Exposición - Tiristores y Transistores de Potencia.pptx

Escuela Politécnica del Ejército

Exposición sobre Tiristores y Transistores

(Elementos de Potencia)

Integrantes: Bryan Ortega

Javier Quinchimba

Cristian Revelo

David Revelo

Sergio Quisilema

Tiristores

Un tiristor es un dispositivo semiconductor muy utilizado en el campo

de la Electrónica de potencia y se los utiliza de diversas maneras.

Entre sus principales aplicaciones tenemos que funcionan como

conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a otro

conductor.

Para muchas de aplicaciones al tiristor se lo considera como un

interruptor o conmutador ideal aunque los tiristores prácticos exhiben

ciertas limitaciones acorde a sus características que serán analizadas.

Características de los Tiristores

Como ya se lo dijo anteriormente, el tiristor es un dispositivo

semiconductor de 4 capas de estructura pnpn con tres uniones pn,

esta compuesto por tres terminales:

Ánodo

Cátodo

Compuerta (G)

Circuito del Tiristor y sus

Características Voltaje – Corriente

IL: Corriente de Enganche o de retención: es la corriente mínima que debe circular

por el tiristor para que el mismo se pueda mantener en estado de conducción una

vez que se lo haya activado y se haya retirado al señal de disparo

IH: Corriente de Mantenimiento: es la corriente mínima para mantener al tiristor en

estado de régimen permanente (esta en el orden de los mA.).

IT: Corriente en estado de Conducción: Esta corriente es mayor a las anteriores.

VBO: Voltaje de ruptura inversa: un tiristor también puede activarse aumentando el

voltaje de VAK de más allá de VBO, pero al hacerlo de esta forma, se puede llegar a

dañar al tiristor.

El tiristor es un dispositivo de enganche por lo que el VAK debe ser menor al VBO

Características Estáticas: Estas características corresponden a la

región entre el ánodo y el cátodo y son valores máximos de voltaje y

corriente que colocan al elemento en el límite de sus posibilidades. Son

valores que vienen dados por el fabricante y varían entre cada tiristor.

Características de Control: Estás características determinan la

naturaleza del circuito de control que responde a las condiciones de

disparo. Para la región G – K(cátodo) los fabricantes definen diferentes

valores máximos de corriente y de voltaje para los cuales en condiciones

normales de temperatura, los tiristores no corren el riesgo de dispararse

de manera no deseada.

Características de Conmutación

Los tiristores necesitan de un tiempo necesario para cambiar de estado

y pasar de no conductores a estado de conducción y viceversa.

El tiempo de encendido TON es el tiempo de encendido y se lo divide en

dos partes:

Td: tiempo de retardo.

Tr: tiempo de subida.

Activación de un Tiristor

Un tiristor se activa incrementando la corriente del ánodo. Esto se puede llevar a

cabo de las siguientes maneras:

Térmica. Si la temperatura de un tiristor es alta, habrá un aumento en el número

de pares electrón-hueco que generará un aumento en la corriente de fuga.

Lumínica. Si se permite que la luz llegue a las uniones de un tiristor, aumentaran

los pares electrón-hueco pudiéndose activar el tiristor.

Alto Voltaje. Si el voltaje directo ánodo a cátodo es mayor que el voltaje de

ruptura directo VBO, fluirá una corriente de fuga suficiente para iniciar una

activación regenerativa. Este tipo de activación puede resultar destructiva por lo

que se debe evitar.

Apagado de un tiristor

El apagado de un tiristor se produce generalmente por dos motivos:

Por reducción de la corriente de ánodo por debajo de la corriente de

mantenimiento o por la anulación total de la corriente del ánodo.

Parámetros que influyen sobre el tiempo de apagado TOFF

Corriente en conducción (IT)

Tensión inversa

Velocidad de caída de la corriente en el ánodo

Pendiente de tensión dV/dt

Temperatura de la unión Tj o del contenedor Tc

Consejos para el diseño de un circuito con tiristores

La señal de disparo debe eliminarse una vez que haya activado al tiristor.

Una señal continua de disparo aumentaría la pérdida de potencia en la

unión de el terminal de disparo (G).

Mientras el tiristor esté con polarización inversa, no debe haber señal de

disparo, de lo contrario el tiristor puede fallar debido a una corriente de fuga

incrementada.

El ancho de pulso del terminal de disparo IG debe ser mayor que el tiempo

requerido para que la corriente del ánodo se eleve al valor de la corriente de

mantenimiento.

Operaciones de los tiristores en Serie

Para aplicaciones de alto voltaje, se pueden conectar 2 o más tiristores en

serie a fin de proporcionar la especificación de voltaje sin embargo hay q

tener en cuenta que de un tiristor a otro no siempre sus características son

iguales.

Operaciones de los tiristores en Paralelo

Cuando los tiristores se conectan en paralelo la corriente de carga no se

comparte en igual forma debido a que un tiristor conduce mas corriente

que otros y aumenta la disipación de potencia, para contrarrestar este

problema, se coloca una pequeña resistencia en serie con el tiristor para

obligar una igual distribución de corriente.

Tipos de Tiristores

Los tiristores se fabrican casi en su totalidad por difusión. La corriente

del ánodo requiere un tiempo para propagarse por toda el área de la

unión, desde el punto cercano a la compuerta cuando inicia la señal

de disparo. Para controlar este di/dt, el tiempo de activación del

tiristor y el tiempo de desactivación, los fabricantes utilizan varios

tipos de tiristores que varían en su estructura de compuerta.

Tipos de Tiristores

Tiristor conmutado por línea o fase (SCR)

Rectificador controlado de silicio foto activado (LASCR)

Tipos de Tiristores

Tiristor o tríodo bidireccional (TRIAC)

Tiristor desactivado por Gate – Señal de disparo (GTO)

Tiristores controlados por MOS (MCT)

Tiristores conmutados por compuerta integrada (IGCT)

(Silicon Controlled Rectifier) Actúa de manera muy similar a un interruptor. Cuando esta conduciendo presenta un camino de baja resistencia para el flujo de energía de ánodo a cátodo; por consiguiente actúa como un interruptor cerrado. Cuando esta bloqueado, no puede fluir corriente de ánodo a cátodo; es decir actúa como un interruptor abierto, debido a que es un dispositivo de estado solido, la conmutación de un SCR es muy rápida.

TIPOS DE TIRISTORES.- TIRISTORES TRIAC:

CIRCUITOS DE DISPARO Y CURVA CARACTERÍSTICA:

PARAMETROS ELECTRICOS DEL SCR-VRDM: Máximo voltaje inverso de cebado (VG = 0)- VFOM: Máximo voltaje directo sin cebado (VG = 0)- IF: Máxima corriente directa permitida.- PG: Máxima disipación de potencia entre compuerta y cátodo.- VGT-IGT: Máximo voltaje o corriente requerida en la compuerta (G) para el cebado- IH: Mínima corriente de ánodo requerida para mantener cebado el SCR- dv/dt: Máxima variación de voltaje sin producir cebado.- di/dt: Máxima variación de corriente aceptada antes de destruir el SCR.

APLICACIONES REALES:En la Figura 8 se muestra un circuito de control de fase de 1/2 onda y resistencia variable. Entre los terminales A y B se aplican 120 Vac. RL representa la resistencia de la carga (calefactor o filamento de una lámpara). R1 es una resistencia limitadora de la corriente; R2 es un potenciómetro que ajusta el nivel de disparo para el SCR.

Cuando el SCR se dispara cerca del principio del ciclo (aproximadamente a 0º), [Figura 8 (a)], conduce durante aproximadamente 180º y se transmite máxima 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 90º y se transmite menos potencia a la carga.

El diodo se coloca para evitar que voltaje negativo en AC sea aplicado a la gate del SCR.

Es un dispositivo electrónico semiconductor de tres terminales, de ahí que se le conozca como un tiristor y se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una sola carga, con la particular capacidad de dirigir la corriente en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir de la corriente debajo del valor de mantenimiento, el triac puede ser disparado independientemente de la polarización de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa.

TIRISTORES TRIAC:

ESTRUCTURA INTERNA Y CURVA

CARÁCTERISTICA:

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.

PARAMETROS ELECTRICOS DEL TRIACVDRM (Tensión de pico repetitivo en estado de bloqueo) = es el máximo valor de tensión admitido de tensión inversa, sin que el triac se dañe.IT(RMS) ( Corriente en estado de conducción)ITSM (Corriente pico de alterna en estado de conducción (ON)) = es la corriente pico máxima que puede pasar a través del triac, en estado de conducción..I2t ( Corriente de fusión).- Valor de corriente de daño del TRIAC.PGM ( Potencia pico de disipación de compuerta).IH ( Corriente de mantenimiento) = la corriente directa por debajo de la cual el triac volverá del estado de conducción al estado de bloqueo.dV/dt ( velocidad critica de crecimiento de tensión en el estado de bloqueo) = designa el ritmo de crecimiento máximo permitido de la tensión en el ánodo antes de que el triac pase al estado de conducción. Se da a una temperatura de 100C y se mide en V/m s.tON ( tiempo de encendido)

APLICACIONES REALES:

Una aplicación muy común es el atenuador luminoso de lámparas incandescentes (circuito de control de fase).

Donde:- Ven: Voltaje aplicado al circuito (A.C.) - L: lámpara- P: potenciómetro - C: condensador (capacitor)- R: Resistor - T: Triac- A2: Ánodo 2 del Triac - A3: Ánodo 3 del Triac- G: Gate, puerta o compuerta del Triac

El triac controla el paso de la corriente alterna a la lámpara (carga), pasando continuamente entre los estados de conducción (cuando la corriente circula por el triac) y el de corte (cuando la corriente no circula).

Un tiristor GTO es un SCR que puede apagarse por una pulsación suficientemente grande en su compuerta de entrada, aun si la corriente iD excede IH. Su principal ventaja es que la puerta evita el paso de corriente (se cierra) cuando circula por ella un V- (semiciclo -)

TIRISTORES GTO:

CARACTERÍSTICAS, CIRCUITO EQUIVALENTE Y CURVA ESTÁTICA:

El disparo se realiza mediante una VGK >0; bloqueo con una VGK < 0.

La ventaja del bloqueo por puerta es que no se precisan de los circuitos de bloqueo forzado que requieren los SCR.

La desventaja es que la corriente de puerta tiene que ser mucho mayor por lo que el generador debe estar mas dimensionado.

El GTO con respecto al SCR disipa menos potencia.

CURVA CORRIENTE REAL Y CIRCUITO DE EXCITACIÓN.

APLICACIONES REALES:

Como el GTO tiene una conducción de corriente unidireccional, y puede ser apagado en cualquier instante, éste se aplica en circuitos chopper (conversiones de dc- dc) y circuitos inversores (conversiones dc -ac) a nivel industrial algunos usos son:

Troceadores y convertidores; Control de motores asíncronos; Inversores; Caldeo inductivo; Rectificadores; Soldadura al arco; Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI); Control de motores; Tracción eléctrica.

Transistores

TRANSISTORESEl funcionamiento y utilización de los transistores de potencia es idéntico al de los

transistores normales, la diferencia radica en las altas tensiones e intensidades que

tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar.

Tipos de transistores de potencia:

BJT.

SIT ( Transistor de inducción estática)

MOSFET

IGBT (Transistor bipolar de compuerta aislado)

Regiones operativas de componentes

Transistor de efecto de campo de Potencia (MOSFET)

D D

S SG G

Canal N Canal P

D

S

G

ID

VDS

VGS

N N

P

Substrato(Substrate)

Puerta(Gate)Drenador

(Drain)

Fuente(Source)

TRANSISTOR MOSFET - canal N Aislante (Si O2)

Características

Son controlados por voltaje If se aproxima a cero

Tiempos de encendido y Apagado pequeños

Son térmicamente estables

Tienen un Vds alto (Vce) (2 a 4V) por lo que las pérdidas estáticas aumentan

Tienen problemas con descargas electrostáticas

Son de costo alto, sirven para trabajo a alta frecuencia y media potencia

Uso como interruptores controlados por tensión.

Impedancia de entrada elevada

Características El Mosfet no tiene portadores minoritarios, la conducción se hace con

portadores mayoritarios, hace que las conmutaciones se produzcan en

tiempos muy cortos

Típico:

Toff = 100ns

Ton = 50ns

Circuitos de disparo simples

Habilidad para el paralelaje

Protecciones

Igual que el BJT

Cuida que VGS no exceda el voltaje, normalmente esta entre 20V – 30V

Diodos en antiparalelo asociados

17.2 Características estáticas.• Cuando VGS es menor que el valor umbral, VGS,TH, el MOSFET está abierto (en corte). Un valor típico de VGS,TH es 3V.

• VGS suele tener un límite de ±20V.

• Cuando VGS es mayor de 7V el dispositivo está cerrado. Suele proporcionarse entre 12 y 15 V para minimizar la caída de tensión VDS.

• Cuando conduce se comporta, estáticamente, como una resistencia: RON.

• En un MOSFET de potencia suele ser más limitante RON que el máximo de corriente.

• Conociendo RON las pérdidas se pueden calcular con el valor eficaz de la corriente al cuadrado.

2DON IRP

VDS

ID VGS=15V

VGS=12V

VGS=7V

VGSVGS,TH

Corte

Cerrado

ID,MAX

VDS,MAX

Avalancha

PMAX

SOAR

Control del MOSFET

Un voltaje positivo aplicado a la compuerta genera un campo

eléctrico que convierte la región p en una región n.

Este fenómeno se conoce como inversión de superficie y

permite la circulación de corriente entre el drain y el source

Características

RDS= Resistencia de salida D-S

RDS= DVDS /Dio

Es alta en la región de estrechamiento (MW)y baja en la región lineal (m )W

APLICACIONES

Las aplicaciones más típicas de los Transistores de

Potencia Mosfet se encuentran en la conmutación a

altas frecuencias.

- Sistemas inversores para controlar motores.

- Generadores de altas frecuencias para inducción de

calor

- Generadores de ultrasonido

- Amplificadores de Audio

- Transmisores de radiofrecuencia.

VENTAJAS La velocidad de conmutación para los Mosfet está en el

orden de los nanosegundos, por esto los Mosfet son muy

utilizados en convertidores de pequeña potencia y alta

frecuencia.

Los Mosfet no tienen el problema de segunda ruptura.

Mayor área de funcionamiento

Mayores ganancias

Circuito de mando más simple

Alta impedancia de entrada

DESVENTAJAS

Los Mosfet tienen el problema de ser muy sensibles a las

descargas electrostáticas y requieren un embalaje especial.

Es relativamente difícil su protección.

Los Mosfet son más caros que sus equivalentes bipolares.

La resistencia estática entre drenador-surtidor, es más grande,

lo que provoca mayores perdidas de potencia cuando trabaja

en conmutación.

17.6. Encapsulados y datos de catálogo de fabricantes.




IGBT (Transistor bipolar de compuerta aislada)

• Mezcla características de un transistor bipolar y de un MOSFET

• La característica de salida es la de un bipolar pero se controla por tensión y no por corriente

G

C

E

BipolarMOSFET

• Alta capacidad de manejar corriente (como un bipolar)

• Facilidad de manejo (MOSFET)

• Menor capacidad de conmutación (Bipolar)

IGBT (Transistor bipolar de compuerta aislada)

TRANSISTOR IGBT

Es el dispositivo más adecuado para tensiones > 1000 V

El MOSFET es el mejor por debajo de 250 V

En los valores intermedios depende de la aplicación, de la frecuencia, etc.

El IGBT se suele usar cuando se dan estas condiciones:

• Bajo ciclo de trabajo

• Baja frecuencia (< 20 kHz)

• Aplicaciones de alta tensión (>1000 V)

• Alta potencia (>5 kW)

Aplicaciones típicas del IGBT

• Control de motores

• Sistemas de alimentación ininterrumpida

• Sistemas de soldadura

• Iluminación de baja frecuencia (<100 kHz) y alta potencia

Características

Combina las ventajas del BJT y el MOSFET

Alta impedancia de entrada y bajas pérdidas en conducción

No tiene problemas de segunda avalancha

Controlado por voltaje

Ton y Toff pequeños

Control

Encendido y apagado similar al Mosfet, es decir durante el encendido

se aplica un voltaje positivo a la compuerta lo que provoca una

inversión en la capa n y la conducción entre c-e+

Para apagar se manda a cero el Gate o se aplica un voltaje negativo

Ventajas y Desventajas

Capacidad alta de corriente (mayor al Mosfet y BJT)

Fácil manejo, similar al mosfet

Excelente capacidad de bloqueo

Frecuencia de operación menor a la de un MOSFET

Comparación

18.4 Encapsulados y datos de catálogo de fabricantes







El transistor de unión bipolar (BJT) es un dispositivo electrónico de

tres terminales, construido mediante dos junturas de

semiconductores tipo P y N. La relación entre Tensión y Corriente

del puerto de salida (colector-emisor) varía según la intensidad de

corriente que circula por el puerto de entrada (base-emisor).

Transistores BJT

Hay dos clases de transistores BJT, los NPN y los PNP, el nombre se

refiere al tipo de material semiconductor utilizado en cada parte,

Colector-Base-Emisor respectivamente.

Símbolos de Circuito

Para obtener condiciones normales de operación las junturas deben estar polarizadas:

* base-emisor con polarización directa (en un NPN, Vbase > Vemisor)

* base-colector con polarización inversa (en un NPN, Vbase < Vcolector )

Además (por ley de Kirchoff de corrientes) se verifica que : Ie = Ib + Ic

Condiciones de Operación

Activa: Esta región de operación se considera de

corriente constante, se cumple aproximadamente la relación : Ic

= hFE . Ib (En la cual hFE es la ganancia de corriente continua y

depende de la construcción del transistor.)

En el transistor BJT se reconocen 3 regiones de operación

Aunque en la práctica Ic varía levemente para diferentes valores de

Vce, para esta región se puede pensar que: la corriente Ic es una

versión amplificada de la corriente Ib.

Saturación: Si Vce es demasiado pequeño, Ic ya no es

proporcional a Ib, es decir, aunque Ib aumente, Ic no sigue ese

crecimiento Ic < hFE . Ib La tensión Vce permanece prácticamente

constante en un valor llamado Vsat.

Corte: Cuando Ib es muy pequeña o nula, implicará además

Ic = 0. Lo que equivale a decir que no hay conducción entre colector

y emisor. En esta región se puede pensar que: entre colector y

emisor, el transistor trabaja “como una llave abierta”.

En la gráfica se ven varias curvas de Ic para diferentes corrientes Ib.

El punto de trabajo concreto dependerá del circuito externo.

Características Ideal V-I (tensión-corriente)

Lo primero que hay que analizar es la Ib. Si la tensión en la juntura

Vbe no supera la mínima Vγ (en general del orden de 0.7v),

entonces Ib = 0, y el transistor estará en corte.

Si ese no es el caso, se conjetura que está trabajando en Zona lineal

Ic = hFE . Ib , si luego del cálculo se encuentran resultados

erróneos o inconsistentes con los valores del circuito, sabremos que

el transistor se encuentra en región de saturación.

En este último caso debemos realizar los cálculos manteniendo

Vce=Vsat.

Determinación de la región de operación

Debido a que hay circulación de corriente entre dos puntos que

tienen una diferencia de potencial (Ic con Vce y Ib con Vbe) el

transistor disipa potencia, la cual provoca un aumento de

temperatura, que puede llegar a fundir o quemar al transistor.

En general los transistores especifican cual es la potencia máxima

que pueden disipar Pmax, que no debe superarse, calculando P

= Vce . Ic, siempre debe ser P < Pmax.

Potencia admitida

Tipos de Transistores BJT de Potencia

Los transistores BJT se comercializan mediante nombres

codificados, por ejemplo BC548, BC557, 2N3055, etc. Tienen

diferencias constructivas que definen las características eléctricas

tales como los valores máximos soportados de potencia, tensión,

la ganancia de corriente, variación con la temperatura, etc.

Ejemplo 2N3055 Datasheet:

Dispositivos comerciales

SIT

El SIT es el FET de electrónica de potencia y su aplicación se reserva para altas frecuencias.

Símbolo:

Características: Real

Ideal

Tipos de Transistores SIT de Potencia

Son dispositivos de alta potencia y alta frecuencia. Son

similares a los JFET, excepto por su construcción vertical y su

compuerta enterrada.

Se los utiliza en amplificadores de potencia lineal en

audio, DHF, UHF y microondas. No se los utiliza como conmutador

por la alta caída de tensión en sus terminales.

Aplicaciones

BIBLIOGRAFÍA

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id=1PyR16ZJN7lgWY6n54bxNxPB2iAaPOd1-

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http://www.frm.utn.edu.ar/epotencia/apuntes/

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http://www.unicrom.com/Tut_triac.asp

http://woody.us.es/~leopoldo/Store/tsp_7.pdf

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