2 tipos y pruebas de estado

TECSUP - PFR Electrónica de Potencia I

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Unidad II

““TTIIPPOOSS YY PPRRUUEEBBAASS DDEE EESSTTAADDOO”” 1. DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

A partir de 1970 se desarrollaron varios tipos de dispositivos semiconductores de potencia que quedaron disponibles en forma comercial. 1.1 TIPOS Y SÍMBOLOS

1.1.1. DIODOS RECTIFICADORES

Figura 2.1

1.1.2. TIRISTORES

Figura 2.2

1.1.3. TRANSISTORES BIPOLARES DE JUNTURA (BJT)

Figura 2.3

Anodo A Cátodo

K

Símbol

Gate

G Anodo

A Cátodo

K

Colector

C

E Emisor

Base

B

Electrónica de Potencia I TECSUP - PFR

10

1.1.4. TRANSISTORES DE METAL ÓXIDO SEMICONDUCTOR FET (MOSFET)

Figura 2.4 1.1.5. TRANSISTORES BIPOLARES DE COMPUERTA AISLADA

(IGBT)

Figura 2.5 2. FUNCIONAMIENTO IDEAL

De un modo ideal estos semiconductores funcionan como interruptores y por tanto tienen dos posiciones definidas:

2.1 ESTADO DE BLOQUEO O CORTE

El semiconductor no permite el paso de corriente. En dicho estado el semiconductor soporta el voltaje proporcionado por la fuente de alimentación.

Terminal Principal 1


I= 0

Dispositivo Semiconductor de Potencia

Terminal de control

Figura 2.6

G

C

E

Gate

G

Drenador

D

S Surtidor


11

2.2 ESTADO DE CONDUCCIÓN O SATURACIÓN

El semiconductor permite el paso corriente, y la caída de tensión que produce es nula en caso ideal. En dicho estado la cantidad de corriente que fluye por el semiconductor depende del valor de la carga.



I

Dispositivo Semiconductor de Potencia

Terminal de control

Figura 2.7

2.3 CONTROL

El paso del estado de bloqueo al de conducción depende de la aplicación de una señal (de corriente o voltaje según el tipo de dispositivo) al terminal de control así como de la correcta polarización de los terminales principales del semiconductor. El único dispositivo de potencia que no tiene terminal de control es el Diodo Rectificador, cuyo paso del estado de bloqueo al de conducción depende de la polaridad de la fuente de alimentación que lo alimenta.

2.4 CARACTERÍSTICAS IDEALES

En un interruptor ideal serían deseables las siguientes características:

• Baja corriente de fugas en estado de bloqueo. • Alta tensión de bloqueo. • Alta corriente nominal. • Baja caída de tensión en el estado de conducción. • Proporcionalidad directa entre la caída de tensión y la intensidad de

corriente. • Cortos tiempos de conexión y desconexión. • Buena posibilidad de admitir valores altos de dv/dt y di/dt. • Bajas tensiones e intensidades de control, es decir, potencia de control

reducida.


12

2.5 CARACTERÍSTICAS REALES

Lo que sucede en la práctica es que el comportamiento no es el ideal y se aleja de él, más o menos, según los casos. En general podemos dar las características que servirán para evaluar a los distintos semiconductores en la lista siguiente:

• Tensión de utilización. • Intensidad nominal de empleo. • Tiempo de conmutación desde bloqueo a conducción (tiempo de

encendido ONt ).

• Tiempo de conmutación de conducción a bloqueo (tiempo de apagado

OFFt ).

• Velocidad de conmutación. • Control con pequeña potencia (tensión o intensidad).

3. DIODOS RECTIFICADORES

3.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Es el más sencillo de los dispositivos electrónicos. Su funcionamiento es muy parecido a una válvula del tipo check que se usan en los tanques reservorios de agua para evitar el retorno del líquido. Para aplicaciones industriales (60Hz de frecuencia) se utilizan diodos estándar o de uso general, en cambio para aplicaciones especiales a frecuencias de kHz, se utilizan los diodos de recuperación rápida (soportan altos voltajes) o los diodos Schottky (soportan bajos voltajes). (Nota: Presión es equivalente a Voltaje y fluido de agua es equivalente a corriente eléctrica)

Ejemplo de Válvula Check

mayor presión de agua

menor presión de agua

+ -

Figura 2.8

Los diodos son dispositivos formados por la unión de cristales semiconductores de silicio conformando una pastilla de dos capas; tienen dos terminales denominados Anodo “A” y Cátodo “K”. Cuando es polarizado con un voltaje de ánodo mayor que voltaje de cátodo en 0.6V (polarización directa), permite el paso de corriente a su través en el sentido de Anodo a Cátodo. Dicho sentido aparece indicado con una


13

flecha sobre el propio semiconductor. Si se encuentra conduciendo y se aplica la tensión en sentido inverso (polarización inversa) hasta hacer que la corriente A-K disminuya y sea menor que la corriente de mantenimiento (IH), el diodo bloqueara el paso de la corriente. En la figura 2.9a, se muestra el símbolo usado para representar al diodo rectificador. La caída de tensión entre sus terminales A-K al momento de conducir es VD = 0.6V. La corriente ID que pasa por el diodo en conducción se encuentra limitada por la carga. En la figura 2.9b, se observa la forma de reconocer si el diodo se encuentra polarizado en directa o inversa.

Figura 2.9

En la figura 2.10, se observan los dos estados posibles que puede tener el diodo dependiendo de la polaridad en sus terminales A-K. En dicha figura se considera al diodo como un interruptor electrónico ideal.

Figura 2.10


14

3.2 PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS

En polarización inversa: (Estado de bloqueo)

VRRM: Voltaje de pico inverso repetitivo. VRSM: Voltaje de pico inverso no repetitivo (transitorio). IRRM : Valor pico de la corriente de fugas con VRRM. En polarización directa: (Estado de conducción) IF(AV) : Corriente directa media (ADC). IF(RMS): Corriente directa eficaz (ARMS).

IFSM : Corriente directa instantánea máxima, no repetitiva que soporta en el tiempo de un semiciclo.

3.3 TIPOS DE ENCAPSULADOS

Figura 2.11 Figura 2.12 Figura 2.13

Podemos observar tres tipos de encapsulados, de los muchos que se tienen, correspondientes a diodos de potencia. La parte roscada sirve para instalar el diodo en una placa disipadora de calor sujetándola por medio de una tuerca y así evitar su excesivo calentamiento.

• Los diodos pueden tener su terminal de ánodo (A) perteneciente a la

parte roscada, en tal caso se denominan “diodos negativos”. • Los diodos cuyo terminal de cátodo (K) pertenece a la parte roscada,

se denominan “diodos positivos”.

En la figura 2.11, se tiene un diodo rectificador industrial de encapsulado tipo DO-4, la parte roscada puede ser Anodo o Cátodo. La corriente promedio de conducción es de 16 a 25 ADC y voltaje pico inverso disponibles en el rango de 50 a 1200 Vpico. En la figura 2.12, se tiene un diodo rectificador industrial de encapsulado tipo SR-75, la parte roscada puede ser Anodo o Cátodo.


15

La corriente promedio de conducción es de 450 a 550 ADC y voltaje pico inverso disponibles en el rango de 600 a 1600 Vpico. En la figura 2.13, se tiene un diodo rectificador industrial de encapsulado tipo HR-16, la parte inferior es el Anodo. La corriente promedio de conducción es de 430 y voltaje pico inverso de 1400 Vpico. Se observa que dicho diodo trabaja montado dentro de un armazón de aluminio que le sirve de disipador y debe ser ajustado a una presión de 1400 Lbs.

3.4 PRUEBAS CON MULTÍMETRO EN “ESCALA DE DIODO”

En el siguiente gráfico, se tiene un diodo del tipo cátodo roscado. El multímetro indicara el voltaje de conducción del diodo que normalmente esta en el rango de 0.4 a 0.65V para diodos de silicio, que son usados en potencia.

Figura 2.14

Al medir con el voltímetro en sentido contrario, se indicará máxima escala (OL) en la pantalla del mismo.

Figura 2.15

GND

Cable

Cable

Anodo

Cátodo

0.45V

GND

Cable

Cable

OL

Anodo

Cátodo


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4. TIRISTORES


Son dispositivos formados por la unión de cristales semiconductores de silicio conformando una cápsula de cuatro capas. Tienen tres terminales denominados Anodo “A”, Cátodo “K” y Gate “G”. Los terminales A y K son denominados “terminales de Potencia”, y el terminal G es denominado “terminal de control”. En la siguiente figura se muestra el símbolo que representa a dicho dispositivo.

Figura 2.16 El tiristor es un dispositivo que, al igual que el diodo rectificador, tiene dos estados de trabajo: Bloqueo (no conducción) y Conducción. Pero a diferencia del diodo, para que exista conducción se han de dar simultáneamente las dos condiciones siguientes:

• Tensión aplicada de polarización directa en los terminales de potencia

en el sentido de Ánodo a Cátodo. • Pulso de corriente adecuada en el terminal de Gate.

Una vez lograda la conducción, el tiristor se mantiene en dicho estado aunque se elimine la corriente en el Gate. Ahora el Gate ha perdido el control del tiristor. Para que el tiristor pase al estado de Bloqueo se debe cumplir la siguiente condición:

• Reducir (por algún medio externo) la corriente que pasa a través de

Ánodo-Cátodo hasta hacerla menor que la corriente de mantenimiento (IH) durante un tiempo dado.

En el sentido de polarización inversa Cátodo-Ánodo, el tiristor siempre bloquea el paso de corriente en sus terminales principales independientemente de aplicación de corriente en el terminal de Gate. Podemos representar el funcionamiento del Tiristor haciendo analogía con el siguiente circuito hidráulico:

A K

G


17

(Nota: Presión es equivalente con Voltaje y fluido de agua es equivalente a corriente)

Figura 2.17

El tiristor no conduce a pesar de estar polarizado en directa: Potencial Ánodo mayor que Potencial Cátodo. Analogía: terminal de Gate representado por una compuerta deslizante.

Figura 2.18

El tiristor es activado (disparado), volviéndose conductor pues se cumplen los dos requisitos para tal fin: Polarización Directa y Pulso de corriente en Gate. Analogía: La compuerta deslizante es jalada hacia abajo permitiendo que la apertura de la compuerta principal deje fluir el agua.

Figura 2.19

mayor presiónde agua

menor presiónde agua

+ -

Estado de Bloqueo

ANODO CATODO

GATE



+ -

Disparo del Tiristor

ANODO CATODO

GATE



+ -

Estado de Conducción

ANODO CATODO

GATE


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El tiristor permanece en conducción a pesar que el terminal de Gate es desactivado. Analogía: La compuerta de Gate es repuesta en su posición primigenia.

Figura 2.20

Para que el tiristor deje de conducir, prácticamente no debe haber flujo de corriente a través de sus terminales de potencia. Analogía: cuando no existe fluido, la compuerta principal retorna a su posición primigenia por medio de la rótula de la compuerta de Gate.


En polarización inversa:

VRRM: Voltaje de pico inverso repetitivo. VRSM: Voltaje de pico inverso no repetitivo (transitorio). IRRM: Valor pico de la corriente de fugas con VRRM. En polarización directa: IF(AV): Corriente directa media (ADC). IF(RMS): Corriente directa eficaz (ARMS).

IFSM: Corriente directa instantánea máxima, no repetitiva que soporta en el tiempo de un semiciclo.

presiónde agua cero

presiónde agua cero

-

Tiristor bloqueándose

ANODO CATODO

GATE

flujo casi cero -


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En la figura 2.21, nos permite mostrar los dos estados de trabajo del tiristor representados en un eje cartesiano, así como los términos más usuales.

Figura 2.21 • IL : Corriente de enganche, es la corriente de ánodo mínima necesaria

para mantener al tiristor en estado de conducción inmediatamente después de que ha sido activado y se ha retirado la señal de gate.

• IH : Corriente de mantenimiento, es la corriente de ánodo mínima

necesaria para mantener el tiristor en el estado de conducción.

• VBO = VRRM : Es el voltaje de pico inverso y directo repetitivo máximo que pueden soportar los terminales de potencia del tiristor. Se observa que el tiristor también podría dispararse sin aplicar señal de gate si es que el voltaje pico de la fuente de alimentación supera el VRRM, pero dicha forma de trabajo no es recomendable pues el tiristor se puede destruir.

• Corrientes de fuga directa e inversa: Idealmente debieran ser

cero, pero, debido a las imperfecciones de los tiristores tienen valores muy pequeños diferentes de cero.

• Caída directa de voltaje: Es la caída de voltaje entre los terminales

de potencia del tiristor cuando se encuentra en conducción.


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Podemos observar tres tipos de encapsulados, de los muchos que se tienen, correspondientes a tiristores. La parte roscada sirve para colocar una placa disipadora de calor sujetándola con una tuerca y así evitar calentamiento excesivo en el dispositivo. En la figura 2.22, se tiene un tiristor de encapsulado tipo TO-48, la parte roscada siempre es el terminal de Anodo. Se pueden conseguir tiristores con corrientes promedio de conducción entre 6.2 a 22 ADC y voltaje pico inverso entre 50 hasta 800V. En la figura 2.23, se tiene un tiristor de encapsulado tipo TO-93, la parte roscada siempre es el terminal de Anodo. Se pueden conseguir tiristores con corrientes promedio de conducción entre 175 a 230 ADC y voltaje pico inverso entre 200 hasta 1600V. En la figura 2.24, se tiene un tiristor de encapsulado tipo HT-23, la parte inferior es el Anodo. La corriente promedio de conducción es de 550 ADC y voltaje pico inverso de 1600V. Se observa que dicho tiristor trabaja montado dentro de un armazón de aluminio que le sirve de disipador y ajustado a una presión de operación de 2400 lbs. En la figura 2.23 se observa que existen dos terminales Cátodo. Ambos conductores se encuentran físicamente unidos pero uno de ellos pertenece a la etapa de potencia (conductor de mayor calibre) y el otro


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pertenece a la etapa de disparo (conductor rojo), permitiendo el retorno de la corriente de disparo que ingresa al gate. Ver la siguiente figura: En la figura 2.24 se observa que dicho tipo de tiristores trabajan satisfactoriamente cuando han sido instalados y ajustados sus terminales de potencia con una presión de 2400 lbs.

Tarjeta de disparo

A

K

G

K

Ingreso IG

Retorno IG

Figura 2.25


En el siguiente gráfico, se tiene un tiristor. El multímetro indicara los siguientes valores cuando el dispositivo se encuentre en buenas condiciones.

Figura 2.26

Cable Rojo Multímetro Cable Negro Multímetro Valor Medido (V) A K OL K A OL A G OL G A OL K G Valor pequeño ≠ 0 G K Valor pequeño ≠ 0

Tabla 2.1

GND

Cable rojo

Cable negroAnod

Cátod 0.45V

Gate


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5. TRANSISTORES BIPOLARES DE JUNTURA (BJT)

Fue el primer semiconductor controlable y su desarrollo permitió la construcción de los primeros amplificadores de electrónica de estado sólido. Su empleo durante muchos años estuvo limitado al campo de las pequeñas tensiones e intensidades. Esta formado por la unión de cristales de silicio dopados de manera precisa para formar una pastilla semiconductora de tres capas. Es un dispositivo de tres terminales denominados Emisor, Base y Colector, los cuales responden a las abreviaturas E, B y C. Los terminales de potencia son E y C y los terminales de control son B y C. Se utilizan en forma amplia en convertidores de CA-CD y CD-CA. Su velocidad de conmutación es mayor a la de los tiristores pero las especificaciones de voltaje y corriente son menores, entonces se utilizan en aplicaciones de baja y mediana potencia. Se pueden tener transistores BJT del tipo NPN y PNP tal como se muestra en la figura. Observe que en el transistor tipo NPN, la polarización de los terminales principales debe ser VC>VE. La señal de control es en forma de corriente ingresando por su terminal B. En el transistor PNP la polarización debe ser VE>VC. La señal de control es en forma de corriente saliendo del terminal B.

Figura 2.27

En electrónica de potencia se usa este semiconductor como interruptor controlable. No se emplea como amplificador. Ahora en el mercado hay transistores que permiten mayores tensiones e intensidades y por ello se les denominan transistores de potencia.


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En potencia, el transistor es usado como interruptor, por lo tanto tiene dos estados de operación: • Cuando los terminales principales C y E no permiten el paso de

corriente, se dice que el transistor se encuentra en estado de Corte (al igual que el estado de Bloqueo en diodos y tiristores). En tal estado los terminales C y E soportan el máximo voltaje proporcionado por la fuente de alimentación. Para que el transistor trabaje en dicho estado, el terminal de control B no debe recibir corriente.

• Cuando los terminales principales C y E permiten el paso máximo de

corriente limitado por la carga, se dice que el transistor se encuentra en estado de Saturación (al igual que el estado de Conducción en diodos y tiristores). En tal estado los terminales C y E tienen una caída de voltaje de 1V aproximadamente. Para que el transistor trabaje en dicho estado, el terminal de control B debe recibir permanentemente una señal de corriente.

Haciendo analogía del trabajo del transistor con un circuito hidráulico tenemos: (Nota: Presión es equivalente con voltaje y fluido de agua es equivalente con corriente eléctrica).

Figura 2.28 Observamos que la compuerta esta normalmente cerrada no permitiendo el flujo de agua. Además los terminales principales C y E soportan presión máxima. El terminal B se encuentra inactivo.



+ -

Estado de Corte (Bloqueo)

COLECTOR EMISOR

BASE


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+ -

Estado de Saturación (Conducción)

COLECTOR EMISOR

BASE

Figura 2.29

Observamos que el terminal de control B tiene aplicada una señal en forma permanente para que la compuerta este abierta permitiendo de ese modo el paso de fluido.


En estado de Corte: BVCEO: Máximo voltaje que pueden soportar los terminales de potencia C y E. BVCBO: Máximo voltaje que pueden soportar los terminales C y B. En la figura 2.30, se muestra el siguiente gráfico representando al transistor de potencia en el estado de corte por medio de una analogía eléctrica.

Figura 2.30

C E

I= 0

Transistor de Potencia enCorte

B

+ -


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En estado de Saturación: IC: Máxima corriente que pueden soportar los terminales de potencia C y E. BVEBO: Máximo voltaje inverso que pueden soportar los terminales B y E. PD: Máxima potencia de disipación del dispositivo. PD= ICxVCE (Watts). hFE: Ganancia de corriente. hFE= IC/IB. (No tiene unidades). ft: Máxima frecuencia de trabajo del transistor. (Unidades en Hz).

La respectiva analogía eléctrica del transistor trabajando en saturación se muestra en la figura 2.31:

Figura 2.31

I

Transistor de Potencia enSaturación

C

+

E

-

B


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En la figura 2.32, se muestra las curvas generales de un transistor de potencia con indicación de las regiones de Corte y Saturación.

Figura 2.32

Vemos que la intensidad de corriente aplicable a la base permite el control del transistor. Para operar al transistor como interruptor electrónico se debe hacer:

• Bi = 0, el transistor se encuentra en la región de Corte.

• Para Bi = máxBi el transistor se encuentra en la región de saturación.

El principal inconveniente del transistor BJT ocurre cuando se quiere controlar grandes cantidades de corriente fluyendo por los terminales de potencia. Debido a su pequeña ganancia de corriente (hFE= IC/IB) sería necesario aplicar un valor excesivo de potencia de control. Para resolver dicho inconveniente sin que desaparezcan las ventajas del transistor de potencia, se usan asociaciones de transistores acoplados en conexión Darlington con la cual se incrementa la ganancia disminuyendo por lo tanto el valor de la corriente de control IB. Esquema básico de un transistor Darlington en la figura 2.33.

Figura 2.33


27

Otras características importantes de los transistores de potencia BJT son los tiempos de conmutación. Dichos tiempos son del orden de sµ debido a su gran frecuencia de conmutación mucho mayores que la de los tiristores. Tenemos: • rt = Tiempo de retardo, transcurrido entre el inicio de la excitación de

base, y la llegada de la intensidad de colector al 10% de su valor final. • st = Tiempo de subida, transcurrido para que la intensidad de colector

pase del 10 al 90% de su valor final. • ONt = Tiempo de excitación, es la suma de las anteriores ONt = rt + st

(ejm.: sµ4 ). • alt = Tiempo de almacenamiento, entre el inicio de la desexcitación de

la base hasta que su intensidad cae a 90% de su valor (ejm: sµ8 ). • ct = Tiempo de caída, el que emplea la intensidad de colector para

bajar del 90 al 10% de su valor (ejm: )3 sµ . • OFFt = Tiempo de apagado, es la suma de las anteriores OFFt = alt + ct .

En la figura 2.34, nos muestra el cambio de estado del transistor desde el estado de Corte (IC=0) a Saturación (ICnom) y finalmente a Corte (IC=0). También se puede observar los tiempos de conmutación característicos y la respectiva disipación de potencia del componente (Pdis), que ocurre solo durante la conmutación.

Características dinámicas de un transistor Paso de Corte a Saturación y viceversa

Figura 2.34


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Se presentan a continuación tres tipos de encapsulados normalmente usados por los transistores.


En la figura 2.35, se tiene un transistor de encapsulado TO-220, donde el terminal C normalmente se encuentra internamente unido a su placa de aluminio. Los valores máximos de corriente Ic que puede soportar se encuentran en el rango de 10A, y los valores máximos de voltaje BVCEO son del orden de 800V. En la figura 2.36, se tiene un transistor de encapsulado TO-3, donde el terminal C normalmente se encuentra internamente unido a su placa de aluminio. Los valores máximos de corriente Ic que puede soportar se encuentran en el rango de 50A, y los valores máximos de voltaje BVCEO son del orden de 1500V. Observamos un diodo instalado entre CE, al cual se denomina diodo “damper” y sirve para proteger al transistor cuando trabaja con cargas inductivas. En la figura 2.37, se tiene un transistor de encapsulado TO-63, donde el terminal C también es la parte roscada. Los valores máximos de corriente Ic que puede soportar se encuentran en el rango de 50A, y los valores máximos de voltaje BVCEO son del orden de 150V. Obviamente todos los encapsulados están fabricados en material de aluminio y una resina epóxica aislante. El aluminio sirve para poder efectuar el montaje en un disipador de calor de igual material, con el objetivo de evitar calentamiento excesivo del transistor.


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A continuación mostramos la forma de comprobar el perfecto estado del componente por medio del multímetro digital. Consideramos un transistor NPN.

Figura 2.38

ObservO

Tabla 2.2 Observamos que el valor medido BE es ligeramente mayor que BC. Si el transistor tuviera diodo damper la medida sería la siguiente:

Cable Rojo Multímetro Cable Negro Multímetro Valor Medido (V)

C E OL E C Ejm: 0.6 C B OL E B OL B E Ejm: 0.431 B C Ejm: 0.425

Tabla 2.3

6. TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO DE OXIDO METALICO DE SILICIO (MOSFET) Un transistor BJT es un dispositivo controlado por corriente, que requiere de corriente de base para controlar el flujo de corriente del colector. Un MOSFET de potencia es un dispositivo controlado por voltaje, que requiere sólo de una pequeña corriente de entrada. La velocidad de conmutación es muy alta siendo los tiempos del orden de los nanosegundos. Los MOSFET son de dos tipos: (1)

Cable Rojo Multímetro Cable Negro Multímetro Valor Medido (V) C E OL E C OL C B OL E B OL B E Ejm: 0.431 B C Ejm: 0.425

GND

rojo

negro


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de agotamiento y (2) de enriquecimiento. Cada uno de los tipos de MOSFET mencionados también pueden ser de canal n o de canal p . Los transistores MOSFET emplean un campo eléctrico para controlar la intensidad de corriente en sus terminales de potencia. Los terminales de potencia se denominan Drenador (D) y Surtidor (S), el terminal de control se denomina Gate (G). En la figura 2.39, se muestran los símbolos empleados para representar a cada uno de los tipos de transistores MOSFET.

MOSFET de enriquecimiento MOSFET de agotamiento

Figura 2.39

Los MOSFET de enriquecimiento ofrecen normalmente alta resistencia entre sus terminales principales D y S, su analogía eléctrica podría corresponder al contacto de un relé NA. Los MOSFET de agotamiento es el caso contrario y podría relacionarse con un contacto de relé NC. 6.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

En potencia el tipo de transistor MOSFET mas usado es el “MOSFET de enriquecimiento canal n”. En potencia el transistor debe trabajar como interruptor electrónico, por lo tanto tiene dos estados de operación. :

• Cuando los terminales principales D y S no permiten el paso de

corriente, se dice que se encuentra en el estado de Corte (Bloqueo). En tal estado dichos terminales soportan el máximo voltaje proporcionado por la fuente de alimentación. Para que el transistor trabaje en dicho estado, el terminal de control G no debe recibir señal de voltaje.

• Cuando los terminales principales D y S permiten el paso máximo de

corriente limitado por la carga, se dice que el transistor se encuentra en estado de Saturación. En tal estado los terminales D y S tienen una caída de voltaje de 3V aproximadamente. Para que el transistor trabaje en dicho estado, el terminal de control G debe recibir permanentemente una señal de voltaje.

G

S

D

canal n

G

D

Scanal n

G

S

D

canal pS

G

D

canal p


31

En la figura 2.40, presentamos la analogía del trabajo del transistor MOSFET con un circuito hidráulico: (Recordemos que la presión de agua es equivalente al voltaje en un circuito eléctrico, y el fluido de líquido es equivalente a la corriente eléctrica).



+ -


DRENADOR

SURTIDOR

GATE

(sin señal de voltaje)

Figura 2.40


En estado de Corte: • BVDSS: Máximo voltaje que pueden soportar los terminales de

potencia D y S. En estado de Saturación: • ID: Máxima corriente continúa que pueden soportar los terminales de

potencia D y S. • BVGS: Máximo voltaje que puede soportar el terminal de control G y su

retorno por S. • VGS(th): Voltaje umbral máximo en G y S necesario para hacer

conducir al MOSFET.



+ -


DRENADOR SURTIDOR

GATE(señal de voltaje)

Figura 2.41


32

• PD: Máxima potencia de disipación del dispositivo. PD= IDxVDS. • Gfs: Transconductancia (gfs=ID/VGS), es la amplificación de corriente

respecto del voltaje de control aplicado. Sus unidades son mhosµ . En la figura 2.42, se muestra la curva característica del transistor MOSFET.

Figura 2.42 Los tiempos de conmutación del transistor MOSFET son mucho menores que de los transistores BJT, por ejemplo:

ONt = 4 sµ en el transistor BJT y 40 sη en el transistor MOSFET. (1 sµ =1000 sη )

OFFt = 11 sµ en el transistor BJT y 70 sη en el transistor MOSFET. Por lo tanto los transistores MOSFET pueden trabajar con altas frecuencias de conmutación. Debido a la alta impedancia del terminal de control, los MOSFET son dispositivos muy sensibles a las cargas estáticas que puedan recibir durante su manipulación, las cuales podrían dañar el terminal G. Por tal razón se recomienda poner a tierra al personal que trabaje con dichos dispositivos. En la actualidad los fabricantes ofrecen sus productos protegidos contra las cargas estáticas.


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Tenemos algunos tipos de encapsulados:


En la figura 2.43, se tiene un transistor de encapsulado TO-220, donde el terminal D normalmente se encuentra internamente unido a su placa de aluminio. Los valores máximos de corriente ID se encuentra en el rango de 18A, y los valores máximos de voltaje BVDSS es alrededor de 1000V. En la figura 2.44, se tiene un transistor de encapsulado TO-220J. Los valores máximos de corriente ID se encuentra en el rango de 32A, y los valores máximos de voltaje BVDSS es alrededor de 600V. En la figura 2.45, se tiene un transistor de encapsulado TO-3, donde el terminal D normalmente se encuentra internamente unido a su placa de aluminio. Los valores máximos de corriente ID se encuentra en el rango de 32A, y los valores máximos de voltaje BVDSS es alrededor de 800V.

6.4 PRUEBAS CON “MULTÍMETRO EN ESCALA DE DIODO”

Para comprobar el perfecto estado del transistor MOSFET, usamos el multímetro digital en escala de diodo. Las medidas obtenidas deben tener aproximadamente los valores de la tabla 2.4.

MOSFET de enriquecimiento canal n

Figura 2.46

GND

rojo

negro


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Tabla 2.4

Existen casos en los cuales las medidas D y S presentan valores muy pequeños (como si estuvieran en cortocircuito). Lo que ha sucedido es que hemos activado el MOSFET al tocar el terminal de control G con nuestras manos. Para remediar tal situación y verificar que el dispositivo se encuentra en buen estado, se recomienda tocar nuevamente los terminales del MOSFET para desactivarlo, ante lo cual las medidas serían las mostradas en la tabla superior. Si el MOSFET tuviese un diodo damper, las medidas correctas serían como se muestra en la tabla 2.5.

Cable Rojo Multímetro Cable Negro Multímetro Valor Medido (V)

D S OL S D Ejm: 0.6 D G OL G D OL G S OL S G OL

Tabla 2.5

7. TRANSISTOR BIPOLAR DE COMPUERTA AISLADA (IGBT) Los transistores de potencia, en el caso de tensión e intensidad importantes, no ofrecen la velocidad de conmutación adecuada para determinados convertidores con onda de salida cercana a la senoidal. Acabamos de ver que los MOSFET si son dispositivos conmutadores de alta frecuencia pero tienen prestaciones moderadas en potencia controlada. Los semiconductores que juntan en un compromiso técnico la velocidad de conmutación con control de potencias altas son los transistores de puerta aislada. Su acrónimo IGBT se deriva de su designación en inglés Insulated Gate Bipolar Transistor. El IGBT es también un dispositivo controlado por señal de voltaje aplicado a su terminal de control denominado Gate. Los terminales de potencia se denominan Colector y Emisor.

Cable Rojo Multímetro Cable Negro Multímetro Valor Medido (V) D S OL S D OL D G OL G D OL G S OL S G OL


35

En la figura 2.47, se presentan el símbolo del IGBT.

Figura 2.47

Observamos que el nombre de los terminales es una mezcla de los usados en los transistores BJT y MOSFET. Los terminales de potencia son C y E. El terminal de control es G, el cual debe cerrar circuito por E. Los transistores IGBT están en continuo desarrollo por los fabricantes de dispositivos, los que ofrecen al mercado cada día nuevos dispositivos con características de trabajo de mayores tensiones y corriente. Actualmente se ofrecen transistores IGBT de “Quinta Generación”, indicando que pueden trabajar a frecuencias de hasta 100kHz. Con tales velocidades de trabajo los equipos de potencia se irán cada vez reduciendo de tamaño. 7.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

EL transistor IGBT esta diseñado para trabajar como interruptor electrónico de alta frecuencia. Por lo tanto tiene dos únicos estados de operación:

• Cuando los terminales principales C y E no permiten el paso de

corriente, se dice que se encuentra en el estado de Corte (Bloqueo). En tal estado dichos terminales soportan el máximo voltaje proporcionado por la fuente de alimentación. Para que el transistor trabaje en dicho estado, el terminal de control G no debe recibir señal de voltaje.

• Cuando los terminales principales C y E permiten el paso máximo de

corriente limitado por la carga, se dice que el transistor se encuentra en estado de Saturación. En tal estado los terminales C y E tienen una caída de voltaje de 0.1V aproximadamente. Para que el transistor trabaje en dicho estado, el terminal de control G debe recibir permanentemente una señal de voltaje.

En las figuras 2.48 y 2.49, presentamos la analogía del trabajo del transistor IGBT con un circuito hidráulico: (Recordemos que la presión de agua es equivalente al voltaje en un circuito eléctrico, y el fluido de líquido es equivalente a la corriente eléctrica).

G

C

E


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+ -


COLECTOR EMISOR

GATE

(sin señal de voltaje)

Figura 2.48



+ -


COLECTOR EMISOR

GATE(señal de voltaje)

Figura 2.49 7.2 PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS

En estado de Corte: • VCES: Máximo voltaje que pueden soportar los terminales de potencia C

y E. En estado de Saturación: • IC: Máxima corriente continua que pueden soportar los terminales de

potencia C y E. • VGES: Máximo voltaje que puede soportar el terminal de control G y su

retorno por E. • VGE(th): Voltaje umbral máximo en G y E necesario para hacer conducir

al IGBT. • PD: Máxima potencia de disipación del dispositivo. PD= ICxVCE. • VCE(on): Caída de voltaje en C y E durante la saturación del IGBT.


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En la figura 2.50, se muestra la curva característica del transistor IGBT.

Figura 2.50

Se observa que el IGBT se encuentra en la región de Corte para valores VGE menores a 5 voltios. En dicha región los terminales de potencia del dispositivo soportan el máximo voltaje proporcionado por la fuente de alimentación.

También observamos que para valores VGE superiores a 10 voltios pero menores que 20, el IGBT se encuentra en la región de Saturación, soportando sus terminales de potencia la máxima corriente permitida por la carga. Los transistores IGBT tienen lo mejor de los transistores BJT (gran capacidad de potencia) y los transistores MOSFET (gran velocidad de conmutación), siendo por lo tanto en la actualidad los más usados en los convertidores DC/AC.


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Se tienen algunos de los tipos de encapsulados en que se pueden presentar los transistores IGBT.

Figura 2.51 Figura 2.52 Figura 2.53 En la figura 2.51, se tiene un transistor de encapsulado TO-220J. Los valores máximos de corriente IC se encuentra en el rango de 15A, y los valores máximos de voltaje VCES es alrededor de 600V. En la figura 2.52, se tiene un transistor de encapsulado TO-3PJ. donde el terminal C normalmente se encuentra internamente unido a su placa de aluminio Los valores máximos de corriente IC se encuentran en el rango de 25A, y los valores máximos de voltaje VCES es alrededor de 1200V. En la figura 2.53 se tiene un transistor de encapsulado TO-3PL, donde el terminal C normalmente se encuentra internamente unido a su placa de aluminio. Los valores máximos de corriente IC se encuentra en el rango de 80A, y los valores máximos de voltaje VCES es alrededor de 1200V.

7.4 PRUEBAS CON "MULTÍMETRO EN ESCALA DE DIODO"

Las medidas correctas del transistor IGBT mediante un multímetro digital en escala de diodos son: (Transistor IGBT con diodo damper)

Figura 2.54

Cable Rojo Multímetro Cable Negro Multímetro Valor Medido (V) C E OL E C Ejm: 0.6 C G OL G C OL G E OL E G OL

Tabla 2.6

GND

rojo

negro

2 tipos y pruebas de estado

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