Date post: | 21-Apr-2015 |
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Tema 1
Dispositivos de Potencia
Regiones operativas de componentes
El Diodo de Potencia Técnicas para mejorar la VBD.
V 1 V 2
da
V 1 V 2
db
El Diodo de Potencia
V máx Imáx V directo T conmut AplicacionesRecitificadores AltaTensión
30Kv 0.5A 10V 100n Alta tensión
Propósito General 5Kv 10KA 0,7 a 2,5V 25u Rectificadores a 50HzRecuperación rápida 3Kv 2KA 0,7 a 1,5V <5u Circuitos conmutados Diodos Schottky 120v 300A 0,2 a 0,9V 30n Circuito s conmutados BTZéner de Potencia 300v 75W Referencias de tensiones
El Diodo de Potencia Características de catálogo:
Tensión inversa de trabajo, VRWM= máxima tensión inversa que puede soportar de forma continuada sin peligro de avalancha.
Tensión inversa de pico repetitiva, VRRM= máxima tensión inversa que puede soportar por tiempo indefinido si la duración del pico es inferior a 1ms y su frecuencia de repetición inferior a 100Hz.
Tensión inversa de pico único, VRSM= máxima tensión inversa que puede soportar por una sola vez cada 10 ó más minutos si la duración del pico es menor a 10ms.
Características Dinámicas
Pérdidas en los diodos
Diodo Schottky de potencia
BJT de potencia
Definición de corte: Cuando se aplica una tensión VBE ligeramente negativa para que I E 0 ; IC I B IC0
Funcionamiento del BJT. Zona activa
Funcionamiento del BJT. Cuasi-saturación
El límite de la zona activa se alcanza cuando VCB=0
Funcionamiento del BJT. Saturación.
Funcionamiento del BJT. Ganancia
BJT en conmutación. Corte
BJT en conmutación. Saturación
BJT en conmutación. Potencia disipada.
PON OFF
16
.V CC . I Cmáx .tr t f
T
Pconducción V CEsat . I C.
tT
Circuitos de excitación de transistores bipolares.
Dispositivo controlado por corriente.
Tiempo de puesta en conducción depende de la rapidez con la
que se inyecte las cargas necesarias en la base del transistor.
Velocidades de conmutación de entrada se pueden reducir
aplicando inicialmente un pico elevado de corriente de base y
disminuyendo la corriente hasta la necesaria para mantener el
transistor en conmutación. Igualmente se necesita un pico de
corriente negativa en el apagado.
Excitación en función a la posición de la carga
Esquema ejemplo.
Formulación.
1
1
2
1 2
1 2
1 2
.. .
i BEB
i BEB
E
V VI
R
V VI
R R
R RR C C
R R
Cuando la señal pasa a nivel alto R2 estará cortocircuitada inicialmente. La corriente de base inicial será IB1.
Cuando C se cargue, la corriente de base será IB2.
Se necesitará de 3 a 5 veces la constante de tiempo de carga del condensador para considerarlo totalmente cargado.
La señal de entrada pasa a nivel bajo en el corte y el condensador cargado proporciona el pico de corriente negativa.
Forma de onda de la IB
Comparación de IB con y sin L
Ejemplo.
• Diseñar un circuito de excitación de un BJT (TIP31C). Que tenga un pico de 1A de corriente de base y de 0.2A en conducción. La tensión de excitación es de 0 a 5V, cuadrada, con un ciclo de trabajo del 50% y una frecuencia de conmutación de 25Khz.
1 1
1 1
2 2
1 2 2
1 2
1 2
5 11 4
5 10,2 16
4
. 4.16 20. . . 1,25
4 16 5
i BEB
i BEB
E
V VI A R
R R
V VI A R
R R R
R R uR C C C C uF
R R
Simulación del ejemplo
Potencias perdidas en ambos casos
Enclavador Baker
• Se usa para reducir los tiempos de conmutación del transistor bipolar.
• Mantiene al transistor en la región de cuasi-saturación.
• Evita que VCE sea muy baja.
• Las pérdidas son mayores.
.CE BE D DsV V nV V
DnD1DsD0Vcc
Darlington
Incrementar la Beta del transistor equivalente, con el fin de mejorar la excitación
MOSFET. Curvas características.
zona óhmica , VGS V T V DS , iD kWL
. V GS V T .V DS
V DS2
2
RDS ON
1
k.WL
V GS V T
zona de saturación , V GS V T V DS iD
k2
.WL
V GS V T
2
Diodos en antiparalelo asociados
Efecto de las capacidades parásitas en VG
El efecto de la conmutación de otros dispositivos puede provocar variaciones importantes en la tensión de puerta debido al acoplamiento capacitivo parásito.Cuanto menor sea RG, menos se notará este efecto
Apagado y encendido en un MOSFET
Características dinámicas
PON OFF
16
.V CC . I Dmáx .tr t f
T
Pconducción I D2 . r DS ON .
tT
Circuitos de excitación de MOSFET
Es un dispositivo controlado por tensión.
Estado de conducción se consigue cuando la tensión puerta-fuente
sobrepasa la tensión umbral de forma suficiente.
Corrientes de carga son esencialmente 0.
Es necesario cargar las capacidades de entrada parásitas.
Velocidad de conmutación viene determinada por la rapidez con que la
carga de esos condensadores pueda transferirse.
Circuito de excitación debe ser capaz de absorber y generar corrientes
rápidamente para conseguir una conmutación de alta velocidad.
Carga de las capacidades parásitas
Diferencias de excitación con el BJT
Detalles
Detalles
Ejemplo
• Calcular la excitación de un Mosfet de potencia que tiene las siguientes características:
– VTH=2 a 4V.
– VGSmáx=20V
– VDSmáx=100V
– Capacidades parásitas= las de la figura.
• Se precisa que el Mosfet conmute al cabo de 50ns o menos. Si la tensión de excitación es de 12V y la de alimentación es de 100V calcular la corriente necesaria y la RB que la limite.
Solución
• Vemos que las capacidades de entrada y salida a más de 60V es de 300pF y 50pF respectivamente. Como ambas se tienen que cargar, necesitaremos:
100 12I . 50 . 88
5012 2
. 300 . 6050
148
DGDG DG
GSG GS
dV V VC pF mA
dt nsdV V V
I C pF mAdt ns
Total mA
Circuito propuesto.
12 454 50
148B
V VR normalizado
mA
Simulación.
Funcionamiento del SCR.
Característica estática del SCR
Mecanismo de cebado.
Curvas V e I del SCR durante conmutación.
Formas de provocar el disparo en un SCR
• Corriente de puerta.• Elevada tensión ánodo-cátodo.• Aplicación de Vak positiva antes de que el bloqueo haya terminado.• Elevada deriva Vak.• Temperatura elevada.• Radiación luminosa.
Autodisparo
Autodisparo
Disparo normal
TRIAC
TRIAC. Característica estática
Cuadrantes de disparo del TRIAC
Disparo de un triac.
Formas alternativas de disparo
Circuitos auxiliares
Ejemplo de V e I en una aplicación
Circuito equivalente del IGBT
IGBT. Curva característica
Características de conmutación.
Valores límites del IGBT
Capacidades parásitas en un IGBT
Característica estática del GTO
Funcionamiento del GTO
I G
I A
OFFOFF
2
1 2 1
Formas de onda de IG
Para entrar en conducción se necesita una subida rápida y valor IG suficientes.Se mantiene una IgonPara cortar se aplica una IG negativa muy grande.Debe mantenerse una VG negativa para evitar que conduzca de forma espontánea
Circuito de excitación de puerta del GTO
Conmutación del GTO
Encendido por corriente positiva.
Apagado del GTO por corriente negativa
Comparación entre los dispositivos de potencia
UJT
El transistor uniunión (UJT, unijunction transistor) es un dispositivo de conmutación del tipo ruptura. Sus características lo hacen muy útil en muchos circuitos industriales, incluyendo temporizadores, osciladores, generadores de onda, y más importante aún, en circuitos de control de puerta para SCR y TRIACs.Cuando el voltaje entre emisor y base1 Veb1, es menor que un cierto valor denominado voltaje de pico, Vp, el UJT está CORTADO, y no puede fluir corriente de E a B1 (Ie=0). Cuando Veb1 sobrepasa a Vp en una pequeña cantidad, el UJT se dispara o CONDUCE. Cuando esto sucede, el circuito E a B1 es prácticamente un cortocircuito, y la corriente fluye instantáneamente de un terminal a otro. En la mayoría de los circuitos con UJT, el pulso de corriente de E a B1 es de corta duración, y el UJT rápidamente regresa al estado de CORTE.
UJT. Circuito equivalente.
VBB : Tensión interbase. rBB : Resistencia interbaseVE : Tensión de emisor. IE : Intensidad de emisor. VB2 : Tensión en B2, (de 5 a 30 V para el UJT polarizado). VP : Tensión de disparoIP : Intensidad de pico (de 20 a 30 µA.). Vv : Tensión de valle de emisor Iv : Intensidad valle del emisor. VD : Tensión directa de saturación del diodo emisor (de 0,5 y 0,7 V). µ : Relación intrínseca (de 0,5 a 0,8)
r BB r B1 r B2
r B1
r B1 r B2
V P V R1 V D
UJT. Funcionamiento
El transistor monounión (UJT) se utiliza generalmente para generar señales de disparo en los SCR. En la figura se
muestra un circuito básico de disparo UJT. Un UJT tiene tres terminales, conocidos como emisor E, base1 B1 y base2
B2. Entre B1 y B2 la monounión tiene las características de una resistencia ordinaria (la resistencia entre bases rBB con
valores en el rango de 4.7 y 9.1 K). Cuando se aplica el voltaje de alimentación Vs, se carga el condensador C a través
de la resistencia R, dado que el circuito emisor del UJT está en circuito abierto. La constante de tiempo del circuito de
carga es T1=RC. Cuando el voltaje del emisor VE, llega a un valor pico Vp, se activa el UJT y el capacitor se descarga a
través de RB1 a una velocidad determinada por la constante de tiempo T2=RB1C. T2 es mucho menor que T1. Cuando
el voltaje del emisor VE se reduce al punto del valle Vv, el emisor deja de conducir, se desactiva el UJT y se repite el
ciclo de carga.
El voltaje de disparo VB1 debe diseñarse lo suficientemente grande como para activar el SCR. El periodo de oscilación,
T, es totalmente independiente del voltaje de alimentación Vs y está dado por:
T RC ln1
1
PUT.
El transistor monounión programable (PUT) es un pequeño
tiristor con el símbolo de la figura. Un PUT se puede utilizar
como un oscilador de relajación, tal y como se muestra. El
voltaje de compuerta VG se mantiene desde la alimentación
mediante el divisor resistivo del voltaje R1 y R2, y
determina el voltaje de disparo Vp. En el caso del UJT, Vp
está fijado por el voltaje de alimentación, pero en un PUT
puede variar al modificar el valor del divisor resistivo R1 y
R2. Si el voltaje del ánodo VA es menor que el voltaje de
compuerta VG, se conservará en su estado inactivo, pero si
el voltaje de ánodo excede al de compuerta más el voltaje de
diodo VD, se alcanzará el punto de disparo y el dispositivo
se activará. La corriente de pico Ip y la corriente de valle Iv
dependen de la impedancia equivalente en la compuerta RG
= R1R2/(R1+R2) y del voltaje de alimentación en Vs. En general Rs está limitado a un valor por debajo de 100 Ohms.
T RC ln 1R2
R1
Aplicación con UJT
RT (resistencia de carga de CT): De
ellos depende la frecuencia de
oscilación.
UJT: Proporciona el impulso VOB1 a
la puerta del SCR.
R1: Proporciona un paso a la corriente
de base del UJT (IBB) antes de
dispararlo. Evita que IBB circule por
la puerta del SCR produciendo un
disparo indeseado.
Valor: El necesario para que VGK
esté por debajo de la mínima tensión
de disparo.
R2: Estabiliza el funcionamiento del
dispositivo frente a aumentos de
temperatura.
Aplicación con UJT
RT máxV BB V P
I P
RT mínV BB V V
I V
RT máx RT RT mín
T RT .CT . ln11
dondeV P
V BB
R1 máxr BB .V GK mín
V BB
R2 100 a 300
DIAC
Diac (Diode Alternative Current): dispositivo bidireccional simétrico (sin polaridad) con dos electrodos principales, MT1 y MT2, y ninguno de control. Su estructura es la representada. En la curva característica tensión-corriente se observa que: V(+ ó ) < VS ; el elemento se comporta como un circuito abierto. V(+ ó ) > VS; el elemento se comporta como un cortocircuito. Se utilizan para disparar esencialmente a los triacs.
Otros dispositivos de disparo
Optoacopladores
También se denominan optoaisladores o dispositivos de acoplamiento óptico. Basan su funcionamiento en el empleo de un haz de radiación luminosa para pasar señales de un circuito a otro sin conexión eléctrica.
Fundamentalmente este dispositivo está formado por una fuente emisora de luz, y un fotosensor de silicio, que se adapta a la sensibilidad espectral del emisor luminoso.
Optoacopladores
Optoacopladores
Circuito con optoacopladores
Acopladores Inductivos
Circuito Equivalente
Ejemplo de acoplo inductivo
Problemas generados por el calor
Tiempo medio entre fallos para diversos semiconductores. MIL-HDBK-217
Producción de calor
.R m mP V I
20,5. . . . 2C MP C V sen t
20,5. . . . 2L MP L I sen t
Resistores:
Capacitores:
Inductores:
6,51. .n mcore máxP f B
Transferencia de calor
Transferencia de calor
Convección
Conducción
Radiación
.c
c s
qT
h A
.
. c
q LT
k A
4 41,2 1 2. . .rq F A T T
qc = flujo de calor por convección desde la superficie.
hc = coeficiente de transferencia de calor de convección.
As = superficie de transmisión de calor.
q = flujo de calor por conducción.
L = longitud de conducción.
Ac = área transversal de conducción.
k = coeficiente de conductividad térmica del material.
T = diferencia de temperaturas.
coeficiente de emisividad (0 a 1)
Constante de Stefan-Boltzmann
= área de radiación
T1 y T2 = diferencias de temperatura superficial
F1,2 = factor de diferencia entre las dos superficies de los diferentes cuerpos
Conductividad térmica
Resistencias térmicas
Resistencias térmicas
1,2 1,2. ThT P R
Impedancia térmica
Comportamiento dinámico
Disipadores
Transitorios en las líneas de alimentación
Topología de protección
Componentes para protección
Características
Circuitos de protección
a) Protección en líneas equilibradas de comunicaciones.
b) Protección contra descargas en antenas. Insuficiente protección de componentes posteriores.
c) Gran capacidad de absorción de corriente. Ideal para líneas de red.
d) Circuito mejorado. El inductor permite la conmutación de sobrecorriente del varistor al descargador.
e) Evita la corriente de seguimiento de la red.
f) También evita la corriente de seguimiento de la red, pero mejora el anterior.
Circuitos de protección
g) Dobla la capacidad energética de limitación de sobretensiones.
h) Igual que el anterior pero más rápido.
i) Ideal para líneas de comunicaciones, es mejor que el circuito “d”, pero peor cuando los impulsos de sobretensión tienen una pendiente lenta.
j) El automatismo sirve para evitar que el varistor quede cortocircuitado en caso de envejecimiento.
k) Circuito básico de protección en modo común.
Protecciones contra excesos eléctricos
Dispuestos de mayor a menor capacidad de disipación de energía y de menor a mayor velocidad de respuesta.
Protecciones para red
El primero es un circuito básico que puede proteger una línea de red en modo diferencial y en modo común.
El segundo es un circuito de protección en modo común con tres escalones. Puede quedar un cierto nivel de tensión diferencial.
El tercero es un circuito completo de protección en modo común y en modo diferencial.
Protecciones para líneas de entrada de datos.
Protecciones para líneas de entrada de datos.
Protecciones con diodos supresores de sobretensiones.
Protecciones con diodos supresores de sobretensiones.
Protecciones terciarias contra sobretensiones de alta frecuencia.
Protección de alta seguridad.
Filtros de red comerciales
Protección contra transitorios. Snubbers
ivPPIL
Circuito de protección de transistor
i
v
P
i
v
P
v
P
i
ILDLDsC
Pérdidas en función a C
Formulación.
2
0
1..................................0
2
1....
2..................................................................
tL L
f
f f
t L fLC L c f f f x
tf
S x
I t I tdt t t
C t Ct
I tIV t I dt v t t t t t t
C C CV t t
.
2L f
f
I tC
V
Si la corriente del interruptor llega a cero antes de que el condensador se cargue por completo la tensión del condensador se calcula a partir de la primera ecuación, saliendo:
El condensador se elige a veces de forma que la tensión del interruptor alcance su valor final al mismo tiempo que la corriente vale cero
.
2L f
S
I tC
V
Formulación.
Para calcular el valor de la resistencia, ésta se elige de forma
que el condensador se descargue antes de que el transistor
vuelva a apagarse. Se necesitan de 3 a 5 intervalos de tiempo
para que se descargue el condensador.
2
2
2
5 ,5
1
21
122
ONON
S
S
R S
tt RC R
C
W CV
CVP CV f
T
Formulación.
Las pérdidas en el transistor varían con el circuito que se añade. La
primera fórmula se refiere a las pérdidas en el transistor sin circuito
de protección.
2 22
0 0
1
2
11
2 24
Q L S s f
T tf L fLQ Q Q L
f f
P I V t t f
I t fI t tP v i dt f I dt
T Ct t C
Comparación sin y con snubber.