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UD11. COMPONENTES ELECTRÓNICOS DE POTENCIA

Centro CFP/ES

ELECTRÓNICA DE POTENCIAIntroducción

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAIntroducción

ELECTRÓNICA DE POTENCIAIntroducción

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAIntroducción

ELECTRÓNICA DE POTENCIABloques de un corvertidor

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ELECTRÓNICA DE POTENCIABloques de un convertidor

ELECTRÓNICA DE POTENCIADispositivo de potencia ideal

La electrónica de potencia engloba tanto los componentes electrónicos dedicados a tal fincomo los diferentes circuitos típicos que se utilizan con ellos.Una de las características más importantes en electrónica de potencia es que todos estosdispositivos trabajan en régimen de conmutación comportándose como un interruptor enmodo abierto (no circula corriente) y en modo cerrado (circula toda la corriente delcircuito)

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAEl problema de la conmutación

El dispositivo de potencia entrará en conmutación pasando del estado abierto al estadocerrado de manera cíclica (más adelante estudiaremos el por qué).Como cualquier magnitud física no podemos pasar de un valor a otro de una manerainstantánea (con tiempo 0) sino que se requiere de un determinado tiempo que porpequeño que este sea será motivo de que aparezca una disipación de potencia.

Durante el proceso de conmutación (tr)existirá disipación de potencia ya quetenemos tanto tensión como corriente en eldispositivo de conmutación. Alcanzará lamáxima potencia en su punto medio.

ELECTRÓNICA DE POTENCIANecesidad de la conmutación

Los factores que incrementarán la disipación de potencia será:

• El tiempo de conmutación (tr). A mayor tiempo, mayor potencia disipada• La frecuencia de conmutación. A mayor frecuencia, mayor cantidad de

conmutaciones por unidad de tiempo.

VEAMOS UN EJEMPLO PRÁCTICO DEL PORQUÉ DE LA CONMUTACIÓN:

Con este circuito somos capaces de pasar de una tensión 12V a 5V mediante unzener de 5,7V y una resistencia.

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ELECTRÓNICA DE POTENCIANecesidad de la conmutación

Este circuito presenta el inconveniente de disipación de potencia en el transistor. Eneste ejemplo supongamos que la lámpara tiene una resistencia de 240 .

La potencia disipada en el transistor podemos calcularla como:

La potencia entregada a la carga (la lámpara) podemos calcularla como

ELECTRÓNICA DE POTENCIANecesidad de la conmutación

Con este ejemplo se puede comprobar fácilmente la baja eficiencia de este circuito.Se suministra 1W a la carga y se disipa en forma de calor 1,4W despreciando losconsumos de la resistencia R1 y del diodo zener se calcula fácilmente elrendimiento.

Para pequeñas potencias el circuito puede ser válido pese a su baja eficiencia por lasencillez que presenta, pero para grandes potencias es inaceptable trabajar conunos rendimientos tan bajos.

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ELECTRÓNICA DE POTENCIANecesidad de la conmutación

VEAMOS OTRA OPCIÓN:

Este método resuelve el problema anterior deconvertir una tensión 12V DC a otra de 5V DCutilizando un transistor trabando en modocorte – saturación (circuito abierto – circuitocerrado)Al medir con un osciloscopio la tensión quetenemos en la carga (lámpara) tenemos losiguiente:

ELECTRÓNICA DE POTENCIANecesidad de la conmutación

Para la mayoría de las aplicaciones elcomportamiento de una carga es el mismocuando se alimenta desde una fuente de unadeterminada tensión o cuando se alimenta conuna señal de onda cuadrada con el mismovalor medio.

En este ejemplo la carga (lámpara) secomportará de la misma manera cuando sealimente desde una fuente de 5V o cuando sealimente desde una señal cuadrada cuyo valormedio sean 5V

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAConclusión

Por comparar con el caso anterior, con este método casi toda la potencia entregadacorresponde con la potencia consumida. Solo una pequeña cantidad de potenciaserá disipada en el transistor en comparación con la potencia entregada. Esto haceque la eficiencia de este circuito sea muy alta y próximo a la unidad.

La solución más extendida para reducir las pérdidas de potencia en los semiconductores es la estrategia de conmutación. Esto es hacer funcionar en

modo interruptor al dispositivo.

ELECTRÓNICA DE POTENCIAClasificación Semiconductores Potencia

En función del tipo de conmutación podemos clasificar a los semiconductores como:• No controlados• Semi-controlados• Controlados

Los semiconductores no controlados como por ejemplos los diodos son losdispositivos sobre los que no podemos realizar ningún tipo de gestión o controlsobre ellos. Su paso a conducción y a bloqueo dependerá de la corriente que circulepor él.

Los semiconductores semicontrolados como por ejemplo los tiristores permitengestionar el paso a conducción pero no el paso a bloqueo. El paso a bloqueocoincidirá con el cese de corriente.

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAClasificación Semiconductores Potencia

Los semiconductores controlados como por ejemplo los transistores permitengestionar el paso a conducción y a bloqueo. Esta característica hace que seanfuncionalmente de los dispositivos más versátiles. Por el contrario tienen otro tipo delimitaciones relacionadas con las tensiones y corrientes máximas de trabajo.

ELECTRÓNICA DE POTENCIAEl Tiristor

Con una señal aplicada a su electrodo de gobierno pasa del estado de bloqueo al deconducción, y puede volver al primero en ciertas condiciones, por consiguiente,puede emplearse en un circuito como interruptor.

Una de las aplicaciones principales del tiristor es la de funcionar como interruptoreléctrico, abriéndose y cerrándose permitiendo el paso o no de corriente, enrespuesta a pequeños impulsos o niveles de tensión muy bajos en su terminal degobierno.

Los tiristores constan de cuatro capas alternadas de cristales P y N, que en estecaso representa un elemento tipo P (puerta tipo P). La combinación de estas cuatrocapas produce tres uniones, mostradas como rectificadores, que se denominan J1,J2, J3.Características físicas de las cuatro capas:• La capa anódica (P1) no está muy impurificada y tiene un espesor mediano.• La de bloqueo (N1) está algo más impurificada y es la más gruesa de las cuatro.• La de control (P2) es fina y su grado de impurificación es similar al de la anódica.• La capa catódica (N2) es muy fina y con gran impurificación.

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAEl Tiristor

Es equivalente a dos transistores. A continuación observamos una figura con unaestructura cristalina más complicada, equivalente a transistores, símbolo yapariencia externa.

ELECTRÓNICA DE POTENCIAEl Tiristor

Equivalencia de dos transistores:

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAEl Tiristor

ELECTRÓNICA DE POTENCIAFuncionamiento del Tiristor

Cuando existe polarización inversa, tanto en el diodo como en el tiristor no existeconducción, la diferencia está cuando nos encontramos en polarización directa, eldiodo conduce y el tiristor está preparado para conducir.

El tiristor empezará a conducir en el momento que reciba un pulso por puerta “Gate”.

VAMOS A VERLO MÁS DETENIDAMENTE CON UN EJEMPLO

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAFuncionamiento del Tiristor

La forma de onda que podríamos obtener será lamisma que la que obtendría con un diodo,rectificación en media onda. Dependiendo delmomento en que se produzca la excitación odisparo por puerta será el momento quecomenzará la conducción.

Podemos producir el disparo a los 90º, momentoque la señal senoidal es máxima y obtendríamosla siguiente forma de ondaLa primera señal es el generador, la segunda laseñal que tenemos en la resistencia y la tercerala señal de disparo del tiristor.

ELECTRÓNICA DE POTENCIAFuncionamiento del Tiristor

Si disparamos a 45º la señal será:

Y si disparamos a 135º la señal será:

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAFuncionamiento del Tiristor

Disparo del Tiristor:• Por tensión ánodo-cátodo (IG=0). No recomendable. Suele ser un efecto no

deseado.• Por impulso de puerta. Es el método habitual.• Por variación brusca de tensión. No recomendable. Suele ser un efecto no

deseado.• Por temperatura. No recomendable. Suele ser un efecto no deseado.• Por radiación luminosa. Aplicaciones especiales en optoacoladores.

Descebado del Tiristor:Hay dos métodos de descebado. Debemos tener en cuenta que una vez cebado, lapuerta ya no tiene control sobre él, y para volver al estado de interruptor abiertohabremos de:

• Bajar la tensión y/o corriente ánodo-cátodo por debajo de la demantenimiento.

• Otro sistema es aplicar una tensión inversa entre ánodo y cátodo. Éste últimoes el utilizado en algunos sistemas industriales de control de potencia.

ELECTRÓNICA DE POTENCIACurvas del Tiristor

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAAlgunos ejemplos

ELECTRÓNICA DE POTENCIAAlgunos ejemplos

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ELECTRÓNICA DE POTENCIACaracteristicas en bloqueo

ELECTRÓNICA DE POTENCIACaracteristicas en bloqueo

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ELECTRÓNICA DE POTENCIACaracteristicas en conducción

ELECTRÓNICA DE POTENCIACaracteristicas en conducción

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ELECTRÓNICA DE POTENCIADisparo no deseado

ELECTRÓNICA DE POTENCIAConclusiones finales

RESUMEN DE LAS CARACTERISTICAS DEL TIRISTOR

• Estructura de cuatro capas p-n alternadas.

• Directamente polarizado tiene dos estados: cebado y bloqueado.Inversamente polarizado estará bloqueado.

• Dispositivo capaz de soportar las potencias más elevadas. Único dispositivo capaz de soportar I>4000Amp. y V>7000Volt.

Control del encendido por corriente de puerta (pulso). No es posible apagarlo desde la puerta

El circuito de potencia debebajar la corriente anódica por debajo de la de mantenimiento.

• Frecuencia máxima de funcionamiento baja, su funcionamiento se centra en aplicaciones a frecuencia de red.

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ELECTRÓNICA DE POTENCIADIAC

El DIAC es un Diodo de AC (corriente alterna). Son en realidad dos didodosShockley en antiparalelo. Con lo cual el efecto de estos diodos se produce enambas polarizaciones, siendo así apto para ser usado en circuito de corrientealterna. Su función principal es el disparo de TRIACs.

ELECTRÓNICA DE POTENCIADIAC

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ELECTRÓNICA DE POTENCIATRIAC

ELECTRÓNICA DE POTENCIATRIAC

Un triac, o tiristor triodo bidireccional, es un dispositivo que se puede usar para dejarpasar o bloquear la corriente en ambos sentidos. Se puede considerar como dostiristores conectados juntos en montaje antiparalelo pero con un electrodo de puertacomún.

A2

A1

G

En general, el triac se puede utilizar en aplicacionesen que debería usarse un par de tiristores montadosen antiparalelo; es decir, como un circuito reguladorde c.a con control total.

Sin embargo, su aplicación está limitada a loscircuitos de control de c.a con control total, y no sepuede emplear para salidas de c.c ni en circuitos decontrol de c.a en que se necesiten conexionescomunes de ánodo o cátodo.

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ELECTRÓNICA DE POTENCIACaracterísticas

ELECTRÓNICA DE POTENCIAEjemplo

El siguiente ejemplo muestra la utilización de un DIAC y TRIAC para regular lavelocidad de un motor conectado a 220V.

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAConsideraciones con Tiristor y Triac

Teniendo en cuenta todo lo visto en el punto anterior podemos elaborar ocho reglaspara el buen diseño con tiristores y triacs:

1. Para poner en conducción un tiristor o un triac, una corriente de puerta mayorque la de umbral (IGT) debe aplicarse hasta que la corriente del componente seamayor que la de enganche (IL).

2. Para bloquear o conmutar un tiristor (o triac), la corriente de la carga debe serinferior a la de mantenimiento (IH) el tiempo suficiente para permitir que esteretorne al estado de bloqueo.

3. Para minimizar los efectos negativos que el ruido electromagnético pueda tenersobre la puerta, provocando disparos indeseados, las conexiones (terminales,pistas, cables,...) han de ser lo más cortas posibles. Además es convenientecolocar una resistencia de 1 kW, o menos, entre los terminales de puerta ycátodo.

ELECTRÓNICA DE POTENCIAFET

La impedancia de entrada del JFET estará en valores en torno a los cientos demegaohmios. De aquí se deduce que sean unos componentes muy adecuadoscuando se buscan impedancias de entrada muy elevadas.

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAFET y BJT

La gran diferencia con el JFET es que en el MOSFET la puerta está aisladaeléctricamente del canal. Esto supone un aumento de la impedancia de entrada enel MOSFET respecto al JFET.

ELECTRÓNICA DE POTENCIAFET Funcionamiento

• Sin polarización de puerta la corriente de electrones no encuentra más dificultadentre fuente y drenador, que la del propio semiconductor, que por dopado seráde valor pequeño.

• Sin embargo, al polarizar inversamente G-S se crean, entre las dos puertas P yel cristal N, sendas zonas de deplexión, en las cuales la ausencia de portadoresimposibilita la conducción. De este modo la zona por la que los electronespueden circular desde la fuente al drenador se estrecha. Como ya sabemos, lazona de deplexión, en una unión PN polarizada inversamente, crece con elpotencial de tensión inversa aplicado. De este modo tenemos que controlamos elcanal con la tensión G-S, pudiendo llegar incluso al estrangulamiento(conducción nula) si la tensión inversa crece lo suficiente.

• En la polarización observamos ya la primera diferencia con un transistor bipolar.La polarización del diodo base-emisor de un BJT es en directa, la polarizacióndel diodo puerta-fuente en un JFET es en inversa. Esto a su vez nos lleva adestacar otra gran diferencia, la corriente de control del dispositivo. En el BJTera IB, cuyo valor variaba en función de las características del circuito y deltransistor. Aquí la IG es igual a cero.

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAMOSFET

EL FET DE PUERTA AISLADA o FET METAL ÓXIDO SEMICONDUCTOR (IGFET oMOSFET). Insulated Gate FET o Metal Oxide Semiconductor FET

La gran diferencia con el JFET es que en el MOSFET la puerta está aisladaeléctricamente del canal. Esto supone un aumento de la impedancia de entrada en elMOSFET respecto al JFET.

ELECTRÓNICA DE POTENCIAMOSFET

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAMOSFET en conmutación

ELECTRÓNICA DE POTENCIAMOSFET Aplicaciones

Inversor con carga pasiva: El hecho de tener una tensión de umbral convierten alMOSFET de en un elemento ideal en aplicaciones de conmutación. Un primer ejemplo esel inversor con carga pasiva. Éste es muy similar al BJT en conmutación, con la ventajade que su funcionamiento se puede controlar fácilmente mediante dos tensiones, unaque sea superior a la tensión de umbral para el accionamiento, y otra inferior a eseumbral para el corte. En el circuito la condición necesaria es que la carga sea muchomayor que RDS para que el MOSFET pueda ser considerado en conducción un interruptorcerrado.

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAMOSFET Aplicaciones

Inversor CMOS: El inversor CMOS está formado por un montaje de MOSFETcomplementarios (CMOS = Complementary MOS). Como al hablar de los BJT, llamamostransistores MOS complementarios a dos MOSFET, uno de canal N y otro de canal P,con iguales características. Su funcionamiento es similar al de dos BJT complementariosen clase B.

ELECTRÓNICA DE POTENCIAMOSFET Ejemplo

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAIGBT

ELECTRÓNICA DE POTENCIAIGBT Características

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAIGBT Características

ELECTRÓNICA DE POTENCIAIGBT y MOSFET

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAIGBT Ejemplo

ELECTRÓNICA DE POTENCIAIGBT Ejemplo

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAIGBT Ejemplo

ELECTRÓNICA DE POTENCIAComparación dispositivos de potencia

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAConclusiones

ELECTRÓNICA DE POTENCIAConclusiones

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ELECTRÓNICA DE POTENCIAConclusiones

ELECTRÓNICA DE POTENCIA