Dispositivos semiconductores de potencia

1. ELECTRONICA DE POTENCIA
DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES EN ELECTRONICA
DE POTENCIA
DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES EN
ELECTRONICA DE POTENCIA
En electrónica los dispositivos semiconductores se dividen dividir en tres grupos de acuerdo al
grado de controlabilidad.
CLASIFICACION:
1. Dispositivos no controlados: Diodos
2. Dispositivos semicontrolados: pertenecen a la familia de los tiristores SCR, TRIAC
3. Dispositivos totalmente controlados
DEFINICION:
1. Dispositivos no controlados:
A) DIODOS: elemento semiconductor también conocido como “rectificadores” (tipo de montaje)
formado por cristales de 2 tipos: P y N los cuales tienen el mismo número de electrones y protones
lo que hace que sean neutros. Permiten el paso de la corriente eléctrica en un solo sentido cuando
esta polarizo directamente, en el caso contrario, se comporta como un aislante, pueden rectificar la
corriente alterna en continua. Existen también diodos de protección térmica los cuales son capaces
de proteger cables.
Su comportamiento como circuito abierto mientras no haya más tensión en el ánodo que en el
cátodo, cuando entra en conducción presenta la caída de tensión directa (<1.5)
Si el diodo se polariza directamente la conducción no cesa hasta que la corriente se
anula.

2. DIAC: diodo para corriente alterna, su comportamiento es bidireccional disparable
conduce la corriente tras haber superado su tensión de disparo, este tiene dos
terminales llamados ánodo y cátodo, su voltaje está entre 20 y 36 volts.
Este tiene dos clases: a) DIAC de tres capas: es similar a un transistor bipolar sin
conexión a base y con las regiones de colector y emisor iguales y muy dopadas. b)
DIAC de cuatro capas: consiste en dos diodos shock ley conectados en anti
aralelo dándole la caracter
ística bidireccional. Símbolo eléctrico
2. Semicontrolados: familia de los tiristores
TRIAC: Tríodo para Corriente Alterna: interruptor capaz de conmutar la corriente alterna, es
bidireccional, Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían

3. dos SCR en direcciones opuestas. Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la
denominación de ánodo y cátodo) y puerta. El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente
al electrodo puerta.
 Aplicaciones: *Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes
alternas.*Se usa como interruptor estático ofreciendo muchas ventajas sobre los
interruptores mecánicos convencionales y los relés, además como interruptor
electrónico y también a pila.
*Se utilizan TRIACs de baja potencia en muchas aplicaciones
como atenuadores de luz, controles de velocidad para motores eléctricos, y en los
sistemas de control computarizado de muchos elementos caseros. No obstante,
cuando se utiliza con cargas inductivas como motores eléctricos, se deben tomar
las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIAC se apaga
correctamente al final de cada semiciclo de la onda de Corriente alterna.Debido a
su poca estabilidad en la actualidad su uso es muy reducido
 Control de fase (potencia)
símbolo eléctrico
En la figura "control de fase" se presenta una aplicación fundamental del triac. En
esta condición, se encuentra controlando la potencia de ac a la carga mediante la
conmutación de encendido y apagado durante las regiones positiva y negativa de
la señal senoidal de entrada. La acción de este circuito durante la parte positiva de
la señal de entrada, es muy similar a la encontrada para el diodo Shockley. La
ventaja de esta configuración es que durante la parte negativa de la señal de
entrada, se obtendrá el mismo tipo de respuesta dado que tanto el diac como el
triac pueden dispararse en la dirección inversa. La forma de onda resultante para

4. la corriente a través de la carga se proporciona en la figura "control de fase". Al
variar la resistencia R, es posible controlar el ángulo de conducción. Existen
unidades disponibles actualmente que pueden manejar cargas de más de 10kW.
(Boylestad)
TIRISTOR: presenta una acción de conmutación biestable debido a su inherente
realimentación generativa en un solo sentido, pero que para conseguirlo es
preciso suministrar un impulso eléctrico en su electrodo de mando, llamado rejilla.
Sus ventaja es la de controlar grandes potencias con una potencia de control
mínimaComponente electrónico de potencia que acta como rectificador regulable
de corriente.
 Formas de activar un tiristor
Luz: Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al
mismo silicio, el número de pares electrón-hueco aumentará pudiéndose activar el
tiristor.
Corriente de Compuerta: Para un tiristor polarizado en directa, la inyección de una
corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo entre compuerta y cátodo lo
activará. Si aumenta esta corriente de compuerta, disminuirá el voltaje de bloqueo
directo, revirtiendo en la activación del dispositivo.
Térmica: Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del número
de pares electrón-hueco, por lo que aumentarán las corrientes de fuga, con lo cual
al aumentar la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a la acción regenerativa,
esta corriente puede llegar a ser 1, y el tiristor puede activarse. Este tipo de
activación podría comprender una fuga térmica, normalmente cuando en un
diseño se establece este método como método de activación, esta fuga tiende a
evitarse.
Alto Voltaje: Si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayor que el
voltaje de ruptura directo, se creará una corriente de fuga lo suficientemente
grande para que se inicie la activación con retroalimentación. Normalmente este
tipo de activación puede dañar el dispositivo, hasta el punto de destruirlo.
Elevación del voltaje ánodo-cátodo: Si la velocidad en la elevación de este voltaje
es lo suficientemente alta, entonces la corriente de las uniones puede ser
suficiente para activar el tiristor. Este método también puede dañar el dispositivo
 Aplicaciones: rectificación de corriente, control de velocidad de motores, sustitución
de dispositivos electromecánicos, control de potencia, circuitos
Lógicos
Símbolo electrónico

5. tiristor sencillo
TIRISTOR 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.
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 Ventajas de los GTO sobre los SCR

6. 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
SCR: El SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio,
Figura 1), es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres
uniones PN con la disposición PN. Está formado por tres terminales, llamados
Ánodo, Cátodo y Puerta. La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el
terminal de puerta. Es un elemento unidireccional (sentido de la corriente es
único), conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez.
Estructura del SCR

7. Símbolo del SCR
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 Aplicaciones del SCR: Se extiende desde la rectificación de corrientes alternas,
en lugar de los diodos convencionales hasta la realización de determinadas
conmutaciones de baja potencia en circuitos electrónicos, pasando por los
onduladores o inversores que transforman la corriente continúa en alterna.
La principal ventaja que presentan frente a los diodos cuando se les utiliza como
rectificadores es que su entrada en conducción estará controlada por la señal de
puerta. De esta forma se podrá variar la tensión continua de salida si se hace
variar el momento del disparo ya que se obtendrán diferentes ángulos de
conducción del ciclo de la tensión o corriente alterna de entrada. Además el tiristor
se bloqueará automáticamente al cambiar la alternancia de positiva a negativa ya
que en este momento empezará a recibir tensión inversa.
Por lo anteriormente señalado el SCR tiene una gran variedad de
aplicaciones, entre ellas están las siguientes:

8. · Controles de relevador.
· Circuitos de retardo de tiempo.
· Fuentes de alimentación reguladas.
· Interruptores estáticos.
· Controles de motores.
· Recortadores.
· Inversores.
· Ciclo conversores.
· Cargadores de baterías.
· Circuitos de protección.
· Controles de calefacción.
· Controles de fase.
 Condiciones necesarias para el control de un scr.
Para el control en el disparo:
- Ánodo positivo respecto al cátodo.
- La puerta debe recibir un pulso positivo con respecto al cátodo.
- En el momento del disparo Iak > IL.
Para el control en el corte:
- Anulamos la tensión Vak.
- Incrementamos RL hasta que Iak< IH.
TRANSISTOR DE POTENCIA. ("resistencia de transferencia"). Se le llama
transistor de potencia al transistor que tiene una intensidad grande (IC grande), lo
que corresponde a una potencia mayor de 0,5 W. En este tipo de transistores la
bcc que se puede obtener en su fabricación suele ser bastante menor que en los
de baja potencia (bcc = 20 ÷ 100).

9.  cumple con las funciones
de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador Actualmente se encuentran
prácticamente en todos los aparatos domésticos de uso diario: radios, televisores,
grabadoras, reproductores de audio y video, hornos de microondas, lavadoras,
automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, ordenadores,
calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X,
tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, teléfonos celulares.
 Los transistores de potencia se dividen en diferentes tipos como:
IGBT: Transistores de puerta aislada, generalmente se aplica como interruptor
controlado en circuitos de electrónica de potencia.
Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los
transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y voltaje de baja
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.
Los transistores IGBT han permitido desarrollos hasta entonces no viables en
particular 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,
sus principales propiedades son: el manejo de altas potencias y tenciones, y
menos perdidas que mosfet.
MOSFET: transistor de efecto de campo FET de Metal Oxido
Semiconductor" o FET de compuerta aislada, es un arreglo de cientos de
transistores integrados en un sustrato de silicio. Cada uno entrega una
parte a la corriente total.
Uno de los motivos que impulsó su desarrollo es que los transistores
bipolares presentan limitaciones. Es un dispositivo controlado por tensión,
Es un dispositivo extremadamente veloz en virtud a la pequeña corriente
necesaria para estrangular o liberar el canal. Por esta facultad se los usa
ampliamente en conmutación. Su velocidad permite diseñar etapas con
grandes anchos de banda minimizando, así, lo que se denomina distorsión
por fase.
La característica constructiva común a todos los tipos de transistor MOS es que
el terminal de puerta (G) está formado por una estructura de tipo
Metal/Óxido/Semiconductor. El óxido es aislante, con lo que la corriente de
puerta es prácticamente nula, mucho menor que en los JFET. Por ello, los MOS
se emplean para tratar señales de muy baja potencia.

10. Tiene una versión NPN y otra PNP. El NPN es llamado MOSFET de canal N y el
PNP es llamado MOSFET de canal P, En el MOSFET de canal N la parte "N"
está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain)
En el MOSFET de canal P la parte "P" está conectado a la fuente (source) y al
drenaje (drain):
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El MOSFET es frecuentemente usado como amplificador de potencia ya que
ofrecen dos ventajas sobre los MESFET’s y los JFET’s y ellas son:
En la región activa de un MOSFET en modo de enriquecimiento, la capacitancia
de entrada y la trasconductancia es casi independiente del voltaje de la compuerta
y la capacitancia de salida es independiente del voltaje del drenador. Este puede
proveer una potencia de amplificación muy lineal.
El rango de voltaje activo de la compuerta puede ser mayor porque los MOSFET’s
de canal n en modo de vaciamiento pueden operar desde la región de modo de
vaciamiento (-Vg) a la región de modo de enriquecimiento (+Vg).
Capacitancia en el MOSFET
Dos capacitancias son importantes en un conmutador de encendido-apagado con
MOSFET. Éstas son Cgs entre Gate y la fuente y Cgd entre Gate y drenaje. Cada
valor de capacitancia es una función no lineal del voltaje. El valor para Cgs tiene
solamente una variación
pequeña, pero en Cgd, cuando uDG haya pasado a través de cero, es muy
significativa. Cualquier desprecio de estas variaciones crea un error substancial en
la carga que es requerida en Gate que es necesaria para estabilizar una condición
dada de operación.
Encendido
En la mayoría de los circuitos con MOSFET, el objetivo es encenderlo tan rápido
como sea posible para minimizar las pérdidas por conmutación. Para lograrlo, el
circuito manejador del gatillo debe ser capaz de alimentar la suficiente corriente
para incrementar rápidamente el voltaje de gatillo al valor requerido.
Apagado
Para apagar el MOSFET, el voltaje gate-fuente debe reducirse en acción inversa
como fue hecho para encenderlo. La secuencia particular de la corriente y el
voltaje depende de los arreglos del circuito externo.
Área segura de operación

11. El área segura de operación de el MOSFET está limitada por tres variables que
forman los límites de una operación aceptable. Estos límites son:
1. Corriente máxima pulsante de drenaje
2. Voltaje máximo drenaje-fuente
3. Temperatura máxima de unión.
Pérdidas del MOSFET
Las pérdidas de potencia del MOSFET son un factor tomado en cuenta para la
selección de un dispositivo de conmutación. La elección no es sencilla, pues no
puede decirse que el MOSFET tenga menores o mayores pérdidas que un BJT en
un valor específico de corriente. Las pérdidas por conmutación en el encendido y
apagado juegan un papel más importante en la selección. La frecuencia de
conmutación es también muy importante.
VARISTOR: (término que proviene de la contracción de la frase en idioma
inglés variable resistor) es un componente electrónico cuya resistencia óhmica
disminuye cuando la tensión eléctrica que se le aplica, aumenta hasta
determinado umbral. Los varistores tienen un tiempo de respuesta rápido frente a
variaciones de tensión y son utilizados dentro de los reguladores de tensión y para
proteger los componentes más sensibles de los circuitos contra variaciones
bruscas de voltaje o picos de corriente que pueden ser originados, entre otros, por
relámpagos, conmutaciones y ruido eléctrico. Son fabricados básicamente con
óxido de zinc y, dependiendo del fabricante, se le añaden otros materiales para
darle características no lineales deseables. El material se comprime para formar
discos de diferente tamaño y se le agrega un contacto metálico a cada lado para
su conexión eléctrica.
Típicamente, su tiempo de respuesta está en el orden de los 5 a 25 nanosegundos
y su voltaje de activación está comprendido entre 14V y 550V. Sin embargo, su
confiabilidad es limitada ya que se degradan con el uso. Su costo es bajo
comparado con otros dispositivos protectores, como los diodos supresores de
avalancha de silicio y poseen buena disipaciónde la energía eléctrica indeseable.
 Funcionamiento: El varistor se coloca en paralelo al circuito a proteger y absorbe todos los picos
mayores a su tensión nominal. El varistor sólo suprime picos transitorios; si es sometido a una
tensión elevada constante, se destruye. Esto sucede, por ejemplo, cuando se aplica 220 VAC a un

12. varistor de 110VAC, o al colocar el selector de tensión de una fuente de alimentación de un PC en
posición incorrecta. En el diseño de circuítos es aconsejable colocar el varistor en un punto
ubicado después de un fusible.
varistos
graficade varistos