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a Dispositivos semiconductores de potencia
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a
Transistor bipolar de potencia (BJT): simbología y
estructuras
Flujo de Corriente
E
C
B B
C
E
Flujo de Corriente
Estructura sencilla
(mayor corriente de base)
Estructura Darlington
(menor corriente de base)
Los tiempos de encendido y apagado son del orden de los 5 s
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a BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR (BJT)
Common Emitter
Input characteristics (Base-Emitter circuits)
The input characteristics are a plot of
the input current (IB) versus the input
voltage (VBE) for a range of values of
output voltage (VCE).
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a BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR (BJT)
Common Emitter
Output characteristics (Collector-Emitter circuit)
The output characteristics are a plot of the
output current (IC) versus the output voltage
(VCE) for a range of values of output voltage
(IB).
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a BJT
Condiciones de operación
Para el encendido (saturación o cerrado)
• La tensión colector - emisor debe ser positiva.
• Se debe inyectar una corriente de base capaz de saturar al
componente.
• La tensión base - emisor debe ser suficiente para mantener la
saturación.
• El componente saturado mantiene una tensión colector - emisor de
saturación entre 2.0 V y 3.5 V.
• La velocidad con que se inyecte la corriente de base es crítica para
encender y saturar rápidamente al dispositivo.
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a BJT
condiciones de operación
Para el apagado (corte o abierto)
• La corriente de base debe ir a cero o un valor negativo para “descargar”
al componente.
• El apagado debe ser lo suficientemente rápido para minimizar las
pérdidas en conmutación.
• La tensión base - emisor debe mantenerse en cero o negativa para
garantizar el “enganche” en apagado. No deber ser menor a -8 V.
• El flujo de corriente en el dispositivo se puede mantener a través del
diodo de libre circulación (free-wheeling).
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a BJT
parámetros importantes
• Tensión máxima en terminales colector - emisor
• Corriente pico de colector
• Corriente eficaz de operación (asociada a pérdidas)
• Tensión colector - emisor en saturación
• Corriente de base para garantizar saturación (beta)
• Tiempo de encendido
• Tiempo de apagado
• Resistencia térmica
• Temperatura de unión y encapsulado
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a BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR (BJT)
Transistor cases
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a BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR (BJT)
Datasheets
2N2222
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a
BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR (BJT)
Datasheets
2N2222
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a
BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR (BJT)
Datasheets
2N2222
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a MOSFET
simbología
Flujo de
Corriente
S
D
G
• El flujo de corriente principal es entre
el Drenaje (Drain) y la Fuente
(Source).
• La terminal de control es la
Compuerta (Gate).
• La estructura de fabricación y
funcionamiento los hace los
componentes de potencia más rápidos
que existen.
Los tiempos de encendido y apagado son del orden de los 0.3 s
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a Estructura de un MOSFET
Flujo de
Corriente
S
D
G
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a ENHANCEMENT-TYPE MOSFET CONSTRUCTION
The Drain (D) and Source (S) connect to
the to n-doped regions.
These n-doped regions are connected
via an n-channel. The Gate (G) connects
to the p-doped substrate via a thin
insulating
layer of SiO2. There is no channel. The
n-doped material lies on a p-doped
substrate that may have an additional
terminal connection called SS.
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a
The electrons in the p substrate will be attracted to the
+G and accumulate in the region near the surface of
the SiO2 layer
The SiO2 layer and its insulating qualities will prevent
the negative carriers from being absorbed at the gate
terminal
VGS increase, the concentration of electrons near the SiO2 surface increase until eventually the induced n-type region can support a measurable flow between D and S
The level of VGS that results in the significant increase in drain current is called the threshold voltage, VT.
VGS increase beyond the VT level the density of the carriers in the induced channel will increase and ID also increase
ENHANCEMENT-TYPE MOSFET OPERATION
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a
If VGS constant and increase the level of
VDS, ID will eventually reach a saturation
level as occurred for the JFET
Applying Kirchoff’s voltage law to the terminal voltage of the MOSFET
VDG = VDS- VGS
If VGS fixed at some value, 8V, VDS increased from 2 – 5V, the VDG will drop from -6V to -3V and the gate will become less and less positive with respect to the drain
ENHANCEMENT-TYPE MOSFET OPERATION
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a
VGS is always positive, As VGS increases, ID increases, but if VGS is kept constant and
VDS is increased, then ID saturates (IDSS). The saturation level, VDSsat is reached.
TGSDsat VVV
ENHANCEMENT-TYPE MOSFET CONSTRUCTION
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a COMPARISON OF OPERATION CURVES OF MOSFET AND BJT
MOSFET
BJT
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a P-CHANNEL ENHANCEMENT-TYPE MOSFETS
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a MOSFET
condiciones de operación
Para el encendido (saturación o cerrado)
• La tensión compuerta - fuente debe estar entre los 10 y 18 V, y la
tensión drenaje - fuente debe ser positiva.
• Son dispositivos controlados por tensión, con un consumo mínimo de
corriente en su terminal de encendido.
• Son componentes altamente sensibles a las descargas estáticas,
especialmente en la terminal de compuerta.
• El componente saturado ofrece un comportamiento resistivo entre sus
terminales de drenaje y fuente, por lo que la potencia disipada es
función de la corriente circulando.
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a MOSFET
condiciones de operación
Para el apagado (corte o abierto)
• La tensión compuerta - fuente debe ser igual a cero volts o negativa,
pero no inferior a -15 V.
• La tensión entre compuerta y fuente debe mantenerse a cero o negativa
para evitar encendidos en “falso”.
• La velocidad de apagado depende directamente de la velocidad de
cambio en la señal de compuerta - fuente.
• El flujo de corriente negativa en el dispositivo se puede mantener a
través del diodo de libre circulación (free-wheeling).
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a MOSFET
limitaciones de operación
A pesar de ser los componentes más veloces, están limitados en los
niveles de potencia que pueden manejar.
• No pueden manejar simultáneamente voltajes altos y corrientes altas.
Los rangos extremos son del orden de 1200 V a 5 A, y 150 V a 200 A.
• Los rápidos tiempos de encendido y apagado limitan las pérdidas en
conmutación, permitiendo que el dispositivo pueda operar a
frecuencias de hasta 250 - 400 KHz..
• Se emplean de manera masiva en balastos, fuentes conmutadas para
PC y otras computadoras industriales, fuentes de alimentación de
equipo electrónico, servos de baja potencia, etc.
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a MOSFET
parámetros importantes
• Tensión máxima en terminales drenaje - fuente
• Corriente pico de drenaje
• Corriente eficaz de operación (asociada a pérdidas)
• Resistencia de operación entre drenaje y fuente
• Máxima potencia que puede disipar
• Tensión compuerta - fuente para encendido y apagado
• Tiempo de encendido y apagado
• Resistencia térmica
• Temperatura de unión y encapsulado
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a IGBT
simbología
Estructura híbrida
• El flujo de corriente principal es entre
el Colector y el Emisor.
• La terminal de control es la
Compuerta (Gate).
• La estructura de fabricación se basa
en un esquema híbrido, una
combinación de un BJT y un
MOSFET.
Los tiempos de encendido y apagado son menores a 1 s
Flujo de Corriente
E
C
G
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a Estructura de un IGBT
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a Curvas características para un IGBT canal n
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a IGBT en estado de conducción
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a Estructura equivalente de un IGBT
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a Sin embargo, existe un SCR parásito en el IGBT
SCR Parásito
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a ¿Qué efectos puede tener?
¿Qué se puede hacer para evitarlo?: a) Limitar ID máxima al valor
recomendado por el fabricante, b) Limitar la variación de VGS máxima al valor
recomendado por el fabricante
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a Curvas para el apagado. En el encendido es como
un MOSFET
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a Elementos parásitos característicos
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a Algunos encapsulados
Medio Puente
Puente completo
trifásico
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a IGBT
condiciones de operación
Para el encendido (saturación o cerrado)
• La tensión compuerta - emisor debe estar entre los 10 y 18 V, y la
tensión compuerta - emisor debe ser positiva.
• Son dispositivos controlados por tensión, con un consumo mínimo de
corriente en su terminal de compuerta.
• Son componentes altamente sensibles a las descargas estáticas,
especialmente en la terminal de compuerta.
• El componente saturado ofrece una caída de tensión del orden de 1.5 a 3
V.
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a IGBT
condiciones de operación
Para el apagado (corte o abierto)
• La tensión compuerta - emisor debe ser igual a cero volts o negativa,
pero no inferior a -15 V.
• La tensión entre compuerta y emisor debe mantenerse a cero o
negativa para evitar encendidos en “falso”.
• La velocidad de apagado depende directamente de la velocidad de
cambio en la señal de compuerta - fuente.
• El flujo de corriente negativa en el dispositivo se puede mantener a
través del diodo de libre circulación (free-wheeling).
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a IGBT
Generalidades sobre la operación
En los últimos años, los IGBTs son los componentes que más han
evolucionado, desplazando a los BJT e incursionando en potencias que
antes manejaban exclusivamente los SCRs y GTOs.
• Las nuevas tecnologías permiten fabricar dispositivos de 600 A a 2800 V.
• Los rápidos tiempos de encendido y apagado limitan las pérdidas en
conmutación, permitiendo que el dispositivo pueda operar a frecuencias
de 30 kHz en módulos de potencia, y de 150 kHZ en dispositivos
discretos.
• Están siendo ampliamente empleados en variadores de velocidad,
choppers de CD, sistemas de tracción, UPS, etc.
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a IGBT
Parámetros importantes
• Tensión máxima en terminales colector - emisor
• Corriente pico de colector
• Corriente eficaz de operación (asociada a pérdidas)
• Caída de tensión entre colector y emisor en saturación
• Máxima potencia que puede disipar
• Tensión compuerta - emisor para encendido y apagado
• Tiempo de encendido y apagado
• Resistencia térmica
• Temperatura de unión y encapsulado
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a
SMART POWER
Son módulos híbridos donde se combinan funciones, control y
estructuras de potencia
• Los módulos inteligentes o “smart power” son nuevas tecnologías en el
mercado (5 años o menos), integrando funciones.
• Los dispositivos de potencia empleados suelen ser IGBT’s, incorporando
funciones integradas como impulsores, protección contra sobre corriente
y corto circuito, protección contra sobre temperatura.
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a
• Dispositivo auxiliar (p.e. disparo de tiristores)
• Soporta picos de corrientes elevados
• Se debe conocer la Tensión de encendido (p.e.
33V en el DB3)
• DB3: Diac comercial muy popular
DIAC: Diode AC
Característica
IT
VT
+VB -VB A1 A2
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a
Estructura Interna
P1
P2
N1
N3 N3
T2
T1
N2 N2
DIAC: Diode AC
T2
T1
Podemos decir que es un interruptor que se cierra por tensión (Tensión
de ruptura) y permanece cerrado hasta que la corriente por el pase por
cero (corriente de mantenimiento)
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a
R1 = 0 , máxima potencia
R1 = Elevada, mínima potencia
Ejemplo: Control de TRIAC con DIAC (Típico regulador de luz de salón)
DIAC
Ejemplo de uso
Carga
R1
R2 R3
C
TRIAC controlado por DIAC
(Montaje simplificado)
A2
A1
G
I G
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a GTO
(Gate Turn-off) A C
G
La especial estructura del dispositivo
permite el apagado por puerta (con
un pulso negativo).
Por lo demás es similar al SCR.
Estructura de un GTO simétrico
A
C G
C
G
Vista desde abajo
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a Estructura de un GTO
Las principales diferencias con un SCR son:
• Interconexión de capas de control
minimizando la distancia entre puerta y
centro de regiones catódicas y aumentando
el perímetro de las regiones de puerta
• Ataque químico para acercar el contacto de
puerta al centro de las regiones catódicas
• Las regiones n+ que cortocircuitan regiones
anódicas permiten acelerar el apagado y
tener una tensión inversa de ruptura muy
baja
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a Curvas características y símbolos del GTO
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a
Funcionamiento del GTO
• Para el encendido se usa el
mismo proceso que un SCR
• Para el apagado se requiere
aplicar una corriente
negativa en la compuerta
2 1
2 1 11
B A G
C B A
I I I
I I I
Para que T2 no se sature se requiere que:
2 2
2 22 2
donde 1
CB
II
2 2 1 2
2
2 2
1 1 1C
B A
II I
1 2
2 1
2
1 1B A G AI I I I
2
1 2
donde 1
AG off
off
II
Ganancia de corriente para el corte
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a
Funcionamiento del GTO
Para lograr el apagado del GTO con una corriente razonable en la compuerta
la ganancia off debe ser lo más grande posible. Para lograrlo, de su ecuación
puede verse que conviene que 21 y 10.
LO ANTERIOR TIENE CONSECUENCIAS PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL
DISPOSITIVO
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a
α2 ≈1 implica que la base de T2 (capa de control) sea estrecha y poco dopada y que su emisor (capa catódica) esté muy dopado. Estas condiciones son las normales en los SCR. α1 ≈0 implica que la base de T1 (capa de bloqueo) sea ancha y tenga una vida media de los huecos muy corta. La primera condición es normal en SCRs de alta tensión, la segunda no, porque ocasiona un aumento de las pérdidas en conducción. Para conseguir una buena ganancia βoff será necesario asumir pérdidas en conducción mayores. Los cortocircuitos anódicos evitan estas pérdidas extras, al quitar corriente de base a T1. Respecto a la velocidad de corte de T1, si la vida media de los huecos es larga, el transistor se vuelve muy lento, ya que solo pueden eliminarse por recombinación al no poder difundirse hacia las capas p circundantes por estar llenas de huecos. Los cortocircuitos anódicos aceleran la conmutación de T1 al poder extraerlos (a costa de no soportar tensión inversa)
Funcionamiento del GTO
Dr. Ciro Alberto Núñez Gutiérrez
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a Funcionamiento del GTO: formas de onda de corriente
de compuerta a) Para entrar en conducción, se necesita una subida
rápida y valor IGM suficientes para poner en conducción todo el cristal.
b) Cuando se ha establecido la conducción se deja una corriente IGON de mantenimiento para asegurar que no se corta espontáneamente. (Tiene menos ganancia que el SCR).
c) Para cortar el GTO se aplica una corriente IG- grande, ya que βoff es del orden de 5 a 10
d) Esta corriente negativa se extingue al cortarse el SCR, pero debe mantenerse una tensión negativa en la puerta para evitar que pudiera entrar en conducción esporádicamente
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a Funcionamiento del GTO: ejemplo de circuito de
disparo
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a Tiristor controlado por compuerta aislada IGCT
GTO y Diodo de la misma tensión de ruptura. Para integrarlos en la misma oblea, hay que hacer el diodo más ancho ⇒ Más pérdida
• IGCT y Diodo de la misma tensión de ruptura. Se integran sin problemas.
• Se suprimen los cortocircuitos anódicos, se sustituyen por una capa anódica “transparente” a los electrones con menores pérdidas en conducción.
• Se mejora el diseño de la puerta (muy baja inductancia) ⇒ 4.000 Amp/µs(con una tensión Puerta-Cátodo de sólo 20V).
• Apagado muy rápido lo que permite menores pérdidas en conmutación.
DIODO
SCR
IGCT
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a Tiristor controlado por compuerta aislada IGCT, zona
de operación segura
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a MCT, tiristor controlado por MOS
K
G
A
Símbolo
Estructura de un MCT y circuito equivalente
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a
o Estructura formada por un SCR y dos transistores MOS (uno
para encenderlo y otro para apagarlo).
o Estructura compleja, con muchos requerimientos
contradictorios.
o Comenzaron las investigaciones en 1992, en la actualidad se
han abandonado al no poder alcanzar potencias elevadas y no
ser competitivo con el MOS en bajas potencias (frecuencia
menor y mayor complejidad de fabricación ⇒ mayor costo).
MCT, tiristor controlado por MOS: carcaterísticas
Dr. Ciro Alberto Núñez Gutiérrez
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a LASCR, Tiristor controlado por luz.
• Son Tiristores activados por luz
• Utilizados en Alta tensión
• Frecuencias de conmutación de hasta 2KHz
• Tensiones elevadas 6000V y 1500A
A K
G
NOTA:
Normalmente disponen de conexiones especiales para ser disparados con
fibra óptica. Son interesantes en entornos de corrientes y tensiones
elevadas, permitiendo un elevado aislamiento entre el circuito de
potencia y el de control.
Dr. Ciro Alberto Núñez Gutiérrez
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a
TOSHIBA
Algunos fabricantes de tiristores