Informe Mes de Marzo 2015

1.Titulo

Electrónica de Potencia

Objetivo

Obtener los aprendizajes suficientes acerca de la electrónica de potencia para saber como aplicarla y como desarrollarla en nuestra vida laboral, y a la vez para conocer los dispositivos o equipos utilizados en dicho tema.

2.Significado

La expresión electrónica de potencia se utiliza para diferenciar el tipo de aplicación que se le da a dispositivos electrónicos, en este caso para transformar y controlar voltajes y corrientes de niveles significativos.

3.Partes de un equipo electrónico de potencia

4.Aplicaciones de la electrónica de potencia

Productos donde se aplica la electrónica de potencia

La electrónica de potencia ha alcanzado ya un lugar importante en la tecnología moderna y se utiliza ahora en una gran diversidad de productos de alta potencia, que incluye:

Controles de calor

Controles de iluminación

Controles de motor

Fuente de alimentación

Sistema de propulsión de vehículos

Sistemas de corriente directa de alto voltaje ( HVDC por sus siglas en inglés)

5.Dispositivos de la electrónica de potencia

5.1.Clasificación 

Dispositivos semiconductores de potencia

Para estas aplicaciones se han desarrollado una serie de dispositivos semiconductores de potencia, todos los cuales derivan del diodo o el transistor. Entre estos se encuentran los siguientes:

• Diodos de potencia
• Rectificador controlado de sislicio (SCR en inglés)
• Transistores bipolares de juntura de potencia (BJT)
• MOSFET de potencia
• Transistores bipolares de compuerta aislada(IGBT)
• Transistor de inducción estática(SIT)

Los Tiristores pueden subdividirse en ocho tipos:

• Tiristor de conmutación forzada
• Tiristor conmutado por linea
• Tiristor desactivado por compuerta (GTO)
• Tiristor de conducción inversa (RTC)
• Tiristor de inducción estático (SITH)
• Tiristor desactivado con asistencia de compuerta (GATT)
• Rectificador controlado de silicio fotoactivo (LASCR)
• Tiristor controlado por MOS (MCT)
• Triac

Convertidores de la Energía Eléctrica

Conversión de potencia es el proceso de convertir una forma de energía en otra, esto puede incluir procesos electromecánicos o electroquímicos. Dichos dispositivos son empleados en equipos que se denominan convertidores estáticos de potencia, clasificados en:

• Rectificadores: convierten corriente alterna en corriente continua.
• Inveror: convierten corriente continua en corriente alterna.
• Cicloconversores: convierten corriente alterna en corriente alterna.
• Choppers: convierten corriente continua en corriente continua.

En la actualidad esta disciplina está cobrando cada vez más importancia debido principalmente a la elevada eficiencia de los convertidores electrónicos en comparación a los métodos tradicionales, y su mayor versatilidad. Un paso imprescindible para que se produjera esta revolución fue el desarrollo de dispositivos capaces de manejar las elevadas potencias necesarias en tareas de distribución eléctrica o manejo de potentes motores.

6.Diodos

El diodo ideal es un componente discreto que permite la circulación de corriente entre sus terminales en un determinado sentido, mientras que la bloquea en el sentido contrario.

En la Figura 1 se muestran el símbolo y la curva característica tensión-intensidad del funcionamiento del diodo ideal. El sentido permitido para la corriente es de A a K.

*Schottky

Diodo Schottky

A diferencia del diodo semiconductor normal que tiene una unión P–N, el diodo schottky tiene una unión Metal-N.

Estos diodos se caracterizan por su velocidad de conmutación, una baja caída de voltaje cuando están polarizados en directo (típicamente de 0.25 a 0.4 voltios).

El diodo Schottky está más cerca del diodo ideal que el diodo semiconductor común pero tiene algunas características que hacen imposible su utilización en aplicaciones de potencia.

Estas son:

- El diodo Schottky tiene poca capacidad de conducción de corriente en directo (en sentido de la flecha).

Esta característica no permiten que sea utilizado como diodo rectificador. Hay procesos de rectificación (por ejemplo fuentes de alimentación) en que la cantidad de corriente que tienen que conducir en sentido directo es bastante grande.

- El diodo Schottky no acepta grandes voltajes que lo polaricen inversamente (VCRR).

El proceso de rectificación antes mencionado también requiere que la tensión inversa que tiene que soportar el diodo sea grande.

Símbolo del diodo Schottky

Sin embargo el diodo Schottky encuentra gran cantidad de aplicaciones en circuitos de alta velocidad como en computadoras.

En estas aplicaciones se necesitan grandes velocidades de conmutación y su poca caída de voltaje en directo causa poco gasto de energía.

El diodo Schottky o diodo de barrera Schottky, se llama así en honor del físico alemán Walter H. Schottky.

*Recuperación Rápida

Los Diodos Rápidos, por otra parte, son dispositivos auxiliares a los transistores en el proceso de conversión de corriente continua a corriente alterna. Cada conmutador (GTO, IGCT o IGBT) requiere de un diodo complementario (p. ej., la "libre circulación" de potencia reactiva) para permitir el funcionamiento del sistema convertidor de continua a alterna con cargas inductivas.

Los Diodos Rápidos están optimizados para soportar solicitaciones dinámicas elevadas (transición rápida del estado de conducción al de bloqueo). Sin embargo, por lo general presentan unas pérdidas en conducción superiores a los Diodos Rectificadores. Para cada familia de conmutadores (GTOs, IGCTs y IGBTs) disponemos de Diodos Rápidos que han sido optimizados para aplicaciones con conmutadores. 
*Rectificadores

Un diodo rectificador es uno de los dispositivos de la familia de los diodos más sencillos. El nombre diodo rectificador” procede de su aplicación, la cual consiste en separar los ciclos positivos de una señal de corriente alterna.

Si se aplica al diodo una tensión de corriente alterna durante los medios ciclos positivos, se polariza en forma directa; de esta manera, permite el paso de la corriente eléctrica.

Pero durante los medios ciclos negativos, el diodo se polariza de manera inversa; con ello, evita el paso de la corriente en tal sentido.

Durante la fabricación de los diodos rectificadores, se consideran tres factores: la frecuencia máxima en que realizan correctamente su función, la corriente máxima en que pueden conducir en sentido directo y las tensiones directa e inversa máximas que soportarán.

Una de las aplicaciones clásicas de los diodos rectificadores, es en las fuentes de alimentación; aquí, convierten una señal de corriente alterna en otra de corriente directa.

7. Tiristores

Un tiristor es un dispositivo semiconductor que consta de cuatro capas similares a las de un diodo, es decir, con estructura pn. Tiene tres uniones, una pn, otra np, y otra pn. Así también tres terminales (ánodo, cátodo, compuerta). 
Los tiristores son uno de los tipos más importantes de dispositivos semiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas aplicaciones se puede suponer que los Tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y limitaciones. 

Símbolo del tiristor y tres uniones pn

Funcionamiento Cuando el voltaje del ánodo se hace positivo con respecto al del cátodo, existe una corriente entre j1 y j3, es decir, tiene una polarización directa. J2 está en inversa y tiene una pequeña corriente del ánodo al cátodo. Se puede decir entonces que el tiristor está en bloqueo directo y se llama a la corriente de j2“ corriente de estado inactivo (id)”. Ahora, si el voltaje ánodo-cátodo (vak) se incrementa a un valor grande la unión j2, inversamente polarizada estará en ruptura. Esto se denomina ruptura por avalancha y el voltaje se llama voltaje de ruptura directo (vbo). 
Dado que las uniones j1 y j3 están en directa los portadores tendrán un movimiento libre a través de las 3 uniones, lo que provocará una gran corriente directa del ánodo. Entonces el dispositivo está activado. En el estado activo la corriente del ánodo es limitada por una impedancia o una resistencia externa (RL). 
Existe una corriente conocida como corriente de enganche (IL), que a fin de mantener un flujo de portadores debe ser menor a la corriente del ánodo. De otra manera al reducirse el voltaje del ánodo al cátodo el tiristor se bloqueará. IL es la corriente del ánodo mínima que se requiere para mantener el tiristor en estado de conducción luego de ser activado y ser retirada la señal en la compuerta. 

*SCR

SCR(Rectificador Controlado de Silicio):

Este es un pequeño dispositivo de tres terminales, que hacen el mismo trabajo semicondudtor de un diodo normal(deja pasar corriente en un solo sentido), pero con la diferencia de que en éste se puede controlar el momento en el cual pueden comenzar a pasar los electrones.

Al primer terminal se le denomina Cátodo, y es utilizado como entrada de corriente. El segundo sirve de salida y se le llama Anodo y el tercero es el Gate, o terminal de control para el paso de corriente cátodo - ánodo. El gate, llamado también terminal de arranque o encendido del tiristor, sólo sirve para iniciar el paso de corriente entre los otros dos terminales, lo que logra con una corriente muy baja(unos 20 miliamperios).

Podemos comparar un SCR con una puerta común, de esas que tienen resorte y se cierran solas.

Vamos a suponer que un viento fuerte la golpea por uno de sus lados, tratando de abrirla, Bastará con que alguien la abra o accione el picaporte, para que el viento se encargue de abrirla y mantenerta así, sin importar el estado del picaporte.

El viento, es equivalente al voltaje de los electrones presentes en el terminal de control.

*TRIAC

El triac

Al igual que el tiristor tiene dos estados de funcionamiento: bloqueo y conducción. Conduce la corriente entre sus terminales principales en un sentido o en el inverso, por ello, al igual que el diac, es un dispositivo bidireccional.
Conduce entre los dos ánodos (A1 y A2) cuando se aplica una señal a la puerta (G).
Se puede considerar como dos tiristores en antiparalelo. Al igual que el tiristor, el paso de bloqueo al de conducción se realiza por la aplicación de un impulso de corriente en la puerta, y el paso del estado de conducción al de bloqueo por la disminución de la corriente por debajo de la intensidad de mantenimiento (I_H).
Está formado por 6 capas de material semiconductor como indica la figura.

Símbolo del triac	Tiristores en antiparalelo	Estructura interna de un triac

La aplicación de los triacs, a diferencia de los tiristores, se encuentra básicamente en corriente alterna. Su curva característica refleja un funcionamiento muy parecido al del tiristor apareciendo en el primer y tercer cuadrante del sistema de ejes.
Esto es debido a su bidireccionalidad. La principal utilidad de los triacs es como regulador de potencia entregada a una carga, en corriente alterna.
El encapsulado del triac es idéntico al de los tiristores
*GTO

Tiristor desactivado por compuerta (GTO). 

Son semiconductores discretos que actúan como interruptores completamente controlables, los cuales pueden ser encendidos y apagados en cualquier momento con una señal de compuerta positiva o negativa respectivamente. Estos componentes están optimizados para tener muy bajas pérdidas de conducción y diseñados para trabajar en las mas demandantes aplicaciones industriales. Estos componentes son altamente utilizados en Convertidores de Alto Voltaje y Alta Potencia para aplicaciones de baja y media frecuencia.

Estructura

Un tiristor GTO tiene la estructura muy similar a un tiristor SRC convecional, como se muestra en la figura I. con sus 4 capas de silicio (PNPN) y tres terminales: ánodo (A), cátodo (K) y puerta (G).

Figura II.

Funcionamiento

Un tiristor GTO, al igual que un SCR puede activarse mediante la aplicación de una señal positiva de compuerta. Sin embargo, se puede desactivar mediante una señal negativa de compuerta. Un GTO es un dispositivo de enganche y se construir con especificaciones de corriente y voltajes similares a las de un SCR. Un GTO se activa aplicando a su compuerta un pulso positivo corto y se desactiva mediante un pulso negativo corto. La simbología para identificarlo en un circuito es la que se muestra en la figura II.

Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista señal en la compuerta, el dispositivo se bloquea para cualquier polaridad en el ánodo, pero una corriente de fuga (IA leak) existe. Con un voltaje de bias en directa el GTO se bloquea hasta que un voltaje de ruptura VAK = VB0 es alcanzado. En este punto existe un proceso dinámico de encendido., VAK = 3V y la corriente IA es determinada por la carga. Cuando el GTO se apaga y con la aplicación de una voltaje en inversa, solo una pequeña corriente de fuga (IA leak) existe. Una polarización en inversa VAK puede ser alcanzada cuando ocurra un corte. El valor del voltaje del voltaje de ruptura inverso depende del método de fabricación para la creación de una regeneración interna para facilitar el proceso de apagado.

Con un voltaje de polarización directo aplicado al ánodo y un pulso de corriente positiva es aplicada al gate, el GTO se enciende y permanece de esa forma. Para ésta condición, existen 2 formas de apagarlo. Una forma es reduciendo la corriente de ánodo IA por medios externos hasta un valor menor a la corriente de holding Ih, en la cual, la acción regenerativa interna no es efectiva. La segunda forma de apagarlo es por medio de un pulso en el gate, y este es el método más recomendable porque proporciona un mejor control.

Ventajas de los GTO sobre los SCR

• Eliminación de los componentes auxiliares en la conmutación forzada, que da como resultado una reducción en costo, peso y volumen.
• Eliminación del ruido acústico y electromagnético debido a la eliminación de bobinas de inducción en la conmutación.
• Desactivación más rápida, permitiendo frecuencias de conmutación más altas.
• Una eficiencia mejorada de los convertidores.

Ventajas sobre los transistores bipolares en aplicaciones de baja potencia.

• Más alta capacidad de voltaje de bloqueo.
• Alta relación de corriente de pico controlable a corriente promedio.
• Alta relación de corriente de pulsación pico a corriente promedio,típicamente de 10:1.
• Alta ganancia en estado activo típicamente de 600 Señal de compuerta pulsada de corta duración. Bajo condiciones de pulsación de carga, un GTO pasa a una saturación más profunda debido a la acción regenerativa. Por otra parte, un transistor bipolar tiende a salirse de saturación.

Principales aplicaciones en la industria

• Troceadores y convertidores
• Control de motores asíncronos
• Inversores
• Caldeo inductivo
• Rectificadores
• Soldadura al arco
• Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI)
• Control de motores
• Tracción eléctrica

8. Transistores

El transistor, inventado en 1951, es el componente electrónico estrella, pues inició una auténtica revolución en la electrónica que ha superado cualquier previsión inicial. También se llama Transistor Bipolar o Transistor Electrónico.

   El Transistor es un componente electrónico formado por materiales semiconductores, de uso muy habitual pues lo encontramos presente en cualquiera de los aparatos de uso cotidiano como las radios, alarmas, automóviles, ordenadores, etc. 

      Vienen a sustituir a las antiguas válvulas termoiónicas de hace unas décadas. Gracias a ellos fue posible la construcción de receptores de radio portátiles llamados comúnmente "transistores", televisores que se encendían en un par de segundos, televisores en color, etc. Antes de aparecer los transistores, los aparatos a válvulas tenían que trabajar con tensiones bastante altas, tardaban más de 30 segundos en empezar a funcionar, y en ningún caso podían funcionar a pilas, debido al gran consumo que tenían. 

Funcionamiento del Transistor

   Un transistor puede tener 3 estados posibles en su trabajo dentro de un circuito:

   - En activa : deja pasar mas o menos corriente.

   - En corte: no deja pasar la corriente.

   - En saturación: deja pasar toda la corriente.

   Para comprender estos 3 estados lo vamos hacer mediante un símil hidráulico que es más fácil de entender.

   Lo primero imaginemos que el transistor es una llave de agua como la de la figura. Hablaremos de agua para entender el funcionamiento, pero solo tienes que cambiar el agua por corriente eléctrica, y la llave de agua por el transistor y ya estaría entendido (luego lo haremos). Empecemos.


*BJT

Transistor Bipolar. El transistor bipolar de uniones, conocido también por BJT (siglas de su denominación inglesa Bipo-lar Junction Transistor), es un dispositivo de tres terminales denominados emisor, base y colector.

La propiedad más destacada de este dispositivo es que aproxima una fuente dependiente de corriente: dentro de ciertos márgenes, la corriente en el terminal de colector es controlada por la corriente en el terminal de base. La mayoría de funciones electrónicas se realizan con circuitos que emplean transistores, sean bipolares o de efecto de campo, los cuales son los dispositivos básicos de la electrónica moderna.

Estructura Física

La estructura física de un transistor bipolar consta de dos uniones PN dispuestas una a continuación de la otra. Entre los terminales de emisor y base hay una unión PN, denominada unión emisora, y entre los de base y colector otra unión PN, llamada unión colectora.

Tipos

Hay dos tipos de transistores bipolares: el NPN y el PNP. Estos nombres proceden de la descripción de su estructura física. En el transistor NPN el emisor es un semiconductor tipo N, la base es tipo P y el colector es tipo N. La estructura física del transistor PNP es dual a la anterior cambiando las regiones P por regiones N, y las N por P.

Transistor bipolar

El emisor ha de ser una región muy dopada (de ahí la indicación p+). Cuanto más dopaje tenga el emisor, mayor cantidad de portadores podrá aportar a la corriente.

La base ha de ser muy estrecha y poco dopada, para que tenga lugar poca recombinación en la misma, y prácticamente toda la corriente que proviene de emisor pase a colector. Además, si la base no es estrecha, el dispositivo puede no comportarse como un transistor, y trabajar como si de dos diodos en oposición se tratase.

El colector ha de ser una zona menos dopada que el emisor. Las características de esta región tienen que ver con la recombinación de los portadores que provienen del emisor.

Funcionamiento del transistor

Entre los terminales de colector (C) y emisor (E) se aplica la potencia a regular, y en el terminal de base (B) se aplica la señal de control gracias a la que se controla la potencia. Con pequeñas variaciones de corriente a través del terminal de base, se consiguen grandes variaciones a través de los terminales de colector y emisor. Si se coloca una resistencia se puede convertir esta variación de corriente en variaciones de tensión según sea necesario.

Fundamento físico del efecto transistor

El transistor bipolar basa su funcionamiento en el control de la corriente que circula entre el emisor y el colector del mismo, mediante la corriente de base. En esencia un transistor se puede considerar como un diodo en directa (unión emisor-base) por el que circula una corriente elevada, y un diodo en inversa (unión base-colector), por el que, en principio, no debería circular corriente, pero que actúa como una estructura que recoge gran parte de la corriente que circula por emisor-base.

Se dispone de dos diodos, uno polarizado en directa (diodo A) y otro en inversa (diodo B). Mientras que la corriente por A es elevada (IA), la corriente por B es muy pequeña (IB). Si se unen ambos diodos, y se consigue que la zona de unión (lo que llamaremos base del transistor) sea muy estrecha, entonces toda esa corriente que circulaba por A (IA), va a quedar absorbida por el campo existente en el diodo B.

De esta forma entre el emisor y el colector circula una gran corriente, mientras que por la base una corriente muy pequeña. El control se produce mediante este terminal de base porque, si se corta la corriente por la base ya no existe polarización de un diodo en inversa y otro en directa, y por tanto no circula corriente.

Polarización del Transistor Bipolar

Polarizar un transistor bipolar implica conseguir que las corrientes y tensiones continuas que aparecen en el mismo queden fijadas a unos valores previamente decididos. Es posible polarizar el transistor en zona activa, en saturación o en corte, cambiando las tensiones y componentes del circuito en el que se engloba.

Corte

Cuando el transistor se encuentra en corte no circula corriente por sus terminales. Concretamente, y a efectos de cálculo, decimos que el transistor se encuentra en corte cuando se cumple la condición: IE = 0 ó IE < 0 (Esta última condición indica que la corriente por el emisor lleva sentido contrario al que llevaría en funcionamiento normal). Para polarizar el transistor en corte basta con no polarizar en directa la unión base-emisor del mismo, es decir, basta con que VBE=0.

Activa

La región activa es la normal de funcionamiento del transistor. Existen corrientes en todos sus terminales y se cumple que la unión base-emisor se encuentra polarizada en directa y la colector-base en inversa.

Saturación

En la región de saturación se verifica que tanto la unión base-emisor como la base-colector se encuentran en directa. Se dejan de cumplir las relaciones de activa, y se verifica sólo lo siguiente:

donde las tensiones base-emisor y colector-emisor de saturación suelen tener valores determinados (0,8 y 0,2 voltios habitualmente).

Es de señalar especialmente que cuando el transistor se encuentra en saturación circula también corriente por sus tres terminales, pero ya no se cumple la relación: II CB = ⋅ β

*MOSFET

MOSFET. Son las siglas de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Consiste en un transistor de efecto de campo basado en la estructura MOS. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica. La práctica totalidad de los circuitos integrados de uso comercial están basados en transistores MOSFET.

Fue ideado teóricamente por el alemán Julius Von Edgar Lilienfeld en 1930, aunque debido a problemas de carácter tecnológico y el desconocimiento acerca de cómo se comportan los electrones sobre la superficie del semiconductor no se pudieron fabricar hasta décadas más tarde. Tambien se llama mosfet a los aislados por juntura de dos componentes.

Funcionamiento

Un transistor MOSFET consiste en un sustrato de material semiconductor dopado en el que, mediante técnicas de difusión de dopantes, se crean dos islas de tipo opuesto separadas por un área sobre la cual se hace crecer una capa de dieléctrico culminada por una capa de conductor.

Tipos de Mosfet

Los transistores MOSFET se dividen en dos tipos fundamentales dependiendo de cómo se haya realizado el dopaje: Tipo nMOS: Sustrato de tipo p y difusiones de tipo n. Tipo pMOS: Sustrato de tipo n y difusiones de tipo p. Las áreas de difusión se denominan fuente y drenador, y el conductor entre ellos es la puerta.

Estados de los Mosfet

El transistor MOSFET tiene tres estados de funcionamiento:

• Estado de corte
• Estado de corte Cuando la tensión de la puerta es idéntica a la del sustrato.
• Estado de NO conducción

El MOSFET está en estado de no conducción: ninguna corriente fluye entre fuente y drenador aunque se aplique una diferencia de potencial entre ambos.

Conducción lineal

Al polarizarse la puerta con una tensión negativa (pMOS) o positiva (nMOS), se crea una región de deplexión en la región que separa la fuente y el drenador. Si esta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadores minoritarios (electrones en nMOS, huecos en pMOS) en la región de deplexión que darán lugar a un canal de conducción.

El transistor pasa entonces a estado de conducción, de modo que una diferencia de potencial entre fuente y drenador dará lugar a una corriente. El transistor se comporta como una resistencia controlada por la tensión de puerta.

Saturación: Cuando la tensión entre drenador y fuente supera cierto límite, el canal de conducción bajo la puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del drenador y desaparece. La corriente entre fuente y drenador no se interrumpe, ya que es debida al campo eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales.

Características eléctricas del JFET

El JFET de canal n está constituido por una barra de silicio de material semiconductor de tipo n con dos regiones (islas) de material tipo p situadas a ambos lados, (p. ej.2N4416). Es un elemento tri-terminal cuyos terminales se denominan drenador (drain), fuente (source) y puerta (gate).

La polarización de un JFET exige que las uniones p-n estén inversamente polarizadas. En un JFET de canal n, o NJFET, la tensión de drenador debe ser mayor que la de la fuente para que exista un flujo de corriente a través de canal. Además, la puerta debe tener una tensión más negativa que la fuente para que la unión p-n se encuentre polarizado inversamente.

Las curvas de características eléctricas de un JFET son muy similares a las curvas de los transistores bipolares. Sin embargo, los JFET son dispositivos controlados por tensión a diferencia de los bipolares que son dispositivos controlados por corriente.

Por ello, en el JFET intervienen como parámetros: ID (intensidad drain o drenador a source o fuente), VGS (tensión gate o puerta a source o fuente) y VDS (tensión drain o drenador a source o fuente). Se definen cuatro regiones básicas de operación: corte, lineal, saturación y ruptura. A continuación se realiza una descripción breve de cada una de estas regiones para el caso de un NJFET.

Ventajas

Ventajas del FET 1) Son dispositivos controlados por tensión con una impedancia de entrada muy elevada (107 a 1012 ohmios). 2) Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT. 3) Los FET son más estables con la temperatura que los BJT. 4) Los FET son más fáciles de fabricar que los BJT pues precisan menos pasos y permiten integrar más dispositivos en un CI. 5) Los FET se comportan como resistencias controlados por tensión para valores pequeños de tensión drenaje-fuente. 6) La alta impedancia de entrada de los FET les permite retener carga el tiempo suficiente para permitir su utilización como elementos de almacenamiento. 7) Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar corrientes grandes.

Desventajas

Desventajas que limitan la utilización de los FET 1) Los FET presentan una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta capacidad de entrada. 2) Los FET presentan una linealidad muy pobre, y en general son menos lineales que los BJT. 3) Los FET se pueden dañar debido a la electricidad estática. En este apartado se estudiarán brevemente las características de ambos dispositivos orientadas principalmente a sus aplicaciones analógicas.

*IGBT

Transistor IGBT. Componente electrónico diseñado para controlar principalmente altas potencias, en su diseño está compuesto por un transistor bipolar de unión BJT y transistor de efecto de campo de metal oxido semiconductor MOSFET.

Estructura

El IGBT es un dispositivo semiconductor de cuatro capas que se alternan (PNPN) que son controlados por un metal-óxido-semiconductor (MOS), estructura de la puerta sin una acción regenerativa. Un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) celular se construye de manera similar a un MOSFET de canal n vertical de poder de la construcción, excepto la n se sustituye con un drenaje + p + capa de colector, formando una línea vertical del transistor de unión bipolar de PNP.

Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT. En la figura II se observa la estructura interna de un IGBT, el mismo cuenta con tres pines Puerta (G), Emisor (E) y Colector (C).

Funcionamiento

Cuando se le es aplicado un voltaje VGE a la puerta , el IGBT enciende inmediatamente, la corriente de colector IC es conducida y el voltaje VCE se va desde el valor de bloqueo hasta cero. La corriente IC persiste para el tiempo de encendido en que la señal en la puerta es aplicada. Para encender el IGBT, el terminal C debe ser polarizado positivamente con respecto a la terminal E. La señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado a la puerta G.

Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15 volts, puede causar que el tiempo de encendido sea menor a 1 s, después de lo cual la corriente de colector ID es igual a la corriente de carga IL (asumida como constante). Una vez encendido, el dispositivo se mantiene así por una señal de voltaje en el G. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en la puerta es muy baja.

El IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la terminal G. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 microsegundos, por lo que la frecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz.

EL IGBT requiere un valor límite VGE (TH) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4 V. Arriba de este valor el voltaje VCE cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el G debe tener un voltaje arriba de 15 V, y la corriente IC se autolimita.

Características técnicas

ICmax Limitada por efecto Latch-up.

VGEmax Limitada por el espesor del óxido de silicio.

Se diseña para que cuando VGE = VGEmax la corriente de cortocircuito sea entre 4 a 10 veces la nominal (zona activa con VCE=Vmax) y pueda soportarla durante unos 5 a 10 us. y pueda actuar una protección electrónica cortando desde puerta.

VCEmax es la tensión de ruptura del transistor pnp. Como α es muy baja, será VCEmax=BVCB0 Existen en el mercado IGBTs con valores de 600, 1.200, 1.700, 2.100 y 3.300 voltios. (anunciados de 6.5 kV).

La temperatura máxima de la unión suele ser de 150ºC (con SiC se esperan valores mayores)

Existen en el mercado IGBTs encapsulados que soportan hasta 400 o 600 Amp.

En la actualidad es el dispositivo mas usado para potencias entre varios kW y un par de MW, trabajando a frecuencias desde 5 kHz a 40kHz.

Aplicaciones

El IGBT es un dispositivo electrónico que generalmente se aplica a circuitos de potencia. Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. Se usan en los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en maquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso: Automóvil, Tren, Metro, Autobús, Avión, Barco, Ascensor, Electrodoméstico, Televisión, Domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI (en Inglés UPS), etc.

9. Cuestionario

10. Bibliografia

http://es.slideshare.net/robysdj/electrnica-de-potencia

http://www.abb.com.mx/product/db0003db004291/c125739900722305c1256f18003c1401.aspx

http://www.ladelec.com/teoria/informacion-tecnica/321-diodos-rectificadores

http://www.ecured.cu/index.php/Tiristor_desactivado_por_compuerta_%28GTO%29

http://www.ecured.cu/index.php/Tiristor

http://www.ecured.cu/index.php/Diodo_Schottky

http://www.ecured.cu/index.php/Transistor_Bipolar

http://www.ecured.cu/index.php/Transistor_MOSFET

http://www.ecured.cu/index.php/Transistor_IGBT