sin riesgo (SOA)
3.- Límite de segunda ruptura. La segunda ruptura es un fenómeno debido
a que la circulación de corriente por la unión entre emisor y base no es
uniforme. Más bien, la densidad de corriente es mayor cerca de la periferia
de la unión. Esta “concentración de corriente” da lugar a que la potencia se
disipe en puntos localizados produciendo los denominados puntos calientes.
Como el calentamiento de estas zonas produce un aumento de la corriente,
puede ocurrir un embalamiento térmico que conduzca a la destrucción de la
unión.
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ETAPAS DE SALIDA
BJTs de potencia
Área de operación sin riesgo (SOA)
4.- Tensión de ruptura de colector a emisor, BVCEO. Nunca debe permitirse
que el valor instantáneo de vCE exceda BVCEO; de otra manera, ocurrirá la
ruptura por avalancha de la unión entre colector y base.
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ETAPAS DE SALIDA
BJTs de potencia
Parámetros típicos
Debido a sus grandes dimensiones y elevadas corrientes de operación, los
transistores de potencia muestran valores típicos de parámetros que pueden
ser muy distintos de los transistores de pequeña señal. Las principales
diferencias son:
1.- A elevadas corrientes, la relación exponencial iC-vBE es iC=IS·e (vBE/2VT)
2.- β es pequeña, típicamente entre 30 y 80, pero puede llegar en algunos
casos a ser de sólo 5.
3.- A elevadas corrientes, rπ se hace muy pequeña y rb se hace
significativa.
4.- fT es pequeña debido a sus grandes dimensiones. Dichas dimensiones
hacen que las capacidades parásitas del transistor sean elevadas.
5.- BVCEO es típicamente de 50 a 100 V, pero puede ser de hasta 500 V.
6.- ICmáx es típicamente 1 A, pero puede ser de hasta 100 A.
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ETAPAS DE SALIDA
Transistor MOS de potencia
iD=
k· W (v -V )2
2· L GS t
W
L
BVDSO
Los transistores MOS de pequeña señal no son capaces de manejar las
elevadas tensiones típicas de las aplicaciones de los transistores de potencia.
Estructura DMOS
BVDSO ~ 600 V
ICmáx ~ 50 A
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ETAPAS DE SALIDA
Transistor MOS de potencia
Curvas características
iD= (1/2)· Cox· W·Usat·(vGS-Vt)
Vt = 2 ~ 4 V
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ETAPAS DE SALIDA
Transistor MOS de potencia
Efectos de la temperatura
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