Para Electronica de potencia se han desarrollado una serie de dispositivos semiconductores, los cuales derivan del diodo o el transistor. Entre estos se encuentran los siguientes:
SCR
TRIAC
TRANSISTOR DE POTENCIA
DIAC
GTO
IGBT
MOSFET, entre otros.
SCR: Rectificador Controlado de Silicio
USO
De las siglas en inglés “Silicon Controlled Rectifier”, es el miembro más conocido de la familia de los tiristores. En general y por abuso del lenguaje es más frecuente hablar de tiristor que de SCR. El SCR es uno de los dispositivos más antiguos que se conocen dentro de la Electrónica de Potencia. Además, continua siendo el dispositivo que tiene mayor capacidad para controlar potencia, es el dispositivo que permite soportar mayores tensiones inversas entre sus terminales y mayor circulación de corriente.
El SCR está formado por cuatro capas semiconductoras, alternadamente P-N-P-.
teniendo 3 terminales: ánodo A y cátodo K, por los cuales circula la corriente principal y la puerta que cuando se le inyecta una corriente, hace que se establezca una corriente en sentido ánodo-cátodo
CARACTERISTICAS
En su estado de apagado o bloqueo (OFF), puede bloquear una tensión directa y no conducir corriente. asi si no hay señal aplicada a la puerta, permanecerá en bloque independientemente del signo de la tension V. El tiristor debe ser disparado o encendido al estado de conduccion ON aplicando un pulso de corriente positiva en el terminal de puerta, durante un pequeño intervalo de tiempo, posibilitando que pase al estado de bloqueo directo. la caida de tensión directa en el estado de conduccion ON es de pocos voltios 1-3 v.
Una vez que el SCR empieza a conducir, éste permanece en conduccion estado ON aunque la corriente de puerta desaparezca, no pudiendo ser bloqueado por pulso de puerta. Unicamente cuando la corriente del ánodo tiende a ser negativa, o inferior a un valor umbral, por la influencia del circuito de potenci, el SCR pasara a estado de bloqueo.
APLICACIONES
El pulso de disparo ha de ser de una duración considerable, o bien, repetitivo si se está trabajando en corriente alterna. En este último caso, según se atrase o adelante el pulso de disparo, se controla el punto (o la fase) en el que la corriente pasa a la carga. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento.
Cuando se produce una variación brusca de tensión entre ánodo y cátodo de un tiristor, éste puede dispararse y entrar en conducción aún sin corriente de puerta. Por ello se da como característica la tasa máxima de subida de tensión que permite mantener bloqueado el SCR. Este efecto se produce debido al condensador parásito existente entre la puerta y el ánodo.
Los SCR se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo del control, especialmente control de motores, debido a que puede ser usado como interruptor de tipo electrónico.
Construcción básica y símbolo del SCR
Una aplicación muy frecuente de los SCR es el control de potencia en alterna en reguladores dimmer de lamparas, calentadores eléctricos y motores eléctricos.
GRAFICA
En la figura inferior de muestra la dependencia entre el voltaje de conmutación y la corriente de compuerta.
Cuando el SCR está polarizado en inversa se comporta como un diodo común ( ver corriente de fuga caracteristica que se muestra en el grafico).
En la región de polarización en directo el SCR se comporta también como un diodo común, siempre que el SCR ya haya sido activado (On). Ver los puntos D y E.
Para los valores altos de corriente de
compuerta (IG) (ver punto C),el voltaje de
ánodo a cátodo es menor (VC).
TRIAC (triodo para corriente alterna)
USO
"Triode of Alternating Current"
Es un dispositivo semiconductor, de la familia de los tiristores. La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el TRIAC es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna.
Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos SCR en direcciones opuestas.
Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominación de ánodo y cátodo) y puerta. El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente al electrodo puerta.
CARACTERISTICAS
Una de las caracteristicas de este dispositivo es que es muy compacto requiriendo unicamente un unico circuito de control, dado que solo dispone de un terminal de puerta. sin embargo, tal y como esta fabricado, es un dispositivo con una capacidad de control de potencia muy reducida. en general esta pensado para aplicaciones de pequeña potencia, con tensiones que no superen los 1000 V y corrientes maximas de 15A. es usual el empleo de TRIACs en la fabricacion de electrodomesticos con control electronico de velocidad de motores y aplicaciones de iluminacion, con potencias que no superan los 15 KW. la frecuencia maxima a la que pueden trabajar es tambien reducida, normalmente los 50-60Hz de la red monofasica
APLICACIONES
Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas.
Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales y los relés.
Funciona como interruptor electrónico y también a pila.
Se utilizan TRIACs de baja potencia en muchas aplicaciones como atenuadores de luz, controles de velocidad para motores eléctricos, y en los sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. No obstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores eléctricos, se deben tomar las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIAC se apaga correctamente al final de cada semiciclo de la onda de Corriente alterna.
Debido a su poca estabilidad en la actualidad su uso es muy reducido.
En la curva caracteristica se indica que para diferentes disparos, es decir, para distintas corrientes aplicadas en gate, el valor de Vbo es distinto. en la parte de polarizadion positiva, la curva de mas a la izquierda es la que presenta un valor de Vbo más bajo, y es la que mayor corriente de gate precisa en el disparo, para que este dispositivo deje de conducir, como en el resto de los casos, hay que hacer bajar la corriente por debajo del valor Ih.
GRAFICA
caracteristicas V-I del triac
Al igual que el SCR, se emplean para controlar la potencia
suministrada a una carga. El triac puede dispararse de tal modo que la potencia
en alterna sea suministrada a la carga durante un tiempo determinado de cada
ciclo. La diferencia con el SCR es que se puede disparar tanto en la parte
positiva que en la negativa del ciclo, de tal manera que la corriente en la
carga puede circular en los dos sentidos.
DIAC ( Diodo para corriente alterna)
El DIAC es un diodo de disparo bidireccional, especialemente diseñado para disparar triacs y tiristores ( es un dispositivo disparado por tension). tiene dos terminales; MT1 y MT2.
El DIAC se comporta como dos diodos zener conectados en serie, pero orientados en formas opuesta. la conduccion se da cuando se ha superado el valor de tension del zener que esta conectado en sentido opuesto.
El DIAC normalmente no conduce, sino que tiene una pequeña corriente de fuga. La conducción aparece
cuando la tensión de disparo se alcanza.
Cuando la tensión de disparo se alcanza, la tensión en el DIAC se
reduce y entra en conducción dejando pasar la
corriente necesaria para el disparo del SCR o TRIAC.
Se utiliza principalmente en aplicaciones de control de potencia mediante control de fase.
GRAFICA
La curva característica del DIAC se muestra a continuación
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
CARACTERISTICAS
Tensión de disparo
- Corriente de disparo
- Tensión de simetría (ver grafico anterior)
- Tensión de recuperación
- Disipación de potencia (Los DIAC se fabrican con capacidad de disipar potencia de 0.5 a 1W.)
TIPOS
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 tension 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.
TIRISTOR GTO ( gate turn-off thyristor)
USO
El GTO es un tiristor con capacidad externa de bloqueo. la puesta permite controlar las dos transiciones: paso de bloqueo a conduccion y viceversa. el simbolo utilizado para el GTO es el siguiente:
puede ser encendido por un solo pulso de corriente positiva en la terminal puerta o gate (G), al igual que el tiristor normal; pero en cambio puede ser apagado al aplicar un pulso de corriente negativa en el mismo terminal. Ambos estados, tanto el estado de encendido como el estado de apagado, son controlados por la corriente en la puerta (G).
CARACTERISTICAS
El proceso de encendido es similar al del tiristor. las caracteristicas de apagado son un poco diferentes. cuando un voltaje negativo es aplicado a travez de las terminales puerta G y catodo C o K, la corriente en la puerta ig, crece.
cuando la corriente en la puerta G alcanza su maximo valor, IGR, la corriente de anodo comienza a caer y el voltaje a traves del dispositivo VAK, comienza a crecer. el tiempo de caida de la corriente de anodo es abrupta, tipicamente menor a 1 us. despues de esto, la corriente de anodo varia lentamente y esta porcion de la corriente de anodo es conocido como corriente de cola.
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.
APLICACIONES
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.
-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.
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.
IGBT ( insulated gate bipolar transistor)
USO
El transistor bipolar de puerta aislada es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electronica de potencia.
Este dispositivo posee la caracteristica de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturacion del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. el circuito de excitacion de IGBT es como el del MOSFET, mientras que las caracteristicas de conduccion son como las de BJT.
los transistores IGBT has permitido desarrollos que no habian sido viables hasta entonces, en particular en los variadores de frecuencia asi como en las aplicaciones en maquinas electricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada dia y por todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso; tren, autobus, avión, barco, ascensor, electrodomesticos, televisión, domótica, etc.
CARACTERISTICAS
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 kHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias energía como fuente conmutada, control de la tracción en motores y cocina de inducción. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios con voltajes de bloqueo de 6.000 voltios.
Se puede concebir el IGBT como un transistor Darlington híbrido. Tiene la capacidad de manejo de corriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de base para mantenerse en conducción. Sin embargo las corrientes transitorias de conmutacion de la base pueden ser igualmente altas. En aplicaciones de electrónica de potencia es intermedio entre los tiristores y los mosfet. Maneja más potencia que los segundos siendo más lento que ellos y lo inverso respecto a los primeros.
Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de control de puerta es de unos 15V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta.
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.
simbolo G puerta, C colector, E emisor.
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. 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.
MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistors)
USO
Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica. Prácticamente la totalidad de los procesadores comerciales están basados en transistores MOSFET. son transistores controlador por tension, esto se debe al aislamiento (oxido de silicio), de la puerta repectro al resto del dispositivo. existen dos tipos basicos de MOSFET, los de canal n y los de canal p, si bien en electronica de potencia los mas comunes son los primeros, por presentar menores perdidas y mayor velocidad de conmutacion, debido a la mayor movilidad de los electrones con relacion a los agujeros.
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.
CARACTERISTICAS
Uno de los inconvenientes de los transistores MOSFET es que la potencia que pueden
manejar es bastante reducida. Para grandes potencias es inviable el uso de estos dispositivos,
en general, por la limitación de tensión. Sin embargo, son los transistores más rápidos que
existen, con lo cual se utilizan en aplicaciones donde es necesario altas velocidades de
conmutación (se pueden llegar a tener aplicaciones que trabajan a 1MHz, algo impensable
para los bipolares).
Otro de los inconvenientes de este tipo de transistores es que la resistencia en conducción RON varia mucho con la temperatura y con la corriente que circula, con lo que no se tiene un comportamiento de interruptor casi ideal como en el case de los bipolares. sin embargo, su ventaja mas relevante es la facilidad de control gracias al aislamiento de la puerta.
el consumo de corriente de puerta es pequeño y se simplifica el diseño del circuito de disparo driver y control correspondiente.
para evitar inconventes del MOSFET y del bipolar y aprovechar las ventajas de ambos, los fabricantes han introducido un dispositivo nuevo, denominado IGBT
VENTAJAS Y APLICACIONES
la principal aplicacion de los MOSFET esta en los circuitos integrados, p-mos, n-mos y c-mos, debido a varias ventajas sobre los transistores bipolares:
Consumo en modo estático muy bajo.
- Tamaño muy inferior al transistor bipolar (actualmente del orden de media micra).
- Gran capacidad de integración debido a su reducido tamaño.
- Funcionamiento por tensión, son controlados por voltaje por lo que tienen una impedancia de entrada muy alta. La intensidad que circula por la puerta es del orden de los nanoamperios.
- Los circuitos digitales realizados con MOSFET no necesitan resistencias, con el ahorro de superficie que conlleva.
- La velocidad de conmutación es muy alta, siendo del orden de los nanosegundos.
- Cada vez se encuentran más en aplicaciones en los convertidores de alta frecuencias y baja potencia.
Las aplicaciones de MOSFET discretos más comunes son:
- Resistencia controlada por tensión.
- Circuitos de conmutación de potencia (HEXFET, FREDFET, etc).
- Mezcladores de frecuencia, con MOSFET de doble puerta.
TRANSISTOR DE POTENCIA
USO
Existen tres tipos de transistores de potencia:
- bipolar.
- unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo).
- IGBT.
Es una característica común, sin embargo, el hecho de que la potencia que consume el terminal de control (base o puerta) es siempre más pequeña que la potencia manejada en los otros dos terminales.
En resumen, destacamos tres cosas fundamentales:
- En un transistor bipolar IB controla la magnitud de IC.
- En un FET, la tensión VGS controla la corriente ID.
- En ambos casos, con una potencia pequeña puede controlarse otra bastante mayor.
CARACTERISTICAS
- los transistores son dispositivos dotados de 3 terminales
-dos de los terminales actuan como terminales de entrada (control)
-dos actuan como terminales de salida
-un terminal es comun en entrada y salida
-la potencia consumida en la entrada es menor que la controlada en la salida
- la tensio entre terminales de entrada determina la salida: puede funcionar como fuente de corriente(zona activa),cortocircuito(saturacion) o circuito abierto(corte). en los accionamientos para motores trabajan en conmutacion.
un transistor de potencia se caracteriza en estado de bloqueo por la tension en sus bornes colector-emisor V CE y su corriente de fugas IF.
en estado de conduccion, se caracteriza por la corriente que lo atraviesa I C y por la caida de tension que esta provoca V CEsat.
en general, la tension de saturacion V CEsat, es inferior o igual a 1,5V.
CONFIGURACIONES
polarización en cada una de las uniones
del transistor pueden ser:
Region activa directa: corresponde a una polarizacion directra de la union emisor- base y una polarizacion inversa de la union colector-base. esta es la region de operacion normal del transistor para amplificacion
Region activa invers: corresponde a una polarizacion inversa de la union emisor-base y una polarizacion directa de la union colector-base. esta region es usada raramente.
Region de corte: corresponde a una polarizacion inversa de ambas uniones. la operacion en esta region corresponde a aplicaciones de conmutacion en el modo apagado, pues el transistor actua como interruptor abierto(IC 0).Region de saturacion: corresponde a una polarizacion directa de ambas uniones. la operacion en esta region en esta region corresponde a aplicaciones de conmutacion en el modo encendido, pues el transistor actua como interruptor cerrrado (VCE 0)
TABLAS
COMPARACION ENTRE VARIOS TRANSISTORES DE POTENCIA
Regiones de utilizacion: 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:
Otras caracteristicas teniendo en cuenta el diseño de circuitos de potencia:
APLICACIONES GENERALES: EVOLUCION PRACTICA
algunas aplicacions de los dispositivos utilizados en electronica de potencia:
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