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E book electronica industrial

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  1. 1. 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
  2. 2. FIEE - VII semestre (e:mail: fiee08promo@yahoo.com) Electrónica Industrial (10/17/06) - 2 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 Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 3 de 21 Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 4 de 21
  3. 3. FIEE - VII semestre (e:mail: fiee08promo@yahoo.com) Electrónica Industrial (10/17/06) - 3 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 Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 5 de 21 Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 6 de 21
  4. 4. FIEE - VII semestre (e:mail: fiee08promo@yahoo.com) Electrónica Industrial (10/17/06) - 4 REGLAS PARA EL ANÁLISIS DE CIRCUITOS DE REGLAS PARA EL ANÁLISIS DE CIRCUITOS DE 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 Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 7 de 21 Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 8 de 21
  5. 5. FIEE - VII semestre (e:mail: fiee08promo@yahoo.com) Electrónica Industrial (10/17/06) - 5 REGLAS PARA EL ANÁLISIS DE CIRCUITOS DE REGLAS PARA EL ANÁLISIS DE CIRCUITOS DE 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 Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 9 de 21 Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 10 de 21
  6. 6. FIEE - VII semestre (e:mail: fiee08promo@yahoo.com) Electrónica Industrial (10/17/06) - 6 REGLAS PARA EL ANÁLISIS DE CIRCUITOS DE REGLAS PARA EL ANÁLISIS DE CIRCUITOS DE POTENCIA. Ejemplo POTENCIA. EjemploSi t>t1 en el circuito anterior resulta i(t1)<0 y el diodo debería conducir diuna corriente negativa. A partir de ese instante, el circuito anterior no es V = E ⋅ sen ω ⋅ t = R ⋅ i + L dtválido 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 intervaloEste 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 deintervalos en régimen transitorio. Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 11 de 21 Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 12 de 21
  7. 7. FIEE - VII semestre (e:mail: fiee08promo@yahoo.com) Electrónica Industrial (10/17/06) - 7 REGLAS PARA EL ANÁLISIS DE CIRCUITOS DE REGLAS PARA EL ANÁLISIS DE CIRCUITOS DE 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. Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 13 de 21 Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 14 de 21
  8. 8. FIEE - VII semestre (e:mail: fiee08promo@yahoo.com) Electrónica Industrial (10/17/06) - 8 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 Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 15 de 21 Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 16 de 21
  9. 9. FIEE - VII semestre (e:mail: fiee08promo@yahoo.com) Electrónica Industrial (10/17/06) - 9 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 Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 17 de 21 Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 18 de 21
  10. 10. FIEE - VII semestre (e:mail: fiee08promo@yahoo.com) Electrónica Industrial (10/17/06) - 10 DESARROLLO EN SERIE. Cálculo de valores eficaces DESARROLLO EN SERIE. Cálculo de valores eficacesLa 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, porlo 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 )dtintervalos de tiempo consecutivos, con tal de que no Ipcoincidan en un instante dos o más con valor no nulo. I= t 2 T=τEn general, si se conocen los valores eficaces decada intervalo, puede aplicarse la fórmula: I = I12 + I 22 + I 32 + L I N 2 Ip Onda senoidal recortada por nivel: D τSe 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 αEn 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: Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 19 de 21 Tema 1. Introducción al Modelado y Análisis de Circuitos de Potencia. Transparencia 20 de 21
  11. 11. FIEE - VII semestre (e:mail: fiee08promo@yahoo.com) Electrónica Industrial (10/17/06) - 11 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
  12. 12. FIEE - VII semestre (e:mail: fiee08promo@yahoo.com) Electrónica Industrial (10/17/06) - 12 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
  13. 13. FIEE - VII semestre (e:mail: fiee08promo@yahoo.com) Electrónica Industrial (10/17/06) - 13 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 Tema 2. Diodo de Potencia. Transparencia 3 de 14 Tema 2. Diodo de Potencia. Transparencia 4 de 14
  14. 14. FIEE - VII semestre (e:mail: fiee08promo@yahoo.com) Electrónica Industrial (10/17/06) - 14 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 Tema 2. Diodo de Potencia. Transparencia 5 de 14 Tema 2. Diodo de Potencia. Transparencia 6 de 14
  15. 15. FIEE - VII semestre (e:mail: fiee08promo@yahoo.com) Electrónica Industrial (10/17/06) - 15 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. Tema 2. Diodo de Potencia. Transparencia 7 de 14 Tema 2. Diodo de Potencia. Transparencia 8 de 14
  16. 16. FIEE - VII semestre (e:mail: fiee08promo@yahoo.com) Electrónica Industrial (10/17/06) - 16 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. Tema 2. Diodo de Potencia. Transparencia 9 de 14 Tema 2. Diodo de Potencia. Transparencia 10 de 14
  17. 17. FIEE - VII semestre (e:mail: fiee08promo@yahoo.com) Electrónica Industrial (10/17/06) - 17 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. Tema 2. Diodo de Potencia. Transparencia 11 de 14 Tema 2. Diodo de Potencia. Transparencia 12 de 14
  18. 18. FIEE - VII semestre (e:mail: fiee08promo@yahoo.com) Electrónica Industrial (10/17/06) - 18 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. Tema 2. Diodo de Potencia. Transparencia 13 de 14 Tema 2. Diodo de Potencia. Transparencia 14 de 14
  19. 19. FIEE - VII semestre (e:mail: fiee08promo@yahoo.com) Electrónica Industrial (10/17/06) - 19 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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