Circuitos de excitacin y proteccin.Dispositivos de potencia

IntroduccinMinimizar las prdidas de potencia en los interruptores electrnicos.Prdidas en conduccinPrdidas en conmutacin.Solucin: acelerar las transiciones.

Los circuitos de proteccin se disean para alterar la forma de onda de conmutacin, de forma que se reduzcan las prdidas de potencia y se proteja el interruptor.

Circuitos de excitacin de transistores bipolares.Dispositivo controlado por corriente.Tiempo de puesta en conduccin depende de la rapidez con la que se inyecte las cargas necesarias en la base del transistor.Velocidades de conmutacin 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 conmutacin. Igualmente se necesita un pico de corriente negativa en el apagado.

Esquema

Formulacin.Cuando la seal pasa a nivel alto R2 estar cortocircuitada inicialmente. La corriente de base inicial ser IB1.Cuando C se cargue, la corriente de base ser IB2.Se necesitar de 3 a 5 veces la constante de tiempo de carga del condensador para considerarlo totalmente cargado.La seal 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.Disear un circuito de excitacin de un BJT (TIP31C). Que tenga un pico de 1A de corriente de base y de 0.2A en conduccin. La tensin de excitacin es de 0 a 5V, cuadrada, con un ciclo de trabajo del 50% y una frecuencia de conmutacin de 25Khz.

Simulacin del ejemplo

Potencias perdidas en ambos casos

Enclavador BakerSe usa para reducir los tiempos de conmutacin del transistor bipolar.Mantiene al transistor en la regin de cuasi-saturacin.Evita que VCE sea muy baja.Las prdidas son mayores.

Dn

D1

Ds

D0

Vcc

DarlingtonIncrementar la Beta del transistor equivalente, con el fin de mejorar la excitacin

Circuitos de excitacin de MOSFETEs un dispositivo controlado por tensin.Estado de conduccin se consigue cuando la tensin puerta-fuente sobrepasa la tensin umbral de forma suficiente.Corrientes de carga son esencialmente 0.Es necesario cargar las capacidades de entrada parsitas.Velocidad de conmutacin viene determinada por la rapidez con que la carga de esos condensadores pueda transferirse.Circuito de excitacin debe ser capaz de absorber y generar corrientes rpidamente para conseguir una conmutacin de alta velocidad.

Esquema

R

Carga

Vi

Vcc

Carga

Circuito de Control

Vcc

Carga

Totem-Pole

Totem-Pole con Buffer

EjemploCalcular la excitacin de un Mosfet de potencia que tiene las siguientes caractersticas: VTH=2 a 4V.VGSmx=20VVDSmx=100VCapacidades parsitas= las de la figura.Se precisa que el Mosfet conmute al cabo de 50ns o menos. Si la tensin de excitacin es de 12V y la de alimentacin es de 100V calcular la corriente necesaria y la RB que la limite.

SolucinVemos que las capacidades de entrada y salida a ms de 60V es de 300pF y 50pF respectivamente. Como ambas se tienen que cargar, necesitaremos:

Circuito propuesto.

Carga

+100V

+12V

RB

Simulacin.

Esquemas de excitacin con CI

Etapas Push-Pull y medio puente con CI

Circuitos BootstrapCuando se requiere que el circuito de excitacin sea flotante con respecto a la masa del circuito. Se llaman de lado alto. Uno de ellos podra ser el bootstrap.

RL

VCC

M1

M2

T1

Vi

Circuitos Bootstrap con CI

H

L

IR2110

VCC

Circuitos de Aislamiento de la excitacinMuchas veces resulta necesario aislar las excitaciones de dos interruptores para evitar cortocircuitos o perturbaciones.Aislamiento ptico: Optoacopladores.Aislamiento magntico: Transformadores.

1:1

ID

ITr

Forma de onda de salida del acoplador inductivo.

Optoacopladores

Optoacopladores

Circuitos de proteccin.Protegen al transistor reduciendo sus prdidas de potencia en la conmutacin.No reducen las prdidas totales de conmutacin.Protegen al dispositivo del stress al que se ve sometido durante la conmutacin debido a las altas tensiones y corrientes.

IL

v

P

P

Circuito de proteccin de transistor

i

v

P

IL

DL

Ds

C

v

i

P

v

P

i

Formulacin.Si la corriente del interruptor llega a cero antes de que el condensador se cargue por completo la tensin del condensador se calcula a partir de la primera ecuacin, saliendo:El condensador se elige a veces de forma que la tensin del interruptor alcance su valor final al mismo tiempo que la corriente vale cero

Formulacin.Para calcular el valor de la resistencia, sta 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.

Formulacin.Las prdidas en el transistor varan con el circuito que se aade. La primera frmula se refiere a las prdidas en el transistor sin circuito de proteccin.