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Universidad Pública de NavarraTema 2.- Tecnología de componentes.
0
Máster en Ingeniería Industrial
Máster en Energías Renovables: Generación Eléctrica.
ELECTRÓNICA DE POTENCIA
Departamento de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaUPNA
Luis MarroyoEugenio GubiaErnesto BarriosRoberto Gonzalez
Universidad Pública de NavarraTema 2.- Tecnología de componentes.
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Tema 1. Introducción.
Tema 2. Tecnología de componentes.
Tema 3. Inversor trifásico: control analógico y dimensionado.
Tema 4. Digitalización de los lazos de control.
Tema 5. Control vectorial de inversores trifásicos.
Tema 6. Convertidores multinivel.
Tema 7. Análisis del modo común en convertidores electrónicos.
Tema 8. Filtros EMI.
TEMARIO
Universidad Pública de NavarraTema 2.- Tecnología de componentes.
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• Funcionan como interruptores y representan la parte más importante de un convertidorestático y, en gran medida, son los que van a fijar sus prestaciones. Los principales son:
Diodo: No tienen control ni de encendido ni de apagado.
Transistor bipolar: Control de encendido y apagado. Gran capacidad de aguante entensión-corriente pero no se utilizan por ser controlados con corriente.
MOSFET: Control de encendido y apagado. Se controlan con tensión pero tienenuna capacidad limitada en tensión. Se utiliza en bajas tensiones-potencias.
IGBT: Combina las características de capacidad en tensión-corriente y control portensión. Son los más utilizados.
TIRISTOR: Control de encendido, reversible en tensión y muy lento. Se utiliza enaplicaciones de conexión a red de gran tensión-potencia.
GTO: Tiristor modificado para obtener control de apagado. Es muy lento y tienegrandes pérdidas de apagado.
IGCT: GTO modificado encapsulado junto al driver. Se controla por fibra óptica ypresenta mucha capacidad en tensión-potencia y buenas características de rapidez ypérdidas de conmutación.
2. TECNOLOGÍA DE COMPONENTES2.1 Semiconductores de potencia.
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3
2 segmentos
Vk
Ik
IGBT n-MOSFET
Vk
Ik
Vk
Ik
BJT
Vk
Ik
Vk
IkIk
Vk
Diodos
Vk
IkIk
Vk
Transistores
3 segmentos
Vk
IkIk
VkVk
Ik
Vk
Ik
Vk
Ik
Tiristor
Vk
Ik
Vk
Ik
Vk
Ik
Vk
Ik
= =y
Característicaestática de los interruptores más empleados
Síntesis de interruptores de 3
segmentos
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2.1.1 DIODO.• Es el semiconductor más sencillo y consta únicamente de una unión PN. En electrónicade potencia la capa N se divide en dos partes, una primera poco dopada (capa N-) y otramuy dopada (capa N+). La capa poco dopada es necesaria para que el transistor puedaaguantar grandes tensiones y su espesor depende de la tensión que tiene que bloquear.
• Cuando se aplica una tensión VAK>0 la unión se llena de portadores (el + repele loshuecos de la capa P y atrae los electrones de la N) y el diodo conduce. La corriente sepuede ver cómo un flujo de huecos.
• Cuando se aplica una tensión VAK<0 la unión se queda sin portadores que puedanconducir y el diodo se apaga.
• Para que el diodo empiece a conducir habrá que llenar la unión de portadores y paraque se corte habrá que extraerlos. El comportamiento (almacenamiento de cargas) essimilar al de un condensador⇒ toda unión PN tendrá asociado un condensador parásito⇒ durante el apagado (extracción de cargas) circulará una corriente negativa.
n
p
Cátodo (K)
Símbolo
Anodo (A)
A
K Cátodo (K)
Anodo (A)
VAK
IF
+ + + + + + + p
n _ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ _ _ _
+ + + + + + +
Cátodo (K)
Anodo (A)
+ + + + + + + p
n _ _ _ _ _ _ _
p
n
A
K
Cpn
Estructura Diodo polarizado en directa
Diodo polarizado en inversa
Capacidad parásita equivalente
+ n -
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• Para que el diodo empiece a conducir se necesita una tensión mínima para acercar losportadores a la unión PN.
• En conducción el diodo se comporta, de forma aproximada, como una fuente detensión, VTO, de 0.8 a 2 V en serie con una resistencia, rT, de mΩ.
• En corte, si se sobrepasa la tensión máxima que aguanta la unión, denominada tensiónde ruptura (VRRM), el diodo entra en avalancha produciéndose la rotura de la unión PNcon la consecuente destrucción del diodo.
Símbolo
A
K
VAK
IF
Cátodo (K)
Anodo (A)
Característica estática del diodo
Circuito equivalente aproximado
VRRM
VTO VTO
Caída de tensión en directa (VF)
VAK
IF
IF
VAk
Característica estática
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• Encendido: El diodo empezará a conducir cuando el circuito exterior le aplique unatensión positiva. Sin embargo, inicialmente, en el momento del encendido, en la uniónPN no hay portadores lo que hace que aparezca una tensión en bornes del diodo quepuede llegar a alcanzar los 30 V. Una vez que la unión se llena de portadores la tensióndel diodo disminuye hasta la tensión directa VF.
• Apagado: En T0 el circuito exterior hace que la corriente por el diodo (IF) comience adisminuir. En T1 la corriente por el diodo llega a cero, pero la unión PN está llena deportadores por lo que sigue conduciendo corriente negativa, que corresponde con laextracción de cargas de la unión. En T2 las cargas han sido extraídas y el diodo se corta,produciéndose una brusca variación de la corriente hasta anularse en T3. En el intervaloT2-T3 conviven grandes valores de tensión y corriente⇒ Pérdidas de conmutación.
IF
VAK
T0 T1 T3
IRRM QRR
T2
TRR
Característica dinámica
IRRM: corriente de recuperación inversa máxima.Es función del valor de la corriente al inicio y dela dIF/dt durante el apagado (cuanto mayor es ladIF/dt mayor es la IRRM)
QRR: Carga de recuperación inversa (carga aextraer de la unión).
TRR: Tiempo de recuperación inversa (tiempo deapagado del diodo).
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• Si el diodo debe trabajar a una frecuencia alta se necesita que la conmutación serealicede forma rápida (TRR pequeño). Esto se consigue realizando dopajes suaves, queimplican una menor cantidad de portadores (cargas) en la unión. El inconveniente deestatécnica es que al disponer de un menor número de portadores la caída de tensión enconducción es mayor.
• Existen en el mercado diodos especializados para bajas ( baja tensión de conducción) yaltas (bajo TRR) frecuencias de conmutación. Además, existen un tipo de diodos,denominados Schottky, que presentan una caída de tensión en conducción inferior a los0,3V. Estos diodos se utilizan para aplicaciones de baja tensión.
Característica dinámica
TIPO DE DIODO TRR CORRIENTE
TENSIÓN
VF
Propósito general Rectificadores de baja
frecuencia (50 Hz)
>2 µs 1A- 1 kA
10V- 10 KV
≈ 1,6 V
Rápidos (alta frecuencia) <200 ns 1A- 1 kA
50V- 3,3 KV
≈ 2,8 V
Schottky < 1 µs 0,1 A- 10 A
50V- 120 V
≈ 0,3 V
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• Pérdidas instantáneas (pcon) y media (Pcon) en conducción (Pcon):
•Pérdidas de conmutación:Se obtienen a partir de la energía perdida duranteel encendido (Eon) y durante el apagado (Eoff) multiplicándolas por lafrecuencia de conmutación Fcon (número de conmutaciones por unidad detiempo).
Pérdidas en el diodo:
- La energía perdida durante el encendido es despreciable, Eon=0
Cátodo (K)
Anodo (A)
VTO
IF
VF 2
0)( FTFTFFFcon IrIVIIVp +≈=
( )con
DONFTFT
con
DONFFF
T
FFFcon
con T
TIrIV
T
TIIVdtIIV
TP
DON )(20
)(
0)()(
1 )(+≈≈= ∫
CteISi F ≈
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• Pérdidas de conmutación:
- La energía perdida durante el apagado, Eoff (IF, VR, dIF/dt), se puede calcular a partir dela gráfica correspondiente en las hojas características corrigiendo el efecto de la tensión yla corriente. Habitualmente, la dIF/dt la marca el transistor con el que forma la célulaelemental de conmutación, que a su vez depende de su resistencia de puerta RG. Lapotencia se obtiene multiplicando la Eoff por la frecuencia de conmutación, Fcon.
Pérdidas en el diodo:
conoffRGFref
F
Rref
RFRrefFrefoffconFRFoffoff FK
I
I
V
VdtdIVIEFdtdIVIEP 6,06,0 )()()/,,()/,,( ≈=
• KoffRG es un coeficiente que permite tener en cuenta la influencia de RG (similar a como severá para el IGBT).
• Si no se dispone de la gráfica de Eoff, la energía perdidadurante el apagado se puede calcular, de formaaproximada, a partir de la carga de recuperación inversa(QRR) y la tensión inversa, VR, a la cual se que corta eldiodo (valor distinto al de la máxima tensión que aguantael diodo, VRR):
conRRRoffconFRFoffoff FVQKFdtdIVIEP ≈= )/,,(
Koff depende de la tecnología del diodo y habitualmente toma valores cercanos a 0,25.
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n+ n+
p
n-
n+ p+
Colector
Emisor Puerta
G
E
C
(a) Estructura (b) Circuito equivalente (c) Símbolo
C
E
G VCE
2.1.2 IGBT.
• El transistor bipolar de puerta aislada es un elemento híbrido que puede verse como unMOSFET controlando a un BJT para aprovechar las ventajas de ambos: Control por tensióny característica de salida similar a la del BJT. Su estructura corresponde a la de un MOSFETal cual se le ha añadido en el drenador (colector) una tercera unión PN que inyectaportadores minoritarios en el canal cuando el IGBT conduce.
• Cuanto menos se dopa la capa N- (menos cargas)⇒ más rápido⇒ mayor VCEsat.
• Cuanto mayor es el espesor de la capa N- mayor es la tensión que aguanta⇒ mayor VCEsat
• Con tensiones que van desde los 250 V hasta los 6,6 kV y corrientes superiores a los2400A es el elemento más utilizado en la electrónica de potencia (del kWa varios MW).
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Característica estática del IGBT
Tensión positiva. VCE > 0.• En conducción si VGE ≥ VGE(th) ≈ 5 ó 6 V: Para garantizar la saturación habitualmente VGE = 15V. En saturación el IGBT se comporta como una fuente de tensión (VCE( T0))) con una resistencia en serie (rCE). La VCEsataumenta con la temperatura ⇒ se puedan conectar en paralelo.
• En corte si VGE ≤ VGE(th) (típico VGE = -5).
• Entrada en avalancha si VCE > BVCES.
Tensión negativa. VCE < 0.• Si VCE > VRRM ⇒ Corte • Si VCE < VRRM ⇒Avalancha
Característica de salidaen función de VGE.
Semikron 400 GA 173 D
VCE(TO)
rCE
C
E
Ic
Circuito equivalente en conducción
C
E
G VCE
IC VGE
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Conmutaciones del IGBT:
t0-t1: Tiempo de retraso de encendido o “Turn-on Delay Time” (tdon). Es el tiempoque va desde la aplicación de la orden de encendido hasta que VGE alcanza el valorde VGS(th). Durante este intervalo, como VGS está por debajo de la tensión umbral,el IGBT permanece apagado. La duración de este intervalo depende de lacapacidad parásita de entrada Cies, que corresponde con CGCy CGE en paralelo, dela RG y y de la VG (carga de una capacidad a través de una resistencia).
t1-t2: Tiempo de subida o “Rise Time” (tr). Es el tiempo que tarda IC en pasar del10% al 90% de su valor final. Su valor depende de las características del IGBT yde RG. El pico de la corriente al final de intervalo es debido a la corriente inversadel diodo complementario. Durante este intervalo el diodo sigue conduciendo, porlo que VCE no varía y la tensión VGE sigue creciendo. Por último destacar que seproducen grandes pérdidas al convivir grandes valores de tensión y corriente.
t2-t3: Una vez bloqueado el diodo la tensión VCE comienza a bajar. En esteintervalo toda la corriente IG es absorbida por la descarga de la capacidad CGC(efecto Miller) por lo que la tensión VGE permanece prácticamente constante. Seproducen grandes pérdidas al convivir grandes valores de tensión y corriente.
t3- : Una vez terminada la conmutación del MOSFET la tensión de puerta (VGE)sigue subiendo hasta alcanzar el valor VG. El valor de la capacidad de entradaCies varía con VCE, siendo mayor cuanto menor es VCE ⇒ la constante de tiempodel sistema mayor (menor pendiente).
IDC
VG
VGE
IG
ID
VDS
t0 t1 t2 t3
VGE(th)
VG
VG / RG
IDC
VDC
VG
ENCENDIDO
Característica dinámica del IGBT
• Durante las conmutaciones es necesario cargar y descargar las diferentes capacidades parásitas delIGBT, por lo que se verán fuertemente influenciadas por éstas y por la resistencia de puerta (RG).
VDC
RG
VG
CGC
CCE
CGE
IG
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Conmutaciones del IGBT:
t0-t1: Tiempo de retraso de apagado o “Turn-off Delay Time” (tdoff). Es eltiempo que va desde la aplicación de la orden de apagado hastaque la tensiónVGE alcanza el valor de VGE(th). Durante este intervalo, como VGE es superior ala tensión umbral, el IGBT permanece encendido. La duraciónde este tiempodepende de la capacidad parásita de entrada (Cies) y de RG. La duración de esteretraso es generalmente mucho mayor que el del encendido dado que la Ciespresenta un fuerte valor cuando el IGBT conduce (VCE pequeña).
t1-t2: Una vez alcanzada VGE(th) la tensión VCE comienza a aumentar hastaalcanzar el valor de VDC. En este intervalo toda la corriente IG es absorbida porla carga de la capacidad CGC (efecto Miller) por lo que la tensión VGEpermanece constante. La intensidad del IGBT no varía debidoa que el diodocomplementario sigue cortado al estar sometido a una tensión negativa.Durante este intervalo se producen grandes pérdidas al convivir nuevamentegrandes valores de tensión y corriente.
t2-t3: Tiempo de bajada o “Fall Time” (tf). Tiempo que tarda la corriente enpasar del 90% al 10% . Este tiempo varia muy poco con el valor deRG. Lacaída de tensión en las inductancia parásitas se suma a la tensión de cortepudiéndose producir una sobretensión en el IGBT. Al final deeste periodoaparece una corriente de cola debida a la conmutación más lenta del BJT (cargaalmacenada en su base o huecos en la región n-). Esta cola aumentan laspérdidas de apagado del IGBT. A partir de t3 la tensión de puerta (VGE) siguebajando hasta anularse.
APAGADO
VG
t0
VGE
IG
IC
VCE
t1 t2 t3
VGE(th)
VG
VG / RG
IDC
VDC
VG
VDC
RG
VG
CGC
CCE
CGE
IG
IDC
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• La información sobre las capacidades parásitas la da el fabricante a partir de la capacidad de entrada (Cies), capcidad de salida (Coes) y capacidad de miller (Cres).
• Para un IGBT dado, los tiempos de conmutación dependen de la resistencia de puerta (RG)y de Ic. Habitualmente el tiempo de retraso en el apagado (tdoff) es mayor que el deencendido (tdon).
GCres
GCCEoes
GCGEies
CCCCCCCC
=+=+=
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Pérdidas en el IGBT:
Pérdidas de conducción:Se pueden calcular a partir del circuitoformado por una fuente de tensión (VCE( T0)) con una resistencia enserie (rCE) que representa el comportamiento del IGBT.
Potencia instantánea
Potencia media(suponiendo Ic=cte.)
CCCEsatcon IIVp )(=
con
IGBTONCCCEsat
T
CCCEsatcon
con T
TIIVdtIIV
TP
IGBTON )(
0)()(
1 )(== ∫
En la mayoría de los casos el fabricante da una gráfica conel valor de la VCEsat en función de la corriente de colector(Ic) y de la tensión de puerta (VGE). Utilizando esta gráfica,las pérdidas de conducción quedan:
VCE(TO)
rCE
C
E
Ic
2)()( CCECTOCECCCEsatcon IrIVIIVp +≈=
( )con
IGBTONCCEFTOCE
T
CCCEsatcon
con T
TIrIVdtIIV
TP
IGBTON )(2)(
0
)()(
1 +≈= ∫
Potencia instantánea:
Potencia media:(suponiendo Ic=cte.)
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Pérdidas de conmutación:La energía perdida en cadaconmutación depende de la tensión (VCE) y corriente (IC)de trabajo, así como de la tensión de control (VGE) y laresistencia de puerta (RG). Se puede obtener a partir de lashojas de características del fabricante, EON (VCEref, ICref,RGref) y EOFF (VCEref, ICref , RGref) pasándola a lascondiciones reales:
Las pérdidas de conmutación (Pconm) para una frecuencia de conmutación Fcon serán:
conOFFONconm FEEP )( +=
RGoffCref
C
CEref
CERCrefCErefoffGCCEoff K
I
I
V
VIVERIVE
Gref)()(),(),,( 3,1
,≈
RGonCref
C
CEref
CERCrefCErefonGCCEon K
I
I
V
VIVERIVE
Gref)()(),(),,( 3,1
,≈
Las constantes KRGon y KRGoff se calculan, a partir de lagráfica de pérdidas de conmutación en función de RG,comparando las pérdidas obtenidas con la RGref de lagráfica anterior (6Ω en este caso) y la RG utilizada:
),,(
),,(
GrefCrefCErefon
GCrefCErefonRGon RIVE
RIVEK =
),,(
),,(
GrefCrefCErefoff
GCrefCErefoffRGoff RIVE
RIVEK =
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Áreas de seguridad
SOA. “Safe Operating Area”, muestra la zona de trabajo sin problemas en condiciones defuncionamiento continuo o pulsante.RBSOA. “Reversed Biased Safe Operating Area”) Área de seguridad eninversa. Limita la zonadentro de la cual debe permanecer el punto de funcionamientodurante la conmutación de apagado,para un funcionamiento repetitivo.SCSOA. “Short Circuit Safe Operating Area”). Cuando se cortocircuita un IGBT, este entra en laregión continua limitando la corriente máxima a un valor comprendido entre 3 (gran potencia) y 10(pequeña potencia). Si se respetan los límites de tensión (habitualmente inferior a VCES) y corriente(límite de VGE) marcados en la SCSOA, se dispone de 10µs para cortar el IGBT sin que se produzcasu destrucción.
0
1
2
3
0 1000 2000 3000 4000
Vce
Ic/Icn
1
10
100
1000
10000
1 10 100 1000 10000
10 ms
1 ms
DC
100 µs
Vce
10 µsIc
0
1
2
3
4
0 1000 2000 3000 4000
Vce
Ic/Icn
a) SOA b) RBSOA c) SCSOA
Tc = 25 ºC Tj < 150 ºC
Tj<150ºC
V VGE
= ±15
Tj<150ºC
V VGE
= ±15
tsc < 10 µs
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IGBTs Comerciales
Módulos de SEMIKRON (600V-300A)
IGBT con diodo en antiparalelo de EUPEC (3300V-1200A)
IGBT de EUPEC (1200V-600A)
IGBT de IXYS (600V-100A)
IGBT de IXYS (600V-40A)
Módulo de EUPEC (1200V-400A)
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10-1
101
102
103
104
10-1 100 101 102 105
f (kHz)
P (kVA)
106
TIRISTOR (HVDC, molinos de minas, hornos de fundición, etc
GTO (Statcom, propulsión naval, hornos industriales)
IGBT (energías renovables, accionamientos industriales de pequeña y mediana potencia, calentamiento por inducción, robótica, máquina herramienta, UPS, etc.
MOSFET (automoción, fuentes de alimentación…
105
CoolMOS (telecomunicaciones, televisores LCD, iluminación)
HVIGBT-IEGT (tracción ferroviaria, generadores eólicos, Accionamientos industriales de potencia, etc.)
IGCT (Statcom, hornos industriales, propulsión naval..)
2.1.3 Utilización de los semiconductores.
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20Esquema funcional del driver
Amplificador señales
Rg
IGBT
Acoplamiento entrada
Fuente DC aislada
Sistema
digital de control
Ref. Driver
Ref control
Señal control (digital)
Detección anomalías
Acoplamiento Señal error
+ Vdc
Medida Vce
Circuito Driver
Señal Error
(digital)
2.1.4 Driver.• Adecua la señal de control de encendido y apagado a las exigencias del semiconductor. Habitualmente incorporan las siguientes funciones:
Amplificación de la señal de control a los valores de tensión y corriente necesarios.
Aislamiento galvánico (transformador de pulsos, opto-acoplador o fibra óptica).
Protecciones contra tensiones bajas de alimentación y cortocircuitos.
Driver de Eupec para 2 IGBTs de
hasta 1700V 3600A)
• Cuanto menor sea Rg menor será el tiempo de conmutación, y las pérdidas, pero mayor será el pico de corriente por el driver, la corriente inversa del diodo que se apaga y las EMIs. Se puede hacer el encendido más lento que el apagado poniendo otra Rg en paralelo con un diodo.
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Resistencias térmicas (ºC/W)• Rthjc - resistencia unión (junction) - carcasa (case)• Rthch - resistencia carcasa - Radiador (heatsink)• Rthha - resistencia Radiador - ambiente
Temperaturas• Tj - Temperatura de la unión.• Tc - temperatura de la carcasa• Th - temperatura del radiador• Ta - temperatura ambiente
Circuito eléctrico equivalente del proceso de disipación térmica
• El límite de la corriente media que puede circular por el semiconductor es un límitetérmico. Las pérdidas (Pper), que dependen de la corriente y de la frecuencia deconmutación, se transforman en calor elevando la temperatura de la unión⇒ Lacorriente máxima la determinan las pérdidas del semiconductor (Pper), la temperaturamáxima de trabajo del silicio (Tjmax≈125º), la temperatura de ambiente máxima (Tamax) yla resistencia térmica total (Rthja).
• Para disminuir la resistencia térmica se dota al encapsulado de una parte metálica(placa base) a la que se acopla la unión (silicio) a través de un aislante. Habitualmente, seutilizan radiadores que permiten disminuir la resistencia térmica del conjunto.
Encapsulado de plastico
Silicio Aislante
Radiador
Ta Tj Tc Th
Rthjc Rthch Rthha
Pper
Encapsulado metálico
perthhathchthjcaperthjaaj PRRRTPRTT )( +++=+=
2.1.5 Sistema de refrigeración.
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• Las pérdidas máximas que se podrán dar en el semiconductor serán:
)(maxmax
maxthhathchthjc
ajper RRR
TTP
++−
=
• Para aumentar las pérdidas que admite un determinado semiconductor y, por tanto, lapotencia del convertidor y la frecuencia de conmutación, se deben reducir todo lo posiblelas resistencias térmicas que hay entre la unión y el ambiente.
• La resistencia térmica desde la unión al encapsulado (Rthjc) depende del tipo deencapsulado (su valor lo dará el fabricante en las hojas de características, o datasheet, delsemiconductor) y no se puede reducir.
•Para reducir la resistencia térmica del encapsulado al radiador se deben utilizarsuperficies lisas y limpias y, además, hay poner una pasta conductora térmica entre ambos.Esta pasta reduce el aumento de la resistencia térmica debido a los microporos de lassuperficies metálicas.
Aplicación de pasta térmica con rodillo22
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• Algunos semiconductores no incluyen el aislante entre la unión yla placa base por lo que hay que poner una lámina de aislante entreel encapsulado y el radiador, lo que aumenta la Rthch
• Ejemplos de valores de Rthch en función del tipo de encapsulado:
• En muy alta potencia se suele reducir laRthch a la mitad evacuando las pérdidas porlos dos lados del semiconductor. En estecaso, la unión no está aislada delencapsulado y la corriente tiene que pasarpor los radiadores que quedan al mismopotencial que la unión con la que están encontacto
Directo: Rthch= 0,8 ºC/WCon pasta: Rthch= 0,5 ºC/WCon aislante y pasta: Rthch= 1,2 ºC/W
TO220 Módulo
Con pasta: Rthch= 0,038ºC/W Rthch= 0,003ºC/W
Encapsulado para refrigeración por ambos
lados (botón)
23
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• Una vez fijadas el resto de variables se calcula la resistencia térmica máxima delradiador al ambiente que se puede tener:
thchthjcper
ajthha RR
P
TTR −−
−≤
max
maxmax
• Como temperatura máxima de la unión se suele tomar 125º. El trabajar a mayortemperatura reduce la vida útil del semiconductor (la temperatura máximade ruptura delsilicio está en el entorno a los 200ºC)
•Una vez calculada la Rthha se elige el radiador a utilizar. Hay que tener en cuenta que laRthha que marca el fabricante en las hojas de características corresponde a unadeterminada posición del radiador (con las aletas en vertical) y un entorno abierto.
• Para mejorar la evacuación de calor por radiación se suelen utilizar radiadoresnegros.
Rthha= 13ºC/WRthja= 13,83ºC/W
IGBT (1200V, 40 A)Rthjc = 0,33ºC/WRthja= 40ºC/WRthch= 0,5ºC/W
Rthha= 9ºC/WRthja= 9,83ºC/W 24
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• En el caso de los módulos, donde se encapsulan varios semiconductores juntos, elcircuito térmico se analiza a partir de su equivalente eléctrico considerando que latemperatura de la placa base (encapsulado) es la misma para todos ellos.
Ta
Tj1
Tc
Th
Rthjc1
Rthch
Rthha
Pper1
Pper1+ Pper2…
Tj2
Rthjc2 Pper2
( )
.........
222
111
perthjccj
perthjccj
perthhathchac
PRTT
PRTT
PRRTT
+=
+=
++= ∑
• Habitualmente los fabricantes dan dos valores de resistencias térmicas, una para losdiodos y otra para los IGBTs.
25
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• Los radiadores para módulos consisten en un determinado perfil donde la longitud delradiador se elige de forma a obtener la resistencia térmica necesaria. Esta resistenciatérmica depende del número de módulos montados en el radiador (n), anchura de laplaca base del módulo (b) y potencia de pérdidas disipada (P). Para calcular lastemperaturas se supone que la temperatura del radiador es la misma en todos los puntosel mismo.
Radiador P4 de SEMIKRON
•
Ta
Tj1
Tc_mod2
Th
Rthjc1
Rthch
Rthha
Pper1
Pper_mod2
Tj2
Rthjc2 Pper2
Módulo 1 Módulo 3
Módulo 2
.........
222mod_2
112mod_1
2mod_2mod_
perthjccj
perthjccj
perthchhc
perthhaah
PRTT
PRTT
PRTT
PRTT
+=
+=
+=
+= ∑
26
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• La Rthhase puede reducir utilizando ventilación forzada con aire. La reducción que seconsigue depende, además de n, b y P, de la velocidad del aire.
Factor de reducción de la Rthha en función de la velocidad del aire.
Valor de la Rthhadel radiador P16 con su ventilador para diferentes puntos de funcionamiento27
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• En potencias muy grandes se utiliza refrigeración por agua para conseguir reducir laRthhaasí como el volumen del radiador. El inconveniente es que se complica mucho elsistema de refrigeración del líquido refrigerante.
Rthhaen función de la velocidad del refrigerante para el radiador HNC 52 de SEMIKRON.
Circuito de refrigeración por agua.28
Universidad Pública de NavarraTema 2.- Tecnología de componentes.
• Como es un límite térmico, un convertidor permite sobrecorrientes durante tiempos losuficientemente reducidos como para que no le de tiempo a la temperatura de lasobrepasar su valor máximo.
• Para calcular la temperatura alcanzadacuando, estando en un determinado puntode trabajo se produce una sobrecorrinete,se trabaja con la impedancia térmica, Zth,cuyo valor depende de la duración deltransitorio.
perthhathchthjcj PZZZT ∆++=∆ )(
−=∆
−
∑ th
t
thperj eRPT τ1
1
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