Apuntes Unidad 1

IEM Carrera Acreditada

M.C. Hugo Abraham Pacheco Reyes Pgina 1

Instituto Tecnolgico de Tuxtepec Ingeniera Electromecnica

UNIDAD 1: DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

Contenido 1.1. Introduccin a los dispositivos semiconductores de potencia. ................................................................2

Definicin de la electrnica de potencia ......................................................................................................2

Sistemas electrnicos de potencia .................................................................................................................2

1.2. Ventajas y desventajas de la electrnica de potencia. ...........................................................................3

Ventajas: .........................................................................................................................................................3

Desventajas: ...................................................................................................................................................3

1.3. Terminologa utilizada en electrnica de potencia ................................................................................3

1.4. Descripcin y caracterstica de funcionamiento de la familia de Tiristores: SCR, TRIAC, DIAC, GTO, SITH, RCT. ..............................................................................................................................................................5

Tiristor ............................................................................................................................................................6

Formas mediante las cuales se puede activar un Tiristor ..............................................................................8

Tiristores de control de fase (SCR). ................................................................................................................9

Tiristores de conmutacin rpida (SCR) ...................................................................................................... 11

Tiristores de apagado por compuerta (GTO). ............................................................................................. 12

Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC) ................................................................................................... 13

Tiristores de conduccin inversa (RCT). ...................................................................................................... 14

Tiristores de induccin esttica (SITH) ........................................................................................................ 14

Rectificadores controlados de silicio activados por luz (LASCR) ................................................................. 15

Tiristores controlados por FET (FET-CTH) .................................................................................................... 15

Tiristores controlados por MOS (MCT) ....................................................................................................... 15

1.5. Transistores de potencia (MOSFET, IGBT) ............................................................................................. 17

Transistores MOSFET................................................................................................................................... 17

Transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) .................................................................................... 21



1.1. Introduccin a los dispositivos semiconductores de potencia.

Definicin de la electrnica de potencia

La Electrnica de Potencia es una rama de la ingeniera elctrica (disciplina que estudia la tcnica de produccin, transporte, tratamiento, transformacin y consumo de la energa elctrica) la cual utiliza dispositivos electrnicos (diodos, triacs, transistores bipolares, MOSFETs, IGBTs, etc.) para desarrollar equipos o materiales que aseguran la transformacin de la forma de la amplitud y/o frecuencia de las formas de onda que transportan la energa elctrica.

La electrnica de potencia tambin se puede definir como la aplicacin de la electrnica de estado slido para el control y la conversin de la energa elctrica.

Sistemas electrnicos de potencia

Para el control de la potencia elctrica o del acondicionamiento de la misma, es necesario convertir la potencia de una forma a otra, las caractersticas de interrupcin de los dispositivos de potencia permiten dicha conversin. Los convertidores de potencia estticos llevan a cabo estas funciones de conversin de potencia. Un convertidor se puede considerar como una matriz de conmutacin. Los circuitos electrnicos de potencia se pueden clasificar en los siguientes tipos:

1) Rectificadores de diodos. 2) Convertidores ca-cd (rectificadores controlados). 3) Convertidores cd-cd (pulsadores de cd). 4) Convertidores cd-ca (inversores). 5) Convertidores ca-ca (cicloconventidores).

Introduccin

CA CD

CA CD

Rectificacin

Inversin

Fuentes Conmutadas

Control de CACicloconvertidores

Fig. 1.1. Sistemas electrnicos de potencia



1.2. Ventajas y desventajas de la electrnica de potencia.

Durante mucho tiempo ha existido la necesidad de controlar la potencia elctrica de los sistemas de traccin y de los controles industriales impulsados por motores elctricos, as pues la electrnica de potencia ha revolucionado la idea del control para la conversin de potencia y para el control de los motores elctricos.

Lo electrnica de potencia combina la energa, la electrnica y el control, el control se encarga del rgimen permanente y de las caractersticas dinmicas de los sistemas de lazo cerrado. La energa tiene que ver con equipo de potencia esttica y rotativa o giratoria, para la generacin, transmisin y distribucin de la energa elctrica. La electrnica se encarga de los dispositivos y circuitos de estado slido requeridos para el procesamiento de la seales para cumplir con los objetivos de control deseados.

El control y conversin de la energa elctrica es realizada con la ayuda de controladores electrnicos de potencia. Los controladores electrnicos de potencia tambin son llamados convertidores electrnicos de potencia o convertidores estticos de potencia.

Ventajas:

Una respuesta dinmica ms rpida debido a uso de dispositivos estticos. Una eficiencia mejorada en la conversin de la energa debido a las bajas prdidas en los dispositivos

electrnicos. Tamao compacto y peso ligero de los convertidores debido a los dispositivos electrnicos. Larga vida y reduccin del mantenimiento debido a que no contienen partes mviles. Cuando los controladores electrnicos de potencia usan control digital basado en microprocesadores su

operacin se hace verstil y flexible. El ruido acstico y la interferencia electromagntica se reduce ya que no se utilizan contactores y

relevadores electromagnticos.

Desventajas:

Los controladores electrnicos de potencia generan armnicos debido a que deforman la seal sinusoidal de entrada. Esos armnicos afectan el funcionamiento de otras cargas y equipos.

El factor de potencia de algunos convertidores de potencia puede ser muy bajo. Se deben utilizar circuitos especiales de proteccin para proteger a los tiristores. Se deben seleccionar los tiristores para condiciones de carga mxima. Para una conversin de energa simple los convertidores electrnicos pueden resultar costosos.

1.3. Terminologa utilizada en electrnica de potencia

La terminologa se refiere a los trminos, siglas y parmetros ms utilizados en el estudio de la electrnica de potencia.

A continuacin se presenta parte de la terminologa ms utilizada en esta rea de la electrnica de potencia.



Tabla 1.1 Terminologa utilizada en electrnica de potencia.

Dispositivo o parmetro

Significado Definicin

Thyristor Tiristor Dispositivo semiconductor de cuatro capas alternadas npnp, con tres terminales; dos principales (nodo-ctodo SCR o MT1 - MT2 TRIAC)

Off State Estado de apagado o de bloqueo

Condicin del tiristor correspondiente a un estado de alta resistencia, presentando un alto voltaje entre sus terminales principales

On State Estado de encendido o activo.

Condicin del tiristor correspondiente a un estado de baja resistencia, presentando un bajo voltaje entre sus terminales principales

SCR Silicon Controlled Rectifier

Rectificador Controlado de Silicio

TRIAC Triode for Alternating Current

Triodo para Corriente Alterna

GTO Gate Turn Off Tiristor de apagado por compuerta

GATT Gate Assisted Turnoff Thiristor

Tiristor de desconexin asistido por puerta

MCT MOS Controlled Thyristor

Tiristor controlado por MOS

IT(AV) Average OnState Current (SCR)

Corriente Promedio En Estado De Conduccin. La mxima corriente promedio que puede manejar el tiristor sin que le cause dao.

IGT Gate Trigger Current Corriente de compuerta de disparo. Mnima corriente de compuerta requerida para conmutar al tiristor de su estado de bloqueo a su estado de encendido.

IH Holding current Corriente de mantenimiento. Valor mnimo de la corriente requerida entre las terminales principales del tiristor para mantenerlo en estado de encendido.

IL Latching current

Corriente de enganche. La mnima corriente que debe de fluir entre las terminales principales de un tiristor para mantenerlo activado inmediatamente despus de haber conmutado del estado de apagado al de encendido y se haya removido la seal de disparo de compuerta.

VDRM Peak Repetitive Off State Forward

Voltaje De Pico Mximo Inverso. Se refiere al mximo voltaje de pico inverso que se le puede aplicar continuamente entre las terminales (nodo-ctodo) de un SCR o (MT1-MT2) de unTRIAC sin daarlo.

VGT Gate Trigger Voltage Voltaje de disparo de compuerta. El voltaje de compuerta de dc aplicado entre la compuerta y ctodo, requerido para producir la corriente de compuerta necesaria para disparar al tiristor.



Dispositivo o parmetro

Significado Definicin

VT On-state Voltage Voltaje en estado activo. Voltaje entre las terminales principales de un tiristor en estado activo o de encendido.

tq Turn-off Time

Tiempo de apagado. Intervalo de tiempo entre el instante cuando la corriente principal del tiristor ha decrecido a cero y el instante cuando el tiristor es capaz de soportar un voltaje directo entre sus terminales principales sin activarse.

tgt Gate-controlled Turn-on Time

Tiempo de encendido controlado por compuerta. Es el intervalo de tiempo entre el instante en que se aplica el pulso de compuerta y el momento en que el voltaje entre las terminales principales del tiristores a decado a un valor bajo durante la conmutacin del tiristor del estado de apagado al estado activo.

1.4. Descripcin y caracterstica de funcionamiento de la familia de Tiristores: SCR, TRIAC, DIAC, GTO, SITH, RCT.

Conmutacin

La conmutacin es el proceso mediante el cual un tiristor pasa de un estado de conduccin (encendido) a uno

de no conduccin (apagado) o viceversa. En electrnica de potencia los tiristores y/o transistores de potencia

se utilizan como interruptores.

Existen dos tipos de conmutacin en electrnica de potencia: la conmutacin natural o de lnea y la

conmutacin forzada.

La conmutacin natural es aquella que se presenta cuando el circuito de carga debido a los voltajes aplicados

hace que la corriente sea menor que la de sostenimiento. Este tipo de conmutacin se tiene generalmente en

aplicaciones de corriente alterna y sucede en los cruces por cero del voltaje de lnea.

Por su parte en la conmutacin forzada en algunos circuitos de tiristor, el voltaje de entrada es de cd, para

desactivar al tiristor, la corriente en sentido directo del tiristor se obliga a pasar por cero utilizando un circuito

adicional conocido como circuito de conmutacin. Esta tcnica se conoce como conmutacin forzada y por lo

comn se aplica en los convertidores de cd a cd (pulsadores) y en convertidores de cd a ca (inversores).



Tiristor

Un tiristor es un dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura pnpn con tres uniones pn tiene tres

terminales: nodo ctodo y compuerta. La figura 1.2 muestra el smbolo del tiristor y una seccin recta de tres

uniones pn.

Cuando el voltaje del nodo se hace positivo con respecto al ctodo, las uniones J1 y J3 tienen polarizacin

directa o positiva. La unin J2 tiene polarizacin inversa, y solo fluir una pequea corriente de fuga del nodo

al ctodo. Se dice entonces que el tiristor est en estado de bloqueo directo o en estado desactivado

llamndose a la corriente de fuga corriente de estado inactivo ID.

Si el voltaje nodo a ctodo VAK se incrementa a un valor lo suficientemente grande la unin J2 polarizada

inversamente entrar en ruptura. Esto se conoce como ruptura por avalancha y el voltaje correspondiente se

llama voltaje de ruptura directa VBO. Dado que las uniones J1 y J3 ya tienen polarizacin directa, habr un

movimiento libre de portadores a travs de las tres uniones que provocar una gran corriente directa del

nodo. Se dice entonces que el dispositivo est en estado de conduccin o activado.

P

N

P

N

A

K

G

K

A

G

J1

J2

J3

a) b) Fig. 1.2. a).Smbolo del tiristor, b) Estructura de tres uniones pn.

La cada de voltaje se deber a la cada hmica de las cuatro capas y ser pequea, por lo comn 1V. En el

estado activo, la corriente del nodo est limitada por una impedancia o una resistencia externa, RL, tal y como

se muestra en la figura 1.3.

La corriente del nodo debe ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche IL, a fin de

mantener la cantidad requerida de flujo de portadores a travs de la unin; de lo contrario, al reducirse el

voltaje del nodo al ctodo, el dispositivo regresar a la condicin de bloqueo. La corriente de enganche, IL, es

la corriente del nodo mnima requerida para mantener el tiristor en estado de conduccin inmediatamente

despus de que ha sido activado y se ha retirado la seal de la compuerta. En la figura 1.3 aparece una grfica

caracterstica v-i comn de un tiristor.



RL

Fig. 1.3. Circuito Tiristor y curva caracterstica de corriente y voltaje.

Una vez que el tiristor es activado, se comporta como un diodo en conduccin y ya no hay control sobre el

dispositivo. El tiristor seguir conduciendo, porque en la unin2J no existe una capa de agotamiento de vida

a movimientos libres de portadores. Sin embargo si se reduce la corriente directa del nodo por debajo de un

nivel conocido como corriente de mantenimiento IH , se genera una regin de agotamiento alrededor de la

unin 2J debida al nmero reducido de portadores; el tiristor estar entonces en estado de bloqueo. La

corriente de mantenimiento es del orden de los miliamperios y es menor que la corriente de enganche, L HI I

. La corriente de mantenimiento HI es la corriente del nodo mnima para mantener el tiristor en estado de

rgimen permanente. La corriente de mantenimiento es menor que la corriente de enganche.

Cuando el voltaje del ctodo es positivo con respecto al del nodo, la unin 2J tiene polarizacin directa,

pero las uniones 1 3J y J tienen polarizacin inversa. Esto es similar a dos diodos conectados en serie con un

voltaje inverso a travs de ellos. El tiristor estar en estado de bloqueo inverso y una corriente de fuga inversa,

conocida como corriente de fuga inversa RI fluir a travs del dispositivo.

Dependiendo de la construccin fsica y del comportamiento de activacin y desactivacin, en general los

tiristores pueden clasificarse en nueve categoras:

1. Tiristores de control de fase (SCR).

2. Tiristores de conmutacin rpida (SCR)

3. Tiristores de desactivacin por compuerta (GTO)

4. Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC).

5. Tiristores de conduccin inversa (RTC).

6. Tiristores de induccin esttica (SITH).

7. Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR)

8. Tiristores controlados por FET (FET-CTH)

9. Tiristores controlados por MOS (MCT).



Formas mediante las cuales se puede activar un Tiristor

Un tiristor se activa incrementndola corriente del nodo. Esto se puede llevar a cabo mediante una de las

siguientes formas.

Trmica. Si la temperatura de un tiristor es alta habr un aumento en el nmero de pares electrn-hueco, lo

que aumentar las corrientes de fuga. Este aumento en las corrientes har que 1 y 2 aumenten. Debido a

la accin regenerativa (1 + 2) puede tender a la unidad y el tiristor pudiera activarse. Este tipo de activacin

puede causar una fuga trmica que por lo general se evita.

Luz. Si se permite que la luz llegue a las uniones de un tiristor, aumentaran los pares electrn-hueco

pudindose activar el tiristor. La activacin de tiristores por luz se logra permitiendo que esta llegue a los

discos de silicio.

Alto voltaje. Si el voltaje directo nodo a ctodo es mayor que el voltaje de ruptura directo VBO, fluir una

corriente de fuga suficiente para iniciar una activacin regenerativa. Este tipo de activacin puede resultar

destructiva por lo que se debe evitar.

dv/dt. Si la velocidad de elevacin del voltaje nodo-ctodo es alta, la corriente de carga de las uniones

capacitivas puede ser suficiente para activar el tiristor. Un valor alto de corriente de carga puede daar el

tiristor por lo que el dispositivo debe protegerse contra dv/dt alto. Los fabricantes especifican el dv/dt mximo

permisible de los tiristores.

Corriente de compuerta. Si un tiristor est polarizado en directa, la inyeccin de una corriente de compuerta

al aplicar un voltaje positivo de compuerta entre la compuerta y las terminales del ctodo activar al tiristor.

Conforme aumenta la corriente de compuerta, se reduce el voltaje de bloqueo directo, tal y como aparece en

la figura 1.4.

Fig. 1.4. Efectos de la corriente de compuerta sobre el voltaje de bloqueo directo.



Descripcin y caractersticas de funcionamiento de la familia de tiristores

Tiristores de control de fase (SCR).

El tiristor, tambin llamado rectificador controlado de silicio (SCR), es bsicamente un dispositivo pnpnde

cuatro capas con tres uniones. Este tiene tres terminales: nodo, ctodo, y compuerta. El dispositivo es

activado aplicando un pulso corto a travs de la compuerta y el ctodo. Una vez que el dispositivo se activa, la

compuerta pierde su control para apagarlo.

El apagado de este dispositivo se realiza aplicando un voltaje inverso a travs del nodo y el ctodo. La figura

1.5 muestra el smbolo del SCR y sus caractersticas de corriente y voltaje.

Este tipo de Tiristor por lo general opera a la frecuencia de lnea, y se desactiva por conmutacin natural. El

tiempo de desactivacin, tq, es del orden de 50 a 100 s. Esto es muy adecuado en especial para las

aplicaciones de conmutaciones a baja velocidad. Tambin se les conoce como tiristores convertidores. Dado

que un tiristor es bsicamente un dispositivo controlado y fabricado de silicio, tambin se conoce como un

rectificador controlado de silicio (SCR).

El voltaje en estado activo rV , por lo comn vara desde aproximadamente 1.15 V para 600 V, hasta 2.5 V para

dispositivos de 4000 V; y para un tiristor de 5500 A a 1200 V es tpicamente 1.25 V.

a)

nodo

Ctodo

Compuerta

b)

Fig. 1.5. a) Smbolo del SCR, b) Caractersticas de voltaje-corriente

Los tiristores modernos utilizan una compuerta amplificadora, en la que se dispara un tiristor auxiliar AT

mediante una seal de compuerta, y de all la salida amplificada de AT se aplica como seal de compuerta al

tiristor principal MT .



Un SCR (Rectificador Controlado de Silicio), es un dispositivo de tres terminales nodo (A), Ctodo (K) y

Compuerta (G), en el cual la corriente circula en forma unidireccional desde el nodo al ctodo, esta

circulacin de corriente es iniciada o producida por una pequea corriente de seal desde la compuerta al

ctodo.

A K

G

a) b)

Fig. 1.6. a) Smbolo del SCR, b) Diferentes tipos de de SCRs

Disparo del SCR

Cuando el voltaje de puerta alcanza el voltaje de umbral VGT, hace que la corriente de compuerta IGT, llegue al

valor umbral dentro de un tiempo muy corto conocido como tiempo de encendido, controlado por

compuerta, tgt, la corriente de carga puede fluir desde el nodo al ctodo. Si la corriente de compuerta

consiste de un pulso muy estrecho, por ejemplo menos de 1ms, su nivel de pico tendr que aumentar para

anchos de pulso progresivamente ms estrechos para garantizar el disparo efectuado de esta manera.

Cuando la corriente de carga aumente, hasta el valor de corriente de enganche (latching) del tiristor, la

corriente de carga se mantendr estable despus de la remocin de la corriente de compuerta. Mientras la

corriente adecuada de carga contina circulando, el tiristor continuar conduciendo, sin la corriente de puerta.

Esto es lo que se denomina tiristor disparado.

Apagado

Para apagar al SCR, la corriente de carga debe reducirse por debajo de la corriente de mantenimiento IH, por el

tiempo suficiente para permitir a todos los portadores evacuar la juntura. Esto se logra por "conmutacin

forzada" en circuitos de CC o al final del semiciclo de conduccin (cruce por cero), en circuitos de CA.

Caractersticas ms destacadas del SCR:



Estructura de cuatro capas pn alternadas.

Dispositivo capaz de soportar las potencias ms elevadas. nico dispositivo capaz de soportar

4500I A , 2 4ONV V y 7000V V .

Control del encendido por corriente de compuerta (pulso).

No es posible apagarlo desde la puerta El circuito de potencia debe bajar la corriente andica por

debajo de la de mantenimiento.

Frecuencia mxima de funcionamiento baja, ya que se sacrifica la velocidad para conseguir una cada

en conduccin lo menor posible. Su funcionamiento se centra en aplicaciones a frecuencia de red.

Tiristores de conmutacin rpida (SCR)

Estos se utilizan en aplicaciones de conmutacin de alta velocidad con conmutacin forzada (por ejemplo,

en pulsadores e inversores). Tienen un tiempo corto de desactivacin, por lo general de 5 a 50 s dependiendo

del rango de voltaje. La cada directa en estado activo vara aproximadamente en funcin inversa del tiempo de

desactivacin tq Este tipo de tiristor tambin se conoce como tiristor inversor

Estos tiristores tienen un dtdv / alto, tpicamente de 1000 V/S, y un dtdi / de 1000 A/s. La desactivacin

rpida y el dtdi / altos son muy importantes para reducir el tamao y el peso de los componentes de

conmutacin o reactivos del circuito. El voltaje en estado activo de un tiristor de 2200 A 1800 V es por lo

comn de 1.7 V. Los tiristores inversores con una muy limitada capacidad de bloqueo inverso, tpicamente de

10 V, y un tiempo de desactivacin muy corto, entre 3 y 5 s se conocen comnmente como tiristores

asimtricos (ASCR).

Fig. 1.7. SCR de conmutacin rpida



Tiristores de apagado por compuerta (GTO).

Un tiristor de apagado por compuerta (GTO), al igual que un SCR, puede activarse mediante la aplicacin de

una seal positiva de compuerta. Sin embargo, se puede desactivar mediante una seal negativa de

compuerta.

Un GTO, es un dispositivo de enganche y se puede construir con especificaciones de corriente y voltaje

similares a las de un SCR. Un GTO se activa aplicando a su compuerta un pulso positivo corto y se desactiva

mediante un pulso negativo corto. Los GTOs tienen varias ventajas sobre los SCR las cuales se describen a

continuacin:

a) La eliminacin de los componentes auxiliares en la conmutacin forzada, que da como resultado una

reduccin en costo, peso y volumen.

b) La reduccin del ruido acstico y electromagntico debido a la eliminacin de bobinas de induccin en la

conmutacin.

c) Una desactivacin ms rpida, que permite frecuencias de conmutacin ms altas.

d) Una eficiencia mejorada de los convertidores.

En aplicaciones de baja potencia, los GTO tienen las siguientes ventajas sobre los transistores bipolares:

a) Una ms alta capacidad de voltaje de bloqueo.

b) Una relacin alta de corriente de pico controlable a corriente promedio.

c) Una relacin alta de corriente de pulsacin pico a corriente promedio, tpicamente de 10:1.

d) Una ganancia alta en estado activo (corriente del nodo dividida entre la corriente de la compuerta)

tpicamente 600.

e) Una seal de compuerta pulsada de corta duracin. Bajo condiciones de pulsacin de carga, un GTO pasa a

una saturacin ms profunda. Por otra parte, un transistor bipolar tiende a salirse de saturacin.

Tiene un voltaje en estado activo ms alto que el de los SCR. El voltaje en estado activo de un GTO tpico es de

3-4 V. Un GTO de 3000 A, 4500 V se muestra en la figura 1.8.

Fig. 1.8. GTO de 3000 A, 4500 V



Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC)

Un TRIAC puede conducir en ambas direcciones, y normalmente se utiliza en el control de fase de corriente

alterna (por ejemplo, controladores de voltaje de ca). Se puede considerar como si fueran dos SCR conectados

en antiparalelo, con una conexin de compuerta comn, como se muestra en la figura 1.8. Las caractersticas v-

i aparecen en la figura 1.9.

MT1

MT2

G

a) b) c)

Fig. 1.9. a) Equivalente del Triac, b) Smbolo, c) Caractersticas v-i.

Dado que el TRIAC es un dispositivo bidireccional, no es posible identificar sus terminales como nodo y

ctodo. Si la terminal MT2 es positiva con respecto a la terminal MT1, el TRIAC se puede activar aplicando una

seal de compuerta positiva entre la compuerta G y la terminal MT1 .Si la terminal MT2 es negativa con

respecto a la terminal MT1, se activar al aplicar una seal negativa a la compuerta, entre la compuerta G y la

terminal MT1. No es necesario que estn presentes ambas polaridades en las seales de la compuerta y un

TRIAC puede ser activado con una sola seal positiva o negativa de compuerta. En la prctica, la sensibilidad

vara de un cuadrante a otro, el TRIAC normalmente se opera en el cuadrante I+ (voltaje y corriente de

compuerta positivos) o en el cuadrante III- (voltaje y corriente de compuerta negativos).

Fig. 1.10. Diferentes tipos de Triacs



Tiristores de conduccin inversa (RCT).

En muchos circuitos pulsadores e inversores, se conecta un diodo antiparalelo a travs de un SCR, con la

finalidad de permitir un flujo de corriente inversa debido a una carga inductiva, y para mejorar el requisito de

desactivacin de un circuito de conmutacin. El diodo fija el voltaje de bloqueo inverso del SCR a 1 o 2 V por

debajo de las condiciones de rgimen permanente. Sin embargo, bajo condiciones transitorias, el voltaje

inverso puede elevarse hasta 30 V debido al voltaje inducido en la inductancia dispersa del circuito dentro del

dispositivo.

Un RCT es un intercambio entre caractersticas del dispositivo y requisitos del circuito; puede considerarse

como un tiristor con un diodo antiparalelo incorporado, tal y como se muestra en la figura 1.9. Un RCT se

conoce tambin como tiristor asimtrico (ASCR). El voltaje de bloqueo directo vara de 400 a 2000 V y la

especificacin de corriente llega hasta 500 A. El voltaje de bloqueo inverso es tpicamente 30 a 40 V. Dado que

para un dispositivo determinado est preestablecida la relacin entre la corriente directa a travs de un tiristor

y la corriente inversa del diodo, sus aplicaciones se limitarn a diseos de circuitos especficos.

Fig. 1.11. Tiristor de conduccin inversa.

Tiristores de induccin esttica (SITH)

Las caractersticas de un SITH son similares a las de un MOSFET. Por lo general, un SITH es activado al

aplicrsele un voltaje positivo de compuerta, como los tiristores normales, y desactivado al aplicrsele un

voltaje negativo a su compuerta. Un SITH es un dispositivo de portadores minoritarios. Como consecuencia, el

SITH tiene una baja resistencia en estado activo as como una baja cada de potencial, y se puede fabricar con

especificaciones de voltaje y corriente ms altas.

Un SITH tiene velocidades de conmutacin muy rpidas y capacidades altas de dtdv / y dtdi / . El tiempo de

conmutacin es del orden de 1 a 6 s. La especificacin de voltaje puede alcanzar hasta 2500 V y la de

corriente est limitada a 500 A. Este dispositivo es extremadamente sensible a su proceso de fabricacin, por lo

que pequeas variaciones en el proceso de manufactura pueden producir cambios de importancia en sus

caractersticas.



Rectificadores controlados de silicio activados por luz (LASCR)

Este dispositivo se activa mediante radiacin directa sobre el disco de silicio provocada con luz. Los pares

electrn-hueco que se crean debido a la radiacin producen la corriente de disparo bajo la influencia de un

campo elctrico. La estructura de compuerta se disea a fin de proporcionar la suficiente sensibilidad para el

disparo, a partir de fuentes luminosas prcticas (por ejemplo, LED y para cumplir con altas capacidades de

dtdi / y dtdv / ).

Los LASRC se utilizan en aplicaciones de alto voltaje y corriente (por ejemplo, transmisin de cd de alto voltaje

(HVDC) y compensacin de potencia reactiva esttica o de volt-amperes reactivos (VAR)]. Un LASCR ofrece total

aislamiento elctrico entre la fuente de disparo luminoso y el dispositivo de conmutacin de un convertidor de

potencia, que flota a un potencial tan alto como unos cuantos cientos de kilovoltios. La especificacin de

voltaje de un LASCR puede llegar tan alto como 4 kV a 1500 A, con una potencia de disparo luminoso de menos

de 100 mW. El dtdi / tpico es 250 A/s y el dtdv / puede ser tan alto como 2000 V/s.

Tiristores controlados por FET (FET-CTH)

Un dispositivo FET-CTH combina un MOSFET y un tiristor en paralelo, tal y como se muestra en la figura 1.10. Si

a la compuerta del MOSFET se le aplica un voltaje suficiente, tpicamente 3 V, se genera internamente una

corriente de disparo para el tiristor. Tiene una alta velocidad de conmutacin, un alto y un alto.

Este dispositivo se puede activar como los tiristores convencionales, pero no se puede desactivar mediante

control de compuerta. Esto servira en aplicaciones en las que un disparo ptico debe utilizarse con el fin de

proporcionar un aislamiento elctrico entre la seal de entrada o de control y el dispositivo de conmutacin del

convertidor de potencia.

Ctodo

R

M1T1

G

Fig. 1.12. Tiristor controlado por FET.

Tiristores controlados por MOS (MCT)

Un tiristor controlado por MOS (MCT) combina las caractersticas de un tiristor regenerativo de cuatro capas y

una estructura de compuerta MOS. En la figura 2.11 aparece el circuito equivalente y el smbolo del MCT.

dtdi / dtdv /



Fig. 1.13. Circuito equivalente y smbolo del MCT de canal p

La estructura NPNP se puede representar por un transistor npn Q1 y un transistor pnp Q2. La estructura de

compuerta MOS se puede representar por un MOSFET de canal p M1 y un MOSFET de canal n M2. Debido a

que se trata de una estructura npnp, en vez de la estructura pnpn de un SCR normal, el nodo sirve como la

terminal de referencia con respecto a la cual se aplican todas las seales de compuerta.

El MCT se puede operar como dispositivo controlado por compuerta, si su corriente es menor que la corriente

controlable pico. Intentar desactivar el MCT a corrientes mayores que su corriente controlable pico de

especificacin, puede provocar la destruccin del dispositivo. Para valores ms altos de corriente, el MCT debe

ser conmutado como un SCR estndar. Los anchos de pulso de la compuerta no son crticos para dispositivos de

corrientes pequeas. Para corrientes mayores, el ancho del pulso de desactivacin debe ser mayor. Adems,

durante la desactivacin, la compuerta utiliza una corriente pico. En muchas aplicaciones, incluyendo

inversores y pulsadores, se requiere, de un pulso continuo de compuerta sobre la totalidad del perodo de

encendido/apagado a fin de evitar ambigedad en el estado. Las caractersticas ms sobresalientes de un MCT

son:

a) Tiene una baja cada de voltaje directo durante la conduccin.

b) Un tiempo de activado rpido, tpicamente 0.4 s , y un tiempo de desactivado rpido, tpicamente 1.25

s , para un MCT de 300 A, 500 V.

c) Bajas prdidas de conmutacin.

d) Una baja capacidad de bloqueo de voltaje inverso.

e) Una alta impedancia de entrada de compuerta, lo que simplifica mucho los circuitos de excitacin.



1.5. Transistores de potencia (MOSFET, IGBT)

Los transistores de potencia son usados en aplicaciones de unos pocos a unos cuantos cientos de kilowatts y

frecuencias de conmutacin hasta aproximadamente 10 kHz. Los transistores de potencia usados en

aplicaciones de conversin de potencia son generalmente del tipo npn. Se clasifican en Transistor bipolar de

Union (BJT) de potencia, Transistores MOSFET y Transistores de compuerta aislada IGBT de los cuales se

presentarn las caractersticas de los dos ltimos a continuacin.

Transistores MOSFET

Qu es un transistor MOSFET?

Un transistor MOSFET es una barra de silicio con un sector oxidado (el xido de silicio se conoce vulgarmente como vidrio) sobre el que se produce un metalizado. Este metalizado est por lo tanto aislado de la barra de silicio pero suficientemente cercano como para cambiar la magnitud de la corriente circulante por la barra. Ver figura 2.13.

El transistor MOSFET (del ingls Metal-oxide-semiconductor field effect transistor) cuenta con un canal de semiconductor tipo n, una regin tipo p y una puerta aislada. Los electrones libres pueden fluir desde la fuente al drenaje a travs del material tipo n.

Figura 2.14. Transistor MOSFET

La regin p recibe el nombre de sustrato y reduce fsicamente la trayectoria de conduccin a un canal muy

estrecho. Los electrones fluyen en la forma indicada y deben pasar este angosto canal cuya anchura efectiva se

controla mediante el potencial aplicado a la compuerta. Como la compuerta est aislada del canal, la corriente

de entrada a la puerta es despreciable.

Los transistores MOSFET o tambin conocidos como Transistores de Efecto de Campo de Metal Oxido Semiconductor (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Efect Transistor), es un dispositivo similar al transistor BJT,

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en el hecho que se compone bsicamente de 3 capas de semiconductor n y p, pero con ciertas modificaciones tal como se muestra a continuacin:

MOSFET MOSFET canal P canal N

a) b)

Fig. 1.15. a).- Transistor MOSFET de canal n, b).- Transistor MOSFET de canal p

Observe que se pueden tener dos tipos de MOSFET, de canal n y canal p. El nombre de sus terminales son respectivamente: S = Source (Fuente), D = Drain (Drenador) y G = Gate (Compuerta). Se puede apreciar tambin que se ha utilizado una representacin con diodos, dicha representacin terica ser til ms adelante para explicar el funcionamiento de este dispositivo. A continuacin se muestra la distribucin interna de cargas para un MOSFET de canal n:

Figura 2.16. Distribucin interna de cargas para un MOSFET de canal n

Se observa que el semiconductor p tiene cierta cantidad de electrones libres, a los cuales se les llama impurezas (en un MOSFET p las impurezas son huecos), aun as son la clave para la operacin del MOSFET, adems no existe conexin elctrica entre la compuerta y el material p, esta est aislada por una capa de xido aislante.



Bsicamente un MOSFET es el resultado de combinar la estructura de un transistor BJT con la operacin de un condensador, dicho condensador se ubica entre la compuerta G y la parte de la fuente S que est en contacto con el material P.

Principio de funcionamiento

La explicacin que sigue se basar en el transistor MOSFET de canal n, pero es igualmente vlida para el MOSFET de canal p solo que se cambian polaridades de las fuentes y electrones por huecos.

Para empezar, el MOSFET funcionar solo si se cumplen las siguientes condiciones:

Debe existir un voltaje positivo entre Compuerta y Fuente (G = +, S = -), y un voltaje positivo entre Drenador y Fuente (D = +, S = -).

Si solo se aplica un voltaje VDS, el diodo cercano al drenador tendr polarizacin inversa, por lo que el MOSFET no conducir. Por otra parte si se aplica un voltaje positivo VGS por encima de cierto valor conocido como Voltaje de Umbral (VT), se provocar la separacin de los huecos y de las impurezas del material p (ley de las cargas elctricas), estas ltimas se juntarn al lado del xido aislante sin poder cruzar (como en las placas de un condensador), por lo que IG = 0.

Fig. 1.17. Funcionamiento de un MOSFET de canal n

El resultado de este proceso es la formacin de un canal n artificial, de aqu el nombre de MOSFET de canal n. Gracias a la existencia de este canal artificial, se puede establecer una corriente entre drenador D y fuente S, cuyo valor depender de la cantidad de impurezas reunidas cerca de la compuerta, las cuales finalmente dependen del voltaje VGS.

Existen diferentes versiones de MOSFETs en funcin del tipo de barra de silicio (canal tipo P y canal tipo N) y

del funcionamiento del dispositivo. Hay MOSFET de ensanchamiento de canal y otros de estrechamiento del

canal (los primeros tiene una resistencia intrnseca alta, que se reduce al aplicar tensin a la compuerta y los

segundos tienen una resistencia intrnseca baja, que aumenta al aplicar tensin a la compuerta). Los cuatro

tipos se individualizan por el smbolo, la flecha hacia el canal significa tipo N y la flecha hacia el lado contrario al

canal significa tipo P; los de ensanchamiento se individualizan porque el smbolo del canal est cortado en



contraposicin con los de estrechamiento en donde el canal se dibuj completo. Tambin existen MOSFET de 4

patas en donde el substrato est desconectado del terminal de fuente y tiene su pata individual.

Canal PCanal N Canal PCanal N

Canal PCanal NCanal PCanal N

MOSFET de 3 patas

Conexin del sustrato interna

MOSFET de 4 patas

Conexin del sustrato externa

Ca

na

l

estr

ech

am

ien

to

Agotamiento

Ca

na

l

en

sa

nch

am

ien

to

Enriquecimiento

D

S

G

D

S

G

D

S

G

D

S

G

D

S

G

D

S

G

D

S

G

D

S

GB

S

B

B B

Nomenclatura: D=Drenador (Drain) S=Fuente (Source)

G=Compuerta (Gate) B=Sustrato (Bulk)

Fig. 1.18. Smbolos para diferentes tipos de MOSFET

El dispositivo MOSFET es perfectamente capaz de amplificar seal elctrica y de hecho existen amplificadores

de potencia basados en ellos; sin embargo en aplicaciones de electrnica de potencia se utilizan como

interruptores.

Un MOSFET de potencia es un dispositivo controlado por voltaje, que requiere solo de una pequea corriente

de entrada. La velocidad de conmutacin es muy alta siendo los tiempos de conmutacin del orden de los

nanosegundos. Los MOSFET no tienen los problemas de los fenmenos de ruptura secundaria que tienen los

BJT, pero tienen problemas de descargas electrostticas, por lo que su manejo requiere de cuidados especiales.

Adems es muy difcil protegerlos bajo condiciones de falla por corto circuito.

Principales caractersticas de los MOSFET.

Ventajas:

Su altsima impedancia de entrada a frecuencias audibles. No necesitan drivers ni corriente para funcionar

en zona lineal. Son dispositivos controlados por tensin, no por corriente, y no necesitan drivers como los

BJT en las etapas de salida

Bajo nivel de ruido trmico, ya que los portadores que intervienen en la conduccin no son creados

trmicamente como en los BJT.



Coeficiente trmico negativo. Permite poner en paralelo varios de ellos, sin tener que recurrir a un

transistor de mayor potencia y encapsulados ms caros como el TO-3 o TO-247.

No existe ruptura secundaria como en los BJT, por lo que pueden proporcionar ms corriente a alto

voltaje.

Pueden soportar sobrecargas importantes en un breve espacio de tiempo, lo cual es positivo a la hora de

alimentar cargas reactivas como los altavoces.

Mayor velocidad que los bipolares.

Inconvenientes:

Muy baja linealidad con intensidades de drenador pequeas.

En los transistores de entrada de la etapa diferencial aparece cierto nivel de "fliker noise".

Transconductancia menor que en los bipolares.

Su tensin VGS mxima es muy baja, lo que puede provocar la destruccin del transistor muy fcilmente,

sobre todo al montar el amplificador, donde slo con la electricidad esttica de los dedos se pueden

estropear

Transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

El transistor bipolar de compuerta aislada IGBT , combina las ventajas de un MOSFET de potencia y la de

un transistor bipolar BJT . Un IGBT tiene una alta impedancia de entrada, igual que los MOSFET y bajas

prdidas de conduccin en estado activo, como los BJT . Pero no presentan ningn problema de ruptura

secundaria, como los BJT . Mediante el diseo y estructura del dispositivo, la resistencia equivalente drenaje

fuente, RDS, se controla para que se comporte como la salida de un BJT .

La seccin transversal de silicio de un IGBT se muestra en la figura 1.17, y es idntica a la de un

MOSFET , excepto en el sustrato p+. Sin embargo, el rendimiento o comportamiento de un IGBT es ms

parecido al de un BJT que al de un MOSFET . Esto se debe al sustrato p+, que es responsable de la

inyeccin de portadores minoritarios en la regin n . En la figura 1.18a, aparece el circuito equivalente,

mismo que se puede simplificar al de la figura 1.18b. Un IGBT est fabricado con cuatro capas alternadas

pnpn y se puede enganchar como un tiristor, si se da la condicin necesaria ( 1 pnpnpn ).

Un IGBT es un dispositivo controlado por voltaje, similar a un MOSFET de potencia. Tiene menores

prdidas de conmutacin y de conduccin, en tanto comparte muchas caractersticas atractivas de los

MOSFET de potencia, como la facilidad de excitacin de compuerta, la corriente de pico, la capacidad y la

resistencia Un IGBT es ms rpido que un BJT, sin embargo la velocidad de conmutacin comparada con las

de los MOSFET es inferior.



Colector

Emisor

CompuertaCompuerta

n+ n+p-

p+

Capa epitaxial n-

Capa intermedia n+

Sustrato p+

Fig. 1.19. Seccin transversal de un IGBT

El smbolo el circuito de un IGBT se muestran en la figura 1.19. Las tres terminales son compuerta, colector

y emisor, en vez de compuerta, drenaje y fuente de un MOSFET . Las especificaciones de corriente de un

IGBT pueden llegar a 400 A a 1200 V y la frecuencia de conmutacin hasta 20 KHz.

C

PNP

NPN

RBE

RMOD

E

G

C

PNP

RBE

RMOD

E

G

a) b)

Fig. 1.20. Circuito equivalente correspondiente a un IGBT

C

RBE

RS

E

GR

D

RGE

IC

VG

VCC

Figura 2.21. Smbolo y circuito para un IGBT



Fig. 1.22. Modulo de IGBT Powerex Expands 1700V IGBT Offering to 2400A

Apuntes Unidad 1

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