CIRCUITOS ELECTRONICOS DE POTENCIADispositivos de Potencia Regiones operativas de componentes

El Diodo de Potencia

Tcnicas para mejorar la VBD.

V maxI maxV directoT conmutacionAplicaciones

Rectificadores de alta tensin30 Kv0.5 A10 v.100 nsAlta tension

Proposito general5 Kv10 KA0.7 a 2.5 v25 usRectificacin a 60 Hz.

Recuperacion Rapida3Kv2 KA0.7 a 1.5 v< 5 usCircuitos conmutados

Diodos Schottky120 v300 A0.2 a 0.9 v30 nsCircuito de conmutados BT

Zener de potencia300 v75 WReferencias de tensiones

Caractersticas de catlogo:

Tensin inversa de trabajo, VRWM= mxima tensin inversa que puede soportar de forma continuada sin peligro de avalancha. Tensin inversa de pico repetitiva, VRRM= mxima tensin inversa que puede soportar por tiempo indefinido si la duracin del pico es inferior a 1ms y su frecuencia de repeticin inferior a 100Hz. Tensin inversa de pico nico, VRSM= mxima tensin inversa que puede soportar por una sola vez cada 10 ms minutos si la duracin del pico es menor a 10ms Caractersticas Dinmicas

Prdidas en los diodos

Diodo Schottky de potencia

BJT de potencia

BJT en conmutacin. Corte

BJT en conmutacin. Saturacin

BJT en conmutacin. Potencia disipada

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.

Excitacin en funcin a la posicin de la carga

Esquema ejemplo.

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

Comparacin de IB con y sin L

EjemploDisear 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 Baker Se 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.

Darlington.- Incrementar la Beta del transistor equivalente, con el fin de mejorar la excitacin

MOSFET. Curvas caractersticas

Diodos en antiparalelo asociados

Efecto de las capacidades parsitas en VG

El efecto de la conmutacin de otros dispositivos puede provocar variaciones importantes en la tensin de puerta debido al acoplamiento capacitivo parsito.Cuanto menor sea RG, menos se notar este efecto

Apagado y encendido en un MOSFET

Caractersticas dinmicas

Circuitos de excitacin de MOSFET Es 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.

Carga de las capacidades parsitas

Diferencias de excitacin con el BJT

Detalles

Ejemplo

Calcular la excitacin de un Mosfet de potencia que tiene las siguientes caractersticas: VTH=2 a 4V. VGSmx=20V VDSmx=100V Capacidades 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

Simulacin

Funcionamiento del SCR.Caracterstica esttica del SCR

Mecanismo de cebado

Curvas V e I del SCR durante conmutacin

Formas de provocar el disparo en un SCR Corriente de puerta. Elevada tensin nodo-ctodo. Aplicacin de Vak positiva antes de que el bloqueo haya terminado. Elevada deriva Vak. Temperatura elevada. Radiacin luminosa.

Autodisparo

Autodisparo

Disparo normal

TRIAC

TRIAC. Caracterstica esttica

Cuadrantes de disparo del TRIAC Disparo de un triac.

Formas alternativas de disparo

Circuitos auxiliares

Ejemplo de V e I en una aplicacin

Circuito equivalente del IGBT

IGBT. Curva caracterstica

Caractersticas de conmutacin

Valores lmites del IGBT

Capacidades parsitas en un IGBT

Caracterstica esttica del GTO

Funcionamiento del GTO

Formas de onda de IG

Para entrar en conduccin se necesita una subida rpida y valor IG suficientes.Se mantiene una IgonPara cortar se aplica una IG negativa muy grande.Debe mantenerse una VG negativa para evitar que conduzca de forma espontnea

Circuito de excitacin de puerta del GTO

Conmutacin del GTO

Encendido por corriente positiva

Apagado del GTO por corriente negativa

Comparacin entre los dispositivos de potencia

UJTEl transistor uniunin (UJT, unijunction transistor) es un dispositivo de conmutacin del tipo ruptura. Sus caractersticas lo hacen muy til en muchos circuitos industriales, incluyendo temporizadores, osciladores, generadores de onda, y ms importante an, en circuitos de control de puerta para SCR y TRIACs.Cuando el voltaje entre emisor y base1 Veb1, es menor que un cierto valor denominado voltaje de pico, Vp, el UJT est CORTADO, y no puede fluir corriente de E a B1 (Ie=0). Cuando Veb1 sobrepasa a Vp en una pequea cantidad, el UJT se dispara o CONDUCE. Cuando esto sucede, el circuito E a B1 es prcticamente un cortocircuito, y la corriente fluye instantneamente de un terminal a otro. En la mayora de los circuitos con UJT, el pulso de corriente de E a B1 es de corta duracin, y el UJT rpidamente regresa al estado de CORTE.

UJT. Circuito equivalente.

VBB : Tensin interbase. rBB : Resistencia interbaseVE : Tensin de emisor. IE : Intensidad de emisor. VB2 : Tensin en B2, (de 5 a 30 V para el UJT polarizado). VP : Tensin de disparoIP : Intensidad de pico (de 20 a 30 A.). Vv : Tensin de valle de emisor Iv : Intensidad valle del emisor. VD : Tensin directa de saturacin del diodo emisor (de 0,5 y 0,7 V). : Relacin intrnseca (de 0,5 a 0,8)

UJT. FuncionamientoEl transistor monounin (UJT) se utiliza generalmente para generar seales de disparo en los SCR. En la figura se muestra un circuito bsico de disparo UJT. Un UJT tiene tres terminales, conocidos como emisor E, base1 B1 y base2 B2. Entre B1 y B2 la monounin tiene las caractersticas de una resistencia ordinaria (la resistencia entre bases rBB con valores en el rango de 4.7 y 9.1 K). Cuando se aplica el voltaje de alimentacin Vs, se carga el condensador C a travs de la resistencia R, dado que el circuito emisor del UJT est en circuito abierto. La constante de tiempo del circuito de carga es T1=RC. Cuando el voltaje del emisor VE, llega a un valor pico Vp, se activa el UJT y el capacitor se descarga a travs de RB1 a una velocidad determinada por la constante de tiempo T2=RB1C. T2 es mucho menor que T1. Cuando el voltaje del emisor VE se reduce al punto del valle Vv, el emisor deja de conducir, se desactiva el UJT y se repite el ciclo de carga. El voltaje de disparo VB1 debe disearse lo suficientemente grande como para activar el SCR. El periodo de oscilacin, T, es totalmente independiente del voltaje de alimentacin Vs y est dado por:

PUT.El transistor monounin programable (PUT) es un pequeo tiristor con el smbolo de la figura. Un PUT se puede utilizar como un oscilador de relajacin, tal y como se muestra. El voltaje de compuerta VG se mantiene desde la alimentacin mediante el divisor resistivo del voltaje R1 y R2, y determina el voltaje de disparo Vp. En el caso del UJT, Vp est fijado por el voltaje de alimentacin, pero en un PUT puede variar al modificar el valor del divisor resistivo R1 y R2. Si el voltaje del nodo VA es menor que el voltaje de compuerta VG, se conservar en su estado inactivo, pero si el voltaje de nodo excede al de compuerta ms el voltaje de diodo VD, se alcanzar el punto de disparo y el dispositivo se activar. La corriente de pico Ip y la corriente de valle Iv dependen de la impedancia equivalente en la compuerta RG = R1R2/(R1+R2) y del voltaje de alimentacin en Vs. En general Rs est limitado a un valor por debajo de 100 Ohms.

Aplicacin con UJTRT (resistencia de carga de CT): De ellos depende la frecuencia de oscilacin. UJT: Proporciona el impulso VOB1 a la puerta del SCR. R1: Proporciona un paso a la corriente de base del UJT (IBB) antes de dispararlo. Evita que IBB circule por la puerta del SCR produciendo un disparo indeseado. Valor: El necesario para que VGK est por debajo de la mnima tensin de disparo. R2: Estabiliza el funcionamiento del dispositivo frente a aumentos de temperatura.

Aplicacin con UJT

DIACDiac (Diode Alternative Current): dispositivo bidireccional simtrico (sin polaridad) con dos electrodos principales, MT1 y MT2, y ninguno de control. Su estructura es la representada. En la curva caracterstica tensin-corriente se observa que: V(+ ) < VS ; el elemento se comporta como un circuito abierto. V(+ ) > VS; el elemento se comporta como un cortocircuito. Se utilizan para disparar esencialmente a los triacs.

Otros dispositivos de disparo

OptoacopladoresTambin se denominan optoaisladores o dispositivos de acoplamiento ptico. Basan su funcionamiento en el empleo de un haz de radiacin luminosa para pasar seales de un circuito a otro sin conexin elctrica. Fundamentalmente este dispositivo est formado por una fuente emisora de luz, y un fotosensor de silicio, que se adapta a la sensibilidad espectral del emisor luminoso.

Optoacopladores

Optoacopladores

Circuito con optoacopladores

Acopladores Inductivos

Circuito Equivalente

Ejemplo de acoplo inductivo

Problemas generados por el calor

Tiempo medio entre fallos para diversos semiconductores. MIL-HDBK-217

Produccin de calor

Transferencia de calor

Transferencia de calorqc = flujo de calor por conveccin desde la superficie.hc = coeficiente de transferencia de calor de conveccin.As = superficie de transmisin de calor.q = flujo de calor por conduccin.L = longitud de conduccin.Ac = rea transversal de conduccin.k = coeficiente de conductividad trmica del material.T = diferencia de temperaturas. = coeficiente de emisividad (0 a 1) = Constante de Stefan-BoltzmannA = rea de radiacinT1 y T2 = diferencias de temperatura superficialF1,2 = factor de diferencia entre las dos superficies de los diferentes cuerpos

Conductividad trmica

Resistencias trmicas

Resistencias trmicas

Impedancia trmica

Comportamiento dinmico

Disipadores

Transitorios en las lneas de alimentacin

Topologa de proteccin

Componentes para proteccin

Caractersticas

Circuitos de proteccin

a) Proteccin en lneas equilibradas de comunicaciones.b) Proteccin contra descargas en antenas. Insuficiente proteccin de componentes posteriores.c) Gran capacidad de absorcin de corriente. Ideal para lneas de red.d) Circuito mejorado. El inductor permite la conmutacin de sobrecorriente del varistor al descargador.e) Evita la corriente de seguimiento de la red.f) Tambin evita la corriente de seguimiento de la red, pero mejora el anterior.

g) Dobla la capacidad energtica de limitacin de sobretensiones.h) Igual que el anterior pero ms rpido.i) Ideal para lneas de comunicaciones, es mejor que el circuito d, pero peor cuando los impulsos de sobretensin tienen una pendiente lenta.j) El automatismo sirve para evitar que el varistor quede cortocircuitado en caso de envejecimiento.k) Circuito bsico de proteccin en modo comn.

Protecciones contra excesos elctricos

Dispuestos de mayor a menor capacidad de disipacin de energa y de menor a mayor velocidad de respuesta.Protecciones para redEl primero es un circuito bsico que puede proteger una lnea de red en modo diferencial y en modo comn.El segundo es un circuito de proteccin en modo comn con tres escalones. Puede quedar un cierto nivel de tensin diferencial.El tercero es un circuito completo de proteccin en modo comn y en modo diferencial.

Protecciones para lneas de entrada de datos.

Protecciones con diodos supresores de sobretensiones.

Protecciones terciarias contra sobretensiones de alta frecuencia.

Proteccin de alta seguridad

Filtros de red comerciales

Proteccin contra transitorios. Snubbers

Circuito de proteccin de transistor

Prdidas en funcin a C

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.

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.

Comparacin sin y con snubber.