Electronica de potencia

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Potencia introduccion

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IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)El IGBT es un dispositivo semiconductor de potencia hbrido que combina los atributos del TBJ y del MOSFET. Posee una compuerta tipo MOSFET y por consiguiente tiene una alta impedancia de entrada. El gate maneja voltaje como el MOSFET. El smbolo ms comnmente usado se muestra en la figura . Al igual que el MOSFET de potencia, el IGBT no exhibe el fenmeno de ruptura secundario como el TBJ.La estructura del IGBT es similar al un MOSFET de canal n, una porcin de la estructura es la combinacin de regiones n+ , p y n- que forman el MOSFET entre el source S y el gate G con la regin de flujo n- que es el drain D del MOSFET. Otra parte es la combinacin de 3 capas p+ n- p, que crea un transistor de unin bipolar entre el drain D y el source. La regin p acta como colector C, la regin n- acta como la base B y la regin p+ acta como el emisor E de un transistor pnp. Entre el drain y el source existen 4 capas p+n-pn+ que forman un tiristor. Este tiristor es parsito y su efecto es minimizado por el fabricante del IGBT

Consideremos que el IBGT se encuentra bloqueado inicialmente. Esto significa que no existe ningn voltaje aplicado al gate. Si un voltaje VGS es aplicado al gate, el IGBT enciende inmediatamente, la corriente ID es conducida y el voltaje VDS se va desde el valor de bloqueo hasta cero. LA corriente ID persiste para el tiempo tON en el que la seal en el gate es aplicada. Para encender el IGBT, la terminal drain D debe ser polarizada positivamente con respecto a la terminal S. LA seal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado al gate G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15, puede causar que el tiempo de encendido sea menor a 1, despus de lo cual la corriente de drain iD es igual a la corriente de carga IL (asumida como constante). Una vez encendido, el dispositivo se mantiene as por una seal de voltaje en el gate. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipacin de potencia en el gate es muy baja.EL IGBT se apaga simplemente removiendo la seal de voltaje VG de la terminal gate. La transicin del estado de conduccin al estado de bloqueo puede tomar apenas 2, por lo que la frecuencia de conmutacin puede estar en el rango de los 50 kHz.EL IGBT requiere un valor lmite VGS(TH) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4 V. Arriba de este valor el voltaje VDS cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el gate debe tener un voltaje arriba de 15 V, y la corriente iD se autolimita.El IGBT se aplica en controles de motores elctricos tanto de corriente directa como de corriente alterna, manejados a niveles de potencia que exceden los 50 kW.

GTO (Gate Turn-off Thyristor)Un tiristor GTO puede ser encendido por un solo pulso de corriente positiva en la terminal gate (como en el tiristor), pero en cambio puede ser apagado por un pulso de corriente negativa en la terminal gate. Ambos estados, tanto el estado de encendido como el estado de apagado del dispositivo son controlados por la corriente en la terminal gate.El smbolo para el tiristor GTO usado ms frecuente, as como sus caractersticas de conmutacin se muestran en la figura.El proceso de encendido es similar al del tiristor. Las caractersticas de apagado son un poco diferentes. Cuando un voltaje negativo es aplicado a travs de las terminales gate y ctodo, la corriente en el gate (ig), crece. Cuando la corriente en el gate alcanza su mximo valor IGR, la corriente de nodo comienza a caer y el voltaje a travs del dispositivo (VAK), comienza a crecer. El tiempo de cada de la corriente de nodo (IA) es abrupta, tpicamente menor a 1 . Despus de esto, la corriente de nodo vara lentamente y sta porcin de la corriente de nodo es conocido como corriente de cola.La razn (IA/IGR) de la corriente de nodo IA a la mxima corriente negativa en el gate (IGR) requerida para el voltaje es baja, comnmente entre 3 y 5. Por ejemplo, para un voltaje de 2500 V y una corriente de 1000 A, un GTO normalmente requiere una corriente negativa de pico en el gate de 250 A para el apagado.

La estructura del GTO es esencialmente la misma que un tiristor convencional. Como se muestra en la figura, existen 4 capas de silicn (pnpn), 3 uniones y tres terminales (nodo, ctodo y gate). La diferencia en la operacin, radica en que en que una seal negativa en el gate puede apagar el GTO.Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista seal en el gate, el dispositivo se bloquea para cualquier polaridad en el nodo, pero una corriente de fuga (IA leak) existe. Con un voltaje de bias en directa el GTO se bloquea hasta que un voltaje de ruptura VAK = VB0 es alcanzado. En este punto existe un proceso dinmico de encendido., VAK = 3V y la corriente IA es determinada por la carga. Cuando el GTO se apaga y con la aplicacin de una voltaje en inversa, solo una pequea corriente de fuga (IA leak) existe. Una polarizacin en inversa VAK puede ser alcanzada cuando ocurra un corte. El valor del voltaje del voltaje de ruptura inverso depende del mtodo de fabricacin para la creacin de una regeneracin interna para facilitar el proceso de apagado.Con un voltaje de polarizacin directo aplicado al nodo y un pulso de corriente positiva es aplicada al gate, el GTO se enciende y permanece de esa forma. Para sta condicin, existen 2 formas de apagarlo. Una forma es reduciendo la corriente de nodo IA por medios externos hasta un valor menor a la corriente de holding Ih, en la cual, la accin regenerativa interna no es efectiva. La segunda forma de apagarlo es por medio de un pulso en el gate, y este es el mtodo ms recomendable porque proporciona un mejor control.Como el GTO tiene una conduccin de corriente unidireccional, y puede ser apagado en cualquier instante, ste se aplica en circuitos chopper (conversiones de dc- dc) y circuitos inversores (conversiones dc -ac) a niveles de potencia en los que los MOSFET's, TBJ's e IGBT's no pueden ser utilizados. A bajos niveles de potencia los semiconductores de conmutacin rpida son preferibles. En la conversin de AC - DC, los GTO's, son tiles porque las estrategias de conmutacin que posee, pueden ser usadas para regular la potencia, como el factor de potencia.

Qu es un transistor bipolar o BJT?Eltransistorbipolares el ms comn de lostransistores, y como losdiodos, puede ser degermanioo silicio.En ambos casos el dispositivo tiene 3 patillas y son: el emisor, la base y el colector.Existen dos tipostransistores: elNPNy elPNP, y la direccin del flujo de lacorrienteen cada caso, lo indica laflechaque se ve en el grfico de cada tipo de transistor.Eltransistores un dispositivo de 3 patillas con los siguientes nombres: base (B), colector (C) y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene laflechaen el grfico de transistor.Eltransistorbipolares unamplificadorde corriente, esto quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregar porotra(emisor) , una cantidad mayor a sta, en un factor que se llama amplificacin.

Este factor se llama (beta) y es un dato propio de cada transistor.Entonces:- Ic (corriente que pasa por la patilla colector) esiguala (factor de amplificacin) por Ib (corriente que pasa por la patilla base).- Ic = * Ib- Ie (corriente que pasa por la patilla emisor) esiguala (+1) * Ib, pero se redondea al mismo valor que Ic, slo que la corriente en un caso entra al transistor y en el otro caso sale de l, o viceversa.Segn la frmula anterior las corrientes no dependen delvoltajeque alimenta el circuito (Vcc), pero en la realidad si lo hace y la corriente Ibcambialigeramente cuando secambiaVcc. Verfigura.

En el segundo grfico las corrientes de base (Ib) sonejemplospara poderentenderque a ms corriente la curva es ms alta.

TiristoresLos tiristores son una familia de dispositivos semiconductores de cuatro capas (pnpn), que se utilizan para controlar grandes cantidades de corriente mediante circuitos electrnicos de bajo consumo de potencia.La palabra tiristor, procedente del griego, significa puerta. El nombre es fiel reflejo de la funcin que efecta este componente: una puerta que permite o impide el paso de la corriente a travs de ella. As como los transistores pueden operar en cualquier punto entre corte y saturacin, los tiristores en cambio slo conmutan entre dos estados: corte y conduccin.Dentro de la familia de los tiristores, trataremos en este tutorial los tipos ms significativos: Diodo Shockley, SCR (Silicon Controlled Rectifier), GCS (Gate Controlled Switch), SCS (Silicon Controlled Switch), Diac y Triac.1 EL DIODO SHOCKLEYEl diodo Shockley es un tiristor con dos terminales: nodo y ctodo. Est constituido por cuatro capas semiconductoras que forman una estructura pnpn. Acta como un interruptor: est abierto hasta que la tensin directa aplicada alcanza un cierto valor, entonces se cierra y permite la conduccin. La conduccin contina hasta que la corriente se reduce por debajo de un valor especfico (IH).

Figura 1: Construccin bsica y smbolo del diodo Shockley1.1 CARACTERISTICA TENSION-INTENSIDADPara valores negativos del voltaje aplicado, como en un diodo, slo habr una corriente muy pequea hasta que se alcance la tensin de ruptura (VRB).

Figura 2: Caracterstica I-V del diodo ShockleyEn polarizacin positiva, se impide el paso de corriente hasta que se alcanza un valor de tensinVB0. Una vez alcanzado este punto, el diodo entra en conduccin, su tensin disminuye hasta menos de un voltio y la corriente que pasa es limitada, en la prctica, por los componentes externos. La conduccin continuar hasta que de algn modo la corriente se reduzca por debajo de la corriente de mantenimientoIH.La corriente que puede atravesar el dispositivo en polarizacin directa tiene un lmite impuesto por el propio componente (IMAX), que si se supera llevar a la destruccin del mismo. Por esta razn, ser necesario disear el circuito en el que se instale este componente de tal modo que no se supere este valor de corriente. Otro parmetro que al superarse puede provocar la ruptura del dispositivo esVRB,ya que provocara un fenmeno de avalancha similar al de un diodo convencional.1.2 EJEMPLO DE APLICACION: DETECTOR DE SOBRETENSIONEn esta aplicacin, se ha seleccionado un diodo Shockley con una tensin de conduccin de 10 V. Por tanto, si la tensin de la fuente es correcta, es decir, de 9 V, el diodo est abierto, no circula corriente por l y la lmpara estar apagada. Pero si la tensin de la fuente supera, por una falla en su funcionamiento una tensin de 10 V, el diodo entra en saturacin y la lmpara se enciende. Permanecer encendida (y el diodo cerrado) aunque la tensin vuelva a 9V, mostrando de esta manera que ha habido una falla. La nica forma de apagar la lmpara sera desconectar la alimentacin.

Figura 3: Detector de sobretensin2 SCR (SILICON CONTROLLED RECTIFIER)El SCR es un dispositivo de cuatro capas muy similar al diodo Shockley, con la diferencia de poseer tres terminales: nodo, ctodo y puerta (gate). Al igual que el diodo Shockley, presenta dos estados de operacin: abierto y cerrado, como si se tratase de un interruptor.

Figura 4: Construccin bsica y smbolo del SCR2.1 CARACTERISTICA TENSION INTENSIDADTal y como se aprecia en la Figura 5, la parte de polarizacin inversa de la curva es anloga a la del diodo Shockley.

Figura 5: Caracterstica del SCREn cuanto a la parte de polarizacin positiva, el diodo no conduce hasta que se recibe un pulso de tensin en el terminal de puerta (gate). Una vez recibido, la tensin entre nodo y ctodo cae hasta ser menor que un voltio y la corriente aumenta rpidamente, quedando limitada en la prctica por componentes externos.Podemos ver en la curva cuatro valores importantes. Dos de ellos provocarn la destruccin del SCR si se superan:VRBeIMAX.VRB(Reverse Breakdown Voltage) es, al igual que en el diodo Shockley, la tensin a partir de la cual se produce el fenmeno de avalancha.IMAXes la corriente mxima que puede soportar el SCR sin sufrir dao. Los otros dos valores importantes son la tensin de cebadoVBO(Forward Breakover Voltage) y la corriente de mantenimientoIH, magnitudes anlogas a las explicadas para el diodo Shockley.2.2 METODOS DE CONMUTACIONPara que el dispositivo interrumpa la conduccin de la corriente que circula a travs del mismo, sta debe disminuir por debajo del valorIH(corriente de mantenimiento). Hay dos mtodos bsicos para provocar la apertura el dispositivo: interrupcin de corriente andica y conmutacin forzada. Ambos mtodos se presentan en las figuras Figura 6 y Figura 7.

Figura 6: Apertura del SCR mediante interrupcin de la corriente andicaEn la Figura 6 se observa cmo la corriente andica puede ser cortada mediante un interruptor bien en serie (figura izquierda), o bien en paralelo (figura derecha). El interruptor en serie simplemente reduce la corriente a cero y hace que el SCR deje de conducir. El interruptor en paralelo desva parte de la corriente del SCR, reducindola a un valor menor queIH.En el mtodo de conmutacin forzada, que aparece en la Figura 7, se introduce una corriente opuesta a la conduccin en el SCR. Esto se realiza cerrando un interruptor que conecta una batera en paralelo al circuito.

Figura 7: Desconexin del SCR mediante conmutacin forzada2.3 APLICACIONES DEL SCRUna aplicacin muy frecuente de los SCR es el control de potencia en alterna en reguladores (dimmer) de lmparas, calentadores elctricos y motores elctricos.En la Figura 8 se muestra un circuito de control de fase de media onda y resistencia variable. Entre los terminales A y B se aplican 120 V (AC). RLrepresenta la resistencia de la carga (por ejemplo un elemento calefactor o el filamento de una lmpara).R1es una resistencia limitadora de la corriente yR2es un potencimetro que ajusta el nivel de disparo para el SCR. Mediante el ajuste del mismo, el SCR se puede disparar en cualquier punto del ciclo positivo de la onda en alterna entre 0 y 180, como se aprecia en la Figura 8.

Figura 8: (a) Conduccin durante 180 (b) Conduccin durante 90Cuando el SCR se dispara cerca del principio del ciclo (aproximadamente a 0), como en la Figura 8 (a), conduce durante aproximadamente 180 y se transmite mxima potencia a la carga. Cuando se dispara cerca del pico positivo de la onda, como en la Figura 8 (b), el SCR conduce durante aproximadamente 90 y se transmite menos potencia a la carga. Mediante el ajuste deRX, el disparo puede retardarse, transmitiendo as una cantidad variable de potencia a la carga.Cuando la entrada en AC es negativa, el SCR se apaga y no conduce otra vez hasta el siguiente disparo durante el ciclo positivo. Es necesario repetir el disparo en cada ciclo como se ilustra en la Figura 9. El diodo se coloca para evitar que voltaje negativo en AC sea aplicado a lagatedel SCR.

Figura 9: Disparos cclicos para control de potencia3 GCS (GATE CONTROLLED SWITCH)Este dispositivo es similar al SCR, con la diferencia de que el GCS puede interrumpir el paso de corriente con una seal en el terminal degate.Igual que el SCR, no permitir el paso de corriente hasta que un pulso positivo se reciba en el terminal de puerta. La diferencia se encuentra en que el GCS puede pasar al estado de corte mediante un pulso negativo 10 20 veces mayor que el pulso positivo aplicado para entrar en conduccin.

Figura 10: Smbolo del GCSLos GCS estn diseados para cargas relativamente pequeas y pueden soportar slo unas pocas decenas de amperios.4 SCS (SILICON CONTROLLED SWITCH)Es similar en cuanto a construccin al SCR. La diferencia est en que posee dos terminales de puerta, uno para entrar en conduccin y otro para corte. El SCS se suele utilizar en rangos de potencia menores que el SCR.

Figura 11: Smbolo del SCSEl SCS tiene aplicaciones muy similares a las de SCR. Este ltimo tiene la ventaja de poder abrirse ms rpido mediante pulsos en cada uno de los terminales degate, pero el inconveniente que presenta respecto al SCR es que se encuentra ms limitado en cuanto a valores de tensin y corriente. Tambin se utiliza en aplicaciones digitales como contadores y circuitos temporizadores.5 EL DIACEs un tipo de tiristor que puede conducir en los dos sentidos. Es un dispositivo de dos terminales que funciona bsicamente como dos diodos Shockley que conducen en sentidos opuestos.

Figura 12: Construccin bsica y smbolo del diacLa curva de funcionamiento refleja claramente el comportamiento del diac, que funciona como un diodo Shockley tanto en polarizacin directa como en inversa.Cualquiera que sea la polarizacin del dispositivo, para que cese la conduccin hay que hacer disminuir la corriente por debajo de la corriente de mantenimientoIH. Las partes izquierda y derecha de la curva, a pesar de tener una forma anloga, no tienen por qu ser simtricas.

Figura 13: Caracterstica V-I del diac6 EL TRIACEste dispositivo es simular al diac pero con un nico terminal de puerta (gate). Se puede disparar mediante un pulso de corriente degatey no requiere alcanzar el voltajeVBOcomo el diac.

Figura 14: Construccin bsica y smbolo del TRIAC.

En la curva caracterstica se indica que para diferentes disparos, es decir, para distintas corrientes aplicadas engate, el valor deVBOes distinto. En la parte de polarizacin positiva, la curva de ms a la izquierda es la que presenta un valor deVBOms bajo, y es la que mayor corriente degateprecisa en el disparo. Para que este dispositivo deje de conducir, como en el resto de los casos, hay que hacer bajar la corriente por debajo del valorIH.

Figura 15: Caracterstica V-I del triacAl igual que el SCR, se emplean para controlar la potencia suministrada a una carga. El triac puede dispararse de tal modo que la potencia en alterna sea suministrada a la carga durante un tiempo determinado de cada ciclo. La diferencia con el SCR es que se puede disparar tanto en la parte positiva que en la negativa del ciclo, de tal manera que la corriente en la carga puede circular en los dos sentidos.

Figura 16 Control bsico de potencia con un Triac

MCT (Tiristores controlados por MOS)

Un tiristor controlado por MOS (MCT) combina las caractersticas de un tiristor regenerativo de cuatro capas y una estructura de compuerta MOS. El circuito equivalente se muestra en la figura siguiente (b) y el smbolo correspondiente en la (a). La estructura NPNP se puede representar por un transistor NPN Q1y con un transistor Q2. La estructura de compuerta MOS se puede representar por un MOSFET de canal p M1y un MOSFET de canal n M2.Debido a que se trata de una estructura NPNP, en vez de la estructura PNPN de un SCR normal, el nodo sirve como la terminal de referencia con respecto a la cual se aplican todas las seales de compuerta. Supongamos que el MCT est en estado de bloqueo directo y se aplica un voltaje negativo VGA. Un canal, p (o una capa de inversin) se forma en el material dopado n, haciendo que los huecos fluyan lateralmente del emisor p E2de Q2(fuente S1del MOSFET M1del canal p) a travs del canal p hacia la base p B1de Ql(que es drenaje D1del MOSFET M1, del canal p). Este flujo de huecos forma la corriente de base correspondiente al transistor npn Q1. A continuacin e1 emisor n+ E1de Q1, inyecta electrones, que son recogidos en la base n B2 (y en el colector n C1) que hace que el emisor p E2inyecte huecos en la base n B2, de tal forma que se active el transistor PNP Q2y engancha al MCT. En breve, un VGAde compuerta negativa activa al MOSFET M1canal p, proporcionando as la corriente de base del transistor Q2.

Supongamos que el MCT est en estado de conduccin, y se aplica un voltaje positivo VGA. Se forma entonces un canal n en el material contaminado p, haciendo que fluyan lateralmente electrones de la base n B2de Q2(fuente S2del MOSFET M2del canal n) a travs del canal n del emisor n+ fuertemente contaminado de Ql(drenaje D2del MOSFET M2del canal n+). Este flujo de electrones desva la corriente de base del transistor PNP Q2de tal forma que su unin base-emisor se desactiva, y ya no habr huecos disponibles para recoleccin por la base p B1de Q1(y el colector p C2de Q2). La eliminacin de esta corriente de huecos en la base p B1, hace que se desactive el transistor NPN Q1, y el MCT regresa a su estado de bloqueo. En breve, un pulso positivo de compuerta VGA, desva la corriente que excita la base de Ql, desactivando por lo tanto el MCT.

El MCT se puede operar como dispositivo controlado por compuerta, si su corriente es menor que la corriente controlable pico. Intentar desactivar el MCT a corrientes mayores que su corriente controlable pico de especificacin, puede provocar la destruccin del dispositivo. Para valores ms altos de corriente, el MCT debe ser conmutado como un SCR estndar. Los anchos de pulso de la compuerta no son crticos para dispositivos de corrientes pequeas. Para corrientes mayores, el ancho del pulso de desactivacin debe ser mayor. Adems, durante la desactivacin, la compuerta utiliza una corriente pico. En muchas aplicaciones, incluyendo inversores y pulsadores, se requiere, de un pulso continuo de compuerta sobre la totalidad del perodo de encendido/apagado a fin de evitar ambigedad en el estado.Un MCT tiene:1. Una baja cada de voltaje directo durante la conduccin;2. Un tiempo de activado rpido, tpicamente 0.4ms, y un tiempo de desactivado rpido, tpicamente 1.25ms, para un MCT de 300A, 500v;3. Bajas perdidas de conmutacin;4. Una baja capacidad de bloqueo voltaje inverso.5. Una alta impedancia de entrada de compuerta, lo que simplifica mucho los circuitos de excitacin. Es posible ponerlo efectivamente en paralelo, para interrumpir corrientes altas, con slo modestas reducciones en la especificacin de corriente del dispositivo. No se puede excitar fcilmente a partir de un transformador de pulso, si se requiere de una polarizacin continua a fin de evitar ambigedad de estado.