introduccion a los dispositivos utilizados en EP (electronica de potencia)

Los dispositivos semiconductores utilizados en Electrónica de Potencia se pueden clasificar en tres grandes grupos, de acuerdo con su grado de controlabilidad:



-Dispositivos no controlados: en este grupo se encuentran los Diodos. Los estados de conducción o cierre (ON) y bloqueo o abertura (OFF) dependen del circuito de potencia. Por tanto, estos dispositivos no disponen de ningún terminal de control externo.

-Dispositivos semicontrolados: en este grupo se encuentran, dentro de la familia de los Tiristores, los SCR (“Silicon Controlled Rectifier”) y los TRIAC (“Triode of Alternating Current”). En éste caso su puesta en conducción (paso de OFF a ON) se debe a una señal de control externa que se aplica en uno de los terminales del dispositivo, comúnmente denominado puerta. Por otro lado, su bloqueo (paso de ON a OFF) lo determina el propio circuito de potencia. Es decir, se tiene control externo de la puesta en conducción, pero no así del bloqueo del dispositivo.

-Dispositivos totalmente controlados: en este grupo encontramos los transistores bipolares BJT (“Bipolar Junction Transistor”), los transistores de efecto de campo MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”), los transistores bipolares de puerta aislada IGBT (“Insulated Gate Bipolar Transistor”) y los tiristores GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”), entre otros.

diodo de potencia

Un diodo semiconductor es una estructura P-N que, dentro de sus límites de tensión y corriente, permite la circulación de corriente en un único sentido. Detalles de funcionamiento, generalmente despreciados para los diodos de señal, pueden ser significativos para componentes de mayor potencia, caracterizados por un área mayor (para permitir mayores corrientes) y mayor longitud (para soportar tensiones inversas más elevadas).

E diodo está formado por una sola unión PN, aunque la estructura de un diodo de potencia es algo diferente a la de un diodo de señal, puesto que en este caso existe una región N intermediaria con un bajo dopaje. El papel de esta región es permitir al componente soportar tensiones inversas más elevadas. Esta región de pequeña densidad de dopaje dará al diodo una significativa característica resistiva en polarización directa, la cual se vuelve más significativa cuanto mayor sea la tensión que ha de soportar el componente. Las capas que hacen los contactos externos son altamente dopadas, para obtener un contacto con características óhmicas y no del tipo semiconductor.

La tensión VF que se indica en la curva estática corriente-tensión se refiere a la caída de tensión cuando el diodo está conduciendo (polarización directa). Para diodos de potencia, ésta tensión de caída en conducción directa oscila aproximadamente entre 1 y 2 Volts. Además, esta caída depende de la corriente que circule, teniéndose una característica corriente - tensión bastante lineal en la zona de conducción. Esta relación se conoce como la resistencia en conducción del diodo, abreviada por Ron y que se puede obtener como el inverso de la pendiente de la asíntota de la curva estática en la zona de polarización directa. La tensión VR
representa la tensión de ruptura del dispositivo (“Breakdown Voltage”) o, lo que es lo mismo, la máxima tensión inversa que puede soportar el diodo cuando éste está bloqueado (polarización inversa).
Un diodo de potencia puede soportar tensiones inversas elevadas. Si se supera el valor de tensión de ruptura especificado por el fabricante, el diodo puede llegar a destruirse por excesiva circulación de corriente inversa y en definitiva, por excesiva disipación de potencia. Los diodos de potencia pueden llegar a soportar tensiones de ruptura de kiloVolts (kV), y pueden conducir corrientes de kiloAmperes (kA). Evidentemente, el tamaño del diodo condiciona sus características eléctricas, llegándose a tener diodos con tamaños del orden de varios cm2.

- Recuperación Inversa: El paso de conducción a bloqueo no se efectúa instantáneamente. Cuando el diodo conduce una corriente I en polarización directa, la zona central de la unión está saturada de portadores mayoritarios, y aunque un circuito externo fuerce la anulación de la corriente aplicándole una tensión inversa, cuando la corriente pasa por cero aún existe una cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento y permiten la conducción de una corriente inversa durante un tiempo, denominado tiempo de recuperación inverso (trr), Los parámetros definidos en el proceso de bloqueo dependen de la corriente directa, de la derivada de la corriente (di/dt) y de la tensión inversa aplicada. El tiempo de recuperación de un diodo normal es del orden de 10 μs, siendo el de los diodos rápidos del orden de algunos nanosegundos.

- Recuperación Directa: Es otro fenómeno de retardo de menor importancia que el anterior, cuando el diodo pasa de bloqueo a conducción, En el proceso de puesta en conducción, la respuesta del diodo es inicialmente de bloqueo a la corriente. Siendo esta respuesta quien provoca una sobre tensión Vfp, ocasionada por la modulación de la conductividad del diodo durante la inyección de portadores minoritarios. Así el diodo se asemeja a una resistencia donde su valor decrece con el tiempo. Esta resistencia equivalente está relacionada con la concentración de portadores minoritarios inyectados. Por tanto Vfp depende de la
anchura y resistividad de la zona central del diodo.

-Diodos de recuperación rápida: Son adecuados en circuitos de frecuencia elevada en combinación con interruptores controlables, donde se necesitan tiempos de recuperación pequeños. Para unos niveles de potencia de varios cientos de voltios y varios cientos de amperios, estos diodos poseen un tiempo de recuperación inversas (trr) de pocos nanosegundos.

-Diodos rectificadores o de frecuencia de línea: La tensión en el estado de conducción (ON) de estos diodos es la más pequeña posible, y como consecuencia tienen un trr grande, el cual es únicamente aceptable en aplicaciones de la frecuencia de línea.
Estos diodos son capaces de bloquear varios kilovoltios y conducir varios kiloamperios. Se pueden conectar en serie y/o paralelo para satisfacer cualquier rango de tensión o de corriente.

Tiristores

El nombre de Tiristor proviene de la palabra griega “ηθνρα”, que significa “una puerta”. El tiristor engloba una familia de dispositivos semiconductores que trabajan en conmutación, teniendo en común una estructura de cuatro capas semiconductoras en una secuencia P-N-P-N, la cual presenta un funcionamiento biestable (dos estados estables).
La conmutación desde el estado de bloqueo (“OFF”) al estado de conducción (“ON”) se realiza normalmente por una señal de control externa. La conmutación desde el estado “ON” al estado “OFF” se produce cuando la corriente por el tiristor es más pequeña que un determinado valor, denominada corriente de mantenimiento, (“holding current”), específica para cada tiristor.
Dentro de la familia de los tiristores podemos destacar los SCRs (tiristores unidireccionales) y TRIACs (tiristores bidireccionales).

SCR (Rectificador Controlado de Silicio)

De las siglas en inglés “Silicon Controlled Rectifier”, es el miembro más conocido de la familia de los tiristores. En general y por abuso del lenguaje es más frecuente hablar de tiristor que de SCR.
El SCR es uno de los dispositivos más antiguos que se conocen dentro de la Electrónica de Potencia (data de finales de los años 50). Además, continua siendo el dispositivo que tiene mayor capacidad para controlar potencia (es el dispositivo que permite soportar mayores tensiones inversas entre sus terminales y mayor circulación de corriente).
El SCR está formado por cuatro capas semiconductoras, alternadamente P-N-P-N, Dispositivos de Electrónica de Potencia teniendo 3 terminales: ánodo (A) y cátodo (K), por los cuales circula la corriente principal, y
la puerta (G) que, cuando se le inyecta una corriente, hace que se establezca una corriente en sentido ánodo-cátodo.

caracteristicas tension-corriente:

En su estado de apagado o bloqueo (OFF), puede bloquear una tensión directa y no conducir corriente. Así, si no hay señal aplicada a la puerta, permanecerá en bloqueo independientemente del signo de la tensión VAK. El tiristor debe ser disparado o encendido al estado de conducción (ON) aplicando un pulso de corriente positiva en el terminal de puerta, durante un pequeño intervalo de tiempo, posibilitando que pase al estado de bloqueo directo. La caída de tensión directa en el estado de conducción (ON) es de pocos voltios (1-3 V).
Una vez que el SCR empieza a conducir, éste permanece en conducción (estado ON), aunque la corriente de puerta desaparezca, no pudiendo ser bloqueado por pulso de puerta. Únicamente cuando la corriente del ánodo tiende a ser negativa, o inferior a un valor umbral, por la influencia del circuito de potencia, el SCR pasará a estado de bloqueo.


1. Zona de bloqueo inverso (vAK < 0): Ésta condición corresponde al estado de no conducción en inversa, comportándose como un diodo.
2. Zona de bloqueo directo (vAK > 0 sin disparo): El SCR se comporta como un circuito abierto hasta alcanzar la tensión de ruptura directa.
3. Zona de conducción (vAK > 0 con disparo): El SCR se comporta como un interruptor cerrado, si una vez ha ocurrido el disparo, por el dispositivo circula una corriente superior a la de enclavamiento. Una vez en conducción, se mantendrá en dicho estado si el valor de la corriente ánodo cátodo es superior a la corriente de mantenimiento.
- disparo por tension exesiva:

Cuando está polarizado directamente, en el estado de bloqueo, la tensión de polarización se aplica sobre la unión J2 (ver figura 2.4). El aumento de la tensión VAK lleva a una expansión de la región de transición tanto para el interior de la capa de la puerta como para la capa N adyacente. Aún sin corriente de puerta, por efecto térmico, siempre existirán cargas libres que penetren en la región de transición (en este caso, electrones), las cuales son celeradas por el campo eléctrico presente en J2. Para valores elevados de tensión (y, por tanto, de campo eléctrico), es posible iniciar un proceso de avalancha, en el cual las cargas aceleradas, al chocar con átomos vecinos, provoquen la expulsión de nuevos portadores que reproducen el proceso. Tal fenómeno, desde el punto de vista del comportamiento del flujo de cargas por la unión J2, tiene el efecto similar al de una inyección de corriente por la puerta, de modo que, si al iniciar la circulación de corriente se alcanza el límite IL, el dispositivo se mantendrá en conducción.
- disparo por impulso de puerta:

Siendo el disparo a través de la corriente de puerta la manera más usual de disparar el SCR, es importante el conocimiento de los límites máximos y mínimos para la tensión VGK y la corriente IG.

TRIAC

El TRIAC (“Triode of Alternating Current”) es un tiristor bidireccional de tres terminales. Permite el paso de corriente del terminal A1 al A2 y vivecersa, y puede ser disparado con tensiones de puerta de ambos signos.
Cuando se trabaja con corriente alterna, es interesante poder controlar los dos sentidos de circulación de la corriente. Evidentemente, con un SCR, sólo podemos controlar el paso de corriente en un sentido. Por tanto uno de los motivos por el cual los fabricantes de semiconductores han diseñado el TRIAC ha sido para evitar este inconveniente. El primer TRIAC fue inventado a finales de los años 60. Simplificando su funcionamiento, podemos decir que un TRIAC se comporta como dos SCR en antiparalelo (tiristor bidireccional). De esta forma, tenemos control en ambos sentidos de la circulación de corriente.

acontinuacion mostraremos el símbolo utilizado para representar el TRIAC, así como su estructura interna en dos dimensiones. Como se ha mencionado, el TRIAC permite la conducción de corriente de ánodo a cátodo y viceversa, de ahí que los terminales no se denominen ánodo y cátodo, sino simplemente ánodo 1 (A1) y ánodo 2 (A2). En algunos textos dichos terminales se denominan MT1 y MT2.
Como en el caso del SCR, tenemos un terminal de control denominado puerta que nos permite la puesta en conducción del dispositivo en ambos sentidos de circulación. Si bien el TRIAC tiene varios mecanismos de encendido (con corrientes positivas y negativas), lo más usual es inyectar corriente por la puerta en un sentido para provocar la puesta en conducción.

Una de las ventajas de este dispositivo es que es muy compacto, requiriendo únicamente un único circuito de control, dado que sólo dispone de un terminal de puerta. Sin embargo, tal y como está fabricado, es un dispositivo con una capacidad de control de potencia muy reducida. En general está pensado para aplicaciones de pequeña potencia, con tensiones que no superan los 1000V y corrientes máximas de 15A. Es usual el empleo de TRIACs en la fabricación de electrodomésticos con control electrónico de velocidad de motores y aplicaciones de iluminación, con potencias que no superan los 15kW. La frecuencia máxima a la que pueden trabajar es también reducida, normalmente los 50-60Hz de la red monofásica.

GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”)

A pesar de que el GTO fue inventado en el inicio de la década de los años 60, ha sido poco empleado debido a sus reducidas prestaciones. Con el avance de la tecnología en el desarrollo de dispositivos semiconductores, se han encontrado nuevas soluciones para mejorar tales componentes que hacen que hoy ocupen una franja significa dentro de la electrónica de potencia, especialmente en aquellas aplicaciones de elevada potencia, con dispositivos que alcanzan los 5000 V y los 4000 A.
Como se ha visto en los apartados anteriores, uno de los inconvenientes de los tiristores tipo SCR o TRIAC es que no tenemos control externo por parte del usuario del paso de conducción a bloqueo. Para aquellas aplicaciones en las que nos interese poder bloquear un interruptor de potencia en cualquier instante es necesario utilizar otro tipo de semiconductores diferentes a los SCRs o TRIACs.

El GTO es un tiristor con capacidad externa de bloqueo. La puerta permite controlar las dos transiciones: paso de bloqueo a conducción y viceversa.

principio de funcionamiento:

El GTO tiene una estructura de 4 capas, típica de los componentes de la familia de los tiristores. Su característica principal es su capacidad de entrar en conducción y bloquearse a través de señales adecuadas en el terminal de puerta G.

El mecanismo de disparo es parecido al del SCR: suponiendo que está directamente polarizado, cuando se le inyecta corriente a la puerta, circula corriente entre puerta y cátodo. Como la capa de la puerta es suficientemente fina, gran parte de los portadores se mueven hasta la capa N adyacente, atravesando la barrera de potencial y siendo atraídos por el potencial del ánodo, dando inicio a la corriente anódica. Si ésta corriente se mantiene por encima de la corriente de mantenimiento, el dispositivo no necesita de la señal de puerta para mantenerse en conducción.

Transistores

En Electrónica de Potencia, los transistores generalmente son utilizados como interruptores. Los circuitos de excitación (disparo) de los transistores se diseñan para que éstos trabajen en la zona de saturación (conducción) o en la zona de corte (bloqueo). Esto difiere de lo que ocurre con otras aplicaciones de los transistores, como por ejemplo, un circuito amplificador, en el que el transistor trabaja en la zona activa o lineal.
Los transistores tienen la ventaja de que son totalmente controlados, mientras que, por ejemplo, el SCR o el TRIAC sólo dispone de control de la puesta en conducción. Los tipos de transistores utilizados en los circuitos electrónicos de potencia incluyen los transistores BJT, los MOSFET y dispositivos híbridos, como por ejemplo, los transistores de unión bipolar de puerta aislada (IGBT). A continuación veremos cada uno de ellos.

Transistor Bipolar de Potencia (TBP)

Más conocidos como BJTs (“Bipolar Junction Transistors”), básicamente se trata de interruptores de potencia controlados por corriente. Como el lector recordará existen dos tipos fundamentales, los “npn” y los “pnp”, si bien en Electrónica de Potencia los más usuales y utilizados son los primeros.

principio de funcionamiento

En la realidad, la estructura interna de los transistores bipolares de potencia (TBP) es diferente. Para soportar tensiones elevadas, existe una capa intermediaria del colector, con baja concentración de impurezas (bajo dopado), la cual define la tensión de bloqueo del componente.

Los bordes redondeados de la región de emisor permiten una homogeneización del campo eléctrico, necesaria para el mantenimiento de polarizaciones inversas débiles entre base y emisor. El TBP no soporta tensiones en el sentido opuesto porque la elevada concentración de impurezas (elevado dopado) del emisor provoca la ruptura de J1 en bajas tensiones (5 a 20 V).

La preferencia en utilizar TBP tipo NPN se debe a las menores pérdidas con relación a los PNP, lo cual es debido a la mayor movilidad de los electrones con relación a los agujeros, reduciendo, principalmente, los tiempos de conmutación del componente.

Características estáticas

Los transistores bipolares son fáciles de controlar por el terminal de base, aunque el circuito de control consume más energía que el de los SCR. Su principal ventaja es la baja caída de tensión en saturación. Como inconvenientes destacaremos su poca ganancia con v/i grandes, el tiempo de almacenamiento y el fenómeno de avalancha secundaria.

El transistor, fundamentalmente, puede trabajar en tres zonas de funcionamiento bien diferenciadas, en función de la tensión que soporta y la corriente de base inyectada:
- Corte: no se inyecta corriente a la base del transistor. Éste se comporta como un interruptor abierto, que no permite la circulación de corriente entre colector y emisor. Por tanto, en ésta zona de funcionamiento el transistor está desactivado o la corriente de base no es suficiente para activarlo teniendo ambas uniones en polarización inversa.
- Activa: se inyecta corriente a la base del transistor, y éste soporta una determinada tensión entre colector y emisor. La corriente de colector es proporcional a la corriente de base, con una constante de roporcionalidad denominada ganancia del transistor, típicamente representada por las siglas F β o F h . Por tanto, en la región activa, el transistor actúa como un amplificador, donde la corriente del colector queda amplificada mediante la ganancia y el voltaje vCE disminuye con la corriente de base: la unión CB tiene polarización inversa y la BE
directa.
- Saturación: se inyecta suficiente corriente a la base para disminuir la vCE y conseguir que el transistor se comporte como un interruptor cuasi ideal. La tensión que soporta entre sus terminales es muy pequeña y depende del transistor. En éste caso ambas uniones están polarizadas directamente. Se suele hablar de la tensión colector-emisor en saturación.

-coneccion darlington:

Otra diferencia importante es que la ganancia de un transistor de potencia elevada suele ser bastante pequeña. Ello conlleva que debido a las grandes corrientes de colector que se deben manejar, la corriente por la base debe ser también elevada, complicando el circuito de control de base del transistor. Para transistores de señal se suelen obtener valores de ganancia entorno a 200, mientras que para transistores de potencia es difícil llegar a obtener valores de ganancia de 50. Si por ejemplo un TBP con β = 20 va a conducir una corriente de colector de 60 A, la corriente de base tendría que ser mayor que 3 A para saturar el transistor.
El circuito de excitación (“driver”) que proporciona esta alta corriente de base es un circuito de potencia importante por sí mismo. Para evitar esta problemática se suelen utilizar transistores de potencia en configuraciones tipo Darlington, donde se conectan varios transistores de una forma estratégica para aumentar la ganancia total del transistor.

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors)

Así como podemos decir que el transistor bipolar se controla por corriente, los MOSFET son transistores controlados por tensión. Ello de debe al aislamiento (óxido de Silicio) de la puerta respecto al resto del dispositivo. Existen dos tipos básicos de MOSFET, los de canal n y los de canal p, si bien en Electrónica de Potencia los más comunes son los primeros, por presentar menores pérdidas y mayor velocidad de conmutación, debido a la mayor movilidad de los electrones con relación a los agujeros.

-principio de funcionamiento:

El terminal de puerta G (Gate) está aislado del semiconductor por óxido de silicio (SiO2). La unión PN define un diodo entre la Fuente S (Source) y el Drenador D (Drain), el cual conduce cuando VDS < 0. El funcionamiento como transistor ocurre cuando VDS > 0.

Cuando una tensión VGS > 0 es aplicada, el potencial positivo en la puerta repele los agujeros en la región P, dejando una carga negativa, pero sin portadores libres. Cuando esta tensión alcanza un cierto valor umbral (VT), electrones libres (generados principalmente por efecto térmico) presentes en la región P son atraídos y forman un canal N dentro de la región P, por el cual se hace posible la circulación de corriente entre D y S. Aumentando VGS, más portadores son atraídos, ampliando el canal, reduciendo su resistencia (RDS), permitiendo el aumento de ID. Este comportamiento caracteriza la llamada “región óhmica”.

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Es un dispositivo híbrido, que aprovecha las ventajas de los transistores descritos en los apartados anteriores, o sea, el IGBT reúne la facilidad de disparo de los MOSFET con las pequeñas pérdidas en conducción de los BJT de potencia. La puerta está aislada del dispositivo, con lo que se tiene un control por tensión relativamente sencillo. Entre el colector y el emisor se tiene un comportamiento tipo bipolar, con lo que el interruptor es muy cercano a lo ideal.

Su velocidad de conmutación, en principio, similar a la de los transistores bipolares, ha crecido en los últimos años, permitiendo que funcione a centenas de kHz, en componentes para corrientes del orden de algunas decenas de Amperios. 

principio de funcionamiento 

La estructura del IGBT es similar a la del MOSFET, pero con la inclusión de una capa que forma el colector del IGBT, Gracias a la estructura interna puede soportar tensiones elevadas, típicamente 1200V y hasta 2000V (algo impensable en los MOSFETs), con un control sencillo de tensión de puerta. La velocidad a la que pueden trabajar no es tan elevada como la de los MOSFETs, pero permite trabajar en rangos de frecuencias medias, controlando potencias bastante elevadas.

En términos simplificados se puede analizar el IGBT como un MOSFET en el cual la región N- tiene su conductividad modulada por la inyección de portadores minoritarios (agujeros), a partir de la región P+, una vez que J1 está directamente polarizada. Esta mayor conductividad produce una menor caída de tensión en comparación a un MOSFET similar.

El control del componente es análogo al del MOSFET, o sea, por la aplicación de una

polarización entre puerta y emisor. También para el IGBT el accionamiento o disparo se hace

por tensión.

La máxima tensión que puede soportar se determina por la unión J2 (polarización directa) y por J1 (polarización inversa). Como J1 divide 2 regiones muy dopadas, se puede concluir que un IGBT no soporta tensiones elevadas cuando es polarizado inversamente.

Los IGBT presentan un tiristor parásito. La construcción del dispositivo debe ser tal que evite el disparo de este tiristor, especialmente debido a las capacidades asociadas a la región P. Los componentes modernos no presentan problemas relativos a este elemento indeseado.

tabla de comparacion

acontinuacion realizare una comparacion de los distintos dispositivos en cuanto a tension, intencidad y
 frecuencia; esto seria lo equivalente a lo que soportaria cada uno de ellos.

bibliografia y web grafia 

-Electronica volumen 1y2,  Autor: J.M. colvert, MC.causland, Primera edicion 1989, Editorial limusa S.A.

-Electronica teorica de circuitos y dispositivos electronicos, Autor: Robert L Boylestad, Octava edicion 2003,Editorial pearsan educacion.

-wikipedia encilclopedia libre.