Electronica de potencia

A continuación se presenta una breve tabla de comparación de tensiones, corrientes, y frecuencias que pueden soportar los distintos transistores descritos.

Los valores mencionados no son exactos, dada la gran disparidad que se puede encontrar

en el mercado. En general, el producto tensión-corriente es una constante (estamos limitados
en potencia), es decir, se puede encontrar un MOSFET de muy alta tensión pero con corriente
reducida. Lo mismo ocurre con las frecuencias de trabajo. Existen bipolares de poca potencia
que trabajan tranquilamente a 50kHz, aunque no es lo más usual.

Pérdidas en conducción y en conmutación

Una problemática de los semiconductores de potencia está relacionada con sus pérdidas

y con la máxima disipación de potencia que pueden alcanzar. Como se ha mencionado
anteriormente, si se supera la temperatura máxima de la unión (uniones entre distintos tipos
de semiconductores) en el interior de un dispositivo, éste se destruye rápidamente. Para ello es
necesario evacuar la potencia que se disipa mediante radiadores, que en algunos casos pueden
ser de gran tamaño.

La disipación de potencia no es otra cosa que las pérdidas que tiene el dispositivo

semiconductor. Existen dos mecanismos que provocan las pérdidas. Lo que se denominan
pérdidas en conducción, es decir, cuando el interruptor está cerrado y por tanto hay
circulación de corriente. Por ejemplo, un MOSFET cuando está cerrado se comporta como
una resistencia de valor

Ron, de manera que disipa una potencia que vale aproximadamente

Ron I

2

. Además existen unas pérdidas adicionales, denominadas pérdidas en conmutación,

que se producen cuando un semiconductor pasa del estado de bloqueo a conducción y
viceversa. Las transiciones de corriente y tensión en el semiconductor no son instantáneas ni
perfectas, con lo que en cada conmutación se producen unas determinadas pérdidas. El lector
rápidamente entenderá que las perdidas en conmutación dependen de la frecuencia de
conmutación, es decir, cuantas más veces por segundo abra y cierre un transistor, más
potencia estará disipando el semiconductor. Es decir, las pérdidas en conmutación dependen
directamente de la frecuencia de trabajo del dispositivo. De ahí que se debe limitar la
frecuencia de conmutación de cualquier dispositivo en electrónica de potencia para evitar su
destrucción. La figura 2.27 muestra las curvas de tensión (V

DS), corriente (IDS) y potencia (P)

de un MOSFET inicialmente bloqueado (OFF). Se puede ver la conmutación de OFF a ON,
después un periodo que se mantiene en conducción para después volver a cerrarse. La figura
muestra las pérdidas (potencia disipada) relacionadas con la conmutación y la conducción del
dispositivo.

Comparación de prestaciones entre los diferentes dispositivos de

electrónica de potencia.A continuación se presenta una tabla con las prestaciones de los dispositivos de potencia
más utilizados, haciendo especial hincapié en los límites de tensión, corriente y frecuencia de
trabajo.

Tabla de prestaciones:

Regiones de Utilización:

en función de las características de cada dispositivo, se suele

trabajar en distintas zonas, parametrizadas por la tensión, la corriente y la frecuencia de
trabajo. Una clasificación cualitativa se presenta en la siguiente figura:

muestra un gráfico que compara las capacidades de

tensión, corriente y frecuencia de los componentes controlables.

En la siguiente tabla se añaden otras características importantes a tener en cuenta en eldiseño de circuitos de electrónica de potencia.

muestra algunas posibles aplicaciones de los distintos

dispositivos de electrónica de potencia.

DIAC (Diodo para Corriente Alterna)

El DIAC (Diodo para Corriente Alterna) es un dispositivo semiconductor de dos conexiones. Es un diodo bidireccional disparable que conduce la corriente sólo tras haberse superado su tensión de disparo, y mientras la corriente circulante no sea inferior al valor característico para ese dispositivo. El comportamiento es fundamentalmente el mismo para ambas direcciones de la corriente. La mayoría de los DIAC tienen una tensión de disparo de alrededor de 30 V. En este sentido, su comportamiento es similar a una lámpara de neón.
Los DIAC son una clase de tiristor, y se usan normalmente para disparar los triac, otra clase de tiristor.
Es un dispositivo semiconductor de dos terminales, llamados ánodo y cátodo. Actúa como un interruptor bidireccional el cual se activa cuando el voltaje entre sus terminales alcanza el voltaje de ruptura, dicho voltaje puede estar entre 20 y 36 volts según la referencia.

 

Existen dos tipos de DIAC:

• DIAC de tres capas: Es similar a un transistor bipolar sin conexión de base y con las regiones de colector y emisor iguales y muy dopadas. El dispositivo permanece bloqueado hasta que se alcanza la tensión de avalancha en la unión del colector. Esto inyecta corriente en la base que vuelve el transistor conductor, produciéndose un efecto regenerativo. Al ser un dispositivo simétrico, funciona igual en ambas polaridades, intercambiando el emisor y colector sus funciones.
• DIAC de cuatro capas. Consiste en dos diodos Shockley conectados en antiparalelo, lo que le da la característica bidireccional.

En la curva característica se observa que cuando

- +V o - V es menor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como un circuito abierto
- +V o - V es mayor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como un cortocircuito

Sus principales características son:
- Tensión de disparo
- Corriente de disparo
- Tensión de simetría (ver grafico anterior)
- Tensión de recuperación
- Disipación de potencia (Los DIACs se fabrican con capacidad de disipar potencia de 0.5 a 1 watt.)

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

El transistor IGBT, de las siglas en inglés “Isolated Gate Bipolar Transistor”, es un dispositivo híbrido, que aprovecha las ventajas de los transistores descritos en los apartados
anteriores, o sea, el IGBT reúne la facilidad de disparo de los MOSFET con las pequeñas
pérdidas en conducción de los BJT de potencia. La puerta está aislada del dispositivo, con lo
que se tiene un control por tensión relativamente sencillo. Entre el colector y el emisor se
tiene un comportamiento tipo bipolar, con lo que el interruptor es muy cercano a lo ideal. La
figura 2.24 muestra la simbología para este tipo de transistores.

Su velocidad de conmutación, en principio, similar a la de los transistores bipolares, ha

crecido en los últimos años, permitiendo que funcione a centenas de kHz, en componentes
para corrientes del orden de algunas decenas de Amperios.

Principio de funcionamiento y estructura

La estructura del IGBT es similar a la del MOSFET, pero con la inclusión de una capa
P+ que forma el colector del IGBT, como se puede ver en la figura 2.25.
Gracias a la estructura interna puede soportar tensiones elevadas, típicamente 1200V
y hasta 2000V (algo impensable en los MOSFETs), con un control sencillo de tensión de
puerta. La velocidad a la que pueden trabajar no es tan elevada como la de los MOSFETs,
pero permite trabajar en rangos de frecuencias medias, controlando potencias bastante
elevadas.

En términos simplificados se puede analizar el IGBT como un MOSFET en el cual la
región N- tiene su conductividad modulada por la inyección de portadores minoritarios
(agujeros), a partir de la región P+, una vez que J1 está directamente polarizada. Esta mayor
conductividad produce una menor caída de tensión en comparación a un MOSFET similar.

El control del componente es análogo al del MOSFET, o sea, por la aplicación de una

polarización entre puerta y emisor. También para el IGBT el accionamiento o disparo se hace
por tensión.

La máxima tensión que puede soportar se determina por la unión J2 (polarización

directa) y por J1 (polarización inversa). Como J1 divide 2 regiones muy dopadas, se puede
concluir que un IGBT no soporta tensiones elevadas cuando es polarizado inversamente.
Los IGBT presentan un tiristor parásito. La construcción del dispositivo debe ser tal
que evite el disparo de este tiristor, especialmente debido a las capacidades asociadas a la
región P. Los componentes modernos no presentan problemas relativos a este elemento
indeseado.

En la figura 2.26 se muestra la característica I-V del funcionamiento de un IGBT.

El IGBT tiene una alta impedancia de entrada como el MOSFET, y bajas pérdidas de
conducción en estado activo como el Bipolar, pero no presenta ningún problema de ruptura
secundaria como los BJT.

El IGBT es inherentemente más rápido que el BJT. Sin embargo, la velocidad de

conmutación del IGBT es inferior a la de los MOSFETs.

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors)

Así como podemos decir que el transistor bipolar se controla por corriente, los MOSFET son transistores controlados por tensión. Ello de debe al aislamiento (óxido de
Silicio) de la puerta respecto al resto del dispositivo. Existen dos tipos básicos de MOSFET,
los de canal

n y los de canal p, si bien en Electrónica de Potencia los más comunes son los

primeros, por presentar menores pérdidas y mayor velocidad de conmutación, debido a la
mayor movilidad de los electrones con relación a los agujeros.

Si bien el TBP fue inventado a finales de los años 40, ya en 1925 fue registrada una

patente que se refería a un método y un dispositivo para controlar el flujo de una corriente
eléctrica entre dos terminales de un sólido conductor. Así mismo, tal patente, que se puede
considerar como la precursora de los Transistores de Efecto de Campo, no redundó en un
componente práctico, puesto que entonces no había tecnología que permitiese la construcción
de los dispositivos. Esto se modificó en los años 60, cuando surgieron los primeros FETs,
pero aún con limitaciones importantes con respecto a las características de conmutación. En
los años 80, con la tecnología MOS, fue posible construir dispositivos capaces de conmutar
valores significativos de corriente y tensión, con velocidad superior al que se obtenía con los
bipolares.

Principio de funcionamiento y estructura

El terminal de puerta G (Gate) está aislado del semiconductor por óxido de silicio
(SiO2).La unión PN define un diodo entre la Fuente S (Source) y el Drenador D (Drain), el
cual conduce cuando VDS < 0. El funcionamiento como transistor ocurre cuando VDS > 0. Lafigura 2.22 muestra la estructura básica del transistor.

Cuando una tensión V

GS > 0 es aplicada, el potencial positivo en la puerta repele losagujeros en la región P, dejando una carga negativa, pero sin portadores libres. Cuando estatensión alcanza un cierto valor umbral (V

T), electrones libres (generados principalmente porefecto térmico) presentes en la región P son atraídos y forman un canal N dentro de la región P, por el cual se hace posible la circulación de corriente entre D y S. Aumentando V

GS, másportadores son atraídos, ampliando el canal, reduciendo su resistencia (R

DS), permitiendo elaumento de I

D. Este comportamiento caracteriza la llamada “región óhmica”

La circulación de I

D por el canal produce una caída de tensión que produce un “efecto

embudo

”, o sea, el canal es más ancho en la frontera con la región N+ que cuando se conecta

a la región N-. Un aumento de I

D lleva a una mayor caída de tensión en el canal y a un mayor

“

efecto embudo”, lo que conduciría a su colapso y a la extinción de la corriente. Obviamente

el fenómeno tiende a un punto de equilibrio, en el cual la corriente I

D se mantiene constante

para cualquier VDS, caracterizando una región activa o de saturación del MOSFET.

Obviamente, en Electrónica de Potencia nos interesa que un MOSFET trabaje en corte

o en óhmica (interruptor abierto o cerrado). Atención con los nombres de las zonas de trabajo,
que pueda causar confusión al lector cuando se habla de un bipolar y de un MOSFET.
Observar que la zona de saturación de un BJT corresponde a la zona Óhmica del MOSFET y
que la zona de saturación de éste corresponde a la zona activa del BJT.

Transistores

En Electrónica de Potencia, los transistores generalmente son utilizados como

interruptores. Los circuitos de excitación (disparo) de los transistores se diseñan para que
éstos trabajen en la zona de saturación (conducción) o en la zona de corte (bloqueo). Esto
difiere de lo que ocurre con otras aplicaciones de los transistores, como por ejemplo, un
circuito amplificador, en el que el transistor trabaja en la zona activa o lineal.
Los transistores tienen la ventaja de que son totalmente controlados, mientras que, por
ejemplo, el SCR o el TRIAC sólo dispone de control de la puesta en conducción. Los tipos de
transistores utilizados en los circuitos electrónicos de potencia incluyen los transistores BJT,
los MOSFET y dispositivos híbridos, como por ejemplo, los transistores de unión bipolar de
puerta aislada (IGBT). A continuación veremos cada uno de ellos.

Transistor Bipolar de Potencia (

TBP)

Más conocidos como BJTs (“Bipolar Junction Transistors”), básicamente se trata de
interruptores de potencia controlados por corriente. Como el lector recordará existen dos tipos
fundamentales, los “

npn” y los “pnp”, si bien en Electrónica de Potencia los más usuales y

utilizados son los primeros. La figura 2.15 muestra un recordatorio de los símbolos empleados
para representar los transistores bipolares.

Principio de funcionamiento y estructura

La operación normal de un transistor se hace con la unión J1 (B-E) directamente polarizada, y

con J2 (B-C) inversamente polarizada.
En el caso de un transistor npn, los electrones son atraídos del emisor por el potencial
positivo de la base. Esta capa central es suficientemente fina para que la mayor parte de los
portadores tenga energía cinética suficiente para atravesarla, llegando a la región de transición
de J2, siendo entonces atraídos por el potencial positivo del colector.
El control de Vbe determina la corriente de base, Ib, que, a su vez, se relaciona con Ic
por la ganancia de corriente del dispositivo.

En la realidad, la estructura interna de los transistores bipolares de potencia (TBP) es

diferente. Para soportar tensiones elevadas, existe una capa intermediaria del colector, con

baja concentración de impurezas (bajo dopado), la cual define la tensión de bloqueo del

componente.

La figura 2.17 muestra una estructura típica de un transistor bipolar de potencia. Los

bordes redondeados de la región de emisor permiten una homogeneización del campo

eléctrico, necesaria para el mantenimiento de polarizaciones inversas débiles entre base y

emisor. El TBP no soporta tensiones en el sentido opuesto porque la elevada concentración de

impurezas (elevado dopado) del emisor provoca la ruptura de J1 en bajas tensiones (5 a 20 V).

La preferencia en utilizar TBP tipo NPN se debe a las menores pérdidas con relación a

los PNP, lo cual es debido a la mayor movilidad de los electrones con relación a los agujeros,

reduciendo, principalmente, los tiempos de conmutación del componente.

GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”)

A pesar de que el GTO fue inventado en el inicio de la década de los años 60, ha sido

poco empleado debido a sus reducidas prestaciones. Con el avance de la tecnología en el

desarrollo de dispositivos semiconductores, se han encontrado nuevas soluciones para mejorar

tales componentes que hacen que hoy ocupen una franja significa dentro de la electrónica de

potencia, especialmente en aquellas aplicaciones de elevada potencia, con dispositivos que

alcanzan los 5000 V y los 4000 A.

Como se ha visto en los apartados anteriores, uno de los inconvenientes de los

tiristores tipo SCR o TRIAC es que no tenemos control externo por parte del usuario del paso

de conducción a bloqueo. Para aquellas aplicaciones en las que nos interese poder bloquear un

interruptor de potencia en cualquier instante es necesario utilizar otro tipo de semiconductores
diferentes a los SCRs o TRIACs.

El GTO es un tiristor con capacidad externa de bloqueo. La puerta permite controlar

las dos transiciones: paso de bloqueo a conducción y viceversa. El símbolo utilizado para el
GTO se muestra en la siguiente figura (Fig. 2.12), así como su estructura interna en dos
dimensiones.

Principio de funcionamiento

El GTO tiene una estructura de 4 capas, típica de los componentes de la familia de los

tiristores. Su característica principal es su capacidad de entrar en conducción y bloquearse a

través de señales adecuadas en el terminal de puerta G.

El mecanismo de disparo es parecido al del SCR: suponiendo que está directamente

polarizado, cuando se le inyecta corriente a la puerta, circula corriente entre puerta y cátodo.

Como la capa de la puerta es suficientemente fina, gran parte de los portadores se mueven

hasta la capa N adyacente, atravesando la barrera de potencial y siendo atraídos por el

potencial del ánodo, dando inicio a la corriente anódica. Si ésta corriente se mantiene por

encima de la corriente de mantenimiento, el dispositivo no necesita de la señal de puerta para

mantenerse en conducción.

La figura 2.13 muestra una representación simplificada de los procesos de entrada y

salida de conducción del GTO.

La aplicación de una polarización inversa en la unión puerta-cátodo puede llevar a la

abertura o bloqueo del GTO. Portadores libres (agujeros) presentes en las capas centrales del

dispositivo son atraídas por la puerta, haciendo que sea posible el restablecimiento de la

barrera de potencial en la unión J2.

Aparentemente tal comportamiento también sería posible en el SCR. Pero, en realidad,

las diferencias están en el nivel de construcción del componente. El funcionamiento como

GTO depende, por ejemplo, de factores como:

Facilidad de extracción de portadores por el terminal de puerta – esto es posible
debido al uso de impurezas con alta movilidad.

Rápida desaparición de portadores en las capas centrales – uso de impurezas con bajo

tiempo de recombinación. Esto indica que un GTO tiene una mayor caída de tensión
en conducción, comparado a un SCR de dimensiones iguales.

Soportar tensión inversa en la unión puerta-cátodo, sin entrar en avalancha – menor

dopado en la región del cátodo.

Absorción de portadores de toda la superficie conductora – región de puerta-cátodo

con gran área de contacto.

Al contrario del SCR, un GTO puede no tener la capacidad de bloquear tensiones

inversas.

SCR - (Rectificador Controlado de Silicio)

El SCR (Rectificador controlado de silicio) es un dispositivo semiconductor de 4 capas que funciona como un conmutador casi ideal.

El símbolo y estructura del SCR se muestran en la figura.

Analizando los diagramas: A = ánodo, G = compuerta o Gate y C = K = cátodo

Funcionamiento básico del SCR

El siguiente gráfico muestra un circuito equivalente del SCR para comprender su funcionamiento.

Al aplicarse una corriente IG al terminal G (base de Q2 y colector de Q1), se producen dos corrientes: IC2 = IB1.

IB1 es la corriente base del transistor Q1 y causa que exista una corriente de colector de Q1 (IC1) que a su vez alimenta la base del transistor Q2 (IB2), este a su vez causa más corriente en IC2, que es lo mismos que IB1 en la base de Q1, y......

Este proceso regenerativo se repite hasta saturar Q1 y Q2 causando el encendido del SCR.

Los parámetros del SCR son:

- VRDM: Máximo voljaje 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.

Nota: dv/dt, di/dt: Ver parámetros del SCR en SCR en corriente continua

TRIAC.(Control de potencia en corriente alterna)

El Triac y Aplicaciones.
El Triac es un dispositivo semiconductor que pertenece a la familia de los dispositivos de control tiristores.

El triac es en esencia la conexión de dos tiristores en paralelo pero conectados en sentido opuesto y compartiendo la misma compuerta.

El triac sólo se utiliza en corriente alterna y al igual que el tiristor, se dispara por la compuerta. Como el triac funciona en corriente alterna, habrá una parte de la onda que será positiva y otra negativa.

La parte positiva de la onda (semiciclo positivo) pasará por el triac siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará de arriba hacia abajo (pasará por el tiristor que apunta hacia abajo), de igual manera:

La parte negativa de la onda (semiciclo negativo) pasará por el triac siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará de abajo hacia arriba (pasará por el tiristor que apunta hacia arriba)

Para ambos semiciclos la señal de disparo se obtiene de la misma patilla (la puerta o compuerta).

Lo interesante es, que se puede controlar el momento de disparo de esta patilla y así, controlar el tiempo que cada tiristor estará en conducción.

Recordar que un tiristor sólo conduce cuando ha sido disparada (activada) la compuerta y entre sus terminales hay un voltaje positivo de un valor mínimo para cada tiristor)

Entonces, si se controla el tiempo que cada tiristor está en conducción, se puede controlar la corriente que se entrega a una carga y por consiguiente la potencia que consume.

Ejemplo: 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: Anodo 2 del Triac
- A3: Anodo 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)

Si se varía el potenciómetro, se varía el tiempo de carga de un capacitor causando que se incremente o reduzca la diferencia de fase de la tensión de alimentación y la que se aplica a la compuerta

Notas:
- La diferencia de fase o la fase entre dos señales u ondas se define como el ángulo (diferencia de tiempo) que existe entre los dos orígenes de las mismas.
- En este documento se utiliza el termino tiristor como sinónimo de SCR.