t
b
(tiempo de caída): es el tiempo transcurrido desde el pico negativo de intensidad hasta que
ésta se anula, y es debido a la descarga de la capacidad de la unión polarizada en inverso. En la
práctica se suele medir desde el valor de pico negativo de la intensidad hasta el 10 % de éste.
t
rr
(tiempo de recuperación inversa): es la suma de t
a
y t
b
.
Q
rr
: se define como la carga eléctrica desplazada, y representa el área negativa de la
característica de recuperación inversa del diodo.
di/dt: es el pico negativo de la intensidad.
I
rr
: es el pico negativo de la intensidad.
La relación entre t
b
/t
a
es conocida como factor de suavizado "SF".
Si observamos la gráfica podemos considerar Q
rr
por el área de un triángulo :
De donde :
Para el cálculo de los parámetros I
RRM
y Q
rr
podemos suponer uno de los dos siguientes casos:
Para ta = tb trr = 2ta
Para ta = trr tb = 0
En el primer caso obtenemos:
Y en el segundo caso:
Influencia del t
rr
en la conmutación
Si el tiempo que tarda el diodo en conmutar no es despreciable :
Se limita la frecuencia de funcionamiento.
Existe una disipación de potencia durante el tiempo de recuperación inversa.
Para altas frecuencias, por tanto, debemos usar diodos de recuperación rápida.
Factores de los que depende t
rr
:
A mayor I
RRM
menor t
rr
.
Cuanta mayor sea la intensidad principal que
atraviesa el diodo mayor será la capacidad
almacenada, y por tanto mayor será t
rr
.
Tiempo de recuperación directo
t
fr
(tiempo de recuperación directo): es el tiempo que
transcurre entre el instante en que la tensión ánodo-
cátodo se hace positiva y el instante en que dicha tensión
se estabiliza en el valor V
F
.
Este tiempo es bastante menor que el de recuperación
inversa y no suele producir pérdidas de potencia
apreciables.
Disipación de potencia
Potencia máxima disipable (P
máx
)
Es un valor de potencia que el dispositivo puede disipar, pero no debemos confundirlo con la potencia
que disipa el diodo durante el funcionamiento, llamada ésta potencia de trabajo.
Potencia media disipada (P
AV
)
Es la disipación de potencia resultante cuando el dispositivo se encuentra en estado de conducción, si
se desprecia la potencia disipada debida a la corriente de fugas.
Se define la potencia media (P
AV
) que puede disipar el dispositivo, como :
Si incluimos en esta expresión el modelo estático, resulta :
y como :
es la intensidad media nominal
es la intensidad eficaz al cuadrado
Nos queda finalmente :
Generalmente el fabricante integra en las hojas de características tablas que indican la potencia
disipada por el elemento para una intensidad conocida.
Otro dato que puede dar el fabricante es curvas que relacionen la potencia media con la intensidad
media y el factor de forma (ya que el factor de forma es la intensidad eficaz dividida entre la intensidad
media).
Potencia inversa de pico repetitiva (P
RRM
)
Es la máxima potencia que puede disipar el dispositivo en estado de bloqueo.
Potencia inversa de pico no repetitiva (P
RSM
)
Similar a la anterior, pero dada para un pulso único.
Características térmicas
Temperatura de la unión (T
jmáx
)
Es el límite superior de temperatura que nunca debemos hacer sobrepasar a la unión del dispositivo si
queremos evitar su inmediata destrucción.
En ocasiones, en lugar de la temperatura de la unión se nos da la "operating temperature range"
(margen de temperatura de funcionamiento), que significa que el dispositivo se ha fabricado para
funcionar en un intervalo de temperaturas comprendidas entre dos valores, uno mínimo y otro máximo.
Temperatura de almacenamiento (T
stg
)
Es la temperatura a la que se encuentra el dispositivo cuando no se le aplica ninguna potencia. El
fabricante suele dar un margen de valores para esta temperatura.
Resistencia térmica unión-contenedor (R
jc
)
Es la resistencia entre la unión del semiconductor y el encapsulado del dispositivo. En caso de no dar
este dato el fabricante se puede calcular mediante la fórmula:
R
jc
= (T
jmáx
- Tc) / P
máx
siendo Tc la temperatura del contenedor y P
máx
la potencia máxima disipable.
Resistencia térmica contenedor-disipador (R
cd
)
Es la resistencia existente entre el contenedor del dispositivo y el disipador (aleta refrigeradora). Se
supone que la propagación se efectúa directamente sin pasar por otro medio (como mica aislante, etc).
Protección contra sobreintensidades
Principales causas de sobreintensidades
La causa principal de sobreintensidad es, naturalmente, la presencia de un cortocircuito en la carga,
debido a cualquier causa. De todos modos, pueden aparecer picos de corriente en el caso de
alimentación de motores, carga de condesadores, utilización en régimen de soldadura, etc.
Estas sobrecargas se traducen en una elevación de temperatura enorme en la unión, que es incapaz de
evacuar las calorías generadas, pasando de forma casi instantánea al estado de cortocircuito
(avalancha térmica).
Órganos de protección
Los dispositivos de protección que aseguran una eficacia elevada o total son poco numerosos y por eso
los más empleados actualmente siguen siendo los fusibles, del tipo "ultrarrápidos" en la mayoría de los
casos.
Los fusibles, como su nombre indica, actúan por la fusión del metal de que están compuestos y tienen
sus características indicadas en función de la potencia que pueden manejar; por esto el calibre de un
fusible no se da sólo con su valor eficaz de corriente, sino incluso con su I²t y su tensión.
Parámetro I²t
La I²t de un fusible es la característica de fusión del cartucho; el intervalo de tiempo t se indica en
segundos y la corriente I en amperios.
Debemos escoger un fusible de valor I²t inferior al del diodo, ya que así será el fusible el que se
destruya y no el diodo.
El transistor de potencia
El funcionamiento y utilización de los transistores de potencia es idéntico al de los transistores
normales, teniendo como características especiales las altas tensiones e intensidades que tienen que
soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar.
Existen tres tipos de transistores de potencia:
bipolar.
unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo).
IGBT.
Parámetros
MOS
Bipolar
Impedancia de entrada
Alta (1010 ohmios)
Media (104 ohmios)
Ganancia en corriente
Alta (107)
Media (10-100)
Resistencia ON (saturación)
Media / alta
Baja
Resistencia OFF (corte)
Alta
Alta
Voltaje aplicable
Alto (1000 V)
Alto (1200 V)
Máxima temperatura de operación
Alta (200ºC)
Media (150ºC)
Frecuencia de trabajo
Alta (100-500 Khz)
Baja (10-80 Khz)
Coste
Alto
Medio
El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada MOS, más la capacidad de carga en corriente de
los transistores bipolares:
Trabaja con tensión.
Tiempos de conmutación bajos.
Disipación mucho mayor (como los bipolares).
Nos interesa que el transistor se parezca, lo más posible, a un elemento ideal:
Pequeñas fugas.
Alta potencia.
Bajos tiempos de respuesta (ton , toff), para conseguir una alta frecuencia de funcionamiento.
Alta concentración de intensidad por unidad de superficie del semiconductor.
Que el efecto avalancha se produzca a un valor elevado ( VCE máxima elevada).
Que no se produzcan puntos calientes (grandes di/dt ).
Una limitación importante de todos los dispositivos de potencia y concretamente de los transistores
bipolares, es que el paso de bloqueo a conducción y viceversa no se hace instantáneamente, sino que
siempre hay un retardo (ton , toff). Las causas fundamentales de estos retardos son las capacidades
asociadas a las uniones colector - base y base - emisor y los tiempos de difusión y recombinación de
los portadores.
Principios básicos de funcionamiento
La diferencia entre un transistor bipolar y un transistor unipolar o FET es el modo de actuación sobre el
terminal de control. En el transistor bipolar hay que inyectar una corriente de base para regular la
corriente de colector, mientras que en el FET el control se hace mediante la aplicación de una tensión
entre puerta y fuente. Esta diferencia vienen determinada por la estructura interna de ambos
dispositivos, que son substancialmente distintas.
Es una característica común, sin embargo, el hecho de que la potencia que consume el terminal de
control (base o puerta) es siempre más pequeña que la potencia manejada en los otros dos terminales.
En resumen, destacamos tres cosas fundamentales:
En un transistor bipolar I
B
controla la magnitud de IC.
En un FET, la tensión V
GS
controla la corriente I
D
.
En ambos casos, con una potencia pequeña puede controlarse otra bastante mayor.
Tiempos de conmutación
Cuando el transistor está en saturación o en corte las pérdidas son despreciables. Pero si tenemos en
cuenta los efectos de retardo de conmutación, al cambiar de un estado a otro se produce un pico de
potencia disipada, ya que en esos instantes el producto IC x V
CE
va a tener un valor apreciable, por lo
que la potencia media de pérdidas en el transistor va a ser mayor. Estas pérdidas aumentan con la
frecuencia de trabajo, debido a que al aumentar ésta, también lo hace el número de veces que se
produce el paso de un estado a otro.
Podremos distinguir entre tiempo de excitación o
encendido (ton) y tiempo de apagado (toff). A su vez,
cada uno de estos tiempos se puede dividir en otros
dos.
Tiempo de retardo (Delay Time, td): Es el tiempo que
transcurre desde el instante en que se aplica la señal de
entrada en el dispositivo conmutador, hasta que la señal
de salida alcanza el 10% de su valor final.
Tiempo de subida (Rise time, tr): Tiempo que emplea la
señal de salida en evolucionar entre el 10% y el 90% de
su valor final.
Tiempo de almacenamiento (Storage time, ts): Tiempo
que transcurre desde que se quita la excitación de
entrada y el instante en que la señal de salida baja al
90% de su valor final.
Tiempo de caída (Fall time, tf): Tiempo que emplea la
señal de salida en evolucionar entre el 90% y el 10% de
su valor final.
Por tanto, se pueden definir las siguientes relaciones :
Es de hacer notar el hecho de que el tiempo de apagado (toff) será siempre mayor que el tiempo de
encendido (ton).
Los tiempos de encendido (ton) y apagado (toff) limitan la frecuencia máxima a la cual puede conmutar
el transistor:
Otros parámetros importantes
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