Unidad1_potenica.pdf

Electrónica de potencia aplicada
Ingeniería Mecatrónica
Dr. Antonio Navarrete Guzmán
anavarrete@ittepic.edu.mx

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
Diodos semiconductores
de potencia
Unidad 1. Semiconductores de potencia.
1. Diodos de potencia.
1 Características y parámetros.
2 Rectificadores monofásicos y polifásicos
3 Aplicaciones industriales.
4 Alimentación de motores de c.c.
2. Transistores de potencia.
1 Tipos de transistores Bipolar (BJT).
2 Metal Oxido de Silicio (MOS).
3 Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT).
4 Características y parámetros.
3. Aplicaciones en máquinas eléctricas.
1 Arranque y paro de un motor de c.c.con un IGBT.
2 Control de velocidad de motores de c.c.
4. Circuitos de control híbridos
(Electrónicos-electromecánicos).
Dr. Antonio Navarrete Guzmán Electrónica de potencia aplicada 2/87

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Teaching Utility Applications of Power Electronics in a First Course
on Power Systems
Las aplicaciones de electrónica de potencia en sistemas de servicios públicos
están creciendo muy rápidamente y prometen cambiar el panorama de futuros
sistemas de energía en términos de generación, operación y control.
La electrónica de potencia se describe brevemente junto con el papel de
electrónica de potencia como interfaz, y luego la electrónica de potencia los
sistemas se discuten en detalle apropiado para cumplir con estos roles.
Mohan, N., Jain, A. K., Jose, P., & Ayyanar, R. (2004).
Teaching Utility Applications of Power Electronics in a First
Course on Power Systems. IEEE Transactions on Power
Systems, 19(1), 40–47. doi:10.1109/tpwrs.2003.821021

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Competencia 1:
Conoce y comprende los diferentes semiconductores de
potencia para rectificar señales alternas y utilizarlas en
forma rectificada en motores eléctricos de corriente
directa y dispositivos de estado sólido.

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conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
La electrónica de potencia a revolucionado la idea del control
para la conversión de potencia y para el control de motores
eléctricos, combinando la energía, la electrónica y el control.

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Semiconductores
de potencia
de potencia
El control se encarga del régimen permanente y de las
características dinámicas de los sistemas de lazo cerrado.

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Semiconductores
de potencia
de potencia
La energía tiene que ver con el equipo de potencia estática y
rotativa o giratoria, para la generación, transmisión y
distribución de energía eléctrica.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
La electrónica se ocupa de los dispositivos y circuitos de
estado sólido requeridos en el procesamiento de señales
para cumplir con los objetivos de control deseados.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
La electrónica se ocupa de los dispositivos y circuitos de
estado sólido requeridos en el procesamiento de señales
para cumplir con los objetivos de control deseados.
La electrónica de potencia se puede definir como la
aplicación de la electrónica de estado sólido para el control y
la conversión de la energía eléctrica.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Características de control de los dispositivos de potencia
Los dispositivos semiconductores de potencia se
pueden operar como interruptores mediante la
aplicación de señales de control a la terminal de
compuerta de los tiristores (y a la base de los
transistores bipolares). La salida requerida se obtiene
mediante la variación del tiempo de conducción de estos
dispositivos de conmutación.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Una vez que un tiristor está en modo de conducción, la
señal de la compuerta ya sea positiva o negativa no
tiene efecto.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Una vez que un tiristor está en modo de conducción, la
señal de la compuerta ya sea positiva o negativa no
tiene efecto.
Cuando un dispositivo semiconductor de potencia está
en modo de conducción normal, existe una pequeña
caída de voltaje a través del mismo, estas caídas de
voltaje se consideran despreciables y, a menos que se
especifique lo contrario.

Unidad 1. Semi-
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potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Los dispositivos semiconductores de potencia se pueden clasificar a
partir de:
1. Activación y desactivación sin control (por ejemplo diodo).

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Semiconductores
de potencia
de potencia
partir de:
2. Activación controlada y desactivación sin control (SCR).

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Semiconductores
de potencia
de potencia
partir de:
3. Características de activación y desactivación controladas (BJT,
MOSFET,GTO, SITH, IGBT, SIT, MCT).

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Semiconductores
de potencia
de potencia
partir de:
4. Requisito de señal continua en la compuerta (BJT, MOSFET, IGBT,
SIT).

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Semiconductores
de potencia
de potencia
partir de:
SIT).
5. Requisito de pulso en la compuerta(SCR,GTO, SITH, MCT).

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Semiconductores
de potencia
de potencia
partir de:
SIT).
6. Capacidad de soportar voltajes bipolares (SCR, GTO).

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de potencia
partir de:
SIT).
7. Capacidad de soportar voltajes unipolares (BJT, MOSFET, GTO,
IGBT,MCT).

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Semiconductores
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de potencia
partir de:
SIT).
IGBT,MCT).
8. Capacidad de corriente bidireccional(TRIAC,RCT).

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Semiconductores
de potencia
de potencia
partir de:
SIT).
IGBT,MCT).
8. Capacidad de corriente bidireccional(TRIAC,RCT).
9. Capacidad de corriente unidireccional (SCR,GTO, BJT,
MOSFET,MCT,IGBT,SIT,diodo)

Unidad 1. Semi-
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potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Tipos de circuitos electrónicos de potencia.
Para el control de la potencia eléctrica o del
acondicionamiento de la misma, es necesario convertir la
potencia de una forma u otra, las características de
interrupción de los dispositivos de potencia permiten
dicha conversión. Los convertidores de potencia estáticos
llevan a cabo estas funciones de conversión de potencia.
Un convertidor se puede considerar como una matriz de
conmutación. Los circuitos electrónicos de potencia se
pueden clasificar en seis tipos:
1. Rectificadores de diodos.

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2. Convertidores ca-cd (rectificadores controlados).

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3. Convertidores ca-ca (controladores de voltaje de ca).

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4. Convertidores cd-cd (pulsadores de cd).

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5. Convertidores cd-ca (inversores)

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5. Convertidores cd-ca (inversores)
6. Interruptores estáticos.

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Semiconductores
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La selección de un dispositivo en particular dependerá del
voltaje, la corriente y los requisitos de velocidad del
convertidor.
Rectificadores. Un circuito rectificador por diodos
convierte el voltaje de ca en un voltaje fijo de cd. El
voltaje de entrada al rectificador puede ser monofásico o
trifásico.
(a) Diagrama de circuito (b) Formas de onda de voltaje

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Convertidores ca-cd. Un convertidor monofásico con
dos tiristores de conmutación. El valor promedio del
voltaje de salida se puede controlar variando el tiempo
de conducción de los tiristores o el ángulo de retraso de
disparo, α. La entrada puede ser una fuente mono o
trifásica. Estos convertidores también se conocen como
rectificadores controlados
(c) Diagrama de circuito (d) Formas de onda de voltaje

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de potencia
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Convertidores ca-ca. Estos convertidores se utilizan
para obtener un voltaje de salida de corriente alterna
variable a partir de una fuente de corriente alterna fija.
El voltaje de salida se controla mediante la variació́n del
tiempo de conducción de un TRIAC o el ángulo de
retraso de dispari. α. Estos tipos de convertidores
también se conocen como controladores de voltaje de
ca.
(e) Diagrama de circuito (f) Formas de onda de voltaje

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potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Convertidores cd-cd. Un convertidor cd-cd también se
conoce como un pulsador o un regulador de
conmutación. El voltaje promedio de salida se controla
mediante la variación del tiempo de conducción t, del
transistor Q1. Si T es el periodo de corte, entonces
t1 = δT, δ se conoce como el ciclo de trabajo del
pulsador.
(g) Diagrama de circuito (h) Formas de onda de voltaje

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de potencia
de potencia
Convertidores cd-ca. Un convertidor de cd a ca también conocido
como un inversor. Un inversor monofásico de transistor. Si los
transistores M1 y M2 conducen durante medio periodo, y M3 y M4
conducen durante la otra mitad, el voltaje de salida tiene una forma
alterna. El voltaje de salida puede ser controlado variando el tiempo
de conducción de los transistores
(i) (j)

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de potencia
de potencia
Interruptores estáticos. Dado que los dispositivos de
potencia pueden ser operados como interruptores
estáticos o contactores, la alimentación a estos
interruptores puede ser de ca o cd y se conocen como
interruptores estáticos de ca o interruptores de cd.

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Semiconductores
de potencia
de potencia
Los diodos semiconductores de potencia juegan un
papel significativo en los circuitos de potencia. Un diodo
funciona como un interruptor, a fin de llevar a cabo
varias funciones.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
varias funciones.
Para la mayor parte de las aplicaciones, se puede
suponer que los diodos de potencia son interruptores
ideales, pero los diodos prácticos o reales difieren de las
características ideales y tienen ciertas limitaciones.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
varias funciones.
Para la mayor parte de las aplicaciones, se puede
suponer que los diodos de potencia son interruptores
ideales, pero los diodos prácticos o reales difieren de las
características ideales y tienen ciertas limitaciones.
Los diodos de potencia tienen mayores capacidades en
el manejo de la energía, el voltaje y la corriente, que los
diodos de señal ordinarios. La respuesta a la frecuencia
(o velocidad de conmutación) es baja en comparación
con los diodos de señal.

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Semiconductores
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de potencia
Características de los diodos
Un diodo de potencia es un dispositivo de unión pn de
dos terminales. En la Figura 1 aparece un corte
transversal de una unión pn y un símbolo de diodo.
(k) Unión pn (l) Símbolo de diodo
Figura: Símbolo de diodo y unión pn.
Cuando el potencial del ánodo es positivo con respecto
al cátodo, se dice que el diodo tiene polarización directa
o positiva y el diodo conduce.

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Semiconductores
de potencia
de potencia
Un diodo en conducción tiene una caída de voltaje
directa relativamente pequeña a través de sí mismo; la
magnitud de esta caída de voltaje depende del proceso
de manufactura y de la temperatura de la unión.
Cuando el potencial del cátodo es positivo con respecto
al ánodo, se dice que el diodo tiene polarización inversa.
En esta polarización fluye una pequeña corriente
inversa (corriente de fuga) en el rango de los micros o
de los miliamperios, cuya magnitud crece lentamente en
función del voltaje inverso hasta llegar al voltaje de
avalancha o zener.

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Semiconductores
de potencia
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Las características v − i, se pueden expresar mediante una ecuación
conocida como la ecuación Schockley de diodo, y está dada por
ID = Is(eVd /nVT − 1) (1)
(a) Práctica o real (b) Ideal
donde
ID = corriente a través del diodo. [A]
VD = voltaje del diodo con el ánodo positivo con respecto al cátodo. [V]
Is = corriente de fuga (o corriente de saturación inversa), típicamente en
el rango entre 10−6 y 10−15. [A]
n = constante empírica conocida como coeficiente de emisión o factor de
idealidad, cuyo valor varía de 1 a 2.

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El coeficiente de emisión n depende del material y de la
construcción física del diodo.
Los diodos de germanio, n se considera igual a 1.
Los diodos de silicio, n ideal se considera igual a 2, pero
en la mayor parte de los diodos de silicio reales, el valor
de n cae entre 1.1 y 1.8.

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de potencia
de potencia
En la ecuación (1), VT es una constante llamada voltaje
térmico y esta dada por
VT =
kT
q
(2)
donde
q = carga del electrón: 1,6022 × 10−19
culombios [C]
T = temperatura absoluta en Kelvins [K=273+◦
C]
k = constante de Boltzmann: 1,3806 × 10−23
[J/K]
A una temperatura de unión de 25◦C, la ecuación (21)
da
VT =
kT
q
=
(1,3806 × 10−23) × (273 + 25)
1,6022 × 10−19
≈ 25,8mV
A una temperatura especificada, la corriente de fuga Is
es una constante para un diodo dado.

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Semiconductores
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El diodo semiconductor se puede dividir en tres
regiones:
Región de polarización directa, donde VD > 0.
Región de polarización inversa, donde VD < 0.
Región de ruptura, donde VD < −Vzk
Región de polarización directa. La corriente del diodo
ID es muy pequeña si el voltaje del diodo VD es menos
que un valor específico VTD (típicamente 0.7 V). La
ecuación de Schockley se puede aproximar (debido a
VD > 0)
ID
∼
= Is(eVD/nVT
)

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Semiconductores
de potencia
de potencia
Región de polarización inversa. En la región de
polarizació́n inversa, Vd < 0. Si VD es negativo y
|VD| >> VT , el término de la exponencial de la ecuación
de Schockley se vuelve despreciablemente pequeño en
comparación con la unidad, y la corriente del diodo ID se
vuelve
ID = −Is
lo que indica que la corriente del diodo ID en la dirección
inversa es constante y es igual a Is.

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Semiconductores
de potencia
de potencia
Región de ruptura. En la región de ruptura, el voltaje
inverso es alto, por lo general mayor que 1000 V. La
magnitud del voltaje inverso excede un voltaje
especificado conocido como voltaje de ruptura, VBR. La
corriente inversa aumenta rápidamente con un pequeño
cambio en el voltaje inverso más allá de VBR. La
operación en la región de ruptura no será desctructiva,
siempre y cuando la disipación de la potencia esté
dentro del “nivel seguro” especificado en la hoja de
datos del fabricante. A menudo es necesario limitar la
corriente inversa en la región de la ruptura, a fin de
mantener la disipación de la energía dentro de valores
permisibles.

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potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Ejemplo
La caída de voltaje directa de un diodo de potencia es
VD = 1,2 V a ID = 300 A. Suponiendo que n = 2 y
VT = 25,8 mV, encuentre la corriente de saturación Is.

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de potencia
de potencia
Ejemplo
La caída de voltaje directa de un diodo de potencia es
VD = 1,2 V a ID = 300 A. Suponiendo que n = 2 y
VT = 25,8 mV, encuentre la corriente de saturación Is.
Solución: Aplicando la ecuación de Schockley, podemos
encontrar la corriente de fuga (o corriente de saturación)
Is, a partir de
300 = Is
h
e1,2/(2×25,8×10−3
) − 1
i
(3)
Is =
300
12585534721,4
= 2,384 × 10−8
(4)

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Semiconductores
de potencia
de potencia
El tiempo de recuperación inversa trr , puede definirse como el
intervalo de tiempo entre el instante en que la corriente pasa a
través del cero, durante el cambio de la conducción directa a la
condición de bloqueo inverso, y el momento en que la corriente
inversa se ha reducido al 20 % de su valor inverso pico IRR.
La carga de recuperación inversa QRR es la cantidad de portadores
de carga que fluyen a través del diodo en dirección inversa debido a
un cambio de la conducción directa a la condición de bloqueo
inverso. su valor queda determinado por el área encerrada por la
trayectoria de la corriente de recuperación inversa. La carga de
almacenamiento, que es el área envuelta por la trayectoria de la
corriente de recuperación, es aproximadamente
QRR ≈
1
2
di
dt
t2
rr o bien IRR ≈
2QRR
trr
= ta
di
dt
como trr = ta + tb, el factor de suavidad SF se obtiene tb/ta, si tb = 0
y ta ≈ trr entonces
trr
∼
=
s
2QRR
di/dt
y IRR =
r
2QRR
di
dt

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de potencia
Si un diodo está en una condición de polarización inversa, fluye una corriente
de fuga debida a los portadores minoritarios.
La aplicación de un voltaje directo obligaría al diodo a conducir la corriente en
la dirección directa.
Y se requiere de un cierto tiempo, conocido como el tiempo de recuperación
directa (o de activación). antes de que los portadores mayoritarios de toda la
unión puedan contribuir al flujo de corriente. Si la velocidad de elevación de la
corriente directa es alta, y la corriente directa es alta y la corriente directa está
concentrada en una pequeña superficie de la unión, el diodo puede fallar. Por
lo tanto, el tiempo de recuperación directo limita la velocidad de elevación de la
corriente directa y la velocidad de conmutación.

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Ejemplo
El tiempo de recuperación inversa de un diodo es
trr = 3 µs y la velocidad del decremento o de la
reducción de la corriente del diodo es di/dt = 30 A/µs.
Determine (a) la carga de almacenamiento QRR y (b) la
corriente inversa pico IRR.

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Ejemplo
Solución trr = 3µs y di/dt = 30 A/µs.

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de potencia
Ejemplo
a. QRR = 1
2
di
dt t2
rr = 0,5 × 30 A/µs × (3 × 10−6
)2
= 135 µC.

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de potencia
de potencia
Ejemplo
a. QRR = 1
2
di
dt t2
rr = 0,5 × 30 A/µs × (3 × 10−6
)2
= 135 µC.
b. IRR =
q
2QRR
di
dt =
√
2 × 135 × 10−6 × 30 × 10−6 = 90 A

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potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Tipos de diodos de potencia
Idealmente, un diodo no debería tener tiempo de recuperación
inversa. Dependiendo de las características de recuperació́n y de las
técnicas de fabricación, los diodos de potencia se pueden clasificar en
tres categorías. Las características y las limitaciones prácticas de
cada uno de estos tipos restrigen sus aplicaciones.
Diodos estándar o de uso general. Tienen un tiempo de recuperación inversa
relativamente alto, típicamente de 25µS, y se utilizan en aplicaciones de baja
velocidad.
Diodos de recuperación rápida. Tienen un tiempo de recuperación bajo, por lo
general menor que 5µS. Se utilizan en circuitos convertidores cd–cd y cd–ca.
Diodos Schottky. La carga recuperada de un diodo Schotkky es mucho
menor que la de un diodo equivalente de unión pn. Dado que se debe sólo a
la capacitancia de la unión, básicamente es independiente de la di/dt
inversa. Un diodo Schotkky tiene una salida de voltaje relativamente baja.
Son ideales en fuentes de alimentación de alta corriente y de bajo voltaje en
corriente directa. Sin embargo, también se utilizan en fuentes de
alimentación de baja corriente para una eficiencia mayor.

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de potencia
de potencia
Efectos del tiempo de recuperación directa e
inversa
La importancia de estos parámetros..
(c) Diagrama de circuito (d) Forma de onda
Si el interruptor SW, se cierra en t = 0 y se mantiene cerrado el
tiempo suficiente, una corriente en régimen permantente I0 = Vs/R
fluirá a través de la carga y el diodo en marcha libre Dm quedará con
polarización inversa.

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Semiconductores
de potencia
de potencia
1 Si el interruptor se desconecta en t = t1, el diodo Dm
conducirá y la corriente de carga circulará a través de
Dm.
2 Si el interruptor se conecta en t = t2, el diodo Dm se
comporta como si estuviera en corto.
La velocidad de elevación de la corriente directa del
interruptor (y el diodo D1), y la velocidad de reducción
de la corriente directa en el diodo Dm serían muy altas,
tendiendo al infinito. La corriente de pico inversa del
diodo Dm podría ser muy alta, y los diodos D1y Dm
podrían dañarse.

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potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
(e) Diagrama de circuito (f) Forma de onda
Este problema por lo general se resuelve conectando un inductor limitante
di/dt. Ls. Los diodos reales o prácticos requieren de cierto tiempo de activación
antes de que toda la superficie de la unión se haga conductora, di/dt debe de
mantenerse bajo, para alcanzar el límite de tiempo de activación. Este tiempo a
veces se conoce como tiempo de recuperación directa trf . La velocidad de
elevación de la corriente a través del diodo D1, que debería de ser la misma
que la velocidad de reducción de la corriente a través del diodo Dm, es
di
dt
=
Vs
Ls

Unidad 1. Semi-
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potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Si trr es el tiempo de recuperación inversa de Dm, la
corriente de pico inversa de Dm es
IRR = trr
di
dt
=
trr Vs
Ls
Y la corriente de pico a través del inductor Ls sería
Ip = I0 + IRR = I0 + trr
trr Vs
Ls
Cuando la corriente del inductor se convierte en Ip, el
diodo Dm se desconecta o desactiva repentinamente
(supóniendo una recuperación abrupta) y rompe la
trayectoria del flujo de corriente. La corriente no puede
cambiar rápidamente de I0 a Ip.

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Semiconductores
de potencia
de potencia
Resumen
El tiempo de recuperación inversa juega un papel
significativo, especialmente en aplicaciones de
interrupción de alta velocidad.
Si para aumentar la capacidad del voltaje de bloqueo los
diodos se conectan en serie.
Los diodos se conectan el paralelo, para aumentar la
capacidad de conducción de corriente.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Problemas
Trr = 5µ s y la velocidad de reducción de la corriente del
diodo es di/dt = 80A/µ s. Si el factor de suavidad es
SF = 0,5, determine (a) la carga de almacenamiento
QRR y (b) la corriente inversa pico IRR

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Problemas
Trr = 5µ s y la velocidad de reducción de la corriente del
diodo es di/dt = 80A/µ s. Si el factor de suavidad es
SF = 0,5, determine (a) la carga de almacenamiento
QRR y (b) la corriente inversa pico IRR
Solución. QRR = 1
2
di
dt t2
rr = 1mC por lo tanto
IRR =
q
2QRR
di
dt = 400A

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Los valores medidos de un diodo a una temperatura de 25◦
son
VD = 1,0 V a ID = 50 A, VD = 1,5 V a ID = 600 A. Determine (a) el
coeficiente de emisión n y (b) la corriente de fuga Is

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
son
Solución: VT = KT
q
= (1,3806−23
)(273+25)
1,6022−19 ≈ 25,678

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
son
Solución: VT = KT
q
= (1,3806−23
)(273+25)
1,6022−19 ≈ 25,678
ID = IseVD/nVT = Ln(ID) = Ln(IseVD/nVT ) = Ln(Is) + Ln( VD
nVT
)

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
son
Solución: VT = KT
q
= (1,3806−23
)(273+25)
1,6022−19 ≈ 25,678
ID = IseVD/nVT = Ln(ID) = Ln(IseVD/nVT ) = Ln(Is) + Ln( VD
nVT
)
VD = nVT Ln(ID
Is
), La diferencia de voltajes en el diodo puede ser
expresado
V1 − V2 = nVT Ln(
ID1
Is
) − nVT Ln(
ID2
Is
) = nVT

Ln(
ID1
Is
) − Ln(
ID2
Is
)

= nVT Ln
ID1
Is
ID2
Is
!
== nVT

Ln
ID1
ID2

por lo tanto n = 7,99 y Is = 0,347

Unidad 1. Semi-
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potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Dos diodos están conectados en paralelo, como se muestra en la
figura 2, con resistencias de repartición de corriente, en donde
VD1 = 1,1 V y VD2 = 1,95 V. La corriente total es IT = 200 A. El
voltaje a través de un diodo y su resistencia es v = 2,5 V. Determine
los valores de las resistencias R1 y R2 si la corriente se comparte de
forma ideal entre ambos diodos.
Figura: Diodos paralelo

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potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Dos diodos están conectados en paralelo, como se muestra en la
figura 2, con resistencias de repartición de corriente, en donde
VD1 = 1,1 V y VD2 = 1,95 V. La corriente total es IT = 200 A. El
voltaje a través de un diodo y su resistencia es v = 2,5 V. Determine
los valores de las resistencias R1 y R2 si la corriente se comparte de
forma ideal entre ambos diodos.
Figura: Diodos paralelo
Solución problema IT = 200 A, v = 2,5, I1 = I2,
I1 = IT /2 = 200/2 = 100 A v = VD1 + I1R1 O 2,5 = 1,1 + 100R1 o
R1 = 14mΩ v = VD2 + I2R2 O 2,5 = 1,95 + 100R2 o R2 = 5,5mΩ

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Dos diodos están conectados en serie. La resistencia a través de los
diodos es R1 = R2 = 10 kΩ. El voltaje de entrada de corriente
directa es 5 kV. Las corrientes de fuga son Is1 = 25 mA e
Is2 = 40 mA y si la corriente de fuga total es compartida. Determine
el voltaje a través de los diodos.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Dos diodos están conectados en serie. La resistencia a través de los
diodos es R1 = R2 = 10 kΩ. El voltaje de entrada de corriente
directa es 5 kV. Las corrientes de fuga son Is1 = 25 mA e
Is2 = 40 mA y si la corriente de fuga total es compartida. Determine
el voltaje a través de los diodos.
solución de la ecuación Is = Is1 + IR1 = Is2 + IR2 o
Is1 + VD1
R1
= Is2 + VD2
R2
= 25−3
+ VD1/10000 = 40−3
+ VD2/10000
VD1 + VD2 = Vs = 5000 resolviendo para VD1 y VD2 da VD1 = 2575V
VD2 = 2425V

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Determine I, V1, V2 y Vo para la configuración en serie cd
de la figura

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
de la figura
I = E1+E2−VD
R1+R2
= 10+5−0,7
4,7 kΩ+2,2 kΩ = 14.,V
6,9 kΩ

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
de la figura
I = E1+E2−VD
R1+R2
= 10+5−0,7
4,7 kΩ+2,2 kΩ = 14.,V
6,9 kΩ
V1 = 9,73 V, V2 = 4,55 V,
V0 = V2 − E2 = 4,55 V − 5V = −0,45V

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Determine las corrientes I1, I2 e ID2 para la red de la
figura

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Determine las corrientes I1, I2 e ID2 para la red de la
figura
I1 = VD1
R1
= 0,7
3,3 kΩ , −VR2 + E − VD1 − VD2 = 0,,
V2 = 18,6V, I2 = VR2
R2
= 18,6
5,6 kΩ = 3,32 mA,
ID2 + I1 = I2 = 3,11 mA

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Rectificador de media onda monofásico
Un rectificador es un circuito que convierte una señal de corriente
alterna en una señal unidireccional. Un rectificador monofásico de
media onda es el tipo más sencillo, pero nose utiliza normal mente en
aplicaciones industriales.
(a) Diagrama de circuito (b) Formas de onda de voltaje

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
El diodo es un interruptor electrónico básico que sólo
permite el paso de corriente en un sentido.
En el semiciclo positivo del generador de este circuito, el
diodo conduce (Polarizado en directa).
En el semiciclo negativo del generador, el diodo está
polarizado en inversa, lo que hace que la corriente sea
cero.
Un rectificador de potencia es un procesador de
potencia que debe proporcionar una salida de cd con
una cantidad mínima de contenido armónico. Al mismo
tiempo, deberá mantener la corriente de entrada tan
sinusoidal como sea posible y en fase con el voltaje de
entrada, de tal forma que el factor de potencia esté
cercano a la unidad.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Parámetros de rendimiento
Un rectificador es un procesador de potencia que debe
proporcionar una salida de cd con una cantidad mínima
de contenido armónico. Al mismo tiempo, deberá
mantener la corriente de entrada tan sinusoidal como sea
posible y en fase con el voltaje de entrada, de tal forma
que el factor de potencia esté cercano a la unidad. La
calidad del procesamiento de energía de un rectificador
requiere de la determinación del contenido armónico de la
corriente de entrada, del voltaje de salida y de la corriente
de salida. Hay distintos tipos de circuitos de rectificadores
y los rendimientos de un rectificador se evalúan
normalmente en función de los parámetros siguientes:

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
El valor promedio del voltaje de salida (o de carga), Vcd .
El valor promedio de la corriente de salida (de carga), Icd .
La potencia de salida en cd.
Pcd = Vcd Icd
El valor medio cuadrático (rms) del voltaje de salida, Vrms.
El valor medio cuadrático (rms) de la corriente de salida, Irms.
La potencia de salida en ca.
Pca = VrmsIrms
La eficiencia (o relación de rectificación) de un rectificador, que es una
cifra de mérito y nos permite comparar la efectividad, se define como
η =
Pcd
Pca

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
El voltaje de salida se puede determinar como formado de dos
componentes:
1. El valor CD
2. la componente de ca u ondulatoria
El valor efectivo (rms) de la componente de ca del voltaje de salida es
Vca =
q
V2
rms − V2
cd
El factor de forma, que es una medida de la forma del voltaje de salida, es
FF =
Vrms
Vcd
El factor de componente ondulatoria, que es una medida del contenido de la
componente ondulatoria, se define como
RF =
Vca
Vcd
=
s

Vrms
Vcd
2
− 1 =
p
FF2 − 1
El factor de utilización del transformador se define como
TUF =
Pcd
VsIs
donde Vs e Is son el voltaje y la corriente media cuadrática (rms) del
secundario del transformador, respectivamente

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
ejemplo
El rectificador de la figura ?? tiene una carga resistiva
pura igual a R. Determine (a) la eficiencia, (b) el factor de
forma, (c) el factor de componente ondulatoria, (d) el
factor de utilización de transformación.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Solución ejemplo
El voltaje de salida promedio Vdc se define como
Vcd =
1
T
Z T
0
υL(t)dt
Debemos notar que es un rectificador de media onda,
tenemos que υL(t) = 0 para T/2 ≤ t ≤ T. Por lo tanto,
tenemos
Vcd =
1
T
Z T
0
Vm sen ωtdt = −
Vm
ωT

cos
ωT
2
− 1


Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Pero la frecuencia de la fuente es f = 1/T y ω = 2πf. Por lo tanto,
Vcd =
Vm
π
= 0,318Vm (5)
Icd =
Vcd
R
=
0,318Vm
R
(6)
El valor medio cuadrático (rms) de una forma de onda periódica se define
como
Vrms =

1
T
Z T
0
υL(t)2
dt
#1/2
Para un voltaje sinusoidal de valor υL(t) = Vm sen ωt para 0 ≤ t ≤ T/2, el
valor rms del voltaje de salida es
Vrms =

1
T
Z T/2
0
(Vm sen ωt)2
dt
#1/2
=
Vm
2
= 0,5Vm (7)
Irms =
Vrms
R
=
0,5Vm
R
(8)
Pcd = (0,318Vm)2
/R, Pca = (0,5Vm)2/R.
Eficiencia η = (0,318Vm)2
/ (0,5Vm)2
= 40,5 %
Factor de forma FF = 0,5Vm/0,318Vm = 1,57 es decir 157 %
Factor de componente ondulatoria RF =
p
1,572 − 1 = 1,21 es decir 121 %

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
El voltaje rms del secundario del transformador es
Vs =

1
T
Z T
0
(vm sen ωt)2
dt
#1/2
=
Vm
√
2
= 0,707vm
el valor rms de la corriente del secundario del
transformador es la misma que la carga
Is =
0,5Vm
R
TUF = Pcd /(VsIs) = 0,3182/(0,707 × 0,5) = 0,286.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Añadiendo una carga RL en el circuito del diodo en serie tal y
como aparece en la figura 3c. Debido a la carga ind
uctiva, el periodo de conducción del diodo D1 se extenderá
más allá de los 180◦
hasta que la corriente se haga cero en
ωt = π + σ. Las formas de onda de la corriente y el voltaje
aparecen en 3d.
Figura: forma de onda

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Debe hacerse notar que el υL promedio del inductor es cero
Vcd =
Vm
2π
Z π+σ
0
sen ωtd(ωt) =
Vm
2π
[− cos ωt]π+σ
0 (9)
=
Vm
2π
[1 − cos(π + σ)] (10)
La corriente de carga promedio es Icd = Vcd /R. De la ecuación
anterior se puede notar que es posible aumentar el voltaje promedio (y
la corriente) haciendo que σ = 0, lo que es posible añadiendo un
diodo de marcha libre Dm, tal y como aparece en la figura. Con líneas
punteadas. El efecto de este diodo es evitar que aparezca un voltaje
negativo a través de la carga; y como resultado, aumenta la energía
magnética almacenada.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Rectificadores monofásicos de onda
completa
En la figura aparece un circuito rectificador de onda completa con un
transformador de derivación central y un rectificador puente(es de
uso común en aplicaciones industriales). Dado que a través del
transformador no fluye corriente directa, no hay problema por
saturación en el nucleo de este mismo transformador. El voltaje de
salida promedio es:
Vcd =
2
T
Z 1/2
0
Vm sen ωtdt =
2Vm
π
= 0,6366vm
(a) Diagrama de
circuito
(b) Diagrama de circuito

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Figura: forma de onda

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Ejemplo
Si el rectificador de la figura 4a tiene una carga resistiva pura de valor R,
determine (a) la eficiencia, (b) el factor de forma, (c) el factor de componente
ondulatoria, (d) el factor de utilización del transformador.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Ejemplo
Si el rectificador de la figura 4a tiene una carga resistiva pura de valor R,
determine (a) la eficiencia, (b) el factor de forma, (c) el factor de componente
ondulatoria, (d) el factor de utilización del transformador.
Solución. El voltaje promedio de salida es
Vcd =
2Vm
π
= 0,6366Vm
y la corriente promedio de carga es
Icd =
Vcd
R
=
0,6366Vm
R
El valor rms del voltaje de salida es
Vrms =

2
T
Z T/2
0
(Vm sen ωt)2
dt
#1/2
=
Vm
√
2
= 0,707Vm
Irms =
Vrms
R
=
0,707Vm
R
Pcd = (0,6366Vm)2
/R, Pca = (0,707Vm)2
/R. η = (0,6366Vm)2
/(0,707Vm)2
= 8
FF = 0,707Vm/0,63666Vm = 1,11 RF =
q
1,112 − 1 = 0,482 o bien 48,2 %

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia El voltaje rms del secundario del transformador
Vs = Vm/
√
2 = 0,707Vm. El valor rms de la corriente del
secundario del transformador Is = 0,5Vm/R.
TUF =
0,63662
2 × 0,707 × 0,5
= 0,5732 = 57,32 %

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Rectificadores trifásicos en puente
Un rectificador trifásico en puente como el que se
muestra en la figura 5 es de uso común en aplicaciones
de alta energía. Este es un rectificador de onda completa.
Figura

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Puede operar sin o con transformador y genera componentes ondulatorias de
seis pulsos en el voltaje de salida. Los diodos están numerados en orden de
secuencia de conducción, cada uno de ellos conduce durante 120◦. La
secuencia de la conducción de los diodos es 12,23,34,45,56 y 61. El par de
diodos conectados entre el par de líneas de alimentación que tengan la
diferencia de potencial instantáneo más alto de línea a línea serán los que
conduzcan. En una fuente conectada en estrella trifásica el voltaje de línea a
línea es
√
3 veces el voltaje de fase. Las formas de onda y los tiempos de
conducción de los diodos aparecen en la figura ??.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Un circuito rectificador, se puede extender a varias fases mediante
embobinados multifase en el secundario del transformador.
Este circuito se puede considerar como q rectificadores monofásicos
de media onda y es del tipo de media onda. El periodo de
conducción de cada diodo es 2π/q
Si suponemos una onda coseno desde π/q hasta 2π/q, el voltaje
promedio de salida para un rectificador de q fases está dado por
Vcd =
2
2π/q
Z π/q
0
Vm cos(ωt)d(ωt) = Vm
q
π
sen

π
q

Vrms =

2
2π/q
Z π/q
0
V2
m cos2
(ωt)d(ωt)
#1/2
= Vm

q
2π

π
q
+
1
2
sen

2π
q
1/2

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
donde Vm es el voltaje de fase pico. El voltaje rms de salida es
Vrms =

2
2π/6
Z π/6
0
3V2
m cos2
ωtd(ωt)
#1/2
=

3
2
+
9
√
3
4π
1/2
Vm = 1,6554V
Si la carga es puramente resistiva, la corriente pico a través de un
diodo es Im =
√
3Vm/R y el valor rms de la corriente del diodo es
Ir =

4
2π
Z π/6
0
I2
m cos2
ωtd(ωt)
#1/2
= Im

1
π

π
6
+
1
2
sen
2π
6
1/2
= 0,5518Im
el valor rms de la corriente secundaria del transformador
Is =

8
2π
Z π/6
0
I2
m cos2
ωtd(ωt)
#1/2
= Im

2
π

π
6
+
1
2
sen
2π
6
1/2
= 0,7804Im
donde Im es la corriente de línea pico en el secundario.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Un rectificador trifásico en puente tiene una carga puramente
resistiva de valor R. Determine (a) la eficiencia, (b) el factor de
forma, (c) el factor de componente ondulatoria, (d) el factor de
utilización del transformador.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Un rectificador trifásico en puente tiene una carga puramente
resistiva de valor R. Determine (a) la eficiencia, (b) el factor de
forma, (c) el factor de componente ondulatoria, (d) el factor de
utilización del transformador.
Solución. Vcd = 0,954Vm e Icd = 0,954Vm/R. Vrms = 0,9557Vm,
Irms = 0,9557Vm/R. Pcd = (0,954Vm)2
/R, Pca = (0,6557Vm)2
/R
η =
(0,954Vm)2
(0,9557Vm)2
= 99,6 %
FF = 0,9557/0,954 = 1,0008 = 100,01 %,
RF =
p
1,00082 − 1 = 0,059 = 5,97 %

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Transistores
Los transistores de potencia tienen características
controladas de activación y desactivación. Los
transistores, que se utilizan como elementos
conmutadores, se operan en la región de saturación, lo
que da como resultado en una caída de voltaje baja en
estado activo. La velocidad de conmutación de los
transistores modernos es mucho mayor que la de los
tiristores, por que se utilizan en forma amplia en
conertidores de ca-cd y de cd-ca. Sin embargo, las
especificaciones de voltaje y de corriente son menores
que las de los tiristores y por lo que, los transistores se
utilizan, por lo general, enaplicaciones de baja a media
potencia.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Los transistores de potencia se pueden clasificar de
manera general en cuatro categorías:
1. Transistores bipolares de juntura (BJT)
2. Transistores semiconductores de metal de óxido de
efecto de campo (MOSFET)
3. Transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT)
A fin de explicar las técnicas de conversión de potencia,
los BJT’s o MOSFET o IGBT se pueden tratar como
interruptores ideales.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
BJT
A pesar de que hay tres configuraciones posibles, colector
común, base común y emisor común, la configuración de
emisor que aparece en la fig 6a, es la que generalmente
se utiliza en aplicaciones de conmutación.
(a) Diagrama
de circuito
(b) Característica de salida
Figura: Característica transistores NPN

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
En un transistor existen tres regiones de operación: de
corte, activa y de saturación.
En la región de corte, el transistor está desactivado o la
corriente de base no es suficiente para activarlo
teniendo ambas uniones polarización inversa.
En la región activa, el transistor actúa como un
amplificador. La unión colector–base tiene polarización
inversa u la base–emisor polarización directa.
En la región de saturación, la corriente de base es lo
suficientemente alta para que el voltaje colector–emisor
sea bajo, y el transistor actúa como interruptor. Ambas
uniones colector–Base y Base–Emisor tienen
polarización directa.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
La ecuación que relaciona las corrientes es IE = IC + IB La ganancia de
coorriente β = hFE =
IC
IB
El transistor operado como interruptor
IB =
vB − VBE
RB
, VC = VCE = VCC − ICRC = VCC −
βRC
RB
(VB − VBE )
VCE = VCB + VBE
La ecuación anterior indica siempre qie VCE ≤ VBE , la unión colector–base
tendrá que polarización inversa y el transistor estará en región activa. La
corriente máxima del colector en la región activa, que se puede obtener al
ajustar VCB = 0 y VBE = VCE es
ICM =
VCC − VCE
RC
=
VCC − VBE
Rc
corriente de base IBM =
ICM
β

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
La saturación del transistor se puede definir como el punto por arriba del cual
cualquier incremento en la corriente de base no aumenta significativamente
la corriente de colector. En saturación la corriente del colector se conserva
prácticamente constante. Si el voltaje de saturación del colector-emisor es
VCE(sat), la corriente del colector es
ICS =
VCC − VCE(sat)
RC
y el valor correspondiente de la corriente de base es
IBS =
ICS
β
La relación entre IB e IBS se conoce como el factor de sobreexcitación. ODF
ODF =
IB
IBS
y la relación entre ICS e IB se conoce como la β forzada,
βf =
ICS
IB
La pérdida total de potencia en las dos uniones es
PT = VBE IB + VCE IC

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Se especifica que el transistor bipolar, tiene una β en el rango 8 a 40. La
resistencia de la carga es Rc = 11Ω. El voltaje de alimentación en cd es
VCC = 200 V y el voltaje de entrada al circuito de la base es VB = 10 V. Si
VCE(sat) = 1,0 V y VBE(sat) = 1,5 V, encuentre (a) el valor de RB que resulta
en saturación con un factor de sobreexcitación de 5, (b)la βf forzada y (c) la
pérdida de potencia PT en el transistor.
nota: Para un factor de sobreexcitación de 10, IB = 22,265 A y la pérdida de
potencia sería PT = 1,5 × 22,265 + 18,1 = 51,5 W. Una vez saturado el
transistor, el voltaje colector–emisor no se reduce en relación con el aumento
de la corriente de base. Sin embargo, aumenta la pérdida de potencia. A un
valor alto de ODF, el transistor puede dañarse debido al sobrecalentamiento.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Se especifica que el transistor bipolar, tiene una β en el rango 8 a 40. La
resistencia de la carga es Rc = 11Ω. El voltaje de alimentación en cd es
VCC = 200 V y el voltaje de entrada al circuito de la base es VB = 10 V. Si
VCE(sat) = 1,0 V y VBE(sat) = 1,5 V, encuentre (a) el valor de RB que resulta
en saturación con un factor de sobreexcitación de 5, (b)la βf forzada y (c) la
pérdida de potencia PT en el transistor.
Solución VCC = 200 V, βmin = 8, βmax = 40, RC = 11Ω, ODF = 5, VB = 10
V, VCE(sat)=1,0 V y VBE(sat) = 1,5 V. ICS = (200 − 1,0)/11 = 18,1 A.
IBS = 18,1/βmin018,1/8 = 2,2625. La corriente de base para un factor de
sobrecargade 5 IB = 5 × 2,2625 = 11,3125 A, el valor requerido de
RB =
VB−VBE(sat)
IB
= 10−1,5
11,3125
= 0,7512Ω. (b)βf = 18,1/11,3125 = 1,6. (c)
PT = 1,5 × 11,3125 + 1,0 × 18,1 = 16,97 + 18,1 = 35,07 W
nota: Para un factor de sobreexcitación de 10, IB = 22,265 A y la pérdida de
potencia sería PT = 1,5 × 22,265 + 18,1 = 51,5 W. Una vez saturado el
transistor, el voltaje colector–emisor no se reduce en relación con el aumento
de la corriente de base. Sin embargo, aumenta la pérdida de potencia. A un
valor alto de ODF, el transistor puede dañarse debido al sobrecalentamiento.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
¿Cual es la magnitud del voltaje necesario para cerrar el interruptor
(saturar el transistor)?
¿Cuánta corriente circula por la carga cuando esto sucede?
¿Cuál es la magnitud de la corriente de base necesaria?

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
¿Cual es la magnitud del voltaje necesario para cerrar el interruptor
(saturar el transistor)?
¿Cuánta corriente circula por la carga cuando esto sucede?
¿Cuál es la magnitud de la corriente de base necesaria?
Solución. IC(sat) = Vcc
RL
= 24 V
16 Ω
= 1,5 A, IB(sat) =
VCC
βRL
= 24 V
(150)(16 Ω)
= 10 mA,
Vin = IB(sat)RB+0,7V = (10mA)(1 KΩ) + 0,7 = 10,7 V En el ejemplo
podemos observar que una gran corriente de carga de 1,5 A, puede ser
conmutada por pequeños valores de voltaje y corriente de entrada.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Efecto producido por cargas inductivas
Las cargas inductivas someten a los transistores a las condiciones de
trabajo más desfavorables dentro de la zona activa.
Para una carga resistiva, el transistor pasará de corte a saturación por
la recta que va desde A hasta C, y de saturación a corte desde C a A.
Con una carga inductiva como en el circuito anterior el transistor pasa
a saturación recorriendo la curva ABC, mientras que el paso a corte lo
hace por el tramo CDA. Puede verse que este último paso lo hace
después de una profunda incursión en la zona activa que podría
fácilmente sobrepasar el límite de avalancha secundaria, con valor
VCE muy superior al valor de la fuente (Vcc).

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
a) Diodo Zéner en paralelo con el transistor (la tensión nominal zéner
ha de ser superior a la tensión de la fuente Vcc).
b) Diodo en antiparalelo con la carga RL.
c) Red RC polarizada en paralelo con el transistor (red snubber).
Las dos primeras limitan la tensión en el transistor durante el paso de
saturación a corte, proporcionando a través de los diodos un camino
para la circulación de la intensidad inductiva de la carga.
En la tercera protección, al cortarse el transistor la intensidad inductiva
sigue pasando por el diodo y por el condensador CS, el cual tiende a
cargarse a una tensión Vcc.

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conductores de
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Semiconductores
de potencia
de potencia
Diseñando adecuadamente la red RC se consigue que la tensión en el
transistor durante la conmutación sea inferior a la de la fuente,
alejándose su funcionamiento de los límites por disipación y por
avalancha secundaria. Cuando el transistor pasa a saturación el
condensador se descarga a través de RS.
El efecto de la red snubber es la que se puede apreciar en la figura, el
paso de saturación (A) a corte (pB) se produce de forma más directa y
sin alcanzar valores de VCE superiores a la fuente Vcc.
Para el cálculo de CS se suponer, despreciando las pérdidas, que la
energía almacenada en la bobina L antes del bloqueo debe haberse
transferido a CS cuando la intensidad de colector se anule.

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de potencia
de potencia
Por tanto:
1
2
× L × I2
Csat =
1
2
× Cs × V2
CC
donde:
Cs =
L × I2
Csat
V2
CC
Para calcular el valor de RS hemos de tener en cuenta
que el condensador ha de estar descargado totalmente
en el siguiente proceso de bloqueo, por lo que la
constante de tiempo de RS y CS ha de ser menor (por
ejemplo una quinta parte) que el tiempo que permanece
en saturación el transistor :
τs = Rs × Cs ≤
tiempo BJT saturado
5

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de potencia
Mosfet de potencia
Un mosfet de potencia es un dispositivo controlado por
voltaje, que requiere sólo de una pequeña corriente de
entrada. La velocidad de conmutación es muy alta siendo los
tiempos de conmutación del orden de los nanosegundos.
Las ventajas que presentan este tipo de transistor, han
llevado a que ocupen un lugar importante dentro de la
industria, desplazando a los viejos BJT a otros fines. Los
MOSFET de potencia son muy populares para aplicaciones
de baja tensión, baja potencia y conmutación resistiva en
altas frecuencias, como fuentes de alimentación conmutadas,
motores sin escobillas y aplicaciones como robótica, CNC y
electrodomésticos.
Los MOSFET tienen problemas de descargas electróstaticas,
por lo que su manejo requiere de cuidados especiales.
Ademásm es relativamente difícil protegerlos bajo
condiciones de falla de corto circuito.

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de potencia
Una diferencia de tensión entre el electrodo de la Puerta y el
substrato induce un canal conductor entre los contactos de
Drenador y Surtidor, gracias al efecto de campo.
El término enriquecimiento hace referencia al incremento de la
conductividad eléctrica debido a un aumento de la cantidad de
portadores de carga en la región correspondiente al canal, que
también es conocida como la zona de inversión.
La estructura MOS, actúa como un condensador de placas paralelas
en el que G y B son las placas y el óxido, el aislante.

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MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO DE
CANAL N.
Bajo el terminal de Puerta existe una capa de óxido (SiO2) que
impide prácticamente el paso de corriente a su través; por lo que, el
control de puerta se establece en forma de tensión.
La calidad y estabilidad con que es posible fabricar estas finas
capas de óxido es la principal causa del éxito alcanzado con este
transistor, siendo actualmente el dispositivo más utilizado.
Se trata de una estructura MOS, de cuatro terminales, en la que el
substrato semiconductor es de tipo p poco dopado. A ambos lados
de la interfase Oxido-Semiconductor se han practicado difusiones de
material n, fuertemente dopado (n+
).

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de potencia
de potencia
Cuando se aplica una tensión positiva al terminal de puerta de un
MOSFET de tipo N, se crea un campo eléctrico bajo la capa de
óxido que incide perpendicularmente sobre la superficie del
semiconductor P.
Este campo, atrae a los electrones hacia la superficie, bajo la capa
de óxido, repeliendo los huecos hacia el sustrato.
Si el campo eléctrico es muy intenso se logra crear en dicha
superficie una región muy rica en electrones, denominada canal N,
que permite el paso de corriente de la Fuente al Drenador.
Cuanto mayor sea la tensión de Puerta (Gate) mayor será el campo
eléctrico y, por tanto, la carga en el canal.
Una vez creado el canal, la corriente se origina, aplicando una
tensión positiva en el Drenador (Drain) respecto a la tensión de la
Fuente (Source).

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de potencia
REGIONES DE OPERACIÓN.
La operación de un transistor MOSFET se puede dividir en tres
regiones de operación diferentes, dependiendo de las
tensiones en sus terminales. Para un transistor MOSFET N de
enriquecimiento se tienen las siguientes regiones: región de
corte, región óhmica y región de saturación.

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Región de corte.
El transistor estará en esta región, cuando
VGS Vt
En estas condiciones el transistor MOSFET, equivale
eléctricamente a un circuito abierto, entre los terminales del
Drenador-Surtidor.
De acuerdo con el modelo básico del transistor, en esta
región, el dispositivo se encuentra apagado.
No hay conducción entre Drenador y Surtidor, de modo que el
MOSFET se comporta como un interruptor abierto.

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Región óhmica.
Cuando un MOSFET está polarizado en la región óhmica, el valor de
RDS(on) viene dado por la expresión:
VDS(on) = ID(on) × RDS(on)
En casi todas las hojas de datos, asocian el valor de RDS(on) a una
corriente de Drenaje (ID) específica y el voltaje Puerta-Surtidor. Por
ejemplo, si VDS(on) = 1V y ID(on) = 100mA entonces,
RDS(on) =
1V
100mA
= 10Ω
El transistor estará en la región óhmica, cuando
VGS Vt y VDS (VGS − Vt)
El MOSFET equivale a una resistencia variable conectada entre el
Drenador y Surtidor.
El valor de esta resistencia varía dependiendo del valor que tenga la
tensión entre la Puerta y el Surtidor (VGS).

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Región de Saturación.
Entra en esta zona cuando la tensión (VDS) supera la tensión de
saturación (VDSsat ); este valor viene determinado en del fabricante.
VGS Vt y VDS (VGS − Vt)
Estaremos en la región de saturación cuando el canal se interrumpe
o estrangula
En esta zona, se mantiene constante la ID, independientemente del
valor de tensión que exista entre VDS.
Cuando la tensión entre Drenador y Fuente supera cierto límite, el
canal de conducción, bajo la Puerta sufre un estrangulamiento en
las cercanías del Drenador y desaparece.
La corriente entre Fuente y Drenador no se interrumpe, es debido al
campo eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de la
diferencia de potencial entre ambos terminales.

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Región de Ruptura
Esta zona apenas se utiliza porque el transistor MOSFET pierde sus
propiedades semiconductoras y se puede llegar a romper el
componente físico. La palabra ruptura hace referencia a que se rompe
la unión semiconductora de la parte del terminal del drenador.
Los transistores unipolares están limitados en tres magnitudes
eléctricas:
En tensión: no se puede superar el valor máximo de tensión entre la
puerta y el surtidor. Este valor se denomina BVGS. Tampoco se
puede superar un valor máximo de tensión entre el drenador y el
surtidor denominado BVDS.
En corriente: no se puede superar un valor de corriente por el
drenador, conocido como IDmax .
En potencia: este límite viene marcado por Pdmax , y es la máxima
potencia que puede disipar el componente.

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de potencia
de potencia
Debido a la alta corriente de drenaje y el bajo voltaje de
drenaje, los MOSFET de potencia operan en la región
lineal para acciones de conmutación.
En la región de saturación, la corriente de drenaje se
conserva prácticamente constante para cualquier
incremento en el valor de VDS, y los transistores se
utilizan en esta región para la amplificación de voltaje.
Nota:La saturación tiene un significado opuesto que en
el caso de los transistores bipolares.

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Semiconductores
de potencia
de potencia
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Es un dispositivo semiconductor que generalmente se
aplica como interruptor controlado en circuitos de
electrónica de potencia.
Tiene las 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

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conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Características
El transistor IGBT es adecuado para velocidades de
conmutación de hasta 100 kHz.
Es usado en aplicaciones de altas y medias energía
como fuente conmutada, control de la tracción en
motores y cocina de inducción.
Módulos de IGBT consisten en dispositivos colocados
en paralelo que pueden manejar altas corrientes del
orden de cientos de ampers con voltajes de bloqueo de
6.000 volts.
En aplicaciones de electrónica de potencia es
intermedio entre los tiristores y los MOSFET.
Maneja más potencia que los segundos siendo más
lento que ellos y lo inverso respecto a los primeros.

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de potencia
de potencia
Es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta
tensión. La tensión de control de puerta es de unos 15 V.
Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia
aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la
puerta.

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Un IGBT combina las ventajas de los BJT y de los MOSFET. Un
IGBT tiene una alta impedancia de entrada, igual que los MOSFET,
y bajas pérdidas de conducción en estado activo, como los BJT.
Es un dispostivo controlado por voltaje, similar a un MOSFET de
potencia. Tiene menores pérdidas de conmutación y de conducción,
en tanto comparte muchas de las características atractivas de los
MOSFET de potencia, como la facilidad de excitación de compuerta,
la corriente de pica, la capacidad y la resistencia.

Gracias por su atención
Dr. Antonio Navarrete Guzmán

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