Componentes electrónica de potencia

Universidad Pública de NavarraTema 2.- Tecnología de componentes.

0

Máster en Ingeniería Industrial

Máster en Energías Renovables: Generación Eléctrica.

ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Departamento de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaUPNA

Luis MarroyoEugenio GubiaErnesto BarriosRoberto Gonzalez


1

Tema 1. Introducción.

Tema 2. Tecnología de componentes.

Tema 3. Inversor trifásico: control analógico y dimensionado.

Tema 4. Digitalización de los lazos de control.

Tema 5. Control vectorial de inversores trifásicos.

Tema 6. Convertidores multinivel.

Tema 7. Análisis del modo común en convertidores electrónicos.

Tema 8. Filtros EMI.

TEMARIO


2

• Funcionan como interruptores y representan la parte más importante de un convertidorestático y, en gran medida, son los que van a fijar sus prestaciones. Los principales son:

Diodo: No tienen control ni de encendido ni de apagado.

Transistor bipolar: Control de encendido y apagado. Gran capacidad de aguante entensión-corriente pero no se utilizan por ser controlados con corriente.

MOSFET: Control de encendido y apagado. Se controlan con tensión pero tienenuna capacidad limitada en tensión. Se utiliza en bajas tensiones-potencias.

IGBT: Combina las características de capacidad en tensión-corriente y control portensión. Son los más utilizados.

TIRISTOR: Control de encendido, reversible en tensión y muy lento. Se utiliza enaplicaciones de conexión a red de gran tensión-potencia.

GTO: Tiristor modificado para obtener control de apagado. Es muy lento y tienegrandes pérdidas de apagado.

IGCT: GTO modificado encapsulado junto al driver. Se controla por fibra óptica ypresenta mucha capacidad en tensión-potencia y buenas características de rapidez ypérdidas de conmutación.

2. TECNOLOGÍA DE COMPONENTES2.1 Semiconductores de potencia.


3

2 segmentos

Vk

Ik

IGBT n-MOSFET

Vk

Ik

Vk

Ik

BJT

Vk

Ik

Vk

IkIk

Vk

Diodos

Vk

IkIk

Vk

Transistores

3 segmentos

Vk

IkIk

VkVk

Ik

Vk

Ik

Vk

Ik

Tiristor

Vk

Ik

Vk

Ik

Vk

Ik

Vk

Ik

= =y

Característicaestática de los interruptores más empleados

Síntesis de interruptores de 3

segmentos


4

2.1.1 DIODO.• Es el semiconductor más sencillo y consta únicamente de una unión PN. En electrónicade potencia la capa N se divide en dos partes, una primera poco dopada (capa N-) y otramuy dopada (capa N+). La capa poco dopada es necesaria para que el transistor puedaaguantar grandes tensiones y su espesor depende de la tensión que tiene que bloquear.

• Cuando se aplica una tensión VAK>0 la unión se llena de portadores (el + repele loshuecos de la capa P y atrae los electrones de la N) y el diodo conduce. La corriente sepuede ver cómo un flujo de huecos.

• Cuando se aplica una tensión VAK<0 la unión se queda sin portadores que puedanconducir y el diodo se apaga.

• Para que el diodo empiece a conducir habrá que llenar la unión de portadores y paraque se corte habrá que extraerlos. El comportamiento (almacenamiento de cargas) essimilar al de un condensador⇒ toda unión PN tendrá asociado un condensador parásito⇒ durante el apagado (extracción de cargas) circulará una corriente negativa.

n

p

Cátodo (K)

Símbolo

Anodo (A)

A

K Cátodo (K)

Anodo (A)

VAK

IF

+ + + + + + + p

n _ _ _ _ _ _ _

_ _ _ _ _ _ _

+ + + + + + +

Cátodo (K)

Anodo (A)

+ + + + + + + p

n _ _ _ _ _ _ _

p

n

A

K

Cpn

Estructura Diodo polarizado en directa

Diodo polarizado en inversa

Capacidad parásita equivalente

+ n -


5

• Para que el diodo empiece a conducir se necesita una tensión mínima para acercar losportadores a la unión PN.

• En conducción el diodo se comporta, de forma aproximada, como una fuente detensión, VTO, de 0.8 a 2 V en serie con una resistencia, rT, de mΩ.

• En corte, si se sobrepasa la tensión máxima que aguanta la unión, denominada tensiónde ruptura (VRRM), el diodo entra en avalancha produciéndose la rotura de la unión PNcon la consecuente destrucción del diodo.

Símbolo

A

K

VAK

IF

Cátodo (K)

Anodo (A)

Característica estática del diodo

Circuito equivalente aproximado

VRRM

VTO VTO

Caída de tensión en directa (VF)

VAK

IF

IF

VAk

Característica estática


6

• Encendido: El diodo empezará a conducir cuando el circuito exterior le aplique unatensión positiva. Sin embargo, inicialmente, en el momento del encendido, en la uniónPN no hay portadores lo que hace que aparezca una tensión en bornes del diodo quepuede llegar a alcanzar los 30 V. Una vez que la unión se llena de portadores la tensióndel diodo disminuye hasta la tensión directa VF.

• Apagado: En T0 el circuito exterior hace que la corriente por el diodo (IF) comience adisminuir. En T1 la corriente por el diodo llega a cero, pero la unión PN está llena deportadores por lo que sigue conduciendo corriente negativa, que corresponde con laextracción de cargas de la unión. En T2 las cargas han sido extraídas y el diodo se corta,produciéndose una brusca variación de la corriente hasta anularse en T3. En el intervaloT2-T3 conviven grandes valores de tensión y corriente⇒ Pérdidas de conmutación.

IF

VAK

T0 T1 T3

IRRM QRR

T2

TRR

Característica dinámica

IRRM: corriente de recuperación inversa máxima.Es función del valor de la corriente al inicio y dela dIF/dt durante el apagado (cuanto mayor es ladIF/dt mayor es la IRRM)

QRR: Carga de recuperación inversa (carga aextraer de la unión).

TRR: Tiempo de recuperación inversa (tiempo deapagado del diodo).


7

• Si el diodo debe trabajar a una frecuencia alta se necesita que la conmutación serealicede forma rápida (TRR pequeño). Esto se consigue realizando dopajes suaves, queimplican una menor cantidad de portadores (cargas) en la unión. El inconveniente deestatécnica es que al disponer de un menor número de portadores la caída de tensión enconducción es mayor.

• Existen en el mercado diodos especializados para bajas ( baja tensión de conducción) yaltas (bajo TRR) frecuencias de conmutación. Además, existen un tipo de diodos,denominados Schottky, que presentan una caída de tensión en conducción inferior a los0,3V. Estos diodos se utilizan para aplicaciones de baja tensión.

Característica dinámica

TIPO DE DIODO TRR CORRIENTE

TENSIÓN

VF

Propósito general Rectificadores de baja

frecuencia (50 Hz)

>2 µs 1A- 1 kA

10V- 10 KV

≈ 1,6 V

Rápidos (alta frecuencia) <200 ns 1A- 1 kA

50V- 3,3 KV

≈ 2,8 V

Schottky < 1 µs 0,1 A- 10 A

50V- 120 V

≈ 0,3 V


8

• Pérdidas instantáneas (pcon) y media (Pcon) en conducción (Pcon):

•Pérdidas de conmutación:Se obtienen a partir de la energía perdida duranteel encendido (Eon) y durante el apagado (Eoff) multiplicándolas por lafrecuencia de conmutación Fcon (número de conmutaciones por unidad detiempo).

Pérdidas en el diodo:

- La energía perdida durante el encendido es despreciable, Eon=0

Cátodo (K)

Anodo (A)

VTO

IF

VF 2

0)( FTFTFFFcon IrIVIIVp +≈=

( )con

DONFTFT

con

DONFFF

T

FFFcon

con T

TIrIV

T

TIIVdtIIV

TP

DON )(20

)(

0)()(

1 )(+≈≈= ∫

CteISi F ≈


9

• Pérdidas de conmutación:

- La energía perdida durante el apagado, Eoff (IF, VR, dIF/dt), se puede calcular a partir dela gráfica correspondiente en las hojas características corrigiendo el efecto de la tensión yla corriente. Habitualmente, la dIF/dt la marca el transistor con el que forma la célulaelemental de conmutación, que a su vez depende de su resistencia de puerta RG. Lapotencia se obtiene multiplicando la Eoff por la frecuencia de conmutación, Fcon.

Pérdidas en el diodo:

conoffRGFref

F

Rref

RFRrefFrefoffconFRFoffoff FK

I

I

V

VdtdIVIEFdtdIVIEP 6,06,0 )()()/,,()/,,( ≈=

• KoffRG es un coeficiente que permite tener en cuenta la influencia de RG (similar a como severá para el IGBT).

• Si no se dispone de la gráfica de Eoff, la energía perdidadurante el apagado se puede calcular, de formaaproximada, a partir de la carga de recuperación inversa(QRR) y la tensión inversa, VR, a la cual se que corta eldiodo (valor distinto al de la máxima tensión que aguantael diodo, VRR):

conRRRoffconFRFoffoff FVQKFdtdIVIEP ≈= )/,,(

Koff depende de la tecnología del diodo y habitualmente toma valores cercanos a 0,25.


10

n+ n+

p

n-

n+ p+

Colector

Emisor Puerta

G

E

C

(a) Estructura (b) Circuito equivalente (c) Símbolo

C

E

G VCE

2.1.2 IGBT.

• El transistor bipolar de puerta aislada es un elemento híbrido que puede verse como unMOSFET controlando a un BJT para aprovechar las ventajas de ambos: Control por tensióny característica de salida similar a la del BJT. Su estructura corresponde a la de un MOSFETal cual se le ha añadido en el drenador (colector) una tercera unión PN que inyectaportadores minoritarios en el canal cuando el IGBT conduce.

• Cuanto menos se dopa la capa N- (menos cargas)⇒ más rápido⇒ mayor VCEsat.

• Cuanto mayor es el espesor de la capa N- mayor es la tensión que aguanta⇒ mayor VCEsat

• Con tensiones que van desde los 250 V hasta los 6,6 kV y corrientes superiores a los2400A es el elemento más utilizado en la electrónica de potencia (del kWa varios MW).


11

Característica estática del IGBT

Tensión positiva. VCE > 0.• En conducción si VGE ≥ VGE(th) ≈ 5 ó 6 V: Para garantizar la saturación habitualmente VGE = 15V. En saturación el IGBT se comporta como una fuente de tensión (VCE( T0))) con una resistencia en serie (rCE). La VCEsataumenta con la temperatura ⇒ se puedan conectar en paralelo.

• En corte si VGE ≤ VGE(th) (típico VGE = -5).

• Entrada en avalancha si VCE > BVCES.

Tensión negativa. VCE < 0.• Si VCE > VRRM ⇒ Corte • Si VCE < VRRM ⇒Avalancha

Característica de salidaen función de VGE.

Semikron 400 GA 173 D

VCE(TO)

rCE

C

E

Ic

Circuito equivalente en conducción

C

E

G VCE

IC VGE


12

Conmutaciones del IGBT:

t0-t1: Tiempo de retraso de encendido o “Turn-on Delay Time” (tdon). Es el tiempoque va desde la aplicación de la orden de encendido hasta que VGE alcanza el valorde VGS(th). Durante este intervalo, como VGS está por debajo de la tensión umbral,el IGBT permanece apagado. La duración de este intervalo depende de lacapacidad parásita de entrada Cies, que corresponde con CGCy CGE en paralelo, dela RG y y de la VG (carga de una capacidad a través de una resistencia).

t1-t2: Tiempo de subida o “Rise Time” (tr). Es el tiempo que tarda IC en pasar del10% al 90% de su valor final. Su valor depende de las características del IGBT yde RG. El pico de la corriente al final de intervalo es debido a la corriente inversadel diodo complementario. Durante este intervalo el diodo sigue conduciendo, porlo que VCE no varía y la tensión VGE sigue creciendo. Por último destacar que seproducen grandes pérdidas al convivir grandes valores de tensión y corriente.

t2-t3: Una vez bloqueado el diodo la tensión VCE comienza a bajar. En esteintervalo toda la corriente IG es absorbida por la descarga de la capacidad CGC(efecto Miller) por lo que la tensión VGE permanece prácticamente constante. Seproducen grandes pérdidas al convivir grandes valores de tensión y corriente.

t3- : Una vez terminada la conmutación del MOSFET la tensión de puerta (VGE)sigue subiendo hasta alcanzar el valor VG. El valor de la capacidad de entradaCies varía con VCE, siendo mayor cuanto menor es VCE ⇒ la constante de tiempodel sistema mayor (menor pendiente).

IDC

VG

VGE

IG

ID

VDS

t0 t1 t2 t3

VGE(th)

VG

VG / RG

IDC

VDC

VG

ENCENDIDO

Característica dinámica del IGBT

• Durante las conmutaciones es necesario cargar y descargar las diferentes capacidades parásitas delIGBT, por lo que se verán fuertemente influenciadas por éstas y por la resistencia de puerta (RG).

VDC

RG

VG

CGC

CCE

CGE

IG


13

Conmutaciones del IGBT:

t0-t1: Tiempo de retraso de apagado o “Turn-off Delay Time” (tdoff). Es eltiempo que va desde la aplicación de la orden de apagado hastaque la tensiónVGE alcanza el valor de VGE(th). Durante este intervalo, como VGE es superior ala tensión umbral, el IGBT permanece encendido. La duraciónde este tiempodepende de la capacidad parásita de entrada (Cies) y de RG. La duración de esteretraso es generalmente mucho mayor que el del encendido dado que la Ciespresenta un fuerte valor cuando el IGBT conduce (VCE pequeña).

t1-t2: Una vez alcanzada VGE(th) la tensión VCE comienza a aumentar hastaalcanzar el valor de VDC. En este intervalo toda la corriente IG es absorbida porla carga de la capacidad CGC (efecto Miller) por lo que la tensión VGEpermanece constante. La intensidad del IGBT no varía debidoa que el diodocomplementario sigue cortado al estar sometido a una tensión negativa.Durante este intervalo se producen grandes pérdidas al convivir nuevamentegrandes valores de tensión y corriente.

t2-t3: Tiempo de bajada o “Fall Time” (tf). Tiempo que tarda la corriente enpasar del 90% al 10% . Este tiempo varia muy poco con el valor deRG. Lacaída de tensión en las inductancia parásitas se suma a la tensión de cortepudiéndose producir una sobretensión en el IGBT. Al final deeste periodoaparece una corriente de cola debida a la conmutación más lenta del BJT (cargaalmacenada en su base o huecos en la región n-). Esta cola aumentan laspérdidas de apagado del IGBT. A partir de t3 la tensión de puerta (VGE) siguebajando hasta anularse.

APAGADO

VG

t0

VGE

IG

IC

VCE

t1 t2 t3

VGE(th)

VG

VG / RG

IDC

VDC

VG

VDC

RG

VG

CGC

CCE

CGE

IG

IDC


14

• La información sobre las capacidades parásitas la da el fabricante a partir de la capacidad de entrada (Cies), capcidad de salida (Coes) y capacidad de miller (Cres).

• Para un IGBT dado, los tiempos de conmutación dependen de la resistencia de puerta (RG)y de Ic. Habitualmente el tiempo de retraso en el apagado (tdoff) es mayor que el deencendido (tdon).

GCres

GCCEoes

GCGEies

CCCCCCCC

=+=+=


15

Pérdidas en el IGBT:

Pérdidas de conducción:Se pueden calcular a partir del circuitoformado por una fuente de tensión (VCE( T0)) con una resistencia enserie (rCE) que representa el comportamiento del IGBT.

Potencia instantánea

Potencia media(suponiendo Ic=cte.)

CCCEsatcon IIVp )(=

con

IGBTONCCCEsat

T

CCCEsatcon

con T

TIIVdtIIV

TP

IGBTON )(

0)()(

1 )(== ∫

En la mayoría de los casos el fabricante da una gráfica conel valor de la VCEsat en función de la corriente de colector(Ic) y de la tensión de puerta (VGE). Utilizando esta gráfica,las pérdidas de conducción quedan:

VCE(TO)

rCE

C

E

Ic

2)()( CCECTOCECCCEsatcon IrIVIIVp +≈=

( )con

IGBTONCCEFTOCE

T

CCCEsatcon

con T

TIrIVdtIIV

TP

IGBTON )(2)(

0

)()(

1 +≈= ∫

Potencia instantánea:

Potencia media:(suponiendo Ic=cte.)


16

Pérdidas de conmutación:La energía perdida en cadaconmutación depende de la tensión (VCE) y corriente (IC)de trabajo, así como de la tensión de control (VGE) y laresistencia de puerta (RG). Se puede obtener a partir de lashojas de características del fabricante, EON (VCEref, ICref,RGref) y EOFF (VCEref, ICref , RGref) pasándola a lascondiciones reales:

Las pérdidas de conmutación (Pconm) para una frecuencia de conmutación Fcon serán:

conOFFONconm FEEP )( +=

RGoffCref

C

CEref

CERCrefCErefoffGCCEoff K

I

I

V

VIVERIVE

Gref)()(),(),,( 3,1

,≈

RGonCref

C

CEref

CERCrefCErefonGCCEon K

I

I

V

VIVERIVE

Gref)()(),(),,( 3,1

,≈

Las constantes KRGon y KRGoff se calculan, a partir de lagráfica de pérdidas de conmutación en función de RG,comparando las pérdidas obtenidas con la RGref de lagráfica anterior (6Ω en este caso) y la RG utilizada:

),,(

),,(

GrefCrefCErefon

GCrefCErefonRGon RIVE

RIVEK =

),,(

),,(

GrefCrefCErefoff

GCrefCErefoffRGoff RIVE

RIVEK =


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Áreas de seguridad

SOA. “Safe Operating Area”, muestra la zona de trabajo sin problemas en condiciones defuncionamiento continuo o pulsante.RBSOA. “Reversed Biased Safe Operating Area”) Área de seguridad eninversa. Limita la zonadentro de la cual debe permanecer el punto de funcionamientodurante la conmutación de apagado,para un funcionamiento repetitivo.SCSOA. “Short Circuit Safe Operating Area”). Cuando se cortocircuita un IGBT, este entra en laregión continua limitando la corriente máxima a un valor comprendido entre 3 (gran potencia) y 10(pequeña potencia). Si se respetan los límites de tensión (habitualmente inferior a VCES) y corriente(límite de VGE) marcados en la SCSOA, se dispone de 10µs para cortar el IGBT sin que se produzcasu destrucción.

0

1

2

3

0 1000 2000 3000 4000

Vce

Ic/Icn

1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000 10000

10 ms

1 ms

DC

100 µs

Vce

10 µsIc

0

1

2

3

4

0 1000 2000 3000 4000

Vce

Ic/Icn

a) SOA b) RBSOA c) SCSOA

Tc = 25 ºC Tj < 150 ºC

Tj<150ºC

V VGE

= ±15

Tj<150ºC

V VGE

= ±15

tsc < 10 µs


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IGBTs Comerciales

Módulos de SEMIKRON (600V-300A)

IGBT con diodo en antiparalelo de EUPEC (3300V-1200A)

IGBT de EUPEC (1200V-600A)

IGBT de IXYS (600V-100A)

IGBT de IXYS (600V-40A)

Módulo de EUPEC (1200V-400A)


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10-1

101

102

103

104

10-1 100 101 102 105

f (kHz)

P (kVA)

106

TIRISTOR (HVDC, molinos de minas, hornos de fundición, etc

GTO (Statcom, propulsión naval, hornos industriales)

IGBT (energías renovables, accionamientos industriales de pequeña y mediana potencia, calentamiento por inducción, robótica, máquina herramienta, UPS, etc.

MOSFET (automoción, fuentes de alimentación…

105

CoolMOS (telecomunicaciones, televisores LCD, iluminación)

HVIGBT-IEGT (tracción ferroviaria, generadores eólicos, Accionamientos industriales de potencia, etc.)

IGCT (Statcom, hornos industriales, propulsión naval..)

2.1.3 Utilización de los semiconductores.


20Esquema funcional del driver

Amplificador señales

Rg

IGBT

Acoplamiento entrada

Fuente DC aislada

Sistema

digital de control

Ref. Driver

Ref control

Señal control (digital)

Detección anomalías

Acoplamiento Señal error

+ Vdc

Medida Vce

Circuito Driver

Señal Error

(digital)

2.1.4 Driver.• Adecua la señal de control de encendido y apagado a las exigencias del semiconductor. Habitualmente incorporan las siguientes funciones:

Amplificación de la señal de control a los valores de tensión y corriente necesarios.

Aislamiento galvánico (transformador de pulsos, opto-acoplador o fibra óptica).

Protecciones contra tensiones bajas de alimentación y cortocircuitos.

Driver de Eupec para 2 IGBTs de

hasta 1700V 3600A)

• Cuanto menor sea Rg menor será el tiempo de conmutación, y las pérdidas, pero mayor será el pico de corriente por el driver, la corriente inversa del diodo que se apaga y las EMIs. Se puede hacer el encendido más lento que el apagado poniendo otra Rg en paralelo con un diodo.


21

Resistencias térmicas (ºC/W)• Rthjc - resistencia unión (junction) - carcasa (case)• Rthch - resistencia carcasa - Radiador (heatsink)• Rthha - resistencia Radiador - ambiente

Temperaturas• Tj - Temperatura de la unión.• Tc - temperatura de la carcasa• Th - temperatura del radiador• Ta - temperatura ambiente

Circuito eléctrico equivalente del proceso de disipación térmica

• El límite de la corriente media que puede circular por el semiconductor es un límitetérmico. Las pérdidas (Pper), que dependen de la corriente y de la frecuencia deconmutación, se transforman en calor elevando la temperatura de la unión⇒ Lacorriente máxima la determinan las pérdidas del semiconductor (Pper), la temperaturamáxima de trabajo del silicio (Tjmax≈125º), la temperatura de ambiente máxima (Tamax) yla resistencia térmica total (Rthja).

• Para disminuir la resistencia térmica se dota al encapsulado de una parte metálica(placa base) a la que se acopla la unión (silicio) a través de un aislante. Habitualmente, seutilizan radiadores que permiten disminuir la resistencia térmica del conjunto.

Encapsulado de plastico

Silicio Aislante

Radiador

Ta Tj Tc Th

Rthjc Rthch Rthha

Pper

Encapsulado metálico

perthhathchthjcaperthjaaj PRRRTPRTT )( +++=+=

2.1.5 Sistema de refrigeración.


• Las pérdidas máximas que se podrán dar en el semiconductor serán:

)(maxmax

maxthhathchthjc

ajper RRR

TTP

++−

=

• Para aumentar las pérdidas que admite un determinado semiconductor y, por tanto, lapotencia del convertidor y la frecuencia de conmutación, se deben reducir todo lo posiblelas resistencias térmicas que hay entre la unión y el ambiente.

• La resistencia térmica desde la unión al encapsulado (Rthjc) depende del tipo deencapsulado (su valor lo dará el fabricante en las hojas de características, o datasheet, delsemiconductor) y no se puede reducir.

•Para reducir la resistencia térmica del encapsulado al radiador se deben utilizarsuperficies lisas y limpias y, además, hay poner una pasta conductora térmica entre ambos.Esta pasta reduce el aumento de la resistencia térmica debido a los microporos de lassuperficies metálicas.

Aplicación de pasta térmica con rodillo22


• Algunos semiconductores no incluyen el aislante entre la unión yla placa base por lo que hay que poner una lámina de aislante entreel encapsulado y el radiador, lo que aumenta la Rthch

• Ejemplos de valores de Rthch en función del tipo de encapsulado:

• En muy alta potencia se suele reducir laRthch a la mitad evacuando las pérdidas porlos dos lados del semiconductor. En estecaso, la unión no está aislada delencapsulado y la corriente tiene que pasarpor los radiadores que quedan al mismopotencial que la unión con la que están encontacto

Directo: Rthch= 0,8 ºC/WCon pasta: Rthch= 0,5 ºC/WCon aislante y pasta: Rthch= 1,2 ºC/W

TO220 Módulo

Con pasta: Rthch= 0,038ºC/W Rthch= 0,003ºC/W

Encapsulado para refrigeración por ambos

lados (botón)

23


• Una vez fijadas el resto de variables se calcula la resistencia térmica máxima delradiador al ambiente que se puede tener:

thchthjcper

ajthha RR

P

TTR −−

−≤

max

maxmax

• Como temperatura máxima de la unión se suele tomar 125º. El trabajar a mayortemperatura reduce la vida útil del semiconductor (la temperatura máximade ruptura delsilicio está en el entorno a los 200ºC)

•Una vez calculada la Rthha se elige el radiador a utilizar. Hay que tener en cuenta que laRthha que marca el fabricante en las hojas de características corresponde a unadeterminada posición del radiador (con las aletas en vertical) y un entorno abierto.

• Para mejorar la evacuación de calor por radiación se suelen utilizar radiadoresnegros.

Rthha= 13ºC/WRthja= 13,83ºC/W

IGBT (1200V, 40 A)Rthjc = 0,33ºC/WRthja= 40ºC/WRthch= 0,5ºC/W

Rthha= 9ºC/WRthja= 9,83ºC/W 24


• En el caso de los módulos, donde se encapsulan varios semiconductores juntos, elcircuito térmico se analiza a partir de su equivalente eléctrico considerando que latemperatura de la placa base (encapsulado) es la misma para todos ellos.

Ta

Tj1

Tc

Th

Rthjc1

Rthch

Rthha

Pper1

Pper1+ Pper2…

Tj2

Rthjc2 Pper2

( )

.........

222

111

perthjccj

perthjccj

perthhathchac

PRTT

PRTT

PRRTT

+=

+=

++= ∑

• Habitualmente los fabricantes dan dos valores de resistencias térmicas, una para losdiodos y otra para los IGBTs.

25


• Los radiadores para módulos consisten en un determinado perfil donde la longitud delradiador se elige de forma a obtener la resistencia térmica necesaria. Esta resistenciatérmica depende del número de módulos montados en el radiador (n), anchura de laplaca base del módulo (b) y potencia de pérdidas disipada (P). Para calcular lastemperaturas se supone que la temperatura del radiador es la misma en todos los puntosel mismo.

Radiador P4 de SEMIKRON

•

Ta

Tj1

Tc_mod2

Th

Rthjc1

Rthch

Rthha

Pper1

Pper_mod2

Tj2

Rthjc2 Pper2

Módulo 1 Módulo 3

Módulo 2

.........

222mod_2

112mod_1

2mod_2mod_

perthjccj

perthjccj

perthchhc

perthhaah

PRTT

PRTT

PRTT

PRTT

+=

+=

+=

+= ∑

26


• La Rthhase puede reducir utilizando ventilación forzada con aire. La reducción que seconsigue depende, además de n, b y P, de la velocidad del aire.

Factor de reducción de la Rthha en función de la velocidad del aire.

Valor de la Rthhadel radiador P16 con su ventilador para diferentes puntos de funcionamiento27


• En potencias muy grandes se utiliza refrigeración por agua para conseguir reducir laRthhaasí como el volumen del radiador. El inconveniente es que se complica mucho elsistema de refrigeración del líquido refrigerante.

Rthhaen función de la velocidad del refrigerante para el radiador HNC 52 de SEMIKRON.

Circuito de refrigeración por agua.28


• Como es un límite térmico, un convertidor permite sobrecorrientes durante tiempos losuficientemente reducidos como para que no le de tiempo a la temperatura de lasobrepasar su valor máximo.

• Para calcular la temperatura alcanzadacuando, estando en un determinado puntode trabajo se produce una sobrecorrinete,se trabaja con la impedancia térmica, Zth,cuyo valor depende de la duración deltransitorio.

perthhathchthjcj PZZZT ∆++=∆ )(

−=∆

−

∑ th

t

thperj eRPT τ1

1

29

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