8/18/2019 Cap1_1_2013

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Taller de ElectrónicaUnidad 1: Introducción

Componentes Electrónicos de Potencia

Prof. Carlos R. Baier.

Departamento de Tecnologías Industriales

Universidad de Talca

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Semiconductores de Potencia

• El desarrollo de los dispositivos semiconductores comienza con el inventodel transistor en 1948, por Bardeen, Brattain, and Shockley, utilizado principalmente como amplificador de señales en electrónica. (Sin olvidar aHenry Dunwooy, 1906)

• En electrónica de potencia el semiconductor se utiliza como un interruptorelectrónico, por lo que siempre se trabaja en la zona de corte (circuitoabierto) y en la zona de saturación (cortocircuito).

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• El desarrollo de la electrónica de potencia comienza a fines de la

década del 50 con el desarrollo del diodo, y se consolida en la década

del 60 con la invención del tiristor.

• Los semiconductores se pueden clasificar de diferentes manera, pero la

mejor forma de hacerlo es por su principio de operación y

características constructivas.

• De esta forma se pueden distinguir:

 – Semiconductores no controlados (diodos).

 – Semiconductores semi-controlados (tiristores).

 – Semiconductores controlados (transistores y otros).

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• Otra forma de clasificar a los semiconductores es por la

forma en que se conmutan (encienden y apagan), y de

acuerdo a este criterio se clasifican en:

 – Semiconductores con conmutación natural:

• Diodos y Tiristores

 – Semiconductores con conmutación forzada:

• Transistores y Otros con características de encendido y apagado

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• Características Voltaje-Corriente de un Switch Ideal.

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• Características de un Switch Ideal en estado On.

Caída de tensión nula durante la

conducción. (Voltaje de Saturación)

Alta capacidad de conducción de

corriente. (Corriente Nominal)

Capacidad de conmutación instantánea

entre estados on – off cuando se aplican los pulsos de encendido y apagado. (Tiempos

de encendido y apagado).

Además, los circuitos de control deben

consumir bajas cantidades de potencia

 para generar los pulsos de disparo y

apagado del dispositivo.

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• Características de un Switch Ideal en estado Off.

Gran capacidad de soportar altas

tensiones inversas y directas cuando se

encuentran apagados. (Tensión de

Bloqueo)

Corrientes nulas durante el estado

apagado. (Corrientes de Fuga)

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• Los principales desafíos que se deben resolver en el

desarrollo de Semiconductores de Potencia se relacionan

con: – Aumento de capacidad de potencia (voltaje de bloqueo y corriente

de conducción).

 – Mayor velocidad de conmutación.

 – Menores pérdidas de conducción (menor tensión de saturación).

 – Facilidad de control (proceso de encendido y apagado).

 – Reducción de costos.

 – Permitir el desarrollo de nuevas topologías de convertidores.

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• Clasificación de los Convertidores Estáticos de Potencia

 – Básicamente los convertidores estáticos se pueden clasificar talcomo lo muestra la figura.

 – Los accionamientos de altas potencias se pueden formar a partir de

configuraciones básicas utilizando semiconductores que puedan

conducir altas corrientes y soporten altos voltajes de bloqueo

Power Converters

High Power 

Drives

DC/DC

Converters

AC/DC

Converters

AC/AC

Converters

DC/AC

Converters

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• Los accionamientos de altas potencias

 – Se pueden clasificar tal como lo muestra la figura. – Una clasificación mas especifica muestra distintas topologías

usadas y comercializadas.

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Convertidores de Potencia

va

vb

vc

DC

+

-

Motor 

Inducción

DC

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

Rectificador No Controlado

Inversor

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03-150

-100

-50

0

50

100

150

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El Diodo

 Ánodo

Cátodo

ID

VD

• La conducción está definida por la polaridad de la corriente

y el voltaje entre anodo y catodo

Símbolo Característica V-I Característica Ideal V-I

ID

VD

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El Diodo

Curvas caracteristicas de un diodo de potencia (6000[V]-1320 [A]).

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El Tiristor

La familia de los tiristores engloba a diversos dispositivos semiconductores teniendo en

común una estructura de 4 capas semiconductoras.

Familia de Tiristores:

• SCR (Silicon Controlled Rectifier) generalmente llamado tiristor.

• LTT (Light Triggered Thyristor) Tiristor Activado por un haz de luz.

• TRIAC Tiristor Triodo Bidireccional.

• DIAC Tiristor Diodo Bidireccional.

• MCT (Mos-Controlated Thyristor).

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El Tiristor (SCR).

Los tiristores o SCR (Silicon Controlled Rectifierrs) requieren de un

 pulso de corriente en el Gate (compuerta) para que conduzca. La

corriente ánodo-cátodo debe superar un valor mínimo para permanecerencendido. Deja de conducir cuando la corriente ánodo cátodo se

hace cero.

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El Tiristor (SCR).

Configuraciones Físicas del Gate de un SCR.

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SCR de Potencia (1400 [V] - 1850 [A]).

Voltaje de Saturación – Corriente.

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El Tiristor (SCR).

Curvas de Disipación de Potencia de un SCR de Potencia (1400 [V] - 1850 [A]).

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El Tiristor (SCR).

Parámetros Relevantes en la Especificación Técnica.

• Tensión Directa de Ruptura (VBO).

• Máxima Tensión Reversa (VBR ).• Máxima Corriente de Anodo (Iamax).

• Máxima Temperatura de Operación (T jmax).

• Característica I2t.

• Máxima tasa de crecimiento del Voltaje directo (dv/dt).

• Máxima tasa de crecimiento de la corriente (di/dt).

• Corriente de disparo (IL).• Tiempo de Disparo (ton).

• Corriente de Recombinación Inversa (Irqm).

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El Tiristor GTO (Gate Turn Off).

Para apagar un tiristor es necesario no entregar pulso de corriente en el Gate y

esperar que la corriente ánodo-cátodo se haga cero. El GTO se apaga al aplicar

una corriente negativa en el Gate proporcional a la corriente que circula entre elánodo y el cátodo.