Javier Riedemann Aros javier.riedemann@pucv.cl INTRODUCCIÓN • Electrónica convencional habitualmente de baja potencia. • La electrónica de potencia puede operar en el orden de los MW. • Los dispositivos no se operan en la zona lineal. La electrónica convencional es habitualmente lineal. La mayoría de los dispositivos utilizados en electrónica de potencia operan en corte y saturación como interruptores. •Tiristores •Transistores Bipolares •GTOs (Gate turn off thyristors) •MOSFETS •IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor). •IGCTs 2 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia Diodo 3 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia Diodo Segun los requisitos de la aplicación, están disponibles varios tipos de diodos: 1. Diodos Schottky. Estos diodos se usan donde se requiere una caída baja de tensión directa (normalmente 0.3 V) en circuitos de tensión de salida muy baja. Estos diodos están limitados en su capacidad de tensión de bloqueo a 50 100 V. 2. Diodos de recuperación rápida. Estos diodos están diseñados para el uso en circuitos de alta frecuencia, en combinación con interruptores controlables donde se necesita un tiempo corto de recuperación inversa. En niveles de energía de varios cientos de voltios y varios cientos de amperios, estos diodos tienen un grado de 𝑡𝑟𝑟 de menos que unos cuantos milisegundos. 3. Diodos de frecuencia de línea. El voltaje de estado de encendido de estos diodos esta diseñado para ser lo mas bajo posible, y en consecuencia tienen tiempos 𝑡𝑟𝑟 mas grandes, aceptables para aplicaciones de frecuencia de línea. Estos diodos están disponibles con magnitudes de voltaje de bloqueo de varios kilovoltios y magnitudes de corriente de varios kiloamperios. Además, se pueden conectar en serie y paralelo para satisfacer cualquier requisito de corriente. 4 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia Diodo 1n4001.pdf 5SDD 50N5500_5SYA1169-02 Jan 17.pdf 1n4933.pdf 5 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia Ejemplo de uso de diodos rápidos 6 INTRODUCCIÓN Diodo 7 INTRODUCCIÓN Diodo 8 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia Tiristores 9 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia Tiristores 10 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia Tiristores 1. Tiristores de control de fase. Algunas veces denominados tiristores de conversión, se usan sobre todo para rectificar tensiones y corrientes de frecuencia de línea en aplicaciones como rectificadores controlados por fases para accionamientos motrices de CA y CC, y en transmisiones de energía de alta tensión. Los requisitos principales de estos dispositivos son grandes capacidades de manejo de tensión y corriente, y una baja caída de tensión activa. Este tipo de tiristor se produjo en diámetros de pastilla de hasta 10 cm, donde el promedio de corriente es mas o menos de 4 000 A con voltajes de bloqueo de 5 -7 kV. Los voltajes de encendido (activos) abarcan desde 1.5 V para dispositivos de 1000 V hasta 3.0 V para los dispositivos de 5 -7 kV. 2. Tiristores de grado inversor. Se diseñaron para tener tiempos de apagado 𝑡𝑞 pequeños, además de bajas tensiones activas, aunque las tensiones activas son mas grandes en dispositivos con valores mas cortos de 𝑡𝑞 . Estos dispositivos están disponibles con magnitudes de hasta 2500 V y 1500 A. Sus tiempos de desconexión están por lo regular en el rango de unos cuantos milisegundos hasta 100 μs, según sus voltajes nominales de bloqueo y caídas de tensión activa. 11 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia Tiristores 3. Tiristores activados por luz. Se activan mediante un pulso de luz conducido por fibras ópticas a una región especial sensible del tiristor. El disparo del tiristor activado por luz usa la capacidad de la luz de longitudes de onda correspondientes para generar un exceso de pares de electrones/huecos en el silicio. El uso principal de estos tiristores es en aplicaciones de alta tensión, como la transmisión de CC de alta tensión, donde se conectan muchos tiristores en serie para conformar una válvula de tiristores. Los distintos potenciales altos que cada dispositivo ve respecto de la tierra física presenta considerables dificultades para proporcionar impulsos de disparo. Existen reportes de tiristores activados por luz con grados de 4 kV y 3 kA, voltajes activos de alrededor de 2 V y requisitos de potencia de disparos de luz de 5 mW. 12 INTRODUCCIÓN Tiristores 13 INTRODUCCIÓN Tiristores vs-30tps16p.pdf 14 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia Interruptores controlables 15 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia Interruptores controlables Energía de encendido Energía de conducción Energía de apagado Pérdidas de potencia por conmutación Pérdidas de potencia por conducción 16 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia Interruptores controlables Características deseables 17 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia Interruptores controlables Características deseables 18 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia Transistores de unión bipolar 19 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia Transistores de unión bipolar • Baja tensión colector emisor en conducción. Aproximadamente 2V. • Se dispara por corriente. La corriente debe ser mantenida en la base durante toda la conducción. • Bajo hFe (5-10) en altas potencias. • Se usan configuraciones Darlington y triple Darlington. • Disponibles en voltajes de 1400V y corrientes de algunos centenares de amperes. 20 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia Transistores de unión bipolar En esta configuración se acumulan algunas desventajas, como valores generales 𝑉𝐶𝐸 (sat) un poco mas altos, así como velocidades de conmutación mas lentas. Ya sea en unidades individuales o elaboradas como una configuración Darlington en un solo chip [un Darlington monolítico (monolithic Darlington, MD)], los BJT tienen un tiempo de almacenamiento significativo durante la transición de desconexión. Los tiempos normales de conmutación están en el rango de unos pocos cientos de 21 nanosegundos a unos cuantos microsegundos. INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia Transistores de unión bipolar 22 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia MOSFET (Metal-oxide semiconductor field effect transistor) 23 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia MOSFET (Metal-oxide semiconductor field effect transistor) • El disparo se controla por voltaje de compuerta (no corriente). Típicamente menor a 20V. Existen dispositivos que pueden ser controlados con señales digitales TTL de 5V. • Alta velocidad de encendido/apagado. En el orden de nanosegundos. • Baja potencia. Un dispositivo de alto voltaje usualmente soporta baja corriente y viceversa. • Puede operar con frecuencias de límite superior en el orden de 30kHz-100kHz. 24 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia MOSFET (Metal-oxide semiconductor field effect transistor) 25 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia GTO (Tiristor de apagado por puerta) El GTO permite el encendido y apagado del dispositivo desde la compuerta. 26 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia GTO (Tiristor de apagado por puerta) 27 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor) Similar al GTO pero con mejores características. • Alto dv/dt, por lo cual no necesita snubber de apagado. (‘snub’ means to suppress). • Reducción en las pérdidas de apagado. • Incrementa la velocidad de switching obtenible, al disminuir el tiempo de apagado. • Como todos los componentes de la familia de los tiristores soporta mejor los cortocircuitos que otros dispositivos. 28 INTRODUCCIÓN IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor) 29 INTRODUCCIÓN IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor) • Voltajes de operación en el orden de 5kV. • Corrientes en el orden de 2kA. • Frecuencias operación para altas potencias en el orden de 1000Hz. 30 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia IGBT (transistor bipolar de compuerta aislada) 31 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia IGBT (transistor bipolar de compuerta aislada) • Es un dispositivo controlado por tensión de compuerta (similar al MOSFET).Utiliza poca energía en el disparo. • Bajo voltaje en conducción el cual es similar al que poseen los BJTs. 2-3 Volts en un dispositivo de 1000V. • Existen dispositivos de 1700V, 1200A. La mayor parte de las aplicaciones eólicas de velocidad variable utilizan IGBTS para operar hasta 2MW-3MW. • Muy sensibles a los cortocircuitos. • Velocidades de encendido/apagado en el orden de 1μs. • Uno de los dispositivos mas utilizados para el control de máquinas eléctricas de corriente alterna. • No requiere snubbers. 32 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia IGBT (transistor bipolar de compuerta aislada) 33 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia MCT (MOS-controlled thyristor) • Un tiristor disparado por voltaje en la compuerta. (similar al MOSFET e IGBT). • Más rápido que el GTO y el ICGT. • Tiene una estructura compleja. En un mismo dispositivo se colocan un tiristor dos transistores MOS. Uno para el encendido y otro para el apagado. • En 1992 fue considerado un dispositivo muy promisorio. Sin embargo en la actualidad el dispositivo no puede manejar altas potencias. En baja potencia no puede competir con los MOSFETs. • Su futuro es dudoso. 34 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia Comparación de interruptores controlables Para el diseño de un convertidor desde el punto de vista del sistema se deben tomar en cuenta los requisitos de tensión y corriente. Otros factores importantes son la eficiencia de energía aceptable, la frecuencia de conmutación mínima para reducir el tamaño de filtros y equipos, sus costos, etc. Por tanto, la selección del dispositivo debe asegurar una combinación apropiada entre las capacidades del dispositivo y los requisitos del convertidor. 35 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia Comparación de interruptores controlables 36 INTRODUCCIÓN Semiconductores de potencia Módulos SEMIKRON_DataSheet_SK_9_BGD_065_ET_24912000.pdf SEMIKRON_DataSheet_SKiiP_12HEB066V1_25230840.pdf 37
