Electrónica de Potencia - Elementos Básicos
Investigación desarrollada y enviada por:
Juan Domingo Aguilar Peña
Profesor Titular
Universidad de Jaén
jaguilar[en]ujaen.es
Dispositivos Electrónicos de Potencia - Introducción
Dentro de los dispositivos electrónicos de potencia, podemos citar: los diodos y transistores de
potencia, el tiristor, así como otros derivados de éstos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral
o SUS, transistor uniunión o UJT, el transistor uniunión programable o PUT y el diodo Shockley.
Existen tiristores de características especiales como los fototiristores, los tiristores de doble puerta y el
tiristor bloqueable por puerta (GTO).
Lo más importante a considerar de estos dispositivos, es la curva característica que nos relaciona la
intensidad que los atraviesa con la caída de tensión entre los electrodos principales.
El componente básico del circuito de potencia debe cumplir los siguientes requisitos:
Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja
impedancia (conducción).
Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y pequeña potencia.
Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando está en estado de
bloqueo, con pequeñas caídas de tensión entre sus electrodos, cuando está en estado de
conducción. Ambas condiciones lo capacitan para controlar grandes potencias.
Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro.
El último requisito se traduce en que a mayor frecuencia de funcionamiento habrá una mayor disipación
de potencia. Por tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia.
Ahora veremos los tres bloques básicos de semiconductores de potencia y sus aplicaciones
fundamentales:
Semiconductores de alta potencia
Dispositivo
Intensidad máxima
Rectificadores estándar o rápidos
50 a 4800 Amperios
Transistores de potencia
5 a 400 Amperios
Tiristores estándar o rápidos
40 a 2300 Amperios
GTO
300 a 3000 Amperios
Aplicaciones :
Tracción eléctrica: troceadores y convertidores.
Industria:
o
Control de motores asíncronos.
o
Inversores.
o
Caldeo inductivo.
o
Rectificadores.
o
Etc.
Módulos de potencia
Dispositivo
Intensidad máxima
Módulos de transistores
5 a 600 A. 1600 V.
SCR / módulos rectificadores
20 a 300 A. 2400 V.
Módulos GTO
100 a 200 A. 1200 V.
IGBT
50 a 300A. 1400V.
Aplicaciones :
Soldadura al arco.
Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI).
Control de motores.
Tracción eléctrica.
Semiconductores de baja potencia
Dispositivo
Intensidad máxima
SCR
0'8 a 40 A. 1200 V.
Triac
0'8 a 40 A. 800 V
Mosfet
2 a 40 A. 900 V.
Aplicaciones :
Control de motores.
aplicaciones domésticas.
Cargadores de baterías.
Control de iluminación.
Control numérico.
Ordenadores, etc.
Aplicaciones generales: evolución práctica
En lo sucesivo se empleará la siguiente simbología en los subíndices:
Primer subíndice:
D:
estado de reposo (o no conducción)
R:
inverso (sentido de bloqueo)
F:
directo
T:
estado de funcionamiento (conducción)
Segundo subíndice:
R:
valor repetitivo
S:
valor no repetitivo
W:
estado de trabajo (normal de funcionamiento)
Tercer subíndice:
M:
valor de pico o máximo
AV:
valor medio de continua
RMS:
valor eficaz
Ejemplos:
V
RSM
:
tensión inversa de pico no repetitivo
I
F(AV)
:
intensidad media nominal
P
RRM
:
potencia inversa de pico repetitiva
El diodo de potencia
Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia son los diodos, aunque tienen,
entre otras, las siguientes limitaciones : son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la
corriente en sentido contrario al de conducción. El único procedimiento de control es invertir el voltaje
entre ánodo y cátodo.
Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción, deben ser capaces de
soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión. En sentido inverso, deben ser capaces
de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas.
El diodo responde a la ecuación:
La curva característica será la que se puede ver en la parte superior, donde:
V
RRM
: tensión inversa máxima
V
D
: tensión de codo.
A continuación vamos a ir viendo las características más importantes del diodo, las cuales podemos
agrupar de la siguiente forma:
Características estáticas:
o
Parámetros en bloqueo (polarización inversa).
o
Parámetros en conducción.
o
Modelo estático.
Características dinámicas:
o
Tiempo de recuperación inverso (t
rr
).
o
Influencia del t
rr
en la conmutación.
o
Tiempo de recuperación directo.
Potencias:
o
Potencia máxima disipable.
o
Potencia media disipada.
o
Potencia inversa de pico repetitivo.
o
Potencia inversa de pico no repetitivo.
Características térmicas.
Protección contra sobreintensidades.
Características estáticas
Parámetros en bloqueo
Tensión inversa de pico de trabajo (V
RWM
): es la que puede ser soportada por el dispositivo de
forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha.
Tensión inversa de pico repetitivo (V
RRM
): es la que puede ser soportada en picos de 1 ms,
repetidos cada 10 ms de forma continuada.
Tensión inversa de pico no repetitiva (V
RSM
): es aquella que puede ser soportada una sola vez
durante 10ms cada 10 minutos o más.
Tensión de ruptura (V
BR
): si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 ms el diodo puede
destruirse o degradar las características del mismo.
Tensión inversa continua (VR): es la tensión continua que soporta el diodo en estado de bloqueo.
Parámetros en conducción
Intensidad media nominal (I
F(AV)
): es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos
sinusoidales de 180º que el diodo puede soportar.
Intensidad de pico repetitivo (I
FRM
): es aquella que puede ser soportada cada 20 ms , con una
duración de pico a 1 ms, a una determinada temperatura de la cápsula (normalmente 25º).
Intensidad directa de pico no repetitiva (I
FSM
): es el máximo pico de intensidad aplicable, una vez
cada 10 minutos, con una duración de 10 ms.
Intensidad directa (I
F
): es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en el estado
de conducción.
Modelos estáticos del diodo
Los distintos modelos del diodo en su región directa (modelos estáticos) se representan en la figura
superior. Estos modelos facilitan los cálculos a realizar, para lo cual debemos escoger el modelo
adecuado según el nivel de precisión que necesitemos.
Estos modelos se suelen emplear para cálculos a mano, reservando modelos más complejos para
programas de simulación como PSPICE. Dichos modelos suelen ser proporcionados por el fabricante, e
incluso pueden venir ya en las librerías del programa.
Características dinámicas
Tiempo de recuperación inverso
El paso del estado de conducción al de bloqueo en el diodo no se efectúa instantáneamente. Si un
diodo se encuentra conduciendo una intensidad I
F
, la zona central de la unión P-N está saturada de
portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de éstos cuanto mayor sea I
F
. Si mediante la
aplicación de una tensión inversa forzamos la anulación de la corriente con cierta velocidad di/dt,
resultará que después del paso por cero de la corriente existe cierta cantidad de portadores que
cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario durante un
instante. La tensión inversa entre ánodo y cátodo no se establece hasta después del tiempo t
a
llamado
tiempo de almacenamiento, en el que los portadores empiezan a escasear y aparece en la unión la
zona de carga espacial. La intensidad todavía tarda un tiempo t
b
(llamado tiempo de caída) en pasar de
un valor de pico negativo (I
RRM
) a un valor despreciable mientras van desapareciedo el exceso de
portadores.
t
a
(tiempo de almacenamiento): es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la
intensidad hasta llegar al pico negativo.
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