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Fecha: Septiembre de 2010
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Dispositivos Semiconductores De Potencia
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Abstract: The semiconductor devices are very important elements in the circuits of power because they are who allow the operation of a respective application, as she can be an implemented across-the-line starter with TRIAC, the work consists of as much knowing each these devices its symbolism as its operation.
INTRODUCCION Los dispositivos semiconductores utilizados en Electrónica de Potencia se pueden clasificar en tres grandes grupos, de acuerdo con su grado de controlabilidad. Dispositivos no controlados: en este grupo se encuentran los Diodos. Los estados de conducción o cierre (ON) y bloqueo o abertura (OFF) dependen del circuito de potencia. Por tanto, estos dispositivos no disponen de ningún terminal de control externo. Dispositivos semicontrolados, en este grupo se encuentran, dentro de la familia de los Tiristores, los SCR (“Silicon Controlled Rectifier”) y los TRIAC (“Triode of Alternating Current”). En éste caso su puesta en conducción (paso de OFF a ON) se debe a una señal de control externa que se aplica en uno de los terminales del dispositivo, comúnmente denominado puerta. Por otro lado, su bloqueo (paso de ON a OFF) lo determina el propio circuito de potencia. Es decir, se tiene control externo de la puesta en conducción, pero no así del bloqueo del dispositivo. Dispositivos totalmente controlados: en este grupo encontramos los transistores bipolares BJT (“Bipolar Junction ransistor”), los transistores de efecto de campo MOSFET (“Metal Oxide semiconductor Field Effect Transistor”), los transistores bipolares de puerta aislada IGBT (“Insulated Gate Bipolar Transistor”) y los tiristores GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”), entre otros.
OBJETIVOS
GENERAL Conocer los dispositivos semiconductores de potencia en algunos de sus aspectos.
ESPECIFICOS 1. Identificar las características conducción y simbología que representan cada uno de ellos.
de se
2. Interpretar las características de voltaje, corriente y potencia al momento de utilizar estos dispositivos. 3. Saber cuales son las posibles aplicaciones en las que se pueden desempeñar estos dispositivos.
MARCO TEORICO DIODO DE POTENCIA: Un diodo semiconductor es una estructura P-N que, dentro de sus límites de tensión y corriente, permite la circulación de corriente en un único sentido. Detalles de funcionamiento, generalmente despreciados para los diodos de señal, pueden ser significativos para componentes de mayor potencia, caracterizados por un área mayor (para permitir mayores corrientes) y mayor longitud (para soportar tensiones inversas más elevadas). La figura 1 muestra la estructura interna de un diodo de potencia. La figura 1.1 muestra el símbolo y la característica estática corriente-tensión de un diodo de potencia.
TIRISTORES: El tiristor engloba una familia de dispositivos semiconductores que trabajan en conmutación, teniendo en común una estructura de cuatro capas semiconductoras en una secuencia P-N-PN, la cual presenta un funcionamiento biestable (dos estados estables). La conmutación desde el estado de loqueo (“OFF”) al estado de conducción (“ON”) se realiza normalmente por una señal de
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control externa. La conmutación desde el estado “ON” al estado “OFF” se produce cuando la corriente por el tiristor es más pequeña que un determinado valor, denominada corriente de mantenimiento, (“holding current”), específica para cada tiristor. Dentro de la familia de los tiristores podemos destacar los SCRs (tiristores unidireccionales) y TRIACs (tiristores bidireccionales). SCR (Rectificador Controlado de Silicio): El SCR es uno de los dispositivos más antiguos que se conocen dentro de la Electrónica de Potencia (data de finales de los años 50). Además, continua siendo el dispositivo que tiene mayor capacidad para controlar potencia (es el dispositivo que permite soportar mayores tensiones inversas entre sus terminales y mayor circulación de corriente). (Ver anexo figura 2) El SCR está formado por cuatro capas semiconductoras, alternadamente P-N-P-N, Si entre ánodo y cátodo tenemos una tensión positiva, las uniones J1 y J3 estarán directamente polarizadas, en cuanto que la unión J2 estará inversamente polarizada. No habrá conducción de corriente hasta que la tensión VAK aumente hasta un valor que provoque la ruptura de la barrera de potencial en J2.
TRIAC: Es un tiristor bidireccional de tres terminales. Permite el paso de corriente del terminal A1 al A2 y viceversa, y puede ser disparado con tensiones de puerta de ambos signos. (ver anexos figura 3) Cuando se trabaja con corriente alterna, es interesante poder controlar los dos sentidos de circulación de la corriente. Evidentemente, con un SCR, sólo podemos controlar el paso de corriente en un sentido. Por tanto uno de los motivos por el cual los fabricantes de semiconductores han diseñado el TRIAC ha sido para evitar este inconveniente.
El primer TRIAC fue inventado a finales de los años 60. Simplificando su funcionamiento, podemos decir que un TRIAC se comporta como dos SCR en antiparalelo (tiristor bidireccional). De esta forma, tenemos control en ambos sentidos de la circulación de corriente.
GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”): A pesar de que el GTO fue inventado en el inicio de la década de los años 60, ha sido poco empleado debido a sus reducidas prestaciones. Con el avance de la tecnología en el desarrollo de dispositivos semiconductores, se han encontrado nuevas soluciones para mejorar tales componentes que hacen que hoy ocupen una franja significa dentro de la electrónica de potencia, especialmente en aquellas aplicaciones de elevada potencia, con dispositivos que alcanzan los 5000 V y los 4000 A. (ver anexo figura 4) Como se ha visto en los apartados anteriores, uno de los inconvenientes de los tiristores tipo SCR o TRIAC es que no tenemos control externo por parte del usuario del paso de conducción a bloqueo. Para aquellas aplicaciones en las que nos interese poder bloquear un interruptor de potencia en cualquier instante es necesario utilizar otro tipo de semiconductores diferentes a los SCRs o TRIACs. El GTO tiene una estructura de 4 capas, típica de los componentes de la familia de los tiristores. Su característica principal es su capacidad de entrar en conducción y bloquearse a través de señales adecuadas en el terminal de puerta G.
TRANSISTORES: En Electrónica de Potencia, los transistores generalmente son utilizados como interruptores. Los circuitos de excitación (disparo) de los transistores se diseñan para que éstos trabajen en la zona de saturación (conducción) o en la zona de corte (bloqueo). Esto difiere de lo que ocurre con otras aplicaciones de los transistores, como por ejemplo, un circuito amplificador, en el que el transistor trabaja en la zona activa o lineal.
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(ver anexo figura 5) Los transistores tienen la ventaja de que son totalmente controlados, mientras que, por ejemplo, el SCR o el TRIAC sólo dispone de control de la puesta en conducción. Los tipos de transistores utilizados en los circuitos electrónicos de potencia incluyen los transistores BJT, los MOSFET y dispositivos híbridos, como por ejemplo, los transistores de unión bipolar de puerta aislada (IGBT). A continuación veremos cada uno de ellos
MOSFET: Así como podemos decir que el transistor bipolar se controla por corriente, los MOSFET son transistores controlados por tensión. Ello de debe al aislamiento (óxido de Silicio) de la puerta respecto al resto del dispositivo. Existen dos tipos básicos de MOSFET, los de canal n y los de canal p, si bien en Electrónica de Potencia los más comunes son los primeros, por presentar menores pérdidas y mayor velocidad de conmutación, debido a la mayor movilidad de los electrones con relación a los agujeros.(ver anexo figura 6) La forma más habitual de emplear transistores MOSFET es en circuitos de tipo CMOS, consistentes en el uso de transistores pMOS y nMOS complementarios. Las aplicaciones de MOSFET discretos más comunes son: -
-
Resistencia controlada por tensión. Circuitos de conmutación de potencia (HEXFET, FREDFET, etc). Mezcladores de frecuencia, con MOSFET de doble puerta.
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): El transistor IGBT, de las siglas en inglés “Isolated Gate Bipolar Transistor”, es un dispositivo híbrido, que aprovecha las ventajas de los transistores descritos en los apartados anteriores, o sea, el IGBT reúne la facilidad de disparo de los MOSFET con las pequeñas pérdidas en conducción de los BJT de potencia. La puerta está aislada del dispositivo, con lo que se tiene un
control por tensión relativamente sencillo. Entre el colector y el emisor se tiene un comportamiento tipo bipolar, con lo que el interruptor es muy cercano a lo ideal. (ver anexo figura 7) Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de 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 que no habian sido viables hasta entonces, 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, demótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI. LASCR: Este dispositivo enciende por irradiación directa con luz de la oblea de silicio. Los pares electron-hueco que crea la radiación producen la corriente de disparo, bajo la influencia del campo eléctrico. La estructura de la compuerta se diseña para proporcionar la sensibilidad suficiente para hacer la activación con fuentes luminosas normales (por ejemplo, diodo emisor de luz, LED), y para obtener grandes capacidades de las tasas di/dt y dv/dt Los LASCR se usan en aplicaciones de alto voltaje y gran corriente, por ejemplo HVDC, transmisión y compensación de potencia o VAR reactivos. Un LASCR ofrece un aislamiento eléctrico completo entre la fuente luminosa de activación y el dispositivo de conmutación de un convertidor de potencia, que flota a un potencial hasta de algunos pocos kilovolts. La especificación de voltaje de un LASCR podría llegar a 4kV a 1500A, con potencia de la luz de activación menos a 100mW. La
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di/dt normal es 250ª/ms y la dv/dt podría ser hasta de 2000V/us.
MCT (MOS- Controlled Thyristor): El MCT es otro dispositivo semiconductor de potencia híbrido que combina los atributos del MOSFET y el tiristor. Recientemente se puso en disponibilidad en el mercado. El símbolo de éste dispositivo se muestra en la figura. Está integrado por 2 MOSFET's, uno de ellos enciende al tiristor y el otro lo apaga. Existen diversos tipos de estructuras, pero todas ellas coinciden existe un tiristor pnpn que determina las propiedades de conducción (y de bloqueo). También, todos los MCT's tienen integrados dos dispositivos MOS para controlar las propiedades de conmutación. Entre el ánodo A y el cátodo K existe una estructura pnpn que como ya se mencionó forma la estructura del tiristor del MCT. La región gate - ánodo está formada por más de 105 celdas. Este largo número de celdas provee superficies cortas de largas secciones transversales para una rápida y uniforme conmutación de corriente. Dentro de la región ánodo - gate existen dos MOSFET's. Uno de ellos es un canal p, tipo pnp que es usado para el encendido y el otro es un canal n, de tipo npn que es usado para el apagado. Existen otras regiones p-pn+ que producen el encendido y el apagado del MCT
SIT (Transistor de Inducción Estática): El Dispositivo mas importante bajo desarrollo es el transistor de inducción estatica (SIT) mostrado esquemáticamente en la figura 1. El SIT es un dispositivo portador mayoritario (unipolar) en el que el flujo de electrones de la fuente a el drenaje es controlado por un potencial de barrera en el semiconductor de dos dimensiones con forma de silla de montar entre las compuertas metálicas.Si el dopado y las dimensiones laterales son escogidas adecuadamente, la altura del potencial de barrera sera modulado por la compuerta y el drenaje. Debido a que la corriente se
incrementa exponencialmente conforme la barrera es disminuida, las características de la salida del SIT son usualmente no saturadas o “de manera de tríodo”, por ejemplo pareciéndose a un tríodo de tubo al vacio. El SIT es importante como un dispositivo de microondas a bahas frecuencias en GHz porque esta entrega potencia extremadamente alta por unidad de área. La fabricación del SIT requiere un grabado anistrópico de pared recta de zanjas de 2 – 3 µm de profundidad usando una grabado reactivo de ion (RIE, por sus siglas en ingles) seguida por una deposición de Metalización de Shottky en la zanja del fondo sin cubrir la zanja lateral. Las dimensiones laterales entre las zanjas de compuerta oscilan en el orden de 0.5 – 1.5 µm. Los contactos de baja resistencia óhmica son establecidos a las regiones de la fuente en el techo de las uniones.
NPN BJT: El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. La denominación de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos su impedancia de entrada bastante baja. Los transistores bipolares son los transistores más conocidos y se usan generalmente en electrónica analógica aunque también en algunas aplicaciones de electrónica digital, como la tecnología TTL o BICMOS. Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones:
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Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga. Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector. Colector, de extensión mucho mayor.
SITH (Tiristores De Inducción Estátic): Por lo general, un SITH es activado al aplicársele un voltaje positivo de compuerta, como los tiristores normales, y desactivado al aplicársele un voltaje negativo a su compuerta. Un SITH es un dispositivo de portadores minoritarios. Como consecuencia, el SITH tiene una baja resistencia en estado activo así como una baja caída de potencial, y se puede fabricar con especificaciones de voltaje y corriente más altas. Un SITH tiene velocidades de conmutación muy rápidas y capacidades altas de dv/dt y di/dt. El tiempo de conmutación es del orden de 1 a 6 s. La especificación de voltaje puede alcanzar hasta 2500v y la de corriente está limitada a 500 A. Este dispositivo es extremadamente sensible a su proceso de fabricación, por lo que pequeñas variaciones en el proceso de manufactura pueden producir cambios de importancia en sus características. MOSFET: Consiste en un transistor de efecto de campo basado en la estructura MOS. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica. Prácticamente la totalidad de los circuitos integrados de uso comercial están basados en transistores MOSFET. (ver anexos figura 8) FUNCIONAMIENTO Un transistor MOSFET consiste en un sustrato de material semiconductor dopado en el que, mediante técnicas de difusión de dopantes, se crean dos islas de tipo opuesto separadas por un área sobre la cual se hace crecer una capa de dieléctrico culminada por una capa de conductor. Los transistores MOSFET se dividen en dos
tipos fundamentales dependiendo de cómo se haya realizado el dopaje: •
Tipo nMOS: Sustrato de tipo p y difusiones de tipo n.
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Tipo pMOS: Sustrato de tipo n y difusiones de tipo p.
Las áreas de difusión se denominan fuente(source) y drenador(drain), y el conductor entre ellos es la puerta(gate). APLICACIONES La forma más habitual de emplear transistores MOSFET es en circuitos de tipo CMOS, consistentes en el uso de transistores pMOS y nMOS complementarios. Véase Tecnología CMOS Las aplicaciones de MOSFET discretos más comunes son: • • •
Resistencia controlada por tensión. Circuitos de conmutación de potencia (HEXFET, FREDFET, etc). Mezcladores de frecuencia, con MOSFET de doble puerta.
VENTAJAS La principal aplicación de los MOSFET está en los circuitos integrados, p-mos, n-mos y c-mos, debido a varias ventajas sobre los transistores bipolares: • • • •
Consumo en modo estático muy bajo. Tamaño muy inferior al transistor bipolar (actualmente del orden de media micra). Gran capacidad de integración debido a su reducido tamaño. Funcionamiento por tensión, son controlados por voltaje por lo que tienen una impedancia de entrada muy alta. La intensidad que circula por la puerta es del orden de los nanoamperios.
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Un circuito realizado con MOSFET no necesita resistencias, con el ahorro de superficie que conlleva. La velocidad de conmutación es muy alta, siendo del orden de los nanosegundos. Cada vez se encuentran más en aplicaciones en los convertidores de alta frecuencias y baja potencia.
CONCLUSIONES Los dispositivos semiconductores, son elementos que permiten trabajar circuitos de potencia, rectificación y muchas otras aplicaciones, .
Es muy importante conocer las características de conducción por que nos permite, saber hasta que parámetros de voltaje o corriente puede el trabajar, evitando que sufran algún daño
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS •
http://tec.upc.es/el/TEMA2%20EP%20(v1).pdf
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http://html.rincondelvago.com/dispo sitivos-de-electronicapotencial.html
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http://es.wikipedia.org/wiki/Electr% C3%B3nica_de_potencia
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http://www.profesormolina.com.ar/t utoriales/enica_pot.htm
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ANEXOS
ANEXO FIGURA 1.1
FIGURA 1:Diodo De Potencia
FIGURA 1.1:Simbolo Y Característica De Voltaje Y Corriente
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FIGURA 2:Estructura Interna De Un SCR
FIGURA 3: Estructura Interna De Un TRIAC
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FIGURA 4:Símbolo Y Estructura Interna De Un GTO
FIGURA 5:Símbolo De Un Transistor BJT NPN Y PNP
FIGURA 6:Símbolo De Un Transistor MOSFET CANAL N Y CANAL P
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FIGURA 7:Símbolo De Un Transistor IGBT
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Regiones de Utilización: en función de las características de cada dispositivo, se suele trabajar en distintas zonas, para metrizadas por la tensión, la corriente y la frecuencia de trabajo. Una clasificación cualitativa se presenta en la siguiente figura:
En la siguiente tabla se añaden otras características importantes a tener en cuenta en el diseño de circuitos de electrónica de potencia.
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A continuación aparecen algunos de los dispositivos semiconductores mas empleados:
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A continuación podemos observar las señales de salida cuando se disparan algunos de estos dispositivos: