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ELECTRONICA INDUSTRIALCapítulo 2: Semiconductores de potencia
Marcelo A. Pérez
Segundo semestre 2016
Electrónica Industrial/ Semiconductores de potencia 2
Introducción
Convertidores de potencia● El convertidor de potencia actúa como regulador de potencia● Regula las amplitudes, frecuencias y fases de las señales (según corresponda)● Convierte de AC a DC, cualquiera de las combinaciones (AC-AC, DC-DC, DC-AC
y AC-DC)● Los semiconductores actúan en zonas de corte y conducción, pero no en la zona
lineal
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Principio de funcionamiento
Convertidores de potencia y semiconductoresEjemplo de una fuente lineal
● El transistor trabaja en zona lineal● El transistor se usa como resistencia variable controlada● Las caídas de tensión que se utilizan para regular son pérdidas
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Principio de funcionamiento
Convertidores de potencia y semiconductoresEjemplo básico de funcionamiento de un convertidor de potencia
Salida del convertidor
a)
V 0 ( t)
V 0
V d
tton to f f
ss f
1T =
V 0( t)
c)
Al operar en corte y saturación (Off y On) se puede generar en promedio la
característica de un resistor variable (controlado) pero sin las pérdidas
Al operar en corte y saturación (Off y On) se puede generar en promedio la
característica de un resistor variable (controlado) pero sin las pérdidas
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Principio de funcionamiento
Convertidores de potencia y semiconductoresEjemplo de una fuente conmutada
● Conviene utilizar el semiconductor en zona de corte y saturación para producir menos pérdidas
● El semiconductor se utiliza como un interruptor● La etapa de modulación se encarga de generar los pulsos de disparo del
semiconductor
Modulación
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Semiconductores
Semiconductor ideal
● Puede bloquear voltajes de cualquier polaridad sin corrientes de fuga● Conduce corrientes en ambas direcciones sin caída de tensión● Puede pasar a corte y conducción instantáneamente obedeciendo a una
señal de control● La señal de control demanda potencia despreciable
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El diodo de potencia
Configuración, simbolo y característica ideal
● Juntura dopada P y N se polariza (conduce) cuando el voltaje es positivo.● La juntura se mantiene polarizada (conduciendo) mientra la corriente es
positiva.
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El diodo de potencia
Característica real
Corriente de fuga inversaVoltaje de bloqueo
Tensión de conducciónResistencia de conducción
Corriente de fuga inversaVoltaje de bloqueo
Tensión de conducciónResistencia de conducción
Ron
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El diodo de potencia
Apagado del diodo de potencia
● Circuito para corriente positiva y negativa● Parámetros del modelo dependen del circuito en el que se encuentra
conectado
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El diodo de potencia
Ejemplo de funcionamiento: rectificador de media conda con carga resistiva
Empaquetamientos:
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El tiristor (SCR)
Configuración, símbolo y característica ideal
● Permite bloquear voltajes positivos y negativos● Compuerta de control permite encender el dispositivo (conducción)● No se puede apagar (semicontrolado)
SCR: Silicon Controlled Rectifier
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El tiristor (SCR)
Característica real
Posee características similares al diodo pero puede encenderse a voluntad con la corriente de la
compuerta.
Posee características similares al diodo pero puede encenderse a voluntad con la corriente de la
compuerta.
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El tiristor (SCR)
Conmutación (encendido y apagado)
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El tiristor (SCR)
Ejemplo de funcionamiento: rectificador de media onda con carga resistiva
vd
id
vAKiG
id
vS v dR
vAKiG
id
vS v dR
Empaquetamiento
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El Triac
Configuración, símbolo y característica ideal
● Permite bloquear voltajes positivos y negativos● Conduce corrientes en ambos sentidos.● Compuerta de control permite encender el dispositivo (conducción)● No se puede apagar (semicontrolado)
Triac: Triode for Alternating Current
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El Triac
Característica real
Posee características similares a dos tiristores conecvtados en
antiparalelo.
Posee características similares a dos tiristores conecvtados en
antiparalelo.
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El triac
Elemplo de operación: recortador de señal AC
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El GTO
Configuración, simbollo y característica ideal
● Permite bloquear solo voltajes positivos (asimétrico) o positivo y negativos (simétrico)
● Conduce corrientes en un sentido.● Compuerta de control permite encender y apagar el dispositivo
GTO: Gate Turn-Off Thyristor
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El GTO
Característica real y empaquetamiento
● Necesita altas corrientes para el apagado (1/5 o ¼ de la corriente del circuito)● Proclive a fallas● Descontinuado industrialmente
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EL IGCT
Símbolo y empaquetamiento
● Es un GTO con el circuito de disparo integrado● Arreglo de condensadores permite lograr altas corrientes
IGCT: Insulated Gate Commutated Thyristor
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El transistor bipolar de potencia
Simbolo, característica y empaquetamiento
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El MOSFET de potencia
Símbolo, característica y empaquetamiento
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El IGBT
Simbolos, modelo, característica y empaquetamientos
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El IGBT
Conmutación en semiconductores basados en transistores (BJT, MOSFET, IGBT)
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Aplicaciones y rango de potencia
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Comparación
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Evolución
SiC
GaN
Thyristor
Nuevos Materiales
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Nuevos materiales semiconductores
● Silicon Carbide
● Gallium Nitrade
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Little Box Challenge (IEEE+Google)
● 2kVA● 240Vac /400Vdc● 40in3 (655.5cm3)● 1.000.000 USD
● 13.77in3 (225.6cm3)
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Little Box Challenge (IEEE+Google)
Semiconductores GaN Baja resistencia de conducción
Baja capacitancia de la compuerta
Baja carga de encendido y recuperacion inversa
Bajas pérdidas y ultra rápida conmutación.
Ruido electromagnético
Voltaje de caida de apagado
Alto dv/dt genera problemas de aislación
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Integración de semiconductores
PEBB: Power electronics building blocks
a) ANPC de ABBb) Puente H en cascada de Siemensc) 5L-hybrid ANPC de ABBd) Inversor fuente de corriente de Rockwelle) NPC de Siemens
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Pérdidas en semiconductores
Perdidas de conducción y de conmutación
Tº IGBTs(Imagen térmica)
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Disipadores
Flujo de calor en un semiconductor/disipador:Modo de funcionamiento:
Convección natural de aire Convección forzada de aire Enfriamiento por agua
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Disipadores
Nomenclatura para diseño: J = juntura C = Carcaza D = Disipador A = Aire
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Disipadores
A
D
C
J
R qJC
R qCD
R qDA
T A
T C
T D
T JP
Modelo térmico estacionario Equivalencia térmica – eléctrica
Magnitud térmica Magnitud eléctrica
Potencia térmica Intensidad de corriente
Resistencia térmica Resistencia eléctrica
Diferencia de temperatura
Diferencia de potencial
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Disipadores
Calculo de disipador1) Pérdidas
a) Hoja de datos (Eon,Eoff)b) Estimación
2) Resistencia térmica total3) Resistencia térmica del disipador
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Disipadores
Modelo térmico dinámicoAumento de temperatura equivale a acumulación de calorSe modela mediante condensadores
Modelo simplificado:
TA
J
CP(t) R TJ TA
A
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Disipadores
Comportamiento dinámico: Ciclo térmico
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Disipadores
Resistencia térmica depende de:-Masa-Superficie de disipación-Material de interface-Terminación del material-Curvatura de la superficie-Presion de montaje-Area de contacto
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Disipadores
Usados para semiconductores discretos
Usados en módulos
Usados en convertidores completos
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Disipadores
Ventilación forzada
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Disipadores
Enfriamiento por agua
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Disipadores
Heat pipe (refrigeración por agua y convección de aire, pero sin bomba)
El tubo cerrado contiene agua destilada que se evapora y luego se refrigera en un intercambiador de calor. Se usa la gravedad en lugar de bombas de agua. Al no tener partes móviles es más confiable.
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Disipadores
Heat pipeTambién se usa en semiconductores de baja potencia y electrónica de consumo.
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