Circuitos de excitación y protección.

Dispositivos de potencia

Introducción Minimizar las pérdidas de potencia en los interruptores

electrónicos.

• Pérdidas en conducción

• Pérdidas en conmutación.

• Solución: acelerar las transiciones.

Los circuitos de protección se diseñan para alterar la forma de onda de conmutación, de forma que se reduzcan las pérdidas de potencia y se proteja el interruptor.

Circuitos de excitación de transistores bipolares.

Dispositivo controlado por corriente. Tiempo de puesta en conducción depende de la rapidez con la

que se inyecte las cargas necesarias en la base del transistor. Velocidades de conmutación de entrada se pueden reducir

aplicando inicialmente un pico elevado de corriente de base y disminuyendo la corriente hasta la necesaria para mantener el transistor en conmutación. Igualmente se necesita un pico de corriente negativa en el apagado.

Esquema

Formulación.

11

21 2

1 2

1 2

.. .

i BEB

i BEB

E

V VI

R

V VI

R R

R RR C C

R R

Cuando la señal pasa a nivel alto R2 estará cortocircuitada inicialmente. La corriente de base inicial será IB1.

Cuando C se cargue, la corriente de base será IB2.

Se necesitará de 3 a 5 veces la constante de tiempo de carga del condensador para considerarlo totalmente cargado.

La señal de entrada pasa a nivel bajo en el corte y el condensador cargado proporciona el pico de corriente negativa.

Forma de onda de la IB

Ejemplo. Diseñar un circuito de excitación de un BJT (TIP31C). Que tenga un

pico de 1A de corriente de base y de 0.2A en conducción. La tensión de excitación es de 0 a 5V, cuadrada, con un ciclo de trabajo del 50% y una frecuencia de conmutación de 25Khz.

1 11 1

2 21 2 2

1 2

1 2

5 11 4

5 10,2 16

4

. 4.16 20. . . 1, 25

4 16 5

i BEB

i BEB

E

V VI A R

R R

V VI A R

R R R

R R uR C C C C uF

R R

Simulación del ejemplo

Potencias perdidas en ambos casos

Enclavador Baker Se usa para reducir los tiempos de conmutación del transistor bipolar. Mantiene al transistor en la región de cuasi-saturación. Evita que VCE sea muy baja. Las pérdidas son mayores.

.CE BE D DsV V nV V

DnD1

Ds

D0

Vcc

Darlington

Incrementar la Beta del transistor equivalente, con el fin de mejorar la excitación

Circuitos de excitación de MOSFET

Es un dispositivo controlado por tensión. Estado de conducción se consigue cuando la tensión puerta-fuente

sobrepasa la tensión umbral de forma suficiente. Corrientes de carga son esencialmente 0. Es necesario cargar las capacidades de entrada parásitas. Velocidad de conmutación viene determinada por la rapidez con que la

carga de esos condensadores pueda transferirse. Circuito de excitación debe ser capaz de absorber y generar corrientes

rápidamente para conseguir una conmutación de alta velocidad.

Esquema

R

Carga

Vi

Vcc

Carga

Vcc

Carga

Circuito de Control

Totem-Pole

Totem-Pole con Buffer

Ejemplo Calcular la excitación de un Mosfet de

potencia que tiene las siguientes características:

• VTH=2 a 4V.

• VGSmáx=20V

• VDSmáx=100V

• Capacidades parásitas= las de la figura. Se precisa que el Mosfet conmute al

cabo de 50ns o menos. Si la tensión de excitación es de 12V y la de alimentación es de 100V calcular la corriente necesaria y la RB que la limite.

Solución Vemos que las capacidades de entrada y salida a más de 60V es

de 300pF y 50pF respectivamente. Como ambas se tienen que cargar, necesitaremos:

100 12I . 50 . 88

5012 2

. 300 . 6050

148

DGDG DG

GSG GS

dV V VC pF mA

dt nsdV V V

I C pF mAdt ns

Total mA

Circuito propuesto.

Carga

+100V

+12V

RB

12 454 50

148B

V VR normalizado

mA

Simulación.

Esquemas de excitación con CI

Etapas Push-Pull y medio puente con CI

Circuitos Bootstrap

Cuando se requiere que el circuito de excitación sea flotante con respecto a la masa del circuito. Se llaman “…de lado alto”. Uno de ellos podría ser el bootstrap.

RL

VCC

M1

M2

T1

Vi

Circuitos Bootstrap con CI

H

L

IR2110

VCC

Circuitos de Aislamiento de la excitación

Muchas veces resulta necesario aislar las excitaciones de dos interruptores para evitar cortocircuitos o perturbaciones.

• Aislamiento óptico: Optoacopladores.

• Aislamiento magnético: Transformadores.

1:1

ID

ITr

Forma de onda de salida del acoplador inductivo.

Optoacopladores

Optoacopladores

Circuitos de protección. Protegen al transistor

reduciendo sus pérdidas de potencia en la conmutación.

No reducen las pérdidas totales de conmutación.

Protegen al dispositivo del stress al que se ve sometido durante la conmutación debido a las altas tensiones y corrientes.

IL

v

P P

Circuito de protección de transistor

i

v

P

ILDL

Ds

C

i

v

P

v

P

i

Formulación.

2

0

1..................................0

2

1....

2..................................................................

tL L

ff f

t L fLC L c f f f xtf

S x

I t I tdt t t

C t Ct

I tIV t I dt v t t t t t t

C C CV t t

.

2L f

f

I tC

V

Si la corriente del interruptor llega a cero antes de que el condensador se cargue por completo la tensión del condensador se calcula a partir de la primera ecuación, saliendo:

El condensador se elige a veces de forma que la tensión del interruptor alcance su valor final al mismo tiempo que la corriente vale cero

.

2L f

S

I tC

V

Formulación. Para calcular el valor de la resistencia, ésta se elige de forma

que el condensador se descargue antes de que el transistor vuelva a apagarse. Se necesitan de 3 a 5 intervalos de tiempo para que se descargue el condensador.

2

2

2

5 ,5

1

21

122

ONON

S

S

R S

tt RC R

C

W CV

CVP CV f

T

Formulación. Las pérdidas en el transistor varían con el circuito que se añade. La

primera fórmula se refiere a las pérdidas en el transistor sin circuito de protección.

2 22

0 0

1

2

11

2 24

Q L S s f

T tf L fLQ Q Q L

f f

P I V t t f

I t fI t tP v i dt f I dt

T Ct t C