DIAPOSITIVAS DEL PROFE. VELAZ
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7/24/2019 DIAPOSITIVAS DEL PROFE. VELAZ
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ELECTR NICAINDUSTRIAL
DISPOSITIVOS
SEMICONDUCTORES
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Enlaelectrnicadepotenciasecombinanlapotencia,laelectrnicayelcontrolo enc a. rata cone equ poest t coyrotator opara agenerac n,
transmisinydistribucindelaenergaelctrica.Electrnica.Trataconlosdispositivosycircuitosdeestadoslidoparael
procesamientodesealesquecumplanconlosobjetivosdeseadosenelcontrol.
Control.Trataconlascaractersticasdeestadoestableydinmicasdesistemasdelazocerrado.
Electrnicadepotenciasepuededefinircomolasaplicacionesdelaelectrnicadeestadoslidoparaelcontrolylaconversindelaenergaelctrica.
El e ui o moderno de electrnica de otencia em lea1)Semiconductoresdepotenciaquesepuedenconsiderarcomoelmsculo,y2)Lamicroelectrnica,quetieneelpoderylainteligenciadeuncerebro.
A licaciones
Controlesde
temperatura,
de
iluminacin,
de
motores
FuentesdepoderSistemasdeimpulsindevehculos
,highvoltage directcurrent)
Transmisionesflexibles
de
ca (FACT,
de
flexible
ac transmissions)
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Historiadelaelectrnicadepotencia
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Rectificador
dearco
de
mercurio
Transmission Mechanicville1956
Thyristor (SCR)
Silicon Transistor
1948 Invention of
Germanium Transistor
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1956
Thyristor (SCR)
MCT(TiristorcontroladoporMOS)
IGCT(Tiristorconmutadoporcompuerta
Triac
Gate Turn Off(GTO)Thyristor
integrada
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High performanceAdjustable Speed MotorDrives
c ve ower ne on on ng rcu s
Uninterruptible Power Supplies
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HistoriadelaElectrnicadePotencia
ec ca or
earco
emercur o
19101940 Rectificadordetanquemetlico,Tuboalvacocontroladoporlarejilla,Ignitrn,Fanotrn,Tiratrn.
1948 SeinventaelTransistordegermanio1956 Transistordesilicio,Tiristor orectificadorcontroladodesilicio(SCR)1960
1970 Triodo
para
corriente
alterna
(TRIAC),
Tiristor
de
apagado
por
compuerta
(GTO),Circuitosintegrados BipolaryMOS. , ,
19801990 TiristorcontroladoporMOS(MCT),Tiristorconmutadoporcompuertaintegrada(IGCT)
19902000 Variadores
de
velocidad
de
motores
de
ca
20002010 RelevadoresdeestadoslidoeInterruptoresdepotencia,PantallasplanasdeTVacolor
20102020 Plantassolaresdepotencia,Variadoresdevelocidaddemotoresdealta, ,
Fuentesde
poder
ininterrumpibles,
Vehculos
elctricos
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Dispositivossemiconductoresdepotencia
Estos
dispositivos
se
pueden
dividir
en
forma
general
en
tres
clases:
1) diodosdepotencia2) transistores3) tiristores.
Los
diodos
de
potencia
son
de
tres
tipos:
1)depropsitogeneral2)dealtavelocidad(orecuperacinrpida)3)deSchottky
Dio os
euso
genera
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Tiempoderecuperacininversa
E
tiempo
erecuperaci n
inversa
trrse
pue e
e inir
como
e
interva o
etiempo
entreelinstanteenquelacorrientepasaporceroduranteelcambiodeconduccindirectaalacondicindebloqueoinverso,yelmomentoenquelacorrienteensentidoinversohaba adohastael25%desuvalor icoI .Lavariablet de endedelatemperaturadelaunin,delavelocidaddecadadelacorrienteensentido
directo,as
como
la
corriente
en
sentido
directo
antes
de
la
conmutacin,
IF.
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Lostransistoresdepotenciasondecuatroclases:
1)BJT (Transistorbipolardeunin)2)MOSFETdepotencia (Transistordeefectodecampometalxidosemiconductor)3)IGBT (Transistorbipolardecompuertaaislada)4)SIT(Transistordeinduccinesttica)
TransistoresNPN
MOSFET
de
potencia
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Lostiristores
se
ueden
dividir
en
once
ti os:
a) tiristordeconmutacinforzada(SCR)b) tiristorconmutadoporlnea,(SCR,TRIAC)c) tiristordeapagadoporcompuerta(GTO,desussiglaseninglsgateturnoff
yr s or
d) tiristorde
conduccin
inversa
(RCT,
de
sus
siglas
en
ingls
reverse
conducting
thyristor)
e) tiristordeinduccinesttica(SITH,desussiglaseninglsstatic inductionthyristor)
f) tiristordesactivadoconasistenciadecompuerta(GATT,desussiglaseningls
gateassisted turn
off
thyristor)
,lightactivated silicon controlled rectifier
h) tiristorabiertoporMOS(MTO,porsussiglaseninglsMOSturnoff)i) tiristorabiertoporemisor(ETO,porsussiglaseninglsemitter turnoff)
j) tiristorconmutado por
compuerta
integrada
(IGCT,
por
sus
siglas
en
ingls
integrated gatecommutated thyristor)
k) tiristorescontroladosporMOS(MCT,porsussiglaseninglsMOScontrolled
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GTOs
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Intervalosdepotenciadelossemiconductoresdepotenciacomerciales
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Aplicacionesdelosdispositivosdepotencia
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TRIAC
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Especificacionesdeinterruptor
Lascaractersticasdelosdispositivossemiconductoresprcticossondistintasdelasdeloselementosideales.Losfabricantesdelosdispositivossuministranhojasdedatosquedescribenlosparmetrosylascapacidadesdesusproductos.Hayparmetrosimportantes;losmsimportantesentreellosson:
Capacidadesdevoltaje:voltajespicorepetitivosdirectoeinversoycadadevoltaje.
Capacidadesdecorriente:corrientespromedio,razcuadrticamedia(rms),depico
repetitivo,de
pico
no
repetitivo
yde
fuga
en
estado
abierto.
Velocidadofrecuenciadeinterrupcin:transicindeunestadototalmentenoconductorhastaunestadototalmenteconductor(cerrado),ydeunototalmenteconductoraunototalmentenoconductor abertura son armetrosmu im ortantes.
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FIGURA1.10
d
tr=tiempodesubida
tn =tiempoactivadot = tiem o de almacenamientotf
=tiempodebajada
to=tiempodesactivado
1 1
ss enc n apag of T t t t t = = + + +
-
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Capacidaddedi/dt:eldispositivonecesitauntiempomnimoparaquetodasusuperficie
conductoraintervengaparaconducirtodalacorriente.Silacorrienteaumentacon
ra idez,
el
flu o
de
ella
odra
concentrarse
en
cierta
re in
daar
al
dis ositivo.
La
di/dtdelacorrienteatravsdeldispositivoselimita,enelcasonormal,conectandoenseriealdispositivounpequeoinductorllamadoamortiguadorenserie.
Ca acidaddv/dt:undis ositivosemiconductortieneunaca acitanciainternaenla
unin,
CJ.
Si
el
voltaje
a
travs
del
interruptor
cambia
con
rapidez
durante
el
cerrado,
la
aberturaytambinalconectarelsuministroprincipaldelacorrienteinicial,laCjdv/dtdelacorrientequepasaporCJpuedeserdemasiadoaltaycausardaosaldispositivo.Ladv dtdelvoltajeatravsdeldispositivoselimitaconectandouncircuitoRCatravsdelmismo,alquesellamaamortiguadorshunt,amortiguadorenparaleloosimplemente
amortiguador.
Prdidasporconmutacin:duranteelcerrado,lacorrientedirectaaumentaantesdequeelvoltajedirectobaje,ydurantelaabertura,elvoltajedirectoaumentaantesdequelacorrientebaje.Laexistenciasimultneadevoltajesycorrientesaltoseneldispositivo
causa
prdidas
de
potencia,
como
se
ve
en
la
figura
1.10b
(diapositiva
anterior).
Debido
a
sunaturalezarepetitiva,representanunaparteapreciabledelasprdidas,yconfrecuenciasonmayoresquelasprdidasdeconduccinduranteelestadocerrado.
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Requisitosdeactivacindecompuerta:elvoltajeylacorrientedeexcitacindecompuertasonparmetrosimportantesparaencenderyapagarundispositivo.Las
importantesdelasprdidas,ydelcostototaldelequipo.Sisenecesitanpulsosgrandesylargosdecorrienteparacerrarlayabrirla,lasprdidasporactivacindecompuertapuedenserimportantesencomparacindelasprdidastotales,yelcostodelcircuitoimpulsorpuedesermayorqueeldeldispositivomismo.
readeoperacinsegura(SOA,desussiglaseninglsSafe Operating Area):lacantidadde calor enerada en el dis ositivo es ro orcional a la rdida de otencia es decir alproductodelvoltajeporlacorriente.ParaqueeseproductoseaP=viconstante,eigualalvalormximoadmisible,lacorrientedebeserinversamenteproporcionalalvoltaje.Esto
estableceel
lmite
SOA
de
los
puntos
admisibles
de
operacin
en
estado
estable
en
las
coor ena asvo a ecorr en e.
I2tparaproteccinconfusible:senecesitaesteparmetroparaseleccionarelfusible.LaI2tdeldispositivodebesermayorqueladelfusible,paraqueeldispositivoquede
protegido cuandohay
condiciones
de
corriente
de
falla.
Temperaturas:lastemperaturasmximasdeunin,cajayalmacenamientoson ,
almacenamiento.
Latemperatura
de
almacenamiento
es
la
temperatura
ala
que
se
encuentra
el
dispositivo
cuando
noseleaplicaningunapotencia.
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Resistenciatrmica:resistenciatrmicaentreuninycajaRJC; resistenciatrmicaentre
,
CS
,
SA.potenciadebeserrpidadesdelaobleainterna,atravsdelpaqueteyfinalmentehaciael
mediodeenfriamiento.Eltamaodelossemiconductoresinterruptoresdecorrienteespequeo,nomayorde150mm,ylacapacidadtrmicadeundispositivoaisladoesdemasiadobajacomoparaeliminarconseguridadelcalorgeneradoporlasprdidas
internas.En
general,
los
dispositivos
de
potencia
se
montan
en
radiadores.
Por
lo
anterior,
laeliminacindelcalorrepresentaunaltocostodeequipo.
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= Power dissi atedss
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Rsa
,
aT T
Rsa ,
RCS
a jc cs
dissP
= +
,
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Rectificadorcontroladodesilicio,SCR
J1
J3
J2
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(VRBD
)
(VFBD)
IL=Corrientedeenganche
Eslacorrienteandicamnimanecesariapara manteneraltiristorenestadodeencendido,inmediatamente des us de haberse activado retirar la seal de la com uerta.IH=Corrientedesostenimiento
Es
la
corriente
mnima
de
nodo
para
mantener
al
tiristor
en
el
estado
de
encendido
despus
quehaestadoconduciendounaaltacorriente.
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ModelodelSCRdedostransistores
Lacorriente
del
colector
en
untransistorBJTestdadapor
C E CBO
I I= +
Donde eslagananciade
corrientedebasecomn,IEeslacorrientedeemisore
ICBOesla
corriente
de
fuga
de
launincolectorbaseLacorrienteatravsdelSCRestdadapor
SilacorrienteIGseaumentadeformarepentina,digamosdesde0hasta1mA,lacorrienteIAaumentarinmediatamente,incrementandoanmsa1y2.ConestoIAaumentaran
. 1 2alaunidad,elresultadoserunaIAgrande,yeltiristorseencenderconunapequea
corrientede
compuerta.
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ENCENDIDODELSCR
Untiristorseenciendeaumentandolacorrienteandica.Estosehacedeunadelas
siguientesmaneras:
Trmica.Silatemperaturadeuntiristoresalta,hayunaumentoenlacantidaddepares
, .aumentar1y2.Debidoalaaccinregenerativa,1+2puedetenderalaunidad,yel
tiristorsepuedeactivar.Estetipodeactivacinpuedecausaravalanchatrmica,yenel
Luz.Sisedejaincidirluzenlasunionesdeuntiristor,aumentanlospareselectrnhuecoyeltiristorpuedeactivarse.Lostiristoresactivadosconluzseenciendendejandoquelaluz
incidasobre
la
oblea
de
silicio.
A tovo ta e.Sie vo tajeensenti o irecto, e no oac to o,esmayorquee vo tajederupturaensentidodirectoVBO,pasaunacorrientedefugasuficienteparainiciarlaactivacinregenerativa.Estaclasedeactivacinesdestructiva,ysedebeevitar.dv dt. Silara idezdeaumentodelvolta enodoctodoesalta lacorrientedecar ade
lasuniones
capacitivas
puede
bastar
para
activar
el
tiristor.
Un
valor
alto
de
la
corriente
de
cargapuededaaraltiristor,ysedebeprotegercontraunaaltatasadv/dt.Losfabricantesespecificanlatasadv/dtmximaadmisibleensustiristores.
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Corrientedecompuerta.Siuntiristorestpolarizadoensentidodirecto,lainyeccindecorrientedecompuertaalaplicarvoltajedecompuertapositivo,entrelasterminalesde
,
.
,disminuyeelvoltajedebloqueoensentidodirecto,comoseveenlacaractersticaIV.
Lafigura7.8muestralaformadeondadela,
lasealdecompuerta.Hayunretardollamadotiempodeencendido,ton,entrelaaplicacindelasealalacompuertaylaconduccindeuntiristor.Sedefineatoncomoelintervalodetiempoentreel10%delacorrientedecompuertaenestadoestable(0.1IG)yel90%
,encendido(0.9IT).toneslasumadeltiempode
retardotdyeltiempodeelevacintr.Sedefineatdcomoelintervalodetiempoentre
. G
10%delacorrienteenelestadodeencendido(0.1IT). treseltiemponecesarioparaquela
corriente del nodo suba de 10% de lacorrientedeestadodeencendido(0.1IT) al
90%delacorrientede estadodeencendido(0.9IT).
Figura7.8 Caractersticasdencendido
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Sedebentenerencuentalossiguientespuntosparadisearelcircuitodecontroldecompuerta:
1.La
seal
de
compuerta
debe
retirarse
despus
que
haya
encendido
el
tiristor.
Una
sealdecontrolcontinuaaumentaralaprdidadepotenciaenlaunindelacompuerta.
compuerta,porquedelocontrariopuedefallaracausadeunaumentoenlacorriente
defuga.
3.ElanchodelpulsoenlacompuertatGdebesermayorqueeltiemponecesarioparaque acorr entean caaumente astae va or e acorr ente eretenc n H. n aprctica,elanchotGdelpulsosehace,enelcasonormal,mayorqueeltiempodeactivacintondeltiristor.
G
t
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APAGADODELTIRISTOR
Untiristorqueestenelestadoencendidopuedeapagarsereduciendolacorrienteen
H.tcnicasparaapagaruntiristor.Entodaslastcnicasdeconmutacin,lacorriente
andicasemantieneinferioralacorrientederetencinduranteuntiemposuficientementelargoparaquetodoelexcesodeportadoresenlascuatrocapasfluyanoserecombinen.
Conmutacinnatural
oporlnea
trc
-
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Eltiempodeapagado,tq , eselvalormnimodelintervaloentreelmomentoenquelacorrienteenestadodeencendidohabajadoacero,yelmomentoenqueeltiristores
capaz
eres s r
e
vo a een
sen o
rec o,
s n
encen erse.
Conmutacinforzada
oscilanteLC,quedandocargadoelcondensadoraigualtensinconsignoopuestoalquetenapreviamente.
SeenciendeprimeroaltiristorQ2conloqueel
EstainversindelatensinenCpermitequealencendernuevamenteelQ2,lacarga
capac tor escarga oa vo ta e satrav s e acarga.
Q2
se
apaga
por
si
solo
por
conmutacin
natural.AlencenderaQ1 latensindeC uedaa licadaaQ2
e tenga apo ar a adecuada
para
apagar
al
tiristorQ1.
consunodonegativo respectoalctodo,apagndolo.LaconduccindeQ1ylatensinenCdaorigen
aun
semiciclo del
circuito
Parmetros del SCR
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ParmetrosdelSCR
VDRM Voltajedepicorepetitivomximoenestadodebloqueodirecto
RRM o ta e
ep co
repet t vo
m x mo
en
esta o
e
oqueo
nversoVRSM VoltajeinversodepicomximonorepetitivoIT(RMS) CorrienteeficazmximaensentidodirectoITSM Corrientepicoocasionalmximoensentidodirecto
s uerzo rm com x mo se ecc n e us eP
GM
PotenciadecompuertapicomximodirectoPG(AV) PotenciadecompuertapromediomximoIGM Corrientedecompuertamximadirectaquesoporta
J ango etemperatura eoperac n e aun nTstg RangodetemperaturadealmacenamientoRJC Resistenciatrmica,unincaja
RJA Resistenciatrmica,
unin
ambiente
DRM, RRM orr en e e ugam x marepe vaenes a o e oqueo rec oo nversoVTM VoltajedenodoactodomximoenestadoencendidoIGT CorrientededisparodelacompuertamnimarequeridaparaencenderaltiristorVGFM Voltajedecompuertadirectomximo
GRM o a e ecompuer a nversom x mo
VGT Voltajede
disparo
de
la
compuerta
mnimo
requerido
para
encender
al
tiristor
IL CorrientedeengancheIH Corrientedesostenimiento
q empo eapaga odv/dt Velocidaddeincrementomximadelvoltajeentrenodoyctodo
di/dt Velocidad
de
incremento
mxima
de
la
corriente
de
nodo
j l
-
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Ejemplo.
Enelsiguientecircuitolafuentedevoltajedeca es ( )300 2 sen 120v t=
ElSCR
Q
tiene
los
parmetros
VDRM=
VRRM=
400
V,
dv dt =
5Vs.
Determinar
si
los
parmetrosdelSCRcumplenconlorequeridoporlafuentedeca.
V120 300 2 cos 120 159942.25cos
dvt t = =
Laamplituddelvoltajedeca esEstevaloresmayorque elVDRM yelVRRM delSCR,porlotantonocumple.
300 2 424.26Vm
V = =
Laderivadadelvoltajedeca essdt
Elvalormximodeestaderivadasepresentaenloscrucesporcerodelasealdevoltaje,comoent =0,t =,t =2,etc.Haciendot =0,resulta
max
0.159942 ,sdt
= Estevaloresmenorqueladv/dt mximadelSCR,porlotantoscumple.
-
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ElTRIAC Triodo decorrientealterna
Aplicaciones:
InterruptordeCAAtenuadoresdeiluminacin ControldefaseControldemotoresdeCA
Controlde
calefaccinFuentesdealimentacin
Cuadrantesdeoperacin
-
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p
LaformanormaldeencendidodelTRIACes
deunpulsodecorrientede
compuerta
(iG),la
cualpuedeserpositivaonegativay,dependiendodelapolaridaddelvoltajeentrelas
(vT
),sepuederequerir
msomenoscorrientededisparo.
LasensibilidaddependedelaestructurafsicadelTRIAC,peroengeneral,serequieremenoscorrientededisparoenelcuadranteIymscorrientededisparo
enel
cuadrante
IV.
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CorrientededisparodelTRIAC2N6346
,
EjemplodeInterruptorcontroladoporvoltaje
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7/24/2019 DIAPOSITIVAS DEL PROFE. VELAZ
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Paraevitarfallasduranteelencendido,lacorrientededisparodebeserde5a10
vecesla
corriente
mnima
requerida
(IGT)
paradispararelTRIAC.
,mientrasqueIGM=2A.
Otrosparmetrosson:
DRM , T(RMS) ,
Encadacaso:EnqucuadrantesoperaelTRIAC?
Es se ura la o eracin del TRIAC?
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7/24/2019 DIAPOSITIVAS DEL PROFE. VELAZ
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Investi ar estudiarlaestructurafsica simbolo a nombredelasterminales
curvasIVyparmetrosde:
Dispositivosderompimientounilateralounidireccional
Diodo
de
4
capasInterruptorunilateraldesilicio,SUS
Dispositivos erompimiento i atera o i irecciona
Interruptorbilateraldesilicio,SBSDiodo ara corriente alterna o diodo de dis aro bidireccional DIAC
