Ch3 Semiconductores UNRC-2018

Electrónica de Potencia
DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
Electrónica de Potencia – Revisión de Semiconductores de Potencia
CLASIFICACIÓN DE SEMICONDUCTORES DE POTENCIA
• LLAVES NO CONTROLABLES
ENCENDIDO Y APAGADO DEPENDEN DEL CIRCUITO
DIODOS
• LLAVES SEMICONTROLABLES
ENCENDIDO (APAGADO) POR MEDIO DE UN CIRCUITO DE
ACTIVACION
APAGADO (ENCENDIDO) DEPENDE DEL CIRCUITO
TIRISTOR (TIRISTOR DUAL)
• LLAVES CONTROLABLES
ENCENDIDO Y APAGADO POR MEDIO DE UN CIRCUITO DE
ACTIVACION
BJT, MOSFET, GTO, IGBT, IGCT, Etc.
2
Electrónica de Potencia – Semiconductores de Potencia
DIODOS
Electrónica de Potencia – Diodos
Símbolo
Estructura PIN
Zona de
desplazamiento
The n- region is called the drift region because it is principally the charge flow by drift due to the
electric field of the forward bias, rather than diffusion. that gives rise to current in this region.
Electrónica de Potencia – Diodos
Característica V-I
Ideal
Real
Electrónica de Potencia – Diodos
Encapsulados (packaging)
(a) Lead
Electrónica de Potencia – Diodos
Diodos de potencia
•
Diodos de propósito general
 Hasta 6000 V – 4500 A
•
Diodos de alta velocidad
 Necesarios para aplicaciones de alta frecuencia
 Hasta 6000 V – 1100 A
 Tiempo de recuperación inversa 0,1 – 5 µs
•
Diodos Schottky
 Hasta 100 V – 300 A (corriente de fuga aumenta con la capacidad
de bloquear tensiones inversas)
 Baja caída de tensión en conducción (0,5 V)
 Tiempo de recuperación inversa reducido (ns)
Electrónica de Potencia – Diodos
Modelos de diodos
Ideal
Simplificado
Práctico
Electrónica de Potencia – Diodos
Característica de apagado del diodo
iD
iD  I l  is
Vs
diD
   cte
dt
Ls
 t1 i
D 0
Ls I l

Vs
Electrónica de Potencia – Diodos
Recuperación inversa
ta / tb  S  softness factor
di


trr  f  T j , , I F 
dt


QRR
I RR trr
2QRR

 I RR 
2
trr
I RR  2QRR
di
dt
Electrónica de Potencia – Circuitos Snubbers
Datos del problema
Vs  600V; I l  100A; Ls  30μH
Datos del diodo
1000V; 100A; trr  1μs; S  t f / tr   0.6
QRR  I RR  trr / 2   6.25C
diD / dt  VS / LS   600 / 30x106  20A/s
I RR
 t  di
  rr  D  12.5A
 1  S  dt
VRR
diD
 VS  LS
 1600V
dt
11
Electrónica de Potencia – Semiconductores de Potencia
Tiristor
Electrónica de Potencia – Tiristor
Símbolo
Estructura PIN
Zona de agotamiento directo
Zona de agotamiento inverso
Electrónica de Potencia – Tiristor
Característica V-I
Ideal
Real
Electrónica de Potencia – Tiristor
Encapsulados (packaging)
Electrónica de Potencia – Tiristor
Modelo de dos transistores de un tiristor
Electrónica de Potencia – Tiristor
Métodos de encendido
1. Activación por luz
2. Señal eléctrica en la Gate
3. Elevación de tensión directa
4. dv/dt
5. Térmica
Electrónica de Potencia – Tiristor
Métodos de encendido
1. Activación por luz
a) Un haz de luz dirigido a la juntura J3
b) Principal aplicación en HVDC (6000V – 3500A)
Electrónica de Potencia – Tiristor
Métodos de encendido
1. Activación por luz
a) Un haz de luz dirigido a la juntura J3
b) Principal aplicación en HVDC (6000V – 3500A)
Electrónica de Potencia – Tiristor
Métodos de encendido
1. Activación por luz
a) Un haz de luz dirigido a la juntura J3
b) Principal aplicación en HVDC (6000V – 3500A)
2. Señal eléctrica en la Gate
2N4378
VAK  1400V, I A  110A, I G  250mA, PG  3W
I A / I G  500, GPot  50000
Electrónica de Potencia – Tiristor
Métodos de encendido: Señal eléctrica en la Gate
Encendido rápido → elevada corriente
 q   i dt 
Si la corriente Ig se extingue previo al enclavamiento (latching) el
tiristor se apaga.
Si I A  ilatching  iG  0
ilatching  103 I A nom.
Electrónica de Potencia – Tiristor
Métodos de encendido: Encendido por dv/dt
iC
dv
dt
Un valor de dv/dt elevado entre A-K puede ocasionar
una elevada corriente en la región de Gate.
Protección:
•
Resistencia entre G-K
•
Circuitos Snubber
Electrónica de Potencia – Tiristor
Resumen
1. La llave más utilizada para controlar potencias del orden miles
de voltios y miles de amperios.
2. Capaz de bloquear tensiones de cualquier polaridad: positivas
y negativas
3. Simple de encender: un solo pulso de corriente en la Gate.
Puede permanecer encendido sin señal de Gate.
4. El apagado es una gran desventaja comparado al transistor.
Llave semiconductora más lenta del mercado.
5. Posibilidad de encenderlo con luz elimina los problemas de los
drivers en su utilización en alta tensión.
6. El di/dt limita la velocidad de encendido y el dv/dt el apagado.
Solución: circuitos snubber.
Electrónica de Potencia – Tiristor
Protección de tiristores
1.
SOBRECORRIENTES
a) No debe sobrepasarse la máxima temperatura de juntura
b) Protección con fusibles (i2 t)
2. SOBRETENSIONES
a)
Circuitos amortiguadores (snubber)
b) Una regla práctica es que VD = 120% Vmax
Electrónica de Potencia – Semiconductores de Potencia
Metal-Oxide-Semiconductor-Field-EffectTransistor
(MOSFET)
Electrónica de Potencia – MOSFET
Símbolo y Características del MOSFET
Baja y Media potencia
Altas frecuencias
Controlado por tensión
No puede bloquear tensiones inversas
Electrónica de Potencia – MOSFET
Característica V-I
Ideal
Real
Electrónica de Potencia – MOSFET
Estructura de un MOSFET Lateral de canal n
Cuando VG > 0 se establece un campo eléctrico en la G, pero la
aislación previene el flujo de carga.
Metalización de la Gate, la aislación y el sustrato p, forman un
capacitor, forzando un desplazamiento de carga. Formándose un
canal n.
Resistencia canal n elevada
Electrónica de Potencia – MOSFET
Estructura de un MOSFET Vertical de canal n
Creación de celdas en paralelo, suministrando caminos de baja
resistencia y reducida caída de tensión en conducción.
Estructura vertical permite bloquear altas tensiones, bajas
resistencia en conducción y altos dv/dt.
Se crean dos nuevos componentes
Electrónica de Potencia – MOSFET
Estructura de un MOSFET Vertical de canal n
Base del transistor parasito no tiene conexión con el circuito
externo.
Puede encenderse con un alto dv/dt.
La región p se diseña para que tenga una reducida RB.
Electrónica de Potencia – MOSFET
Modelos del MOSFET
(a) Región de corte, (b) Región activa, (c) Región óhmica,
(d) Región de polarización inversa
Electrónica de Potencia – MOSFET
Característica de transferencia
Pendiente G se define como la transconductancia del MOSFET [S]
ID
G
 1 10 S
VGS  VGS TH 

I D  G VGS  VGS TH 

Electrónica de Potencia – MOSFET
Ejemplo
MOSFET
200 V; 20 A
Vs  150 V; R  7.3 
RDS ON   4 / 20  0.2 
Il 
Vs
RDS  ON   R
 20 A
PD  I l 2 RDS  ON   80 W   97% 
VGS
región
ohmica
 VDS  VGS TH   4  3  7 V
Electrónica de Potencia – Semiconductores de Potencia
Insulated Gate Bipolar
Transitor
(IGBT)
Electrónica de Potencia – IGBT
G
C
E
Símbolo y Características del IGBT
• Posee las características de señal de compuerta de los transistores de efecto campo
y la capacidad de alta corriente y baja tensión de saturación del transistor bipolar.
• Combina una compuerta aislada FET para la entrada de control y un transistor
bipolar como interruptor en un único dispositivo.
• El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las
características de conducción son como las del BJT.
G
Electrónica de Potencia – IGBT
E
Característica V-I
Ideal
C
Real
Electrónica de Potencia – IGBT
El IGBT tiene algunas de las ventajas de los siguientes dispositvos
 MOSFET: alta impedancia de entrada en el circuito de gate
 BJT: baja caída de tensión en conducción y bloqueo de altas
tensiones
 GTO: puede ser diseñado para bloquear tensiones negativas
G
C
E
Electrónica de Potencia – IGBT
G
E
MOSFET
Transistor bipolar pnp
Tiristor parásito
p+  E
(se busca minimizarlo)
n-  B
PC
C
Electrónica de Potencia – IGBT
G
Latchup en IGBTs
El tiristor parásito puede encenderse por dos motivos:
 Un alto dv/dt
 Cuando la corriente principal supera un determinado límite
C
E
Electrónica de Potencia – IGBT
G
SOA (Safe Operating Area) de un IGBT
SOA for turn-on and single-pulse operation
RBSOA (Reverse Biased SOA) for periodic turn-off
SCSOA (Short Circuit SOA) for non-periodic turn-off of short circuits
C
E
Electrónica de Potencia – Revisión de Semiconductores de Potencia
CARACTERÍSTICAS DE INTERRUPTORES
I
I
e
V
e
V
I
c
e
I
V
V
I
I
c
c
V
V
41
Electrónica de Potencia – Revisión de Semiconductores de Potencia
CARACTERÍSTICAS DE INTERRUPTORES
I
c
e
I
c
e
V
V
I
I
I
c
c
c
V
V
I
V
e
V
e
c
V
V
I
I
I
I
I
V
I
c
c
V
c
c
V
V
42
Electrónica de Potencia – Revisión de Semiconductores de Potencia
CARACTERÍSTICAS DE UNA LLAVE IDEAL:
1) Conducción:
  vT   ; iT  0
2) Bloqueo:
vT  0 ;    iT  
3) Conmutación:
ton  toff  0
4) Potencia de control reducida
JUSTIFICACIÓN DE UTILIZAR LAS CARACTERÍSTICAS IDEALES:
UTILIZANDO LAS CARACTERISTICAS IDEALES SE SIMPLIFICA EL ANALISIS Y
LOS ERRORES COMETIDOS NO SON IMPORTANTES
Caída de tensión en conducción nula
Conmutación instantánea
Ploss  0
43
Electrónica de Potencia – Característica de conmutación
tc on   tri  t fv
Wc on  
Vd I 0tc on 
2
Pc on   Wc on  f s
tc off   trv  t fi
Wc off  
Vd I 0tc off 
2
Pc off   Wc off  f s
Won  Von I 0ton
Pon  Won f s
Pérdidas
de
encendido
Pérdidas
de
apagado
Pérdidas
de
conducción
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Electrónica de Potencia – Revisión de Semiconductores de Potencia
CARACTERÍSTICAS DESEABLES DE UNA LLAVE CONTROLABLE:
1) Corriente de fuga pequeña
2) Caída de tensión reducida en conducción
3) Tiempos de conmutación reducidos
4) Capacidad de bloquear tensiones directas e inversas elevadas
5) Capacidad de manejar altas corrientes en conducción
6) Coeficiente de temperatura positivo
7) Controlable con baja potencia
8) Capacidad de soportar altos valores de tensión y corriente en la
conmutación
9) Alta relación dv/dt y di/dt.
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Electrónica de Potencia – Revisión de Semiconductores de Potencia
Limitaciones por di/dt y dv/dt:
di I L I Cs
 
dt tr
tr
dv Vs VCs
 
dt t f
tf
• Establecidas por la característica de
conmutación del transistor
• Pueden requerir circuitos de protección (redes
snubber), para mantenerse dentro de límites
46
admisibles.
Electrónica de Potencia – Revisión de Semiconductores de Potencia
AREA DE OPERACIÓN SEGURA (SOA):
ESPECIFICACIONES MAXIMAS:
1) PDmax Potencia de disipación
máxima (Tj max)
2) ICmax Límite térmico cables de
conexión de la pastilla.
3) VCE max Límite avalancha
(inclusive tensión instantánea)
4) Avalancha secundaria:
Corriente concentrada en una
zona reducida (BJT)
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Electrónica de Potencia – Revisión de Semiconductores de Potencia
SELECCIÓN DEL DISPOSITIVO DEPENDE DE LA APLICACION
1) Caída de tensión determina las pérdidas en conducción
2) Tiempos de conmutación determinan estas pérdidas
3) Tensiones y corrientes determinan la potencia que pueden manejar
4) Potencia para controlarlas determina la posibilidad de manejarlas
5) Coeficiente de temperatura determina la posibilidad de paralelarlas
6) Costos
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Electrónica de Potencia – Revisión de Semiconductores de Potencia
MOHAN (2003)
49
Electrónica de Potencia – Revisión de Semiconductores de Potencia
BOSE (2006)
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Electrónica de Potencia – Revisión de Semiconductores de Potencia
SEMIKRON
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Electrónica de Potencia – Revisión de Semiconductores de Potencia
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Electrónica de Potencia – Revisión de Semiconductores de Potencia
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