I Unidad: Dispositivos semiconductores de potencia. 1. Características de diodos. Los diodos semiconductores de potencia juegan un papel significativo en los circuitos electrónicos de potencia. Un diodo funciona como un interruptor, a fin de llevar a cabo varias funciones, como la de interruptores en los rectificadores, de marcha libre en los reguladores conmutados, inversión de carga de capacitores y transferencia de energía entre componentes, aislamiento de voltaje, retroalimentación de la anergia de carga a la fuente de energía y recuperación de la energía atrapada. Para la mayor parte de las aplicaciones, se puede suponer que los diodos de potencia son interruptores ideales, pero los diodos prácticos o reales son diferentes de las características ideales y tienen ciertas limitaciones. Los diodos de potencia son similares a los diodos de unión pn. Sin embargo, los diodos de potencia tienen mayores capacidades en el manejo de la energía, el voltaje y la corriente, que los diodos ordinarios. La respuesta a la frecuencia o velocidad de conmutación es baja en comparación con los diodos comunes. Un diodo de potencia es un dispositivo de unión pn de dos terminales. Cuando el potencial del ánodo es positivo con respecto al cátodo, se dice que el diodo tiene polarización directa o positiva y el diodo conduce. Un diodo en conducción tiene una caída de voltaje directa relativamente pequeña, la magnitud de esta caída de voltaje depende del proceso de manufactura y de la temperatura de la unión. Cuando el potencial del cátodo es positivo con respecto al ánodo, se dice que el diodo tiene polarización inversa y no conduce idealmente, pero realmente fluye una pequeña corriente inversa, también conocida como corriente de fuga, en el rango de los micros o miliamperios, cuya magnitud crece lentamente en función del voltaje inverso, hasta llegar al voltaje de avalancha o Zener. Las características de voltaje – intensidad descritas anteriormente pueden ser expresadas mediante una ecuación conocida como la ecuación de schockley de diodo y está dada por • ID es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo. • IS es la corriente de saturación (aproximadamente (10^-12) A, (10^-12) A). • n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio). • VD es el voltaje del diodo con el ánodo positivo con respecto al cátodo. • VT es una constante llamada valor térmico y está dada por: • q es la carga del electrón (1.6022 * 10^-19 culombios [C]) • T es la temperatura absoluta de la unión en Kelvins (K = 273 + ºC) • k es la constante de Boltzmann (1.3806 * 10^-23 J/K) Las características del diodo pueden dividirse en tres regiones: • Región de polarización directa: Es la región donde VD > 0. La corriente del diodo ID es muy pequeña si el voltaje del diodo VD es menor que un valor especifico (VTD = 0.7). El diodo condice totalmente si VD > VTD, conocido como voltaje umbral, voltaje de corte o voltaje de activación. • Región de polarización inversa: Es la región donde VD < 0. Si VD es negativo y |VD| >> VT, cosa que ocurre para VD < -0.1, el termino exponencial de la ecuación de schockley se vuelve despreciablemente pequeño en comparación con la unidad y la corriente del diodo se vuelve negativa. • Región de ruptura: En esta región el voltaje inverso es alto, generalmente mayor que 1000 V. Si la magnitud del voltaje inverso excede un voltaje especifico conocido como voltaje de ruptura (VBR), la corriente inversa aumente rápidamente. La operación en la región de ruptura no será destructiva, siempre y cuando la disipación de la potencia este dentro del “nivel seguro” especificado por el fabricante. Tiempo de recuperación inversa: La corriente de un diodo en polarización directa se debe al efecto de los portadores mayoritarios y minoritarios. Cuando un diodo está en condición directa y su corriente se reduce a cero, el diodo continúa conduciendo, debido a los portadores minoritarios que permanecen almacenados en la unión pn. Los portadores minoritarios requieren de cierto tiempo para recombinarse y neutralizarse. Tiempo de recuperación directa (o de activación): Si un diodo está en polarización inversa, fluye una corriente de fuga debido a los portadores minoritarios. En este caso la aplicación de un voltaje directo obligaría al diodo a conducir la corriente en la dirección correcta. Sin embargo, se requiere de un tiempo. 1.1.1. Diodo de uso general Tienen un tiempo de recuperación inversa relativamente alto, típicamente 25 microsegundos, y se utilizan en aplicaciones de baja velocidad, por ejemplo, en convertidores con frecuencia de entrada de hasta 1 kHz. Tienen especificaciones de voltaje desde 50V hasta 5kV y desde menos de un amperio hasta varios miles de amperios. 1.1.2. Diodo de recuperación rápida Los diodos de recuperación rápida tienen un tiempo de recuperación bajo, por lo general menor que 5 microsegundos. Se utilizan en circuito convertidores cdcd y cd-ac, en los que la velocidad de recuperación es a menudo de importancia crítica. Estos diodos tienen especificaciones de corriente desde menos de un amperio hasta varios cientos de amperios y tienen especificaciones de voltaje desde 50V hasta 3kV 1.1.3. Diodo Schottky Permiten minimizar el problema de almacenamiento de carga de la unión pn. Esto se lleva a cabo estableciendo una “barrera de potencial” con un contacto entre un metal y un semiconductor. La acción rectificadora solo depende de los portadores mayoritarios y como resultado no existen portadores minoritarios en exceso para recombinar. La corriente fuga de este diodo es mayor que un diodo de unión pn. Como resultado su voltaje máximo permisible es por lo general limitado a 100V. Estos diodos tienen especificaciones de corriente entre 1 a 300 A. 2. Tiristores Un tiristor es uno de los tipos más importantes de dispositivos semiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia. Se opera como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas aplicaciones se pueden suponer que los tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y limitaciones. 2.1. Características de los tiristores. Un tiristor es un dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura pnpn con tres uniones pn. Tiene tres terminales: ánodo, cátodo y compuerta. Cuando el voltaje del ánodo se hace positivo con respecto al cátodo, las uniones J1 y J3 tienen polarización directa o positiva. La unión J2 tiene polarización inversa, y solo fluirá una pequeña corriente de fuga del ánodo al cátodo. Se dice entonces que el tiristor está en condición de bloqueo directo o en estado desactivado llamándose a la corriente de fuga corriente de estado inactivo ID. Si el voltaje ánodo cátodo VAK se incrementa a un valor lo suficientemente grande, la unión J2 polarizada inversamente entrara en ruptura. Esto se conoce como ruptura por avalancha y el voltaje correspondiente se llama voltaje de ruptura directa VBO. Dado que las uniones J1 y J3 ya tienen polarización directa, hasta un movimiento libre de portadores a través de las tres uniones, que provocara una gran corriente directa del ánodo. Se dice entonces que el dispositivo está en estado de conducción o activado. La caída de voltaje se deberá a la caída óhmica de las cuatro capas y será pequeña, por lo común 1V. En estado activo, la corriente del ánodo está limitada por una impedancia o una resistencia externa, RL. La corriente del ánodo debe de ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche IL, a fin de mantener la cantidad requerida de flujo de portadores a través de la unión, de lo contrario, al reducirse el voltaje del ánodo al cátodo, el dispositivo regresara a la condición de bloqueo. La corriente de enganche, es la corriente del ánodo mínima requerida para mantener el tiristor en estado de conducción inmediatamente después de que ha sido activado y se ha retirado la señal de la compuerta. Una vez que el tiristor es activado, se comporta como un diodo en conducción y ya no hay control sobre el dispositivo. El tiristor seguirá conduciendo, porque en la unión J2 no existe una capa de agotamiento debido a movimientos libres de los portadores. Sin embargo, si se reduce la corriente directa del ánodo por debajo de un nivel conocido como corriente de mantenimiento IH, se genera una región de agotamiento alrededor de la unión J2 debido al número reducido de portadores, el tiristor estará entonces en estado de bloqueo. La corriente de mantenimiento es del orden de los miliamperios y es menor que la corriente de enganche. Esto significa IL>IH. La corriente de mantenimiento es la corriente del ánodo mínima para mantener el tiristor en estado de régimen permanente. La corriente de mantenimiento es menor que la corriente de enganche. Cuando el voltaje del cátodo es positivo con respecto al ánodo, la unión J2 tiene polarización directa, pero las uniones J1 y J3 tienen polarización inversa. El tiristor estará en estado de bloqueo inverso y una corriente de fuga inversa, conocida como corriente inversa, IR, fluirá a través del dispositivo. Un tiristor se puede activar aumentando el voltaje directo de VAK más allá del VBO, pero esta forma de activar puede ser destructiva. En la práctica, el voltaje directo se mantiene por debajo VBO y el tiristor se activa mediante la aplicación de un voltaje positivo entre la compuerta y el cátodo. Una vez activado el tiristor mediante una señal de compuerta y una vez que la corriente del ánodo es mayor que la corriente de mantenimiento, el dispositivo continúa conduciendo, debido a una retroalimentación positiva, aun si se elimina la señal de la compuerta. Un tiristor es un dispositivo de enganche. Electrónica Industrial 2.2. Tipos de tiristores Dependiendo de la construcción física y del comportamiento de activación, en general los tiristores pueden clasificarse en seis categorías. 2.2.1. Tiristores de control de fase Este tipo de tiristores por lo general opera a la frecuencia de línea y se desactiva por conmutación natural. El tiempo de desactivación, tq, es del orden de 50 a 100 microsegundos. Esto es muy adecuando en especial para las aplicaciones de conmutaciones a baja velocidad. También se les conoce como tiristores convertidores. Dado que un tiristor controlado fabricado de silicio también se conoce como un rectificador controlado de silicio (SCR). El voltaje en estado activo, VT, por lo común varía desde aproximadamente 1.15V para 600V, hasta 2.5V para dispositivos de 4000V y para tiristores de 5500A 1200V es típicamente 1.25V. 2.2.2. Tiristores de conmutación rápida Estos se utilizan en aplicaciones de conmutación de alta velocidad con conmutación forzada. Tienen un corto tiempo de desactivación, por lo general de 5 a 50 microsegundos, dependiendo del rango de voltaje. La caída directa en estado activo varia aproximadamente en función inversa del tiempo de desactivación tq. Este tipo de tiristor también se conoce como tiristor inversor. El voltaje en estado activo de un tiristor de 2200A 1800v es por lo común de 1.7V. 2.2.3. Tiristores desactivados por compuerta Un tiristor de desactivación por compuerta (GTO), al igual que un SCR, puede activarse mediante la aplicación de una señal positiva en la compuerta. Sin embargo, se puede desactivar mediante una señal negativa de compuerta. Un GTO es un dispositivo de enganche y se puede construir con especificaciones de corriente y voltaje similares a las de un SCR. Electrónica Industrial Tiene ventajas sobre los SCR: Eliminación de los componentes auxiliares de la conmutación forzada. Reducción del ruido, debido a la eliminación de bobinas de inducción en la conmutación. Una desactivación más rápida que permite frecuencias de conmutación más altas. Una eficiencia mejorada de los convertidores. 2.2.4. Tiristores de triodo bidireccional Un TRIAC puede conducir en ambas direcciones y normalmente se utiliza en el control de fase de corriente alterna. Se puede considerar como si fueran dos SCR conectados en antiparalelo, con una conexión de compuerta común. Dado que el TRIAC es un dispositivo bidireccional, no es posible identificar sus terminales como ánodo y cátodo. Si la terminal MT2 es positiva con respecto a la terminal MT1, el TRIAC se puede activar aplicando una señal de compuerta positiva entre la compuerta G y la terminal MT1. Si la terminal MT2 es negativa con respecto a la terminal MT1, se activará al aplicar una señal negativa a la compuerta, entre la compuerta G y la terminal MT1. No es necesario que estén presentes ambas polaridades en las señales de la compuerta y un TRIAC puede ser activado con una sola sólido y los contactores.
