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Electrónica de Potencia Aplicada Unidad I 1.-Semiconductores de potencia. 1.1. Diodos de potencia. 1.1.1 Características y parámetros. 1.1.2 Rectificadores monofásicos y polifásicos. 1.1.3 Aplicaciones industriales. 1.1.4 Alimentación de motores de c.c. 1.2. Transistores de potencia. 1.2.1 Tipos de transistores Bipolar (BJT). 1.2.2 Metal Oxido de Silicio (MOS). 1.2.3 Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT). 1.2.4 Características y parámetros. 1.3. Aplicaciones en máquinas eléctricas. 1.4. Circuitos de control híbridos (Electrónicos- electromecánicos).

Electrónica de Potencia Aplicada

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Page 1: Electrónica de Potencia Aplicada

Electrónica de Potencia Aplicada

Unidad I

1.-Semiconductores de potencia.

1.1. Diodos de potencia.

1.1.1 Características y parámetros.

1.1.2 Rectificadores monofásicos y polifásicos.

1.1.3 Aplicaciones industriales.

1.1.4 Alimentación de motores de c.c.

1.2. Transistores de potencia.

1.2.1 Tipos de transistores Bipolar (BJT).

1.2.2 Metal Oxido de Silicio (MOS).

1.2.3 Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT).

1.2.4 Características y parámetros.

1.3. Aplicaciones en máquinas eléctricas.

1.4. Circuitos de control híbridos (Electrónicos-electromecánicos).

Page 2: Electrónica de Potencia Aplicada

¿Que es un semiconductor?

Page 3: Electrónica de Potencia Aplicada

Si

Si

Si

Si

Si

SiSi

SiSi

SiSi

SiSi

Si

Si Si

SiSiSi

SiSi SiSi

SiSi

Sb

+

Semiconductor Intrínseco – Extrínseco.

Semiconductor extrínseco : TIPO N

Semiconductor extrínseco : TIPO P

Los portadores mayoritarios de carga en un semiconductor tipo N son

Electrones libres

Sb: antimonio

Impurezas del grupo V de

la tabla periódica

Es necesaria muy poca

energía para ionizar el

átomo de Sb

Si

SiSi

SiSi

SiSi

Si

Si

Si Si

SiSiSi

SiSi SiSi

SiSi

Al-+

Al: aluminio

Impurezas del grupo III de

la tabla periódica

Es necesaria muy poca

energía para ionizar el

átomo de Al

A temperatura ambiente

todos los átomos de

impurezas se encuentran

ionizados

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

AlAl

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

Al

300ºK

-

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--

-

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--

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-

-

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--

-

--

-

-

--

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--

-

--

-

-

--

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-

-

-

-

-

-

-

Huecos libresHuecos libres Átomos de impurezas ionizadosÁtomos de impurezas ionizados

Los portadores mayoritarios de carga en un

semiconductor tipo P son

Huecos. Actúan como portadores de carga

positiva.

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

SbSb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Sb

Impurezas grupo VImpurezas grupo V

300ºK

+

+

++

+

+

++

+

+

+

+

+

+

+

++

+

++

+

+

++

+

+

+

+

+

+

+

++

+

++

+

+

++

+

+

+

+

+

+

+

+

Electrones libresElectrones libres Átomos de impurezas ionizadosÁtomos de impurezas ionizados

I.E.S

.MIG

UE

L H

ER

ND

EZ

– D

EP

AR

TAM

EN

TO

FA

MIL

IA P

RO

FE

SIO

NA

L D

E E

LEC

TR

ICID

AD

Page 4: Electrónica de Potencia Aplicada

Semiconductores. La unión PN: el DIODO.

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- +

+

+ + +

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+ + +

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N

-

-

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-

-

-

-

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-

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Semiconductor tipo P Semiconductor tipo N

-

-

-

- +

+

+ +

+

++--

Zona de transiciónZona de transición

Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de carga

espacial denominada ‘zona de transición’, que actúa como una barrera para el

paso de los portadores mayoritarios de cada zona. I.E.S

.MIG

UE

L H

ER

ND

EZ

– D

EP

AR

TAM

EN

TO

FA

MIL

IA P

RO

FE

SIO

NA

L D

E E

LEC

TR

ICID

AD

Page 5: Electrónica de Potencia Aplicada

Semiconductores. La unión PN: el DIODO.

-

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-

+

+

++

+

+

+

-

-

-

- +

+

+ +

++

-

-

-

-

+

+

+

+

+P N

La unión P-N polarizada inversamente

La zona de transición

se hace más grande.

Con polarización

inversa no hay

circulación de

corriente.

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

++

+

+

+

-

-

-

- +

+

+ +-

-

-

-

+

+

+

+

+P

++

La unión P-N polarizada en directa

N La zona de transición se

hace más pequeña.

La corriente comienza a

circular a partir de un

cierto umbral de tensión

directa. I P NP NP N

DIODO SEMICONDUCTOR

Conclusiones:

Aplicando tensión inversa no hay conducción de corriente.

Al aplicar tensión directa en la unión es posible la circulación de

corriente eléctrica

I.E.S

.MIG

UE

L H

ER

ND

EZ

– D

EP

AR

TAM

EN

TO

FA

MIL

IA P

RO

FE

SIO

NA

L D

E E

LEC

TR

ICID

AD

Page 6: Electrónica de Potencia Aplicada

Semiconductor

Page 7: Electrónica de Potencia Aplicada

Diodos de potencia

Características estáticas Parámetros en bloqueo. Parámetros en conducción. Modelos estáticos de diodo. Características dinámicas Tiempo de recuperación inverso. Influencia del trr en la conmutación. Tiempo de recuperación directo. Disipación de potencia Potencia máxima disipable (Pmáx). Potencia media disipada (PAV). Potencia inversa de pico repetitiva (PRRM). Potencia inversa de pico no repeptitiva (PRSM). Características térmicas Temperatura de la unión (Tjmáx). Temperatura de almacenamiento (Tstg). Resistencia térmica unión-contenedor (Rjc). Resistencia térmica contenedor-disipador (Rcd).

Page 8: Electrónica de Potencia Aplicada

Diodos de potencia

Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, las siguientes limitaciones : son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conducción. El único procedimiento de control es invertir el voltaje entre ánodo y cátodo.

Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas.

Page 9: Electrónica de Potencia Aplicada

Características Estáticas

Parámetros en bloqueo •Tensión inversa de pico de trabajo (VRWM): es la que puede ser soportada por el dispositivo de forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha. •Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM): es la que puede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10 ms de forma continuada. •Tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM): es aquella que puede ser soportada una sola vez durante 10ms cada 10 minutos o más. •Tensión de ruptura (VBR): si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 ms el diodo puede destruirse o degradar las características del mismo. •Tensión inversa contínua (VR): es la tensión continua que soporta el diodo en estado de bloqueo.

Page 10: Electrónica de Potencia Aplicada

Características Estáticas

Parámetros en conducción •Intensidad media nominal (IF(AV)): es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos sinusuidales de 180º que el diodo puede soportar. •Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es aquella que puede ser soportada cada 20 ms , con una duración de pico a 1 ms, a una determinada temperatura de la cápsula (normalmente 25º). •Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): es el máximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duración de 10 ms. •Intensidad directa (IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en el estado de conducción.

Page 11: Electrónica de Potencia Aplicada

Modelos del diodo

Los distintos modelos del diodo en su región directa (modelos estáticos) se representan en la figura superior. Estos modelos facilitan los cálculos a realizar, para lo cual debemos escoger el modelo adecuado según el nivel de precisión que necesitemos. Estos modelos se suelen emplear para cálculos a mano, reservando modelos más complejos para programas de simulación como PSPICE. Dichos modelos suelen ser proporcionados por el fabricante, e incluso pueden venir ya en las librerías del programa.

Page 12: Electrónica de Potencia Aplicada

Características Dinámicas Tiempo de recuperación Inverso •El paso del estado de conducción al de bloqueo en el diodo no se efectúa instantáneamente. Si un diodo se encuentra conduciendo una intensidad IF, la zona central de la unión P-N está saturada de portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de éstos cuanto mayor sea IF. Si mediante la aplicación de una tensión inversa forzamos la anulación de la corriente con cierta velocidad di/dt, resultará que después del paso por cero de la corriente existe cierta cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario durante un instante.

La tensión inversa entre ánodo y cátodo no se establece hasta después del tiempo ta llamado tiempo de almacenamiento, en el que los portadores empiezan a escasear y aparece en la unión la zona de carga espacial. La intensidad todavía tarda un tiempo tb (llamado tiempo de caída) en pasar de un valor de pico negativo (IRRM) a un valor despreciable mientras van desapareciendo el exceso de portadores.

Page 13: Electrónica de Potencia Aplicada

Características Dinámicas Tiempo de recuperación Inverso • ta (tiempo de almacenamiento): es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la intensidad hasta llegar al pico negativo. • tb (tiempo de caída): es el tiempo transcurrido desde el pico negativo de intensidad hasta que ésta se anula, y es debido a la descarga de la capacidad de la unión polarizada en inverso. En la práctica se suele medir desde el valor de pico negativo de la intensidad hasta el 10 % de éste. • trr (tiempo de recuperación inversa): es la suma de ta y tb.

Page 14: Electrónica de Potencia Aplicada

Características Dinámicas

Tiempo de recuperación Inverso • Qrr: se define como la carga eléctrica desplazada, y representa el área negativa de la característica de recuperación inversa del diodo. • di/dt: es el pico negativo de la intensidad. • Irr: es el pico negativo de la intensidad.

Page 15: Electrónica de Potencia Aplicada

Características Dinámicas

La relación entre tb/ta es conocida como factor de suavizado "SF". Si observamos la gráfica podemos considerar Qrr por el área de un triángulo :

Page 16: Electrónica de Potencia Aplicada

Características Térmicas Temperatura de la unión (Tjmáx) Es el límite superior de temperatura que nunca debemos hacer sobrepasar a la unión del dispositivo si queremos evitar su inmediata destrucción. En ocasiones, en lugar de la temperatura de la unión se nos da la "operating temperature range" (margen de temperatura de funcionamiento), que significa que el dispositivo se ha fabricado para funcionar en un intervalo de temperaturas comprendidas entre dos valores, uno mínimo y otro máximo. Temperatura de almacenamiento (Tstg) Es la temperatura a la que se encuentra el dispositivo cuando no se le aplica ninguna potencia. El fabricante suele dar un margen de valores para esta temperatura.

Page 17: Electrónica de Potencia Aplicada

Características Térmicas Resistencia térmica unión-contenedor (Rjc) Es la resistencia entre la unión del semiconductor y el encapsulado del dispositivo. En caso de no dar este dato el fabricante se puede calcular mediante la fórmula: Rjc = (Tjmáx - Tc) / Pmáx siendo Tc la temperatura del contenedor y Pmáx la potencia máxima disipable. Resistencia térmica contenedor-disipador (Rcd) Es la resistencia existente entre el contenedor del dispositivo y el disipador (aleta refrigeradora). Se supone que la propagación se efectúa directamente sin pasar por otro medio (como mica aislante, etc).

Page 18: Electrónica de Potencia Aplicada

DIO

DO

S D

E P

OT

EN

CIA

Características fundamentales

• Tensión de ruptura

• Caída de tensión en conducción

• Corriente máxima

• Velocidad de conmutación

Tensión de ruptura

Baja tensión Media tensión Alta tensión

15 V

30 V

45 V

55 V

60 V

80 V

100 V

150 V

200 V

400 V

500 V

600 V

800 V

1000 V

1200 V

Page 19: Electrónica de Potencia Aplicada

DIO

DO

S D

E P

OT

EN

CIA

Tensión de codo

0

i

V

V

pendiente = 1/rd

Curva

característica real

A mayor tensión de ruptura , mayor caída de tensión en conducción

Señal Potencia Alta tensión

VRuptura

VCodo

< 100 V

0,7 V

200 – 1000 V

< 2 V

10 – 20 kV

> 8 V

Page 20: Electrónica de Potencia Aplicada

DIO

DO

S D

E P

OT

EN

CIA

Datos del diodo en corte

Tensión inversa VRRM Repetitive Peak Voltage

La tensión máxima es crítica

Pequeñas sobretensiones pueden romper el dispositivo

Page 21: Electrónica de Potencia Aplicada

DIO

DO

S D

E P

OT

EN

CIA

Datos del diodo en conducción

Corriente directa IF Forward Current

La corriente máxima se indica suponiendo que el dispositivo está

atornillado a un radiador

Corriente directa de pico repetitivo IFRM Repetitive Peak Forward Current

Page 22: Electrónica de Potencia Aplicada

Comportamiento dinámicamente ideal

Transición de “a” a “b” a b

V1

V2

R i

V +

- i

V

t

t

V1/R

-V2 DIO

DO

S D

E P

OT

EN

CIA

Características dinámicas

Indican capacidad de conmutación del diodo

Page 23: Electrónica de Potencia Aplicada

a b

V1

V2

R i

V +

-

Transición de “a” a “b”

i

V

t

t

trr

V1/R

-V2/R

ts tf (i= -0,1·V2/R)

-V2

ts = tiempo de almacenamiento

(storage time )

tf = tiempo de caída (fall time )

trr = tiempo de recuperación

inversa (reverse recovery time )

DIO

DO

S D

E P

OT

EN

CIA

Características dinámicas

Page 24: Electrónica de Potencia Aplicada

a b

V1

V2

R i

V +

- i

td = tiempo de retraso (delay time )

tr = tiempo de subida (rise time )

tfr = td + tr = tiempo de recuperación directa

(forward recovery time )

tr

0,9·V1/R

td

0,1·V1/R

tfr

Transición de “b” a “a” (encendido)

El proceso de encendido es más rápido que el apagado.

DIO

DO

S D

E P

OT

EN

CIA

Características dinámicas

Page 25: Electrónica de Potencia Aplicada

DIO

DO

S D

E P

OT

EN

CIA

Características dinámicas

Page 26: Electrónica de Potencia Aplicada

DIO

DO

S D

E P

OT

EN

CIA

Características Principales

Corriente directa Tensión inversa

Tiempo de recuperación

Caída de tensión

en conducción

Encapsulado

Page 27: Electrónica de Potencia Aplicada

Tiempo de recuperación en inversa D

IOD

OS

DE

PO

TE

NC

IA

Un diodo de potencia tiene que poder conmutar rápidamente del

estado de corte al estado de conducción.

El tiempo que tarda en conmutar se llama :

TIEMPO DE RECUPERACIÓN EN INVERSA

Los diodos se pueden clasificar en función de su tiempo de

recuperación:

Page 28: Electrónica de Potencia Aplicada

DIO

DO

S D

E P

OT

EN

CIA

Tipos de diodos

Se clasifican en función de la rapidez (trr)

• Standard

• Fast

• Ultra Fast

• Schottky

VRRM trr IF

100 V - 600 V

100 V - 1000 V

200 V - 800 V

15 V - 150 V

> 1 s

100 ns – 500 ns

20 ns – 100 ns

< 2 ns 1 A – 150 A

1 A – 50 A

1 A – 50 A

1 A – 50 A

Las características se pueden encontrar en Internet (pdf)

Direcciones web

www.irf.com

www.onsemi.com

www.st.com

www.infineon.com

Page 29: Electrónica de Potencia Aplicada

Aplicaciones: D

IOD

OS

DE

PO

TE

NC

IA

DIODOS DE GAMA MEDIA:

•Fuentes de alimentación

•Soldadores

DIODOS RÁPIDOS

•Aplicaciones en que la velocidad de conmutación es crítica

•Convertidores CD – CA

DIODOS SCHOTTKY

•Fuentes de alimentación de bajo voltaje y alta corriente

•Fuentes de alimentación de baja corriente eficientes

Page 30: Electrónica de Potencia Aplicada

Calculo de parámetros en los diodos

La relación entre tb/ta es conocida como factor de suavizado "SF". Si observamos la gráfica podemos considerar Qrr por el área de un triángulo :

También

Page 31: Electrónica de Potencia Aplicada

DIO

DO

S D

E P

OT

EN

CIA

Se puede apreciar que en a ecuación 2.10 y 2.11 que el tiempo de recuperación inversa trr y la corriente pico de recuperación inversa IRR dependen de la carga de almacenamiento QRR y de la di/dt inversa (o reaplicada). La carga de almacenamiento depende de la corriente de diodo en sentido directo IF. La corriente de pico de recuperaciòn inversa IRR, la carga en sentido inverso QRR y el FS (factor de suavidad) tienen interes para el diseñador del circuito

Page 32: Electrónica de Potencia Aplicada

Calculo de corriente de recuperación inversa

• Ejemplo: El tiempo de recuperación inversa de un diodo es Trr=3 s y la velocidad de caída de la corriente por el diodo es de di/dt =30 A/s.

• Determinar:

• a) La carga QRR de almacenamiento

• b).- La corriente pico en sentido inverso IRR.

• c).- Realiza nuevamente los cálculos si Trr=1.5s

Page 33: Electrónica de Potencia Aplicada

Diodos conectados en serie

• En ocasiones se tienen dos diodos con voltajes inversos diferentes con los cuales se necesitan conectar en serie debido a que uno solo no ofrece la capacidad de voltaje inverso al cual será conectado.

Page 34: Electrónica de Potencia Aplicada

Diodos conectados en serie

• Para igualar las características de los diodos se debe de realizar la siguiente configuración, la cual nos permitirá acoplar sus características

De la cual se cumple la siguiente ecuación

Page 35: Electrónica de Potencia Aplicada

Ejemplo Se conectan dos diodos en serie, como se ve en la figura, para compartir un voltaje total de cd en sentido inverso de 5KV. La corriente de fuga inversa de los diodos son 𝐼𝑠1 = 30𝑚𝐴 e 𝐼𝑠2 = 35𝑚𝐴. Determinar: a).- Los voltajes de diodo, si las resistencias de voltaje compartido son iguales a 𝑅1 = 𝑅2 = 100 𝐾Ω.

b).- Determinar las resistencias de voltaje compartido 𝑅1𝑦 𝑅2 para que los voltajes en los diodos sean iguales 𝑉𝐷1 = 𝑉𝐷2 =

𝑉𝐷

2.

c).- Usar Pspice para comprobar los resultados de la parte a). Los parámetros del modelo Pspice de los diodos son BV = 3kV a IS = 30mA para el diodo 𝐷1, e IS=35 mA para el diodo 𝐷2.