Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia

FIEE - VII semestre (e:mail: fiee08promo@yahoo.com) Electrónica Industrial (10/17/06) - 1

GENERALIDADES

Años 50: SCR.
Años 70: Microprocesadores.
TEMA 1. INTRODUCCIÓN AL MODELADO Y Años 90:
ANÁLISIS DE CIRCUITOS DE POTENCIA
ASIC y DSP Frecuencias mayores
IGBT Menor tamaño y coste de componentes reactivos
1.1. GENERALIDADES.
⇒ Mayores prestaciones, Menor coste, Posibilidad de emplearlos en nuevas
aplicaciones.
1.2. REGLAS PARA EL ANÁLISIS DE CIRCUITOS DE
POTENCIA. Aplicaciones Industriales:
Control de Motores DC, AC (70% de la energía eléctrica consumida).
Fuentes de Alimentación.
1.3. DESARROLLO EN SERIE. Energías Renovables.

1.3.1. Cálculo de Armónicos. El objetivo de la ELECTRONICA DE POTENCIA es:

1.3.2. Potencia. “Modificar, utilizando dispositivos de estado sólido, la forma de
presentación de la energía eléctrica”
1.3.3. Cálculo de valores eficaces.
Uso de Fuentes de Alimentación, Componentes Reactivos e Interruptores. (no
1.4. FORMULACIÓN SISTEMÁTICA UTILIZANDO Resistencias)
VARIABLES DE ESTADO.
Definición de Interruptor Ideal:

Roff=∞, VBD= ∞, Ton=0 Ron=0, Ion= ∞, Toff=0

a) Interruptor Abierto b) Interruptor Cerrado

Otras características a tener en cuenta son: coste del dispositivo y de los
elementos auxiliares, potencia necesaria para controlar el dispositivo.

Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 1 de 21 Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 2 de 21


GENERALIDADES REGLAS PARA EL ANÁLISIS DE CIRCUITOS DE
POTENCIA
Flujo de Potencia
R=50Ω

Fuente de Convertidor
Energía de Estado Carga IR=10A
Eléctrica Sólido E=500V VCE

Ejemplo simple con un solo interruptor.
Circuito de
Mando Real: IC VCE VRes
Cortado 1mA 499.95V 50mV
Fuente de Energía Carga Saturado 9.96 Amp 2V 498V
• Alterna (Mono ó Trifásica): • Alterna (Mono ó Trifásica): Valores reales
• Red Eléctrica • Motor
• Generador aislado: • Estufa Ideal: IC VCE VRes
• Diesel • Horno
• Eólico • Iluminación Cortado 0 Amp 500V 0mV
• ... Saturado 10 Amp 0V 500V
• Continua: • Continua: Valores ideales
• Baterías • Motores
• Celdas de Combustible Error (%): IC VCE VRes
• Paneles Solares
Cortado 0.01 0.01 0.01
Circuito de mando Convertidor de potencia Saturado 0.4 0.4 0.4

• Microprocesadores/DSP • Interruptores % de error sobre el valor máximo.
• Circuitos microelectrónicos: • Componentes reactivos:
• ASIC • Transformadores
• FPGA • Bobinas
• Condensadores



REGLAS PARA EL ANÁLISIS DE CIRCUITOS DE REGLAS PARA EL ANÁLISIS DE CIRCUITOS DE
POTENCIA. Elementos Básicos POTENCIA. Elementos Básicos

i di IL
v=L
dt
1 t
L ∫t 0
i (t ) = i (t 0 ) + v(t )dt VL
L V L
1 2
ξ = ∫ ivdt = L ∫ idi = Li
2

1 t
L ∫t0
i (t ) = i (t0 ) + v(t ) dt
dv
i=C
i dt
1 t
C ∫t 0
V v(t ) = v(t0 ) + i (t )dt
C
1
ξ = ∫ ivdt = C ∫ vdv = Cv 2
2

Ecuaciones fundamentales de Bobinas y Condensadores

Funcionamiento de una Bobina al aplicar una tensión constante



POTENCIA. Elementos Básicos POTENCIA. Elementos Básicos

Ic IL
Vc
C
L VL

1 t
v(t ) = v(t0 ) + ∫ i (t )dt
C t0

t

Funcionamiento de un Condensador al aplicar una corriente constante Funcionamiento de una Bobina al aplicar una tensión alternada positiva y
negativa



POTENCIA. Elementos Básicos POTENCIA. Ejemplo
IL D
Carga LR
L

L VL i(t)
V = E sen ωt R

Suponiendo como condición inicial i(0)=0, cuando V se hace positivo en t=0, el
diodo se polariza directamente y empieza a conducir. El circuito equivalente si se
supone el diodo ideal será:

Diodo Carga LR
Conduciendo L

i(t)
V = E sen ωt R

Circuito equivalente en el primer intervalo
t
di
Ecuación de mallas: V = E ⋅ sen ω ⋅ t = R ⋅ i + L
dt
que, para i(0) = 0 tiene una solución del tipo:
E Rt

 sen ϕ ⋅ e L + sen(ω ⋅ t − ϕ )
Funcionamiento de una Bobina al aplicar una tensión alternada positiva y −
negativa i (t ) = 2 2 
R +Lω
2 
Este circuito es válido para el análisis en tanto i (t ) ≥ 0 . Sea t1 el instante en el que
la intensidad se anula. El valor de t1 se obtiene de resolver la ecuación i(t1)=0



POTENCIA. Ejemplo POTENCIA. Ejemplo
Si t>t1 en el circuito anterior resulta i(t1)<0 y el diodo debería conducir di
una corriente negativa. A partir de ese instante, el circuito anterior no es V = E ⋅ sen ω ⋅ t = R ⋅ i + L dt
válido ya que el diodo se corta. El nuevo circuito equivalente es:
cuya solución para i(0) = 0 es:
Diodo no Carga LR
Conduce L E  −
Rt

i(t ) =  senϕ ⋅ e L + sen(ω ⋅ t − ϕ )
 
R 2 + L2ω 2  
i(t)
V = E sen ωt R Gráficamente:

Circuito equivalente en el segundo intervalo

Este circuito es válido hasta que la tensión de la fuente se hace positiva en t=2π/ω.
A partir de este instante, vuelve a ser válido el circuito del intervalo 1.

⇒ El funcionamiento en régimen permanente es una sucesión de
intervalos en régimen transitorio.



POTENCIA. Resumen POTENCIA. Resumen
Los circuitos de potencia son circuitos no lineales dado que tienen componentes En el circuito no lineal del ejemplo, puede representarse por el circuito lineal
no lineales. No obstante, considerando sus componentes como elementos de de la figura (intervalo 1) durante el intervalo (0,t1 ) y por el circuito lineal de la
conmutación ideales, el análisis en régimen permanente de los circuitos de figura (intervalo2) durante el intervalo (t1 ,2π/ω).
potencia puede realizarse mediante la resolución de una sucesión de circuitos
lineales en régimen transitorio, cada uno de los cuales tiene validez durante El paso de un intervalo a otro es debido a la conmutación del diodo al pasar
periodos de tiempo denominados intervalos. Los limites de estos intervalos por cero su corriente.
vienen fijados por los denominados parámetros de control.
La condición de contorno que liga ambos intervalos es el valor de la corriente
Estos parámetros de control tienen, principalmente, dos causas: en la bobina.

1. Excitaciones externas, tales como fuentes que varían su valor, disparo de Nótese que si, en el ejemplo anterior, t1 >2π/ω, el diodo nunca se cortaría y el
tiristores o variaciones en la polarización de base de los transistores y circuito de la figura (intervalo 1) sería una adecuada representación del
circuito original en todos los instantes de su funcionamiento en régimen
2. Condiciones umbrales de los dispositivos de potencia, las cuales, si se permanente.
alcanzan, provocan un cambio de estado del dispositivo. Consideremos, por
ejemplo, una tensión ánodo-cátodo negativa en un diodo en conducción o una no podemos saber a priori cuantos intervalos habrá y
Por ello,
tensión superior a la de ruptura en dispositivos de avalancha.
cual será su duración, ya que dependerá de los parámetros del circuito e
En todo circuito se puede escoger un conjunto de variables (normalmente incluso, en algunos casos, de sus condiciones iniciales de funcionamiento.
tensión en condensadores y corriente o flujo en bobinas) representativas de una
energía almacenada, cuyo valor no puede alterarse bruscamente. Estas
variables, cuyo conjunto recibe el nombre de condiciones de contorno, nos
permiten relacionar cada intervalo con el siguiente. El valor de estas
condiciones de contorno al finalizar un intervalo constituyen, precisamente, las
condiciones iniciales para el cálculo del intervalo siguiente.

Estas condiciones de contorno se complementan con la condición de
periodicidad característica del funcionamiento en régimen permanente. Los
valores finales en el último intervalo de las variables de contorno deben
corresponderse con sus valores iniciales del primer intervalo.



DESARROLLO EN SERIE. Cálculo de Armónicos DESARROLLO EN SERIE. Cálculo de Armónicos
Es usual que en la resolución de un circuito de potencia se obtengan Dado que es conveniente en muchos casos conocer las componentes armónicas
expresiones muy complejas para las variables de interés, con términos de una forma de onda, vamos a recordar en que consiste el desarrollo en
exponenciales y términos senoidales de distinta fase y frecuencia. serie de Fourier. Toda función periódica que cumple ciertas propiedades
puede ser descompuesta en una suma de senos y cosenos denominada
En la mayor parte de los casos nuestro interés se centrará exclusivamente en desarrollo en serie de Fourier de la función:
una determinada componente de frecuencia de la señal (típicamente su valor
medio y su primer armónico) o en su valor eficaz (a efectos térmicos). En
muchos casos, incluso, el resto de las componentes serán indeseables,
debiéndose estimar su magnitud a efectos de diseño de filtros que eliminen su
i (t ) =
A0
2 k =1 k
(
+ ∑ A ⋅ cos( kω 0 t ) + Bk ⋅ sen( kω 0 t ) )
presencia. donde:
2π
En general, dada una señal periódica, de periodo T, se definen los siguientes ω0 =
parámetros que caracterizan la señal: T
2 t0 + T
i (t ) ⋅ cos( kω 0 t ) ⋅ dt ,
T ∫t0
Ak = k = 0,1,2K
- Valor de pico I p = max i (t ) , 0 ≤ t ≤ T
Pueden distinguirse dos valores de pico (positivo y negativo) para
2
i (t ) ⋅ sen( kω 0 t ) ⋅ dt ,
considerar los casos de polarización directa e inversa. t0 + T
Bk =
T ∫
t0
k = 1,2,3K
1 T
T ∫0
- Valor Medio Im = i (t ) ⋅ dt , También se le representa como I AV A0
Para el cálculo de la corriente media empleada para dimensionar un El término 2 es el valor medio de la función. Al término
Ak ⋅ cos( kω 0 t ) + Bk ⋅ sen( kω 0 t ) se le denomina armónico de orden k. Al
dispositivo, se calcula el valor medio del valor absoluto de la señal.

1 T 2 armónico de orden 1 se le denomina también componente fundamental.
T ∫0
- Valor eficaz I= i (t )dt , También se le representa como I RMS
El módulo del armónico de orden k viene dado por: I kp = Ak2 + Bk2
I I
f = = RMS
- Factor de forma
Im I AV I kp
y su valor eficaz: Ik =
2
Ip
I
- Factor de pico f = = max Empleando esta nomenclatura, el desarrollo en serie de Fourier se puede
I I RMS reescribir como:

i (t ) = I m + ∑ 2 ⋅ I k ⋅ sen( kω 0 t − Φ k )
k =1



DESARROLLO EN SERIE. Cálculo de Armónicos DESARROLLO EN SERIE. Potencia
En determinados casos el desarrollo en serie de la función se puede simplificar: La potencia media se define como:
1 T
T ∫0
para el caso en que la función sea par, f ( t ) = f ( − t ) los términos en seno P= v (t ) ⋅ i (t ) ⋅ dt
desaparecen, por tanto Bk = 0 .
Si se sustituye i(t) por su desarrollo en serie de Fourier y la tensión por
para el caso en que la función sea impar, f (t ) = − f ( − t ) los términos en
2 ⋅ V ⋅ sen(ω 0 t ) , (tensión rígida) y teniendo en cuenta que las integrales en
coseno desaparecen, por tanto Ak = 0 .
un período de un seno, o de los productos cruzados de senos y cosenos o
productos de razones trigonométricas de diferente frecuencia son nulas,
para el caso de función alternada, f (t ) = − f (t + T 2 ) los armónicos de quedará:
orden par desaparecen, por tanto, A2 k = B2 k = 0 .
1 T
P= ∫ 2 ⋅ V ⋅ sen(ω0 t ) ⋅ 2 ⋅ I 1 ⋅ sen(ω0 t − Φ1 ) dt = V ⋅ I 1 ⋅ cos Φ1
T 0
El valor eficaz de la señal vendrá dado por:
donde Φ 1 es el ángulo de desfase entre v (t ) y el primer armónico de i(t ) .
(A 2
1 +B 2
1 ) (A 2
2 +B 2
2 )
I= Im +
2
+ +L = I m + I 12 + I 22 +L
2
(A) ⇒ los armónicos no contribuyen a la potencia media (real o activa).
2 2
Ik La potencia aparente, se define como el producto de los valores eficaces de la
Se define la distorsión del armónico k como la relación Dk = I
I 1 donde k es el tensión y la corriente (cuyo valor como se ha visto depende de los armónicos
valor eficaz del k-ésimo armónico. presentes).
S =V ⋅I
I + I +L
2
2
2
3 El factor de potencia (PF) se define como:
Se define la distorsión total como: Dt = = D22 + D32 +L
I1
Al parámetro Dt se le llama también THD (Distorsión Armónica Total). P V ⋅ I 1 ⋅ cos Φ 1 I 1 I
PF = = = ⋅ cos Φ 1 = 1 ⋅ DPF
S V ⋅I I I
De la definición anterior y de (A), se deduce: I = I m + I 12 ⋅ (1 + Dt2 )
2

donde DPF es el factor de potencia debido al desfase, la ecuación anterior puede
reescribirse (para ondas cuyo valor medio sea cero, como es habitual en
De la misma forma, pueden definirse magnitudes análogas para las tensiones, sistemas de alimentación alterna):
con la salvedad de que en el caso de la red eléctrica los armónicos en tensión no
suelen ser significativos.
1 la existencia de armónicos hace que
PF = ⋅ DPF ⇒
1+ D t
2
disminuya el factor de potencia



DESARROLLO EN SERIE. Cálculo de valores eficaces DESARROLLO EN SERIE. Cálculo de valores eficaces
La expresión que permite calcular el valor eficaz de una Algunas formas de onda usuales y sus valores eficaces son:
señal puede obligar a realizar complejos cálculos, por
lo que en algunos casos conviene simplificarla, de forma 1 T 2 Ip

T ∫0
Onda completa senoidal:
que en un período, la señal se descompone en N I= i (t )dt
intervalos de tiempo consecutivos, con tal de que no Ip
coincidan en un instante dos o más con valor no nulo.
I=
t
2
T=τ
En general, si se conocen los valores eficaces de
cada intervalo, puede aplicarse la fórmula:
I = I12 + I 22 + I 32 + L I N
2 Ip
Onda senoidal recortada por nivel:
D τ
Se puede hacer por ejemplo: τ t I = Ip , con D =
2 T
Si se aproxima por N intervalos T
Pulso a aproximar Onda senoidal recortada por ángulo de fase:
cuadrados de igual duración, el
I5 I6 I7 valor eficaz es:
i(t) I4 Aproximación Ip
D sen(α (1 − D ))cos(π (1 − D ))
I3
δt
I8
t i =δ t I 12 + I 22 + I 32 + L + I N
2
I = Ip +
I1
I2 I9
N=10 I= 2 2π
I10 N θ
θ
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t D = 1− ; (α,θ en radianes)
α
t
α
En general se podría hacer una aproximación como la siguiente:
i1(t)
Ip
Onda rectangular:
I = Ip D con D=τ
T=t1+t2+t3+t4 i2(t) τ t T
i(t) T

Ib
Ia
Onda trapezoidal:
⇒
I = D(I + I a I b + I a2 ) D=τ
2 3
con
i3(t) τ t b T
T
t
t1 t2 t3 t4
i4(t)
Ip Onda triangular:
D
I = Ip con D=τ
t1 t2 t3 t4 t
τ t
3 T
T

En este caso son de utilidad las fórmulas siguientes:



FORMULACIÓN SISTEMÁTICA UTILIZANDO
VARIABLES DE ESTADO
El comportamiento de cualquier sistema dinámico puede representarse por un
conjunto de ecuaciones diferenciales de la forma:

dx1
= f 1 ( x1 ( t ) ,L x n ( t ) , u1 ( t ) ,L um ( t ) )
dt
dx 2
= f 2 ( x1 (t ),L x n (t ), u1 (t ),L um (t ))
dt
M
dx n
= f n ( x1 (t ),L x n (t ), u1 (t ),L um (t ))
dt

donde xi son las variables de estado del sistema y ui las entradas.

Cuando las funciones f i no dependen del tiempo, el sistema se denomina
invariante en el tiempo. Si f i son lineales, entonces el sistema se dice lineal. Un
sistema lineal e invariante en el tiempo, se denomina LTI. Para estos últimos:
•
x = A ⋅ x + B ⋅ u ; y = C ⋅ x + D ⋅ u ; donde A, B, C y D son matrices constantes
e y es el vector de salidas del sistema.

Los circuitos de potencia no son circuitos LTI, pero ya hemos visto que,
asumiendo sus componentes como dispositivos de conmutación ideales, su
análisis se reduce a una secuencia de circuitos LTI .
•
Para cada intervalo resulta un sistema de ecuaciones x = A ⋅ x + B ⋅ u ;
y = C ⋅ x + D ⋅ u ; con un vector de entradas u(t) conocido y un valor inicial de
las variables de estado x(0) (estas últimas pueden no ser conocidas). La solución
del sistema es de la forma:

t
x (t ) = e At ⋅ x (0) + ∫ e A( t −τ ) ) ⋅ B ⋅ u(τ ) ⋅ dτ siendo e At una integral matricial.
0
Al no conocer los valores iniciales de los intervalos, normalmente será
necesario iterar.

Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 21 de 21


INTRODUCCIÓN. Física de Semiconductores
TEMA 2. DIODO DE POTENCIA.

2.1. INTRODUCCIÓN. ni
Concentración Intrínseca:
2.1.1. Física de semiconductores. qE G 0
−
2.1.2. Unión p-n. n = A0 ⋅ T ⋅ e
2
i
3 kT

Para T=300ºK, ni=1.5 1010 elect./cm3
2.2. ESTRUCTURA BÁSICA. CARACTERÍSTICA ESTÁTICA.

2.3. POLARIZACIÓN INVERSA.

2.3.1. Técnicas para elevar la tensión VRRM Concentración de Portadores Minoritarios:

2.3.1.1. Biselado p0 n0 = ni2 ; p0 + N d = n0 + N a Minoritarios Mayoritarios
ni2
2.3.1.2. Anillos de guarda En un cristal tipo p: Material n p0 ≈ n0 ≈ N d
Nd

2.3.2. Características de Catalogo ni2 ni2
n0 ≈ p ≈ Na Material p n0 ≈ p0 ≈ N a
Na y 0 Na
2.4. POLARIZACIÓN DIRECTA.
Recombinación de Portadores Minoritarios:
2.5. CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS. d (δn) δn
=
2.6. PÉRDIDAS EN LOS DISPOSITIVOS. dt τ
El valor de τ es muy importante para
conocer la velocidad de conmutación de un
2.7. DIODO SCHOTTKY DE POTENCIA. dispositivo bipolar y sus pérdidas en
conducción.
τ sube con la Temperatura y con las
concentraciones de portadores muy altas
(δn>nb ≈1017, Recombinación de Auger).
Control de centros de recombinación:
a) Impurezas de oro Tiempo (s)
b) Radiación con electrones (varios MeV)

Tema 2. Diodo de Potencia. Transparencia 1 de 14 Tema 2. Diodo de Potencia. Transparencia 2 de 14


INTRODUCCIÓN. Unión p-n ESTRUCTURA BÁSICA. CARACTERÍSTICA ESTÁTICA
DEL DIODO DE TRES CAPAS
D La anchura de la capa de deplexión es:
Ron 2ε Φ c (N A + N D )
W0 = Diámetro=60÷150mm
qN A N D
Donde Φ c es el potencial de contacto de la

0.3÷1 mm
Espesor=
NA ND unión p-n:
kT  N A N D 
Φc = ln 
q  ni2 
 
p n
Gráficamente:
Tamaños aproximados de un diodo típico de alta tensión y alta corriente

W0 W0 : Anchura de la Ánodo
zona de deplexión
El campo eléctrico máximo que 10µm
soporta el Silicio es teóricamente p+ NA=1019imp/cm3
300.000 V/cm, pero debido a
impurezas e imperfecciones de la
estructura cristalina, en la práctica
es de 200.000 V/cm.
n- dRD
ND=1014imp/cm3

Fuertemente Dopado iD
Ligeramente dopado 1/Ron
Diodo Ideal 250µm
n + ND=1019imp/cm3
1/Ron

Cátodo
VBD VBD
dRD : Es función de la tensión inversa a soportar

vD A : Área de la sección perpendicular al plano del dibujo, es
Vγ Vγ función de la corriente máxima

Sección de un diodo de potencia típico mostrando su estructura de tres capas.

Efecto de la concentración de impurezas en la tensión inversa y en la caída en
conducción



ESTRUCTURA BÁSICA. CARACTERÍSTICA ESTÁTICA POLARIZACIÓN INVERSA.
DEL DIODO DE TRES CAPAS
Area = Potencial Externo Aplicado =-∫Edx
La estructura de tres capas permite:
Area = Extensión de la zona de deplexión
+ -
a) En polarización inversa: la unión formada por las capas p n al estar poco Area = Conexión metálica (ánodo y cátodo)
dopada soporta una tensión muy elevada.
b) En polarización directa: la circulación de electrones desde la capa n+
inunda de electrones la capa n- con lo que desde el punto de vista de la
caída en conducción es equivalente a un diodo muy dopado. p+ p+

iD E E
-
n
1/Ron n-

VBD
Emax
n+
Vγ ≅ 1V vD Emax
x x
a) Diodo sin perforar b) Diodo perforado
Límites de la zona de deplexión y distribución del campo eléctrico en diodos.
Curva característica estática del diodo de potencia.
El valor Emax es la máxima intensidad de campo eléctrico que puede soportar el
Máxima Velocidad silicio y que ya se vio era unos 200.000 V/cm.
Máxima Caída en
Tipo de Diodo tensión de de Aplicaciones
corriente conducción Si suponemos espesores de las capas de los dos diodos iguales, en el caso b
ruptura conmutación
Rectificadores Circuitos de (perforado), el área bajo la curva de la distribución del campo eléctrico es casi el
30kV ~500mA ~10V ~100nS doble que en el caso a. Por tanto, la tensión inversa que se puede aplicar es
de alta tensión alta tensión
Propósito Rectificadores prácticamente el doble. Esto es una ventaja muy importante, no solo en diodos,
~5kV ~10kA 0.7 - 2.5 V ~25µS sino en casi todos los dispositivos de potencia que estudiaremos en este curso.
general 50 Hz
Rápidos Circuitos
~3kV ~2kA 0.7 - 1.5 V <5µS
(fast recovery) conmutados
Diodos Rectificadores
~100V ~300A 0.2 - 0.9 V ~30nS
Schottky de BT y AF
~300 V
Referencias y
Diodos Zener (funciona
~75 W - - fijación de
de potencia en
tensiones
ruptura)

Principales características de los diodos de potencia



POLARIZACIÓN INVERSA. Técnicas para Mejorar VBD . POLARIZACIÓN INVERSA. Técnicas para Mejorar VBD.
Biselado Anillos de Guarda
Difusión de Impurezas
ÁNODO Experimentalmente se comprueba
SiO2
que no se produce acumulación de
p+ líneas de campo para R≥6*Wdep
SiO2 SiO2 Wdiff
Región de deplexión p+ Para un diodo de 1000V, es aprox.
R
Wdep=100µ, luego R=600µ.
Wdep : Anchura de la
n− zona de deplexión Como Wdiff ≈R, el tiempo de
fabricación es excesivamente alto y
n+ n- por tanto no resulta rentable.

CÁTODO Unión pn. Proceso de difusión

Anillo de
SiO2 SiO2 guarda a
V1
da db (V1 − V2 ) > (V1 − V2 ) p+
p+ p+ potencial
flotante
V2 da db

biselado de los bordes de un diodo de tres capas.
n-
Ventajas del biselado:
• Eliminación por ataque químico de zonas con posibles defectos en la
estructura cristalina (zona del corte mecánico).
• Disminución de la intensidad del campo eléctrico en las zonas más
frágiles (superficie), al hacer d2 >d1 . n+

Unión p-n empleando anillos de guarda.



POLARIZACIÓN INVERSA. Características de Catalogo POLARIZACIÓN DIRECTA

Segundo
Primer subíndice Tercer subíndice Características de catálogo en Polarización Directa:
subíndice
T=Dir. Polarizado y conduce W=De trabajo M=Valor Máximo • Corriente media nominal, IFW(AV) : Valor medio de la máxima corriente
de pulsos senoidales que es capaz de soportar el dispositivo en forma
D=Dir. Polarizado y no conduce R=Repetitivo (AV)=Valor Medio continuada con la cápsula mantenida a una determinada temperatura
(típicamente 100º C).
R=Inversamente Polarizado S=No Repetitivo (RMS)=Valor Eficaz
• Corriente de pico repetitivo, IFRM : Corriente máxima que puede ser
soportada cada 20ms con duración de pico 1ms.
F=Directamente Polarizado
• Corriente de pico único, IFSM : Corriente máxima que puede ser
Subíndices empleados por los fabricantes de semiconductores. soportada por una sola vez cada 10 ó más minutos siempre que la
duración del pico sea inferior a 10ms.

Características de Catálogo en Polarización Inversa:

• Tensión inversa de trabajo, VRWM : Máxima tensión inversa que puede
soportar de forma continuada sin peligro de avalancha.
• Tensión inversa de pico repetitivo, VRRM : Máxima tensión inversa que
puede soportar por tiempo indefinido si la duración del pico es inferior a
1ms y su frecuencia de repetición inferior a 100 Hz.
• Tensión inversa de pico único, VRSM : Máxima tensión inversa que puede
soportar por una sola vez cada 10 ó más minutos si la duración del pico
es inferior a 10 ms.
• Tensión de ruptura, VBD : Valor de la tensión capaz de provocar la
avalancha aunque solo se aplique una vez por un tiempo superior a 10
ms.



CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS

iD El tiempo de recuperación inversa es el mayor de los dos tiempos de
IF Qrr Carga conmutación y el responsable de la mayor parte de las pérdidas de conmutación.
0.9IF Almacenada iD La carga almacenada que se
diD/dt Qrr (Carga
IF elimina por arrastre es:
Almacenada)
0.1IF t rr
ta tb Qrr = ∫ i f dt
0.25Irr t 0
tr 0.25Irr Aproximando el área bajo la
t
Irr corriente a un triángulo será:
vD I rr t rr 2 Qrr
trr
Vfr vD Irr ≅ Qrr ⇒ t rr ≅
trr 2 I rr
VON 1.1VON
VON
La derivada de la corriente
t durante ta depende del circuito
VR Pico de tensión t externo, y normalmente será:
debido a L diD/dt VR ta>> tb es decir: ta≅ trr . Si se
L=bobina en serie resuelve el circuito y se conoce
tON con D. (tb<<ta)
el valor de la derivada de iD:
Encendido del diodo Apagado del diodo diD I rr I rr
= ≅ se obtiene:
dt ta trr
Curvas de tensión y corriente del diodo durante la conmutación. Pérdidas muy
elevadas al ser diD
la corriente y I rr ≅ 2 Qrr
• Tensión directa, VON. Caída de tensión del diodo en régimen permanente para dt
la tensión muy
la corriente nominal. altas El valor de Qrr puede obtenerse
del catálogo del fabricante.
• Tensión de recuperación directa, Vfr. Tensión máxima durante el encendido.
Curvas de tensión y corriente del diodo durante
• Tiempo de recuperación directa, tON. Tiempo para alcanzar el 110% de VON. la conmutación a corte.
• Tiempo de subida, tr. Tiempo en el que la corriente pasa del 10% al 90% de su
Los factores que influyen en el tiempo de recuperación inversa son:
valor directo nominal. Suele estar controlado por el circuito externo
(inductivo). • IF; cuanto mayor sea, mayor será trr. Esto se debe a que la carga almacenada
será mayor.
• Tiempo de recuperación inversa, trr. Tiempo que durante el apagado del
• VR; cuanto mayor sea, menor será trr. En este caso si la tensión inversa es
diodo, tarda la intensidad en alcanzar su valor máximo (negativo) y retornar
mayor se necesita menos tiempo para evacuar los portadores almacenados.
hasta un 25% de dicho valor máximo. (Tip. 10µs para los diodos normales y
1µs para los diodos rápidos (corrientes muy altas). • diF/dt; cuanto mayor sea, menor será trr. No obstante, el aumento de esta
pendiente aumentará el valor de la carga almacenada Q. Esto producirá
mayores pérdidas.
• T; cuanto mayor sea la temperatura, aumentarán tanto Q como trr.



PÉRDIDAS EN LOS DISPOSITIVOS DIODO SCHOTTKY DE POTENCIA

• Bloqueo: Se suelen despreciar. ÁNODO
SiO2 SiO2
• En Conmutación. Son función de la frecuencia de trabajo. (Además de p+ p+
las corrientes, tensiones y la forma como evolucionan). Zona de deplexión
• En Conducción: Uso de catálogos:

Unión
PD θ PD Rectificadora:
n- Zona deplexión
θ=60º θ=120º θ=180º muy estrecha
180º situada en la
soldadura: VBD
muy baja
n+
Unión Óhmica:
Efecto Túnel.
CÁTODO

IAV Tc
25ºC 125ºC Diodo Schottky de potencia
Curvas típicas suministradas por un fabricante para el cálculo de las pérdidas en Diodo Schottky iD
conducción de un diodo Diodo Normal
Las pérdidas aumentan con: 1/RON
1/RON
• La intensidad directa.
• La pendiente de la intensidad.
• La frecuencia de conmutación. VBD
VBD
• La tensión inversa aplicada.
• La temperatura de la unión.
Vγ Vγ vD

Característica I-V de un diodo Schottky
Uso en circuitos donde se precise:
• Alta velocidad
• Bajas tensiones
• Potencias bajas
Por ej. Fuentes de alimentación conmutadas.



INTRODUCCIÓN. Características Generales del BJT
El interés actual del Transistor Bipolar de Potencia (BJT) es muy limitado, ya
que existen dispositivos de potencia con características muy superiores.
Le dedicamos un tema porque es necesario conocer sus limitaciones para poder
TEMA 3. TRANSISTOR BIPOLAR DE POTENCIA comprender el funcionamiento y limitaciones de otros dispositivos de gran
importancia en la actualidad.

Saturación Cuasi-Saturación
3.1. INTRODUCCIÓN 1/Rd
Ruptura Secundaria C
3.2. CONSTITUCIÓN DEL BJT IC(A)
Ruptura Primaria IC
3.3. FUNCIONAMIENTO DEL BJT IB
Activa B
3.3.1. Zona Activa
Corte IE
3.3.2. Zona de Cuasi-Saturación E
0
3.3.3. Zona de Saturación BVSUS BVCE0 BVCB0 VCE (V)

3.3.4. Ganancia Característica de salida (IC frente a VCE ) del transistor NPN de potencia, para
distintas corrientes de base, IB5>IB4>...IB1 y Esquema del BJT de tipo NPN.

3.4. TRANSISTOR DARLINGTON Valores máximos de VCE : Definición de Corte:

BVCB0>BVCE0>BVSUS de IC= -α IE+IC0 ; -IE=IC+IB ;
3.5. EL TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN BVSUS : Continua. α 1
BVCE0 : Para IB=0 se deduce: IC = ⋅ IB + ⋅ IC0
3.6. EXCITACIÓN DEL BJT BVCB0 : Para IE=0 1−α 1−α
Posibles definiciones de corte:
3.7. CONSIDERACIONES TÉRMICAS 1
a) I B = 0⇒ I C = ⋅ I C 0 ≈ 10 ⋅ I C 0
1−α
3.8. AVALANCHA SECUNDARIA
b) I E = 0⇒I C = I C 0
3.9. ZONA DE OPERACIÓN SEGURA (SOA) Por tanto se considera el transistor cortado
cuando se aplica una tensión VBE
ligeramente negativa ⇒IB = -IC = -IC0

Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 1 de 17 Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 2 de 17

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