of 44/44
CAPíTULO 18 Protección de dispositivos y circuitos Los objetivos de aprendizaje para este capítulo son los siguientes: Comprender la analogía eléctrica de los modelos térmicos, y los métodos para enfriar dispositivos de potencia Aprender los métodos para proteger los dispositivos contra tasas de dildt y dv/dt excesivas, y contra voltajes transitorios debidos a desconexión de carga y suministro Aprender cómo se seleccionan fusibles de acción rápida para proteger los dispositivos de potencia Aprender sobre las fuentes de interferencia electromagnética (EMI) y los métodos para minimizar sus efectos sobre los circuitos que las reciben 18.1 INTRODUCCiÓN Debido al proceso de recuperación en sentido inverso de los dispositivos de potencia, y las accio- nes de conmutación en presencia de inductancias de circuito, pueden presentarse voltajes transi- torios en los circuitos convertidores. Aun en los circuitos diseñados con cuidado, pueden existir condiciones de falla por cortocircuito, dando como resultado un flujo excesivo de corriente por los dispositivos. El calor producido por las pérdidas en un semi conductor se debe disipar de mo- do suficiente y eficaz para que las condiciones del circuito no se salgan de las especificaciones de los dispositivos de potencia, proporcionando protección contra sobrevoltaje, sobrecorriente y sobre calentamiento. En la práctica, los dispositivos de potencia se protegen contra 1) avalancha térmico, con disipadores de calor, 2) altas tasas dv/dt y dildt, con amortiguadores, 3) estados tran- sitorios por recuperación inversa, 4) estados transitorios en el lado de la alimentación y de la car- ga, y 5) condiciones de falla, con fusibles. 18.2 ENFRIAMIENTO Y DISIPADORES DE CALOR Debido a las pérdidas en estado activo y por conmutación, dentro del dispositivo de potencia se genera calor. Este calor se debe transferir del dispositivo a un medio de enfriamiento, para man- tener la temperatura de operación en la unión dentro del intervalo especificado. Aunque esta 791

Electronica de Potencia Rashid 3Ed cap 18

  • View
    63

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Electronica de Potencia Rashid 3Ed

Text of Electronica de Potencia Rashid 3Ed cap 18

  • CAPTULO 1 8

    Proteccin de dispositivosy circuitos

    Los objetivos de aprendizaje para este captulo son los siguientes:

    Comprender la analoga elctrica de los modelos trmicos, y los mtodos para enfriar dispositivosde potencia

    Aprender los mtodos para proteger los dispositivos contra tasas de dildt y dv/dt excesivas, y contravoltajes transitorios debidos a desconexin de carga y suministro

    Aprender cmo se seleccionan fusibles de accin rpida para proteger los dispositivos de potencia Aprender sobre las fuentes de interferencia electromagntica (EMI) y los mtodos para minimizar

    sus efectos sobre los circuitos que las reciben

    18.1 INTRODUCCiN

    Debido al proceso de recuperacin en sentido inverso de los dispositivos de potencia, y las accio-nes de conmutacin en presencia de inductancias de circuito, pueden presentarse voltajes transi-torios en los circuitos convertidores. Aun en los circuitos diseados con cuidado, pueden existircondiciones de falla por cortocircuito, dando como resultado un flujo excesivo de corriente porlos dispositivos. El calor producido por las prdidas en un semi conductor se debe disipar de mo-do suficiente y eficaz para que las condiciones del circuito no se salgan de las especificaciones delos dispositivos de potencia, proporcionando proteccin contra sobrevoltaje, sobrecorriente ysobre calentamiento. En la prctica, los dispositivos de potencia se protegen contra 1) avalanchatrmico, con disipadores de calor, 2) altas tasas dv/dt y dildt, con amortiguadores, 3) estados tran-sitorios por recuperacin inversa, 4) estados transitorios en el lado de la alimentacin y de la car-ga, y 5) condiciones de falla, con fusibles.

    18.2 ENFRIAMIENTO Y DISIPADORES DE CALOR

    Debido a las prdidas en estado activo y por conmutacin, dentro del dispositivo de potencia segenera calor. Este calor se debe transferir del dispositivo a un medio de enfriamiento, para man-tener la temperatura de operacin en la unin dentro del intervalo especificado. Aunque esta

    791

  • 792 Captulo 18 Proteccin de dispositivos y circuitos

    FIGURA 18.1

    Analoga elctrica de la transferencia de calor.

    transferencia de calor se puede efectuar por conduccin, conveccin o radiacin, lo que ms seusa en aplicaciones industriales es la conveccin natural (enfriamiento natural) o forzada (en-friamiento forzado) con aire.

    El calor debe pasar del dispositivo a su encapsulado y despus al disipador o radiador decalor en el medio de enfriamiento. Si PA es la prdida promedio de potencia en el dispositivo, laanaloga elctrica del mismo, cuando est montado en un disipador de calor, se ve en la figura18.1. La temperatura de unin de un dispositivo es T,y se determina con

    (18.1)

    donde R,c = resistencia trmica de unin a caja, CfWRcs = resistencia trmica del encapsulado al disipador, C/WRSA = resistencia trmica de disipador a ambiente, CfWTA = temperatura ambiente, C

    En el caso normal, las resistencias R,c YRcs las especifican los fabricantes del dispositivode potencia. Una vez conocida la prdida de potencia PA, se puede calcular la resistencia trmi-ca requerida del disipador de calor, para determinada temperatura ambiente TA- El siguiente pa-so es elegir un disipador, y su tamao, que cumplan con el requisito de resistencia trmica.

    Hay disponible una amplia variedad de disipadores de calor de aluminio extruido en el co-mercio, y usan aletas de enfriamiento para aumentar la capacidad de transferencia de calor. Lascaractersticas de resistencia trmica de un disipador de calor tpico, con enfriamiento por con-veccin natural y forzada se ven en la figura 18.2, donde se muestra la disipacin de potencia enfuncin del aumento de temperatura del disipador, para enfriamiento natural. En el enfriamien-to forzado, la resistencia trmica disminuye al aumentar la velocidad del aire. Sin embargo, msall de cierta velocidad, la reduccin de resistencia trmica no es importante. En la figura 18.3 seven disipadores de calor de diversos tipos.

    Tiene importancia extrema el rea de contacto entre el dispositivo y el radiador de calor,para minimizar la resistencia trmica entre el encapsulado y el disipador. Las superficies debenser planas, lisas y sin polvo, corrosin ni xidos superficiales. En el caso normal, se aplican grasasde silicona para mejorar la capacidad de transferencia trmica y para minimizar la formacin dexidos y corrosiones.

    El dispositivo se debe montar en forma correcta sobre el disipador de calor, para obtenerla presin correcta de montaje entre las superficies correspondientes. Los fabricantes del dispositi-vo suelen recomendar los procedimientos adecuados de instalacin. En el caso de dispositivos

  • 18.2 Enfriamiento y disipadores de calor 793

    Velocidad del aire (pies/min)

    ~ 1000~~ 90Q).s8 80'"

    100 200 300 400 500 600 700 800 900 10001.0~

    0.9~O)

    0.8 ~:o

    0.7 ~co

    0.6 o"O

    '"0.5.~:o0.4 :g

    '"u0.3 '..'B

    0.2 '"Te

    0.1 ~.;;Q)O ::;:

    500

    70

    //431/ /-71 I4331/ J- ~,rY..../ V "

  • 794 Captulo 18 Proteccin de dispositivos y circuitos

    FIGURA 18.4

    Fuentede calor

    (dispositivo)

    Tubos de calor. Aletas de enfriamiento

    evapora al lquido y entonces el vapor va bacia el lado de condensacin, donde se condensa, y ellquido regresa aliado de la fuente de calor. El dispositivo de potencia puede estar a alguna dis-tancia del disipador de calor.

    En aplicaciones con altas potencias, los dispositivos se enfran mejor con lquidos, que en elcaso normal son aceite o agua. El enfriamiento con agua es muy eficiente, unas tres veces mseficiente que el enfriamiento con aceite. Sin embargo, es necesario usar agua destilada para mi-nimizar la corrosin, y agregarle anticongelante. El aceite es inflamable. El enfriamiento poraceite, que puede estar restringido a algunas aplicaciones, proporciona un buen aislamiento y eli-mina los problemas de corrosin y congelamiento. Los tubos trmicos y los disipadores de calorenfriados con lquido se consiguen en el comercio. En la figura 18.5 se ven dos interruptores deea enfriados por agua. Los convertidores de potencia se consiguen en unidades para ensamblar,como los de la figura 18.6.

    La impedancia trmica de un dispositivo de potencia es muy pequea, y el resultado es quela temperatura de unin del dispositivo vara en funcin de la prdida instantnea de potencia.La temperatura instantnea de la unin siempre debe mantenerse ms baja que el valor acepta-ble. Los fabricantes de dispositivo proporcionan una grfica de la impedancia trmica de estadotransitorio en funcin de la duracin de un pulso cuadrado, como parte de sus bojas de datos. Apartir del conocimiento de la onda de corriente por un dispositivo, se puede determinar una gr-fica de prdida de potencia en funcin del tiempo, y a continuacin las caractersticas de impe-dancia transitoria se pueden usar para calcular las variaciones de temperatura en funcin deltiempo. Si el medio de enfriamiento falla en los sistemas prcticos, en el caso normal el aumentode temperatura de los disipadores de calor sirve para desconectar los convertidores de potencia,en especial en aplicaciones con grandes potencias.

    Se puede aplicar la respuesta escaln de un sistema de primer orden, para expresar la impe-dancia trmica transitoria. Si Zo es la impedancia trmica del encapsulado a la unin en estado

    FIGURA 18.5

    Interruptores de ea enfriador poragua. (Cortesa de Powerex, Inc.)

  • 18.2 Enfriamiento y disipadores de calor 795

    FIGURA 18.6

    Unidades de ensamble. (Cortesa de Powerex, Inc.)

    permanente, la impedancia trmica instantnea se puede expresar entonces como sigue:

    (18.2)

    donde Tth es la constante de tiempo trmico del dispositivo. Si la prdida de potencia es Pd, elaumento instantneo de temperatura en la unin, respecto al encapsulado, es

    T, = PdZ(t) (18.3)

    Si la prdida de potencia es de tipo pulsado, como la de la figura 18.7, se puede aplicar laecuacin (18.3) para graficar las respuestas escaln de la temperatura T,(t) de la unin. Si t; esla duracin del n-simo pulso de potencia, las impedancias trmicas correspondientes al principioy al final del n-simo pulso son Zo = Z(t = O) = y Z; = Z(t = tn), respectivamente. La impedanciatrmica Z; = Z(t = tn) correspondiente a la duracin de tn se puede determinar a partir de las ca-ractersticas de impedancia trmica transitoria. Si P1, P2, P3, ... , son los pulsos de potencia con P2 =P4 = ... = 0, la temperatura de la unin al final del m-simo pulso se puede expresar como sigue:

    (18.4)m= T,o + L Pn(Zn - Zn+l)

    n=1,3, ...

    donde T,o es la temperatura inicial de la unin. Los signos negativos de Z2, Z4, ... , indican que latemperatura de la unin baja durante los intervalos t2, t4, t6, ...

    P(t)~ ----------------- ~

    P3PIO~--~--~--~L---~--~L---~--~L-~

    tII I I I

    ~

    II:I

    I I I II I I

    I I II I I II I I II I I I

    FIGURA 18.7

    Temperatura de unin con pulsosrectangulares.

  • 796 Captulo 18 Proteccin de dispositivos y circuitos

    FIGURA 18.8

    Aproximacin a un pulso de potencia Tjomedian te pulsos recta ngulares. O '----'---'---'--~-----'---'----'---'--"---'-- .

    O

    El concepto de respuesta escaln de la temperatura de unin se puede extender a otrasformas de onda de potencia [13]. Cualquier forma de onda se puede representar, en forma apro-ximada, por pulsos rectangulares de duracin igualo desigual, siendo la amplitud de cada pulsoigual a la amplitud promedio del pulso real durante el mismo periodo. Se puede mejorar la exacti-tud de esas aproximaciones, aumentando la cantidad de pulsos y reduciendo la duracin de cadauno. Esto se ve en la figura 18.8.

    La temperatura de la unin al final del m-simo pulso se puede determinar con

    m= TIo + L Zn(Pn - Pn-1)

    n=1,2 ...

    (18.5)

    donde Z; es la impedancia al final del n-simo pulso de duracin tn = St. Pn es la prdida de po-tencia para el n-simo pulso, y Po =O;t es el intervalo de tiempo.

    Ejemplo 18.1 Grfica de la temperatura de unin instantnea

    La prdida de potencia de un dispositivo se ve en la figura 18.9. Graficar el aumento instantneo de la tem-peratura respecto al encapsulado. P2 = P4 = P6 = O,PI = 800 W, P3 = 1200 W y Ps = 600 W. Para tI = t3 =ts = 1 ms, la hoja de datos indica

    Z(t = tI) = ZI = Z3 = Zs = 0.035 CfW

    P(W)

    1200

    800600

    --------

    f-----I I

    1 0.5 1 0.5 I 1 10.5 I t(ms)FIGURA 18.9

    Prdida de potencia en dispositivo. O

  • 18.3 Modelado trmico de los dispositivos conmutadores de potencia 797

    ~Tj(t)

    50 -------

    20 IIIIII

    O L- __ --'-_-'-- ~---' ~_..!..I __ ~ t(ms) Aumento de temperatura de unin para el1 1.5 2.5 3.0 4 4.5 ejemplo 18.1.

    50

    2640

    30

    10 FIGURA 18.10

    SolucinSe puede aplicar en forma directa la ecuacin (18.4) para calcular el aumento de temperatura en la unin.

    tl.T(t = 1 ms) = T(t = 1 ms) - To = ZlP = 0.035 X 800 = 28Ctl.T(t = 1.5 ms) = 28 - ZZPl = 28 - 0.025 X 800 = 8Ctl.T(t = 2.5 ms) = 8 + Z3P3 = 8 + 0.035 X 1200 = 50Ctl.T(t = 3 ms) = 50 - Z4P3 = 50 - 0.025 X 1200 = 20Ctl.T(t = 4 ms) = 20 + ZsPs = 20 + 0.035 X 600 = 41Ctl.T(t = 4.5 ms) = 41 - Z6PS = 41 - 0.025 X 600 = 26C

    El aumento de temperatura de la unin, respecto al encapsulado, se ve en la figura 18.10.

    Puntos clave de la seccin 18.2

    Se deben proteger los dispositivos de potencia contra el calor excesivo que se genere debi-do a la potencia disipada, mediante disipadores de calor.

    La temperatura instantnea de la unin no debe ser mayor que la temperatura mxima es-pecificada por el fabricante.

    8.3 MODELADO TRMICO DE LOS DISPOSITIVOS CONMUTADORES DE POTENCIA

    La potencia generada dentro de un dispositivo aumenta la temperatura del mismo, lo cual, a suvez, afecta en forma importante sus caractersticas. Por ejemplo, la movilidad (valores tanto en elinterior como en la superficie), el voltaje de umbral, la resistencia de drenaje y diversas capaci-tancias debidas al xido en un transistor metal xido semi conductor (MOS), todos dependen dela temperatura. La dependencia de la movilidad en el interior respecto a la temperatura causaun aumento en la resistencia al aumentar la temperatura, y con ella afecta a la disipacin de po-tencia. Esos parmetros de dispositivo pueden afectar la exactitud del modelo de transistor. En

  • 798 Captulo 18 Proteccin de dispositivos y circuitos

    TABLA18.1 Equivalencias entre las variables elctricas y trmicas

    Trmicas Elctricas

    Temperatura, T,en KFlujo de calor, P, en wattsResistencia trmica, R,h, en K!WCapacitancia trmica, C'h' en Ws/K

    Voltaje, V, en voltsCorriente, I, en amperesResistencia, R, en V/A (O)Capacitancia, C, en A.sN

    consecuencia, el calentamiento instantneo del dispositivo se debe incorporar, acoplar, en formadirecta con su modelo trmico y con su disipador trmico. Esto es, la disipacin instantnea depotencia en el transistor est determinada en todo momento, y se debe alimentar una corrienteproporcional a la potencia disipada a la red trmica equivalente [13]. La tabla 18.1 muestra laequivalencia entre las variables elctricas y trmicas.

    18.3.1 Equivalente elctrico del modelo trmico

    La trayectoria del calor del semiconductor al disipador de calor se puede modelar con un anlo-go de la lnea de transmisin elctrica que se ve en la figura 18.11. Se necesitan la resistencia y lacapacitancia trmica por unidad de longitud para caracterizar con exactitud las propiedades tr-micas. La fuente de alimentacin elctrica P(t) representa la disipacin de potencia (flujo de ca-lor) interna del semiconductor, en el equivalente trmico.

    Rth YCth son los parmetros equivalentes concentrados de los elementos en el interior deun dispositivo. Se pueden deducir en forma directa de la estructura del elemento, cuando pre-senta bsicamente flujo unidimensional (o unidireccional) de calor. La figura 18.12 muestra loselementos del equivalente trmico de un transistor tpico en un encapsulado con perno para di-sipador (por ejemplo, TO-220 o D-Pak). Los elementos equivalentes trmicos se pueden deter-minar en forma directa a partir de la estructura fsica. La estructura se segmenta en volmenesparciales (normalmente por un factor de 2 a 8) con constantes trmicas de tiempo (Rth,v eth,)progresivamente mayores en direccin de la propagacin de calor.

    Si el rea inductora de calor es menor que la seccin transversal del material conductor,sepresenta un efecto de "reparticin de calor" como se ve en la figura 18.12. Se puede tener encuenta ese efecto aumentando la seccin transversal conductora de calor A [1]. La capacitancia

    Rth.n----------~--~-,

    11T

    ,+~--------~------~----------~--------------------~------~

    P(t)

    FIGURA 18.11

    Circuito equivalente a una lnea de transmisin elctrica, para modelar la conduccin de calor.

  • 18.3 Modelado trmico de los dispositivos conmutadores de potencia 799

    .----+-------cthS-t---------\---..,

    //// Cth6/

    ./ Marco de plomo

    ._._._._._._._._.-\-.~.Rth5 \

    \\\

    Rtb6 \.

    FIGURA 18.12

    l.dT

    d IR = A,nA-C(I = c-p-d=A I

    --

    Elementos del equivalente trmico para modelar la conduccin de calor. [Ref. 1,M. Marz.]

    trmica ell depende del calor especfico e y de la densidad de masa p. Para que el calor se propa-gue en medios homogneos se supone que el ngulo de propagacin es de unos 40, y que las ca-pas siguientes no obstruyen la propagacin de calor por baja conductividad trmica. El tamaode cada elemento de volumen se debe determinar con exactitud, porque su capacitancia trmicatiene una influencia decisiva sobre la impedancia trmica del sistema, cuando suceden pulsos dedisipacin de potencia de muy corta duracin. La tabla 18.2 muestra los datos trmicos de mate-riales comunes.

    Tambin se puede usar el mtodo de anlisis por elementos finitos (FEA, de finite elementanalysis) para calcular el flujo de calor. En este mtodo se divide toda la estructura, que a vecescubre varias decenas o centenas de miles de elementos finitos, en subestructuras adecuadas paradeterminar elementos concentrados equivalentes. A menos que este proceso se resuelva conherramientas normales de programacin de FEA, esta solucin es demasiado compleja en lamayor parte de las aplicaciones.

    TABLA 18.2 Datos trmicos para materiales comunes [Ref.1]

    >"(11 [W/(mK)] e [J/(gK)]

    SilicioSoldadura (Sn-Pb)CuAlAl203FR4Pasta conductora de calorHoja aislante

    2.4

    97.6 a 8.9

    2.73.8

    14060

    310 a 390170 a 230

    240.3

    0.4 a 2.60.9 a 2.7

    0.70.2

    0.385 a 0.420.9 a 0.95

    0.8

  • (18.6)

    800 Captulo 18 Proteccin de dispositivos y circuitos

    18.3.2 Circuito equivalente trmico matemtico

    El circuito equivalente de la figura 18.11 se llama con frecuencia circuito equivalente natural ofsico de la conduccin de calor, y describe en forma correcta la distribucin interna de la tempe-ratura. Permite tener una correlacin clara de los elementos equivalentes a los elementos estruc-turales reales. Si no se necesita la distribucin interna de temperatura, que es el caso normal, lared trmica equivalente, como se muestra en la figura 18.13, se usa con frecuencia para describir,en forma correcta, el comportamiento trmico en las terminales de datos de la caja negra.

    Los elementos RC individuales representan los trminos de una divisin en fracciones par-ciales de la funcin de transferencia trmica del sistema. Usando la representacin en fraccionesparciales, se puede expresar la respuesta escaln de la impedancia trmica como sigue:

    La impedancia equivalente de entrada, en las terminales de entrada, se puede expresar como sigue:

    1Zth = ----------------------------------

    1SCth,l + ---------1----

    SRth,l + ---------1-SCth,2 + +--

    Rth,n

    (18.7)

    Los datos de la curva de impedancia trmica transitoria se pueden procesar con algoritmosnormales de ajuste de curva, de programas de cmputo como Mathcad, para determinar los ele-mentos Rth y Cth.La curva de impedancia trmica transitoria se suele proporcionar con las hojasde datos del dispositivo.

    Este modelo sencillo se basa en la parametrizacin de los elementos del circuito equivalen-te, usando datos de mediciones y un ajuste de curvas. El procedimiento normal para la curva deenfriamiento es, en la prctica, primero calentar el componente con una disipacin especfica Pkde potencia hasta que llegue a una temperatura estable, Tjk' Si se conoce la dependencia trmica

    x

    L.P(t)+

    FIGURA 18.13

    Circuito equivalente simple del modelo matemtico, Ref. 1.

  • 18.3 Modelado trmico de los dispositivos conmutadores de potencia 801

    exacta de un parmetro del semiconductor, como por ejemplo la cada de voltaje en polarizacindirecta, se puede determinar la grfica de T/t), llamada curva de enfriamiento, reduciendo la di-sipacin de potencia Pk en forma progresiva hasta cero. Esta curva de enfriamiento se puedeusar para determinar la impedancia trmica transitoria del dispositivo.

    Tk - T(t)Z -' ,

    th - Pk

    (18.8)

    18.3.3 Acoplamiento de componentes elctricos y trmicos

    Con el acoplamiento del circuito trmico equivalente con el modelo del dispositivo, como se veen la figura 18.14 para un transistor de efecto de campo metal xido semiconductor (MOSFET)se puede simular la temperatura instantnea de la unin. La disipacin instantnea de potenciaen el dispositivo (ID VDS) est determinada en todo momento, y se alimenta una corriente pro-porcional a la potencia disipada en la red trmica equivalente. Entonces, el voltaje en el nodo Tdefine la temperatura instantnea de unin, que afecta en forma directa a los parmetros delMOSFET dependientes de la temperatura. El modelo acoplado de circuito puede simular la tem-peratura instantnea de la unin bajo condiciones dinmicas, como por ejemplo cortocircuito ysobrecarga.

    El canal MOS puede describirse con un modelo de MOS de tres niveles (Xl) en SPICE.La temperatura se define con la variable global "Temp" de SPICE. El voltaje de umbral, la co-rriente de drenaje y la resistencia de drenaje se escalan de acuerdo con la temperatura instant-nea Tj de la unin. La corriente de drenaje lo. (Temp) se escala con un factor dependiente de latemperatura definido por

    T )-3/21D(~) = 1v;(Temp)(-'-

    Temp(18.9)

    El voltaje de umbral tiene un coeficiente trmico de -2.5 mVIK y el voltaje efectivo de compuer-ta al dispositivo MOS puede hacerse dependiente de la temperatura usando el comportamiento

    Compuerta

    Drenaje-----------------------------.

    IIII---Ft'5--ci:rr~calor

    '--__ ---_~h2 ~h6 : __1_~IIIII

    -----------------------------~Fuente

    FIGURA 18.14

    Acoplamiento de componentes elctricos y trmicos. [Ref. 1,M. Marz.]

  • 802 Captulo 18 Proteccinde dispositivosy circuitos

    del modelo anlogo de SPICE. Debido a la importancia del modelado trmico del dispositivo,algunos fabricantes de dispositivos (Infineon Technologies) ofrecen modelos de dependenciatrmica en SPICE y en SABER para sus dispositivos de potencia.

    Ejemplo 18.2 Clculo de los parmetros del circuito trmico equivalente

    Un dispositivo con un encapsulado TO-220 est montado con hoja aislante de 0.33 mm de espesor, en un pe-queo disipador trmico de aluminio, como se ve en la figura 18.15a. La resistencia trmica del disipadortrmico es Rrh KK = 25 K/W y su masa es msk = 2 g. El rea de la superficie del paquete TO-220 es Ask =1 cm2. El del semiconductor es Aeu = 10 mm2; la cantidad de cobre en torno a la parte piramidal del encap-sulado es mell = 1 g, Y el espesor del cobre es deu = 0.8 mm. Determinar los parmetros del circuito trmicoequivalente.

    SolucinYa que el disipador de calor es pequeo y compacto, no hay necesidad de dividir la estructura en varioselementos Re. El circuito trmico equivalente de primer orden se ve en la figura 18.15b. msk = 2 g, Rrh KK =25 K/W, dioil = 0.3 mm, A foil = 1 cm2, Aell = 10 mrrr', mcu = 1 g Y dell = 0.8 mm. En la tabla 18.2 se ve que elcalor especfico del aluminio es Csk = 0.95 J/gK). As, la capacitancia trmica del disipador de calor es

    Para la hoja aislante, la tabla 18.2 muestra Arh-foil = 1.1 W/mK. Entonces, la resistencia trmica de la hoja es

    dioilRrh_foil = , A

    "rh-foil foil

    Modelonivel 3th

    O.3mm K------ = 2.7 W1.1 _W_ X 1 cm2

    mK

    Hoja Iso Disipador de calor/r------,.--

  • 18.4 Circuitos amortiguadores 803

    Para el cobre del chip, la tabla 18.2 muestra que CCII = 0.39 J/(gK)

    La capacitancia trmica del chip es Cth7 = ccumcu = 0.39 ~ X 1 g = 0.39 2..gK K

    Rth7 = _d_cu_ = 0.8 mm = O 205 .!.AthAcu 390 _W_ X 10 mm2 . W

    mK

    Punto clave de la seccin 18.3

    Los parmetros clave de un modelo trmico matemtico se pueden determinar a partir dela curva de enfriamiento del dispositivo.

    18.4 CIRCUITOS AMORTIGUADORES

    En el caso normal, se conecta un amortiguador RC en paralelo con un dispositivo semi conductorpara limitar la tasa dv/dt para que quede dentro de la especificacin mxima permisible [2,3]. Elamortiguador podra ser polarizado o no polarizado. Un amortiguador polarizado en sentidodirecto es adecuado cuando un tiristor o un transistor se conecta con un diodo en antiparalelo,como muestra la figura 18.16a. El resistor R limita la tasa dv/dt en sentido directo, y R; limita lacorriente de descarga del capacitor, cuando se activa el dispositivo.

    Un amortiguador polarizado en sentido inverso que limita la tasa dv/dt en sentido inversose ve en la figura 18.16b, donde R, limita la corriente de descarga del capacitor. El capacitor nose descarga a travs del dispositivo, y resulta una prdida reducida en el mismo.

    Cuando se conecta un par de tiristores en forma paralela inversa, el amortiguador debe serefectivo en cualquier direccin. En la figura 18.16c se ve un amortiguador no polarizado.

    Punto clave de la seccin 18.4

    Los dispositivos de potencia se deben proteger contra tasas dildt y dv/dt excesivas agre-gando circuitos amortiguadores.

    Dl

    Rl >R

    FIGURA 18.16

    (a) Polarizado (b) Polarizado inverso

    Redes con amortiguador.

    e

    (e) No polarizado

  • (18.12)

    804 Captulo 18 Proteccin de dispositivos y circuitos

    18.5 TRANSITORIOS DE RECUPERACIN INVERSA

    Debido al tiempo t.; de recuperacin inversa, ya la corriente IR de recuperacin, queda atrapadacierta cantidad de energa en las inductancias del circuito, y en consecuencia aparece un voltajetransitorio a travs del dispositivo. Adems de la proteccin contra la tasa dv/dt, el amortiguadorlimita el voltaje transitorio pico a travs del dispositivo. En la figura 18.17 se ve el circuito equi-valente, donde el voltaje inicial del capacitor es cero, y el inductor conduce una corriente inicialIR' Los valores de RC del amortiguador se seleccionan para que el circuito quede un poco suba-mortiguado y la figura 18.18 muestra la corriente y el voltaje transitorio de recuperacin. Elamortiguamiento crtico suele producir un valor grande del voltaje inverso inicial RIR, y un amor-tiguado insuficiente causa una gran desviacin del voltaje transitorio. En el siguiente anlisis sesupondr que la recuperacin es abrupta, y que la corriente de recuperacin se cambia de repentea cero.

    La corriente en el amortiguador se expresa como sigue:

    di 1JL dt + Ri + C i dt + vc(t = O) = Vsdiv = v: - L-

    s dt

    (18.10)

    (18.11)

    y las condiciones iniciales son i(t = O) = IR Yvc(t = O) = O.Se ha visto en la seccin 2.11 que laforma de la solucin de la ecuacin (18.10) depende de los valores de RLC. En el caso subamorti-guado, las soluciones de las ecuaciones (18.10) y (18.11) definen el voltaje a travs del dispositivo,en sentido inverso, como

    donde

    (18.13)

    La frecuencia natural sin amortiguamiento es

    1Wo = vrc (18.14)

    La relacin de amortiguamiento es

    (18.15)

    v

    FIGURA 18.17

    Circuito equivalente durante la recuperacin.

    DmDispositivo

    en0------""---' recuperacin

    +

  • 18.5 Transitorios de recuperacin inversa 805

    v

    o f----f-..L..--_

    -1

    OL----------~ FIGURA 18.18(a) Corriente de recuperacin (b) Voltaje transitorio Estado transitorio de recuperacin.

    y la frecuencia natural amortiguada es

    w = VW6 - a2 = wo~ (18.16)Al diferenciar la ecuacin (18.12) se obtiene

    ~ ( ~-~)dt = (Vs - RIR) 2a cos wt + w sen wt e-alIR ( a )+ eCos wt - w sen wt e-al (18.17)

    El voltaje inicial en sentido inverso y dv/dt se pueden determinar con las ecuaciones (18.12) y(18.13), igualando t = O:

    v(t = O) = RIRdv I IR cVr - RIR)R IR- = (V. - RIR)2a + - = + -dt 1=0 s e L e

    = Vswo(28 - 4d82 + d)donde el factor (o relacin) de corriente d se define con

    d = IR rr = IR~ -Ve t,

    Si la tasa dv/dt inicial de la ecuacin (18.19) es negativa, el voltaje inicial inverso RIR es el mximo,y puede producir una tasa dv/dt destructiva. Para una tasa dv/dt positiva, Vswo(28 - 4d82 + d) > O,es decir,

    (18.18)

    (18.19)

    (18.20)

    1 + \11 + 4d28 < 4d (18.21)

    ."y el voltaje inverso es mximo cuando t = tI. El tiempo tI> que se puede obtener igualando a cero laecuacin (18.17), es

    (18.22)

    y el voltaje pico se determina con la ecuacin (18.12):

    Vp = v(t = tI) (18.23)

  • 806 Captulo 18 Proteccin de dispositivos y circuitos

    El voltaje inverso pico depende de la relacin de amortiguamiento 5 y del factor de corriente d.Para determinado valor de d, hay un valor ptimo de la relacin de amortiguamiento 50' que mi-nimiza el voltaje pico. Sin embargo, la tasa dv/dt vara al variar d, y la minimizacin del voltajepico puede no minimizar la tasa dv/dt. Es necesario hacer un compromiso entre el voltaje picoVp y la tasa dv/dt. McMurray [4] propuso minimizar el producto Vp(dv/dt) y la figura 18.19muestra las curvas de diseo ptimo, donde la tasa dv/dt es el valor promedio durante el tiempotI, Ydo es el valor ptimo del factor de corriente.

    La energa almacenada en el inductor L,que se transfiere al capacitor amortiguador e, sedisipa principalmente en el resistor amortiguador. Esta prdida de potencia depende de la fre-cuencia de conmutacin y de la corriente de carga. Para convertidores con grandes potencias,donde es importante la prdida en el amortiguador, la eficiencia del circuito se puede mejorarcon un amortiguador no disipativo que use un transformador de recuperacin de energa, como

    10

    8 /

    //' /

    V //' /

    ./ /~

    (~:L'y-: /~/,,/~V //

    ~........

    /~ (dv/dt)-,...- """,,/ vswo- ............. ......---~-""'

  • 18.5 Transitorios de recuperacin inversa 807

    +

    +

    Ys

    Dm - Dispositivoen recuperacin

    FIGURA 18.20

    Amortiguador no disipativo.

    el que se ve en \a figura 18.20. Cuando aumenta \a corriente en el primario, el voltaje inducido E2es positivo, y el diodo DI se polariza en sentido inverso. Si la corriente de recuperacin del dio-do Dmcomienza a bajar, el voltaje inducido E2 se vuelve negativo y el diodo DI conduce, regre-sando energa a la alimentacin de cd.

    Ejemplo 18.3 Determinacin de los valores del circuito amortiguador

    La corriente de recuperacin de un diodo, como el de la figura 18.17, es IR = 20 A, Yla inductancia del cir-cuito es L = 50 ..H. El voltaje de entrada es Vs = 220 V. Si es necesario limitar el voltaje transitorio pico a1.5 veces el voltaje de entrada, determinar a) el valor ptimo del factor de corriente Cto, b) el factor de amor-tiguamiento ptimo, 00, e) la capacitancia del amortiguador, e, d) la resistencia del amortiguador, R, e) la dv!dtpromedio y f) el voltaje inverso inicial.

    SolucinIR = 20 A, L = 50 ..H, Vs = 220 V Y Vp = 1.5 x 220 = 330 V. Para VpNs = 1.5, se ve en la figura 18.19 que:

    3. El factor ptimo de corriente es do = 0.75.b. El factor ptimo de amortiguamiento es 00 = 0.4.c. De acuerdo con la ecuacin (18.20), la capacitancia del amortiguador (con d = do) es

    [IR J2e = L dll,

    [20 ]2

    = 50 0.75 x 220 = 0.735 ..F

    (18.24)

    d. De acuerdo con la ecuacin (18.15), la resistencia del amortiguador es

    R = 20j![50

    = 2 X 004 './.735 = 6.6 n(18.25)

    e. De acuerdo con la ecuacin (18.14),

    106Wo = V = 64,957 rad/s

    50 X 0.735 .. :.

  • 808 Captulo 18 Proteccin de dispositivos y circuitos

    De la figura 18.19,

    dv/dt = 0.88Vswo

    es decir

    dv- = 0.88Vswo = 0.88 X 220 X 164,957 = 31.9 V/..sdt

    f. De acuerdo con la ecuacin (18.18), el voltaje inicial en sentido inverso es

    v(t = O) = 6.6 X 20 = 132 V

    Ejemplo 18.4 Determinacin del voltaje pico y 105 valores de di/dt y de dv/dtdel circuito amortiguador

    Un circuito amortiguador Re, corno el de la figura 18.16c, tiene e = 0.75 u.F,R = 6.6 n y voltaje de entradaVs = 220 V. La inductancia del circuito es L = 50 u.H. Determinar a) el voltaje pico en sentido directo, Vp,b) la du/dt inicial y e) la dv/dt mxima.

    SolucinR = 6.6 n, e = 0.75 f.l.F, L = 50 u.H YVs = 220 V. Igualando IR = O, el voltaje en sentido directo a travs deldispositivo se puede determinar con la ecuacin (18.12),

    v(t) = Vs - Vs(coswt - ;senwt) e-al (18.26)

    De la ecuacin (18.17), para IR = O,

    dv ( w2 - a2 )dt = Vs 2a cOSwt + w sen wt e-al (18.27)

    La dv/dt inicial se puede determinar ya sea con la ecuacin (18.27) igualando t = O, o con la ecuacin(18.19), haciendo que IR = O:

    dvl VsR- =V2a=-dt 1=0 s L

    (18.28)

    El voltaje en sentido directo es mximo cuando t = tI. El tiempo t, que se puede obtener igualando a cerola ecuacin (18.27) o bien haciendo que IR = O en la ecuacin (18.22), se determina con

    2awtan wt =

    w2 - a2 (18.29)

    w2 - a2cos wt

    w2 + a2 (18.30)2aw

    sen wt1 =w2 + a2 (18.31)

  • 18.5 Transitorios de recuperacin inversa 809

    Sustituyendo las ecuaciones (18.30) y (18.31) en la ecuacin (18.26), se determina el voltaje pico siguiente:

    (18.32)

    en donde

    (-28~)wt1 = TI - tan"! 2

    1 - 28(18.33)

    Diferenciando la ecuacin (18.27) con respecto a t e igualando a cero, se ve que dv/dt es mximo en t = tmcuando

    o sea

    (18.34)

    Sustituyendo el valor de tm en la ecuacin (18.27) y simplificando los trminos en seno y coseno, se obtieneel valor mximo de dv/dt:

    para 8 :5 0.5 (18.35)

    Para que haya un mximo, d(dv/dt)/dt debe ser positiva si t:S;tm, Y la ecuacin (18.34) define que la condi-cin necesaria es

    o o 8 :5 0.5

    La ecuacin (18.35) es vlida para 8 :s; 0.5. Cuando 8 > 0.5, dv/dt llega al mximo cuando t = O,y se obtienecon la ecuacin (18.27),

    dvj dvj VsRdt mx = dt 1=0 = Vs2a = L para 8> 0.5 (18.36)

    3. De acuerdo con la ecuacin (18.13), a = 6.6/(2 X 50 X 10-6) = 66,000, Y con la ecuacin (18.14),

    106wo = V = 163,299 rad/s

    50 X 0.75

    De acuerdo con la ecuacin (18.15), 8 = (6.6/2)VO.75/50 = 0.404, y de la ecuacin (18.16),

    w = 163,299\11 - 0.4042 = 149,379 rad/s

    Segn la ecuacin (18.33), tI = 15.46 fLS, y en consecuencia la ecuacin (18.32) determina el vol-taje pico, Vp = 220(1 + 0.36) = 299.3 V.

  • 810 Captulo 18 Proteccin de dispositivos y circuitos

    b. La ecuacin (18.28) determina la dvldt inicial como (220 X 6.6/50) = 29 V/fLS.c. Ya que 8 < 0.5, se debe usar la ecuacin (18.35) para calcular la dvldt mxima. De acuerdo con la

    ecuacin (18.34), tm = 2.16 fLS, y la ecuacin (18.35) determina que la dvldt mxima es 31.2 V/fLS.

    Nota: Vp = 299.3 V, Yla dvldt mxima es 31.2 V/.,s.El diseo ptimo del amortiguador, delejemplo 18.2, da como resultado Vp = 330 V, Y la dvldt promedio = 31.9 .,s.

    Puntos clave de la seccin 18.5

    Cuando el dispositivo de potencia se des activa al final del tiempo de recuperacin inversa,la energa almacenada en el inductor Iimitante de di/dt, debido a la corriente inversa, pue-de causar una gran dvldt.

    El amortiguador de dvldt debe disearse para que el rendimiento sea ptimo.

    18.6 ESTADOS TRANSITORIOS EN LOS LADOS DE ALIMENTACIN Y DE CARGA

    En el caso normal, se conecta un transformador en el lado de alimentacin de los convertidores.Bajo condiciones de estado permanente, se almacena una cantidad de energa en la inductanciamagnetizan te Lm del transformador, y al desconectar la alimentacin se produce un voltaje tran-sitorio hacia la entrada del convertidor. Se puede conectar un capacitar en paralelo con el pri-mario o con el secundario del transformador, para limitar el voltaje transitorio, como se ve en lafigura 18.21a, y en la prctica tambin se conecta una resistencia, en serie con el capacitor, paralimitar la oscilacin transitoria de voltaje.

    Supongamos que el interruptor se haya cerrado durante un tiempo lo bastante largo. Bajocondiciones de estado permanente, Vs = Vm sen ex, y la corriente magnetizante es

    diLm - = V m sen wt

    dtcuya solucin es

    Vmi(t) = --- cos wtwLm

    Si se abre el interruptor cuando rot = e, el voltaje del capacitar al principio de la desconexin esVe = V m sen e (18.37)

    -lo

    + Lm +C C

    Vo VoR R

    (a) Diagrama de circuito (b) Circuito equivalente durante desactivacin

    FIGURA 18.21

    Transitorio por desconexin.

  • 18.6 Estados transitorios en los lados de alimentacin y de carga 811

    y la corriente magnetizante es

    Vmlo = ---cos ewLm

    (18.38)

    El circuito equivalente durante el estado transitorio se ve en la figura 18.21b, y la corriente en elcapacitor se expresa como sigue:

    di 1JLm dt + Ri + C idt + vc(t = O) = O (18.39)y

    (18.40)

    con las condiciones iniciales i(t = O) = -lo Yvc(t = O) = Ve. El voltaje transitorio vo(t) se puededeterminar con las ecuaciones (18.39) y (18.40), para condiciones subamortiguadas. En el casonormal, una relacin de amortiguamiento 8 = 0.5 es satisfactoria. Se puede simplificar el anlisissuponiendo que el amortiguamiento es pequeo y tiende a cero (es decir, 8 = O, o R = O). Sepuede aplicar la ecuacin (D.16), parecida a la (18.39), para determinar el voltaje transitoriovo(t). Este voltaje transitorio vo(t) es igual que el voltaje del capacitor, vc(t).

    (L )112

    = V~ + 16 ; sen (Wot +

  • 812 Captulo 18 Proteccin de dispositivos y circuitos

    FIGURA 18.22

    ~+Sl~

    :o-=_v_ffi_s_e_nw_t -----'f ~

    +

    Circuito equivalente durante la conexin de la alimentacin.

    En la prctica.ro > ) y el voltaje transitorio, que es mximo cuando cos e = 1 (o e = O), es

    (18.46)

    que es el voltaje transitorio pico debido a la desconexin de la alimentacin. Usando la relacinentre voltaje y corriente en un capacitor, se puede determinar la cantidad necesaria de capaci-tancia para limitar el voltaje transitorio, como sigue:

    (18.47)

    Sustituyendo a Wo de la ecuacin (18.46) en la ecuacin (18.47), se obtiene

    (18.48)

    Ahora, con el capacitor conectado en paralelo con el secundario del transformador, el vol-taje mximo instantneo del capacitor depende del voltaje instantneo de ea de entrada en elmomento de conectar ese voltaje de entrada. El circuito equivalente durante la conexin se veen la figura 18.22, donde L es la inductancia equivalente de la alimentacin, ms la inductanciade fuga del transformador.

    En el funcionamiento normal, se almacena cierta cantidad de energa en la inductancia decarga y la inductancia de fuga del transformador. Cuando se desconecta la carga se producenvoltajes transitorios, debidos a la energa almacenada en las inductancias. El circuito equivalen-te para la desconexin de la carga se ve en la figura 18.23.

    FIGURA 18.23

    Circuito equivalente durante la desconexin de la carga.

  • 18.7 Proteccin contra voltaje con diodos de selenio y varistores de metal xido 813

    Ejemplo 18.5 Determinacin de los parmetros de rendimiento con estados transitoriosen conmutacin

    Un capacitor se conecta en paralelo con el secundario de un transformador de entrada, como se ve en lafigura 18.21a, con cero resistencia de amortiguamiento, R = O.El voltaje del secundario es Vs = 120 V, 60 Hz.Si la inductancia magnetizante referida al secundario es Lm = 2 mH y la entrada de alimentacin al pri-mario del transformador se desconecta cuando el ngulo es e = 180 del voltaje de ea de entrada, determi-ne a) el voltaje inicial del capacitor, Va, b) la corriente magnetizante lo Ye) el valor de la capacitancia paralimitar el voltaje transitorio mximo en el capacitor a Vp = 300 V.

    SolucinVs = 120 V, V m = Vi X 120 = 169.7 V, e = 180,/ = 60 Hz, Lm = 2 mH, y w = 21T X 60 =377 rad/s.

    a. De acuerdo con la ecuacin (18.37), Ve = 169.7 sen e = O.b. De la ecuacin (18.38),

    lo = - Vm cos e = 169.7 = 225 A.st.; 377 x 0.002

    c. Vp = 300 V. Segn la ecuacin (18.48), la capacitancia necesaria es

    e = 225 x 169.7 = 1125.3 J.F3002 X 377

    Puntos clave de la seccin 18.6

    Aparecen estados transitorios de conmutacin, a travs del convertidor, cuando se desco-necta el transformador de entrada del convertidor, y tambin cuando se desconecta delconvertidor una carga inductiva.

    Se deben proteger los dispositivos de potencia contra estos estados transitorios de conmu-tacin.

    18.7 PROTECCiN CONTRA VOLTAJE CON DlODOS DE SELENIO y VARISTORESDE METAL XIDO

    Los diodos de selenio se pueden usar para proteccin contra sobrevoltajes transitorios. Esos dio-dos tienen un voltaje de conduccin bajo en sentido directo, pero uno bien definido en sentido

    ~/=======~~----~v vVoltaje de sujecin, Vz

    +

    FIGURA 18.24(a) Caractersticas v - i (b) Smbolo Caractersticas del diodo de selenio.

  • 814 Captulo 18 Proteccin de dispositivos y circuitos

    (b) No polarizado (e) Proteccin trifsica polarizada

    +Vs

    v

    (a) Polarizado

    FIGURA 18.25

    Diodos de supresin de voltaje.

    a~r------

    b--+--_---

    e -+---+-..--

    inverso. Las curvas caractersticas de los diodos de selenio son como la de la figura 18.24a. En elcaso normal, el punto de operacin est antes del punto de inflexin o "rodilla" de la curvacaracterstica y toma una corriente muy pequea del circuito. Sin embargo, cuando aparece unsobrevoltaje, se cruza el punto de rodilla y aumenta de repente el flujo de corriente en sentidoinverso por el selenio, y con ello se limita, en el caso tpico, el voltaje transitorio al doble del vol-taje normal.

    Un diodo de selenio (o supresor) debe ser capaz de disipar la acumulacin de energa sindemasiado aumento de temperatura. Cada celda de un diodo de selenio se especifica, en el casonormal, con un voltaje raz cuadrtico medio (rms) de 25 V, con un voltaje de sujecin tpico den v. Para la proteccin del circuito de cd, se polariza el circuito de supresin, como se ve en lafigura 18.25a. En los circuitos de ea, como el de la figura 18.25b, los supresores no estn polariza-dos, por lo que pueden limitar sobrevoltajes en ambas direcciones. Para circuitos trifsicos sepueden usar supresores polarizados conectados en Y, como el de la figura 18.25c.

    Si se va a proteger un circuito de 240 V con celdas de selenio de 25 V, entonces se necesita-ran 240/25 ""10 celdas y el voltaje total de sujecin sera 10 X n = nov. Para proteger un cir-cuito monofsico de ea de 208 V, 60 Hz con celdas de selenio de 25 V, se necesitaran 208/25 ""9celdas en cada direccin, y un total de 2 X 9 = 18 celdas. Debido a la baja capacitancia interna,los diodos de selenio no limitan la dv/dt con el mismo grado que los circuitos amortiguadores deRC Sin embargo, limitan los voltajes transitorios a magnitudes bien definidas. Para proteger undispositivo, la fiabilidad de un circuito Re es mejor que la de los diodos de selenio.

    Los varistores son dispositivos no lineales de impedancia variable, formados por partculasde xido metlico separadas por una capa o aislamiento de xido. Al aumentar el voltaje aplicado,la pelcula se vuelve conductora y aumenta el flujo de la corriente. La corriente se expresa como

    1 = KV"

    donde K es una constante y Ves el voltaje aplicado. El valor de ex vara entre 30 y 40.

    (18.49)

    Puntos clave de la seccin 18.7

    Se pueden proteger los dispositivos de potencia contra sobrevoltajes transitorios mediantediodos de selenio o con varistores de metal xido.

  • 18.8 Protecciones contra sobrecorriente 815

    Fl+ Fl

    LAlimentacin o----E3-- ...

    deca Vs(cd)

    F2Fusible

    R

    (a) Rectificador controlado (b) Circuito amortiguador de GTO

    FIGURA 18.26

    Proteccin de dispositivos de potencia.

    Estos dispositivos toman una corriente muy pequea bajo condiciones de operacin normal. Sin embargo, cuando aparece un voltaje muy alto, la resistencia de esos dispositivos dismi-

    nuye en funcin del sobrevoltaje y con ello permite el paso de ms corriente, y limita lamagnitud del voltaje transitorio.

    18.8 PROTECCIONES CONTRA SOBRECORRIENTE

    En los convertidores de potencia se pueden presentar cortocircuitos o fallas, y las corrientes defalla que resulten deben eliminarse con rapidez. Para proteger los dispositivos semiconductoresse suelen usar fusibles de accin rpida. Al aumentar la corriente de falla, el fusible se abre y su-prime la corriente de falla en pocos milisegundos.

    18.8.1 Accin fusible

    Los dispositivos semiconductores se pueden proteger escogiendo con cuidado los lugares de losfusibles, como se ve en la figura 18.26 [5,6]. Sin embargo, los fabricantes de fusibles recomiendan

    L

    R

    (a) Rectificador controlado (b) Inversor McMurray

    FIGURA 18.27

    Proteccin individual de los dispositivos.

  • 816 Captulo 18 Proteccin de dispositivos y circuitos

    FIGURA 18.28

    Fusibles de semiconductor. (Reproducidocon autorizacin de Brush ElectricalMachines, Ltd., Inglaterra.)

    instalar un fusible en serie con cada dispositivo, como se ve en la figura 18.27. La proteccin in-dividual que proporciona una mejor coordinacin entre un dispositivo y su fusible permite unamejor utilizacin de las posibilidades del dispositivo, y lo protege contra fallas por corto (porejemplo, a travs de TI y T4 en la figura 18.27a). En la figura 18.28 se muestran fusibles de variostamaos para semiconductores [7].

    Cuando aumenta la corriente de falla, aumenta tambin la temperatura del fusible hastaque t = tm, Yen ese punto el fusible se funde y se producen arcos a travs del mismo. Debido alarco, aumenta la impedancia del fusible y con ello se reduce la corriente. Sin embargo, a travsdel fusible se produce un voltaje de arco. El calor generado evapora al elemento fusible y produ-ce mayor longitud de arco y mayor reduccin de la corriente. El efecto combinado es la extin-cin del arco en un tiempo muy corto. Cuando termina el arqueo en el tiempo ta, desaparece lafalla. Mientras con ms rapidez acte el fusible, el voltaje de arqueo es mayor [8].

    El tiempo de despeje te es la suma del tiempo de fusin tm Y el tiempo de arqueo ta. Eltiempo tm depende de la corriente de carga, mientras que ta depende del factor de potencia o deparmetros del circuito de falla. En el caso normal, la falla desaparece antes de que la corrientede falla llegue a su primer pico, y esa corriente, que podra haber pasado si no hubiera fusible, sellama corriente prospectiva de faLLa. Esto se ve en la figura 18.29.

    Las curvas corriente-tiempo de los dispositivos y fusibles se pueden usar para coordinar unfusible para un dispositivo. La figura 18.30a muestra las caractersticas corriente-tiempo de undispositivo y su fusible, y en este caso el dispositivo se puede proteger en todo el intervalo de so-brecargas. Esta clase de proteccin se usa en el caso normal en convertidores de baja potencia.La figura 18.30b muestra el sistema que ms se usa, en el que el fusible es para proteger contracortocircuito al principio de la falla, y la proteccin normal contra sobrecarga se proporcionacon un interruptor automtico u otro sistema limitador de corriente.

    Si R es la resistencia del circuito de falla e i es la corriente instantnea de falla, entre elinstante en que sucede la falla y el instante de la extincin del arco, la energa alimentada al cir-cuito se puede expresar como sigue:

    (18.50)

  • 18.8 Protecciones contra sobrecorriente 817

    OL-----~----~~----------------~ITiempo' l' Tiempo '1r:~:s~~;~Iempo de desp~

    te

    FIGURA 18.29

    Corriente en un fusible.

    Si la resistencia R permanece constante, el valor de Pt es proporcional a la energa alimentada alcircuito. Ese valor Pt se llama energa admitida y es responsable de fundir el fusible. Los fa-bricantes de fusibles especifican la caracterstica Pt de su producto, y la figura 18.31 muestra lascaractersticas tpicas de fusibles IR, tipo 1T350.

    Para seleccionar un fusible es necesario estimar la corriente de falla, para entonces satisfacerlos siguientes requisitos:

    1. El fusible debe conducir la corriente nominal del dispositivo en forma continua.2. El valor admitido de Pt del fusible antes de que desaparezca la corriente de falla debe ser

    menor que el valor nominal de Pt del dispositivo que se va a proteger.3. El fusible debe ser capaz de resistir el voltaje despus de la extincin del arco.4. El voltaje pico de arco debe ser menor que el voltaje pico nominal del dispositivo.

    Corriente rms,1

    Corriente rms,1

    \\ \ Caracterstica

    " del dispositivo'',' .

    " ........

    Caractersticadel fusible

    Proteccin:por fusible

    III

    " .... ....----_o~~~~-------+------~~t,s O~----~------+--------r------t-~t,s

    10-210-210-1 1 10(a) Proteccin completa

    10-1 1 10 100(b) Slo proteccin en cortocircuito

    FIGURA 18.30

    Caractersticas corriente-tiempo del dispositivo y el fusible.

  • 818 Captulo 18 Proteccin de dispositivos y circuitos

    INTERNATIONAL RECTIFIER II~~RI

    T350 SERIES

    290V /175-450A r.m.s. Ssmiconductor Fusss

    Suitable for pro tec ting High Power Semiconductor Devices

    Conforms to 6S88: Part 4: 1976 and lEC 269-4.ASTA certificate of short circu it ratings andverification of 12t cut-off and are voltagecharacteristics are available.

    IMPORTANTNote 1: Thyristorsldiodes ere rared in average current while (uses are'/lced in r.m.s. current. During sready ttate aperetion the fuse mustnor be opera red in excess o{ its maximum r.m.s. raring.

    Note 2: The maximum cap temperature and cap temperature riseabove ambient 01 'use are critical design parameters. ceuttonshould be raken during insrallarion fa ensure chae tne specifiedratings are not exceeded. Some form 01heatsink may be necesssrv,

    The T350 Series 01 semiconductor fuses are avarlable wtth 1700tndrcator toses already fitted, tor dimenstonat detaits refer to pageE12. For erecmcet. thermal and mecnenice! specifrcations on1700 refer to page ES.To complete part number add prefix "l" e.g. IT3S0-4S0.

    ELECTRICAL SPECIFICATlONSMaximum r.m.s. voltage rating:Maximum tested peak voltageMaximum d.c. voltage rating (L/R ';;;;15ms)Maximum arcing voltage for AC Supply Voltage = 240VFor variation in arcing voltage with AC Supply VoltageVA = 100+ 1.63 Vswhere V A = Peak are voltage, Vs = AC Supply VoltageFusi ng FactorForce cooling Current uprating factor at 5 mIs

    THERMAL ANO MECHANICAL SPECIFICATIONS100C75C

    170g 15.95 o,')

    Maximum cap temperature:Maximum cap temperature rise above ambientWeight:

    290V450V160V490V

    1.251.2

    Pan number RMS CURRENT 111 RMS CURRENT 111 MAX. POWER PREARCING 121 TOTAL 1" 121 TOTAL 1', 121 NOTESTamb'" 25C Tamb:IE 25C LOSS 1" at 120 VRMS at 240 VRMS

    A A W A', A', A',

    T35O-15O 175 155 17 1600 7000 16000 11 Maximum current carryingT35O-2QO 210 190 28 2100 1()()()() 2()()()() ability, natural ccnvecnonT35O-25O 250 230 28 4800 2()()()() 4()()()() cooling using test arrangementas 8S88: Pan 4: 1976T35O-300 315 290 35 9000 34000 7()()()() coodoctcrs 1.0 to 1.6 A/mm1T350-350 355 320 35 13000 50000 1000 anechment.T35O-400 400 350 40 2()()()() 75000 16()()()() 21 Typical vatues of 11t at 20T350-45O 450 400 42 3()()()() 11()()()() 22()()()() times reted RMS current

    Dimensions to 8588: part 4: 1976

    ss (2 321"un!326(1281'"''. ..

    A11drmensrons 10 rruthrnetres {mches)

    FIGURA 18.31

    Hoja de especificaciones para el fusible IR, Tipo T350. (Cortesa de International Rectifier.)

  • I-~-~ --..... r-;T3SO-3SO~~ r-,

    T3SO-2L -r--r:::-::

    T3SO_~ ~ i--T3SO ISO -:---

    I -

    500

    450

    ISO

    10025 40 4530 35 SO

    Ambient Tempe-ature _ CFig. 1 - Current Rating Characteristic

    10"~ TJ50-450T350-4ooT350-350T350-3oo

    ~ -++:To1itaT""O ..,I""'I10ms 5 3 2 1.5 1~IO'_RslI!..-' ",---1/ !//IJ ,- 10' ,~~"~ ,-.... v T350-250]

    T350 200

    / / T350-150

    11 111lO' lO" 10~

    Prospective RMS Symmetflcal Fault Current - A

    Fig. 3 - 12t let Through Characteristic (60V-)

    10"

    '

  • 820 Captulo 18 Proteccin de dispositivos y circuitos

    INTERNATIONAL RECTIFIER II~~RI

    TT350 SERIES

    2BOV / 400-BOOA r.m.s. Semiconductor Fuses

    Suitable for protecting High Power Semiconductor Devices ELECTRICAL SPECIFICATIONS

    Conforms to ssaa Part 4: 1976 and 1EC 269-4_IMPORTANT:Note 1.- rtwrsstors/aiooes are caIJbraced in average corrent rarmgswhile {uses are calibraced in r.m.s. currenc rarings. During steeavsrare operarion rhe 'use must nor be opera red in excess of IfSmaximum r.m.s. raring.

    Note 2: The meximum cap remperature and cap temperarure riseabove ambient al a (use are critica! design parameters. Caurionshould be taken during insrallarion tO ensure tnet rhe specifiedrarings are nor exceeded.

    The TTJ50 Series of sermconductor fuses are avarlabte wtth 1700mdrcator fuses already trtted. for drmensronat detaus ruf er 10 pageE~7. For etecmcet. thermal and mecharnca! specrcanons re ter topaqeE -66.To complete part number add prefrx ''1'' e.g. ITT350-900.

    Maximum r.m.s. voltage rating:Maximum tested peak voltage:Maximum d.c. voltage rating (L/R';;;15ms)Maximum arcing voltage for AC Supply Voltage = 240VFor variation in arcing voltage with AC Supply VoltageVA = 100 + 1-63 Vs

    Where VA = Peak arc voltage. Vs = AC Supply VoltageFusing Factor: 1.25Force cooling Current uprating factor at 5 mIs 1.2

    THERMAL ANO MECHANICAL SPECIFICATlONSMaximum cap temperature: 100CMaximum cap temperature rise above ambient 75CMaximum gravitational withstand capability: 15009(52.5 oz.)(for device mounted radially to rotation.)

    290V450V160V490V

    Pan nu-nber RMS CURRENT 111 RMS CUR RENT 111 MAX. POWER PREARCING 121 TOTAL 1]( (2) TOTAL 1]1 U NOTESTamb = 25C Tamb '" 45C LOSS 1'. al 120VRMS al 240 VRMS

    A A W kA]s kA2s kA2s

    TT3SO-4oo 400 3SO 60 8 35 80 11 Max.mum current carrYlngTT3SO-S00 SOO 430 64 '9 80 170 atntuv, natural convecuonTT3SO-6oo 630 540 75 35 ISO 300 cooliny uSlng test arranqement

    TT3SO-7oo 710 580 77 SO 200 420as 8S88 Pan 4. 1976

    TT3SO-8oo BOO 660 82 70 300 650 21 Tvcrcet values of ,2 tal 20 timesTT3SO-9OO 900 740 97 100 400 850 rated RMS Current

    FIGURA 18.31 (Continuacin)

    Dimensions to 8S88: part 4: 1976

    Al! drrnensrons in rmfhme tr es {inches]

  • 18.8 Protecciones contra sobrecorriente 821

    900 lO'

    BOO-