tema 3. transistor bipolar de potencia

INTRODUCCIÓN. Características Generales del BJT
TEMA 3. TRANSISTOR BIPOLAR DE POTENCIA
3.1.
INTRODUCCIÓN
3.2.
CONSTITUCIÓN DEL BJT
3.3.
El interés actual del Transistor Bipolar de Potencia (BJT) es muy limitado, ya
que existen dispositivos de potencia con características muy superiores.
Le dedicamos un tema porque es necesario conocer sus limitaciones para poder
comprender el funcionamiento y limitaciones de otros dispositivos de gran
importancia en la actualidad.
Saturación
Cuasi-Saturación
1/Rd
Ruptura Secundaria
IC(A)
C
IC
Ruptura Primaria
FUNCIONAMIENTO DEL BJT
B
Activa
IB
3.3.1. Zona Activa
IE
Corte
3.3.2. Zona de Cuasi-Saturación
3.3.3. Zona de Saturación
3.3.4. Ganancia
3.4.
TRANSISTOR DARLINGTON
3.5.
EL TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN
3.6.
EXCITACIÓN DEL BJT
E
0
BVSUS BVCE0 BVCB0 VCE (V)
Característica de salida (IC frente a VCE ) del transistor NPN de potencia, para
distintas corrientes de base, IB5>IB4>...IB1 y Esquema del BJT de tipo NPN.
Valores máximos de VCE :
BVCB0>BVCE0>BVSUS
BVSUS : Continua.
BVCE0 : Para IB=0
BVCB0 : Para IE=0
Definición de Corte:
de IC= -α IE+IC0 ; -IE=IC+IB ;
se deduce:
IC =
1
α
⋅ IB +
⋅ IC0
1−α
1−α
Posibles definiciones de corte:
3.7.
CONSIDERACIONES TÉRMICAS
3.8.
AVALANCHA SECUNDARIA
a) I B = 0⇒ I C =
b)
3.9.
ZONA DE OPERACIÓN SEGURA (SOA)
Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 1 de 17
1
⋅ I C 0 ≈ 10 ⋅ I C 0
1−α
I E = 0⇒I C = I C 0
Por tanto se considera el transistor cortado
cuando se aplica una tensión VBE
ligeramente negativa ⇒IB = -IC = -IC0
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CONSTITUCIÓN DEL BJT
CONSTITUCIÓN DEL BJT
E
n+
B
B
p
n+
C
Transistor Tipo Meseta (en desuso)
• La anchura de la base y su dopado serán lo menores posibles para conseguir
una ganancia lo mayor posible (baja recombinación de los electrones que
atraviesan la base).
• Para conseguir BV elevada, se necesita una anchura de base grande y un
dopado pequeño.
¾ El problema surge cuando el dopado es pequeño, pues para alojar la zona
de deplexión la base debe ser muy ancha, bajando la ganancia. Es por
tanto necesario encontrar unos valores intermedios de compromiso.
B
WE=10µm
WB=5÷20µm
Zona de
expansión
50÷200µm
WC=250µm
B
E
+
1019 cm-3 n
1016 cm-3
p
1014 cm-3
n-
1019 cm-3
¾ Este compromiso implica que los BJT de potencia tienen una ganancia
típica de corriente entre 5 y 10. (muy baja).
n+
C
Sección Vertical de un Transistor Bipolar de Potencia Típico
Ventajas de la estructura vertical:
• Maximiza el área atravesada por la
corriente:
• Minimiza resistividad de las capas
• Minimiza pérdidas en conducción
• Minimiza la resistencia térmica.
En la práctica, los transistores
bipolares de potencia no se
construyen como se ve en esta
figura, sino que se construyen en
forma de pequeñas celdillas como
la representada, conectadas en
paralelo.
Los dispositivos de potencia que estudiaremos en este curso se construyen
empleando una estructura vertical y en forma de pequeñas celdillas en paralelo.
Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 3 de 17
Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 4 de 17
CONSTITUCIÓN DEL BJT
Base
FUNCIONAMIENTO DEL BJT. Zona Activa
Emisor
Vbb
Vcc
R
B
+
n
p
n+
n+
n+
n+
Activa
E
nn+
Colector
Sección Vertical de un Transistor Bipolar de Potencia Multiemisor de Tipo
NPN
Ventajas de la estructura multiemisor:
Zona Activa:
VCE Elevada
p
n-
n+
Carga
(Exceso de
electrones
en la Base)
Unión
Colector-Base
(inversamente
polarizada)
Distribución de la carga almacenada en la base de un transistor bipolar de
potencia típico en activa.
• Reduce la focalización de la corriente debida al potencial de la base causante
de la avalancha secundaria.
• Reduce el valor de RB (disminuye pérdidas y aumenta la frecuencia fT ).
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Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 6 de 17
C
FUNCIONAMIENTO DEL BJT. Zona de Cuasi-Saturación
Vbb
Vcc
FUNCIONAMIENTO DEL BJT. Zona de Saturación
R
Vbb
n-
p
n+
C
Carga
(Exceso de
electrones
en la Base)
Base Virtual
Distribución de la carga almacenada en la base de un transistor bipolar de
potencia típico, en Cuasi-Saturación.
E
Saturación
n
CuasiSaturación
E
R
B
B
+
Vcc
n
+
p
n-
n+
C
Carga en
exceso
Q2
Q1
Base Virtual
Distribución de la carga almacenada en la base de un transistor bipolar de
potencia típico, en saturación.
Cuasi-Saturación:
En activa al subir IB, IC↑ ⇒ VCE↓ (=VCC - ICR ).
Simultáneamente: VjCB↓ (=VCE - ICRd ). Donde Rd es la resistencia de la capa
de expansión.
El límite de la zona activa se alcanza cuando: VjCB=0 (VCE = ICRd ).
Si VjCB>0 (Unión directamente polarizada):
Habrá inyección de huecos desde p a n- (Recombinación con electrones
procedentes del emisor en n-) ⇒ Desplaz. a la derecha de la unión efectiva:
• Rd Disminuye
• Aumento del ancho efectivo de la base.
• β Disminuye
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Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 8 de 17
FUNCIONAMIENTO DEL BJT. Ganancia
TRANSISTOR DARLINGTON
Base
β max
log(β )
β min garantizada
por el fabricante
IeTA
Emisor
n+
p
SiO2
I bTA
n+
IbTB
VCE-Saturación
n-
IcTA
≈ICmax /10
ICmax
log(IC)
IcTB
n+
Variación de β en Función de IC
Colector
Colector
Base
TA
D2
β=βBβA+βB+βA
TB
D1
Emisor
Estructura de un Par Darlington Monolítico
Montaje Darlington para Grandes Corrientes.
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Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 10 de 17
EL TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN
EL TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN
Colector Vcc
Colector Vcc
ZL
ZL
Interruptor BJT conmutando una
Carga Inductiva
IC
Base IB
VCE
Interruptor BJT conmutando una
Carga Inductiva
IC
Base IB
VBE
VCE
VBE
IC
IL
IBon
IC
IB
IBon
−
IB
dI B
dt
IBoff
t
t
IBoff
VCE
VBE
VBE
t
t=0 tdon
VCE
t
t=0
ts
trv1 trv2 tfi
tri
tfv1
tfv2
Proceso de conmutación: Saturación
Proceso de conmutación: Corte
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EL TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN
4
IC
5
EXCITACIÓN DEL BJT
Aislamiento galvánico
entre circuitos de
control y potencia
Potencia
disipada
muy alta
λ
1, 2, 3, 4, 5 y 6: instantes de tiempo
Trayectorias en el plano IC-VCE durante la conmutación
IB
IBon
IL
2
−
3
5
dI B
dt
6
IB
BJT de potencia
Tierra de
potencia
-VCC
Circuito Típico de Excitación de Base para BJTs de Potencia
IC
4
Cb
Tierra digital
VCE
1
Acoplamiento
Señal digital
de control
6
IC
Amplificador
Fotoacoplador
Potencia disipada
muy baja
1
2
3
VCC
IBon
6
5
4
1
IBoff
t
t
IBoff
VCE
VBE
VBE
VCE
t
t
t=0
ts
trv1 trv2 tfi
t=0 tdon
tri
tfv1
tfv2
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Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 14 de 17
CONSIDERACIONES TÉRMICAS
Vcontrol
VBE
t
IC
Las pérdidas en corte
suelen despreciarse al ser
la corriente muy baja.
Vcc
90%
RC
10%
td tr
ts
Concentración
de corriente
Caída de tensión
VBE
Vcc
VCE
AVALANCHA SECUNDARIA
t
tf
IB
IC
VCE
VBE
Pd
t
Las
pérdidas
conducción pueden
aproximadas por:
en
ser
T
Pon = I c ⋅ VCEsat ⋅ ON
T
B
E
+
p
e-
t
e-
e-
E
B
n+
-
+
p
e-
-
+
e-
e-
n
C
Las pérdidas en conmutación pueden estimarse suponiendo que la corriente y la
tensión siguen una línea recta durante la conmutación:
+
-
n
T=1/f
B
B
n+
Caída de tensión
C
a)
b)
Concentración o Focalización de Corriente en un BJT. a) En la Conmutación a
Saturación (IB >0) y b) en la Conmutación a Corte (IB <0)
t
t
) ⋅ I cmax ⋅ ⋅ dt
tr
tr
t t
≅ 0 ) ⇒ dWr = Vcc ⋅ Icmax ⋅ (1 − ) ⋅ ⋅ dt
tr tr
dWr = VCE ⋅ I c ⋅ dt + VBE ⋅ I B ⋅ dt ≅ VCE ⋅ I c ⋅ dt = (Vcc − Rc ⋅ I cmax ⋅
Rc ⋅ Icmax = Vcc − VCEsat ≅ Vcc (VCE Saturacion
tr
Wr = ∫ Vcc ⋅ Icmax ⋅ (1 −
0
t t
1
) ⋅ ⋅ dt = ⋅ Vcc ⋅ Icmax ⋅ tr ;
tr tr
6
análogamente se hace para Wf : Wcom = Wr + Wf =
1
⋅ Vcc ⋅ Icmax ⋅ (t r + t f ) ;
6
La potencia media disipada en el período T será por tanto:
Pcom =
Wcom 1
= ⋅Vcc ⋅ I c max ⋅ f ⋅ (tr + t f )
T
6
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Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 16 de 17
ZONA DE OPERACIÓN SEGURA
IC
f3
f2
ICM
f1
Límite
térmico
dc
Avalancha
Secundaria
β VCE0 VCE
a) FBSOA (f1 <f2 <f3 )
IC
ICM
VBEoff <0
VBEoff =0
β VCE0 β VCB0 VCE
b) RBSOA (Trancisiones de menos de 1 µs)
Zonas de Operación Segura del Transistor Bipolar
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