1. 1
Paràmetros de los dispositivos de Potencia
Paùl Santiago Saldaña Caldas
psaldana@est.ups.edu.ec El último requisito se traduce en que a mayor frecuencia de
funcionamiento habrá una mayor disipación de potencia. Por
paul_ssc@hotmail.com tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia.
Resumen—Los parametros que se va a taratar en este articulo,
afectan al comportamiento de cada uno de los dispositivos que
son utilizados para la industria sobretodo cuando se trabaja con
altas potencias.
Estos dispositivos por lo general son utilizados para, el control
de moteres sincronos,inversores, rectificadores,etc.
Muchos aspectos de los dispositivos influyen ,en su compor-
tamiento estas caracteristicas se dan debido a la buena o mala
conduccion , susu caracteristicas estaticas y dinamicas.
Los didpositivos mas utilizados son el diodo , los diferentes
tipos de transistores, TRIAC,etc
Figure 1. Dependencia de la frecuencia y potencia
I. I NTRODUCCIÒN
Los semiconductores de potencia se han extendido durante Acontinuacion se enuncia los 3 bloques basicos de semi-
las últimas décadas a una amplia gama de aplicaciones. Esta conductores de potencia y sus aplicaciones fundamentales:
extensión ha sido consecuencia del continuo y rápido desar-
rollo de la tecnología de semiconductores de potencia, que ha A. Semiconductores de alta potencia
conseguido dispositivos muy potentes, efectivos y fáciles de
usar.
Existe una gran varieda de dispositivos de potencia, entre
los cuales podemos citar: los diodos y transistores de potencia,
el tiristor, así como otros derivados de éstos, tales como los
triac, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor uniunión
o UJT, el transistor uniunión programable o PUT y el diodo
Shockley.
En este articulo se va ha explicar los dispositivos de potencia
, asi tambien como susu caracteristicas indiviuales. Figure 2. Caracteristicas
II. C ARACTERISTICAS ESPECIFICAS Aplicaciones:
Lo más importante a considerar de estos dispositivos, es 1) Tracción eléctrica: troceadores y convertidores.
la curva característica que nos relaciona la intensidad que 2) Industria:
los atraviesa con la caída de tensión entre los electrodos • Control de motores asíncronos.
principales. • Inversores
El componente básico del circuito de potencia debe cumplir • Caldeo inductivo
los siguientes requisitos: • Rectificadores.
• Tener dos estados claramente definidos, uno de alta • Etc.
impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (con-
ducción). B. Módulos de potencia
• Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad
y pequeña potencia.
• Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas
tensiones cuando está en estado de bloqueo, con pequeñas
caídas de tensión entre sus electrodos, cuando está en
estado de conducción. Ambas condiciones lo capacitan
para controlar grandes potencias
• Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a
otro. Figure 3. Descripciòn

2. 2
VD : Tension del codo
A continuación vamos a ir viendo las características más
importantes del diodo, las cuales podemos agrupar de la
siguiente forma:
1) Características estáticas:
Figure 4. Descripcion
• Parámetros en bloqueo (polarización inversa).
• Parámetros en conducción.
Aplicaciones: • Modelo estático.
• Soldadura al arco. 2) Caracteristicas Dinamicas
• Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI). • Tiempo de recuperación inverso (t rr ).
• Control de motores. • Influencia del t rr en la conmutación.
• Tracción eléctrica. • Tiempo de recuperación directo.
3) Potencias:
C. Semiconductores de baja potencia • Potencia máxima disipable.
• Potencia media disipada.
• Aplicaciones :
• Potencia inversa de pico repetitivo.
– Control de motores.
• Potencia inversa de pico no repetitivo.
– Aplicaciones domésticas.
– Cargadores de baterías. 4) Características térmicas.
– Control de iluminación. 5) Protección contra sobreintensidades.
– Control numérico.
– Ordenadores, A. Características estáticas
– etc.
III. D IODO DE P OTENCIA
Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos
de potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, las
siguientes limitaciones : son dispositivos unidireccionales,
no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de
conducción. El único procedimiento de control es invertir el
voltaje entre ánodo y cátodo.
Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de
conducción, deben ser capaces de soportar una alta intensidad
con una pequeña caída de tensión. En sentido inverso, deben
Figure 6. La señal indica el comportamiento del diodo
ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo
con una pequeña intensidad de fugas.
1) Parametros en bloqueo:
• Tensión inversa de pico de trabajo (VRW M ): es la
que puede ser soportada por el dispositivo de forma
continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha.
• Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM ): es la que
puede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10
ms de forma continuada.
• Tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM ): es
aquella que puede ser soportada una sola vez durante
10ms cada 10 minutos o más.
• Tensión de ruptura (VBR ): si se alcanza, aunque sea
una sola vez, durante 10 ms el diodo puede destruirse o
degradar las características del mismo.
• Tensión inversa continua (VR ): es la tensión continua
Figure 5. Curva caracteristica
que soporta el diodo en estado de bloqueo
l
El diodo responde a la ecuación:
2) Parametros en Conducciòn: Intensidad media nominal
I = Is(eqV /KT − 1) (IF (AV ) ): es el valor medio de la máxima intensidad de
impulsos sinusoidales de 180º que el diodo puede soportar.
La curva característica será la que se puede ver en la parte
superior, donde: Intensidad de pico repetitivo (IF RM ): es aquella que puede
VRRM :Tensiòn Inversa màxima ser soportada cada 20 ms , con una duración de pico a 1 ms,

3. 3
a una determinada temperatura de la cápsula (normalmente y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario durante
25º). un instante. La tensión inversa entre ánodo y cátodo no se
establece hasta después del tiempo t a llamado tiempo de
Intensidad directa de pico no repetitiva (IF SM ): es el
almacenamiento, en el que los portadores empiezan a escasear
máximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10
y aparece en la unión la zona de carga espacial. La intensidad
minutos, con una duración de 10 ms.
todavía tarda un tiempo t b (llamado tiempo de caída) en pasar
Intensidad directa (IF ): es la corriente que circula por el de un valor de pico negativo (IRRM ) a un valor despreciable
diodo cuando se encuentra en el estado de conducción. mientras van desapareciedo el exceso de portadores.
3) Modelos estáticos del diodo: Los distintos modelos del • ta (tiempo de almacenamiento): es el tiempo que tran-
diodo en su región directa (modelos estáticos) se representan scurre desde el paso por cero de la intensidad hasta llegar
en la figura superior. Estos modelos facilitan los cálculos a al pico negativo.
realizar, para lo cual debemos escoger el modelo adecuado • tb (tiempo de caída): es el tiempo transcurrido desde el
según el nivel de precisión que necesitemos. pico negativo de intensidad hasta que ésta se anula, y
es debido a la descarga de la capacidad de la unión
polarizada en inverso. En la práctica se suele medir desde
el valor de pico negativo de la intensidad hasta el 10 %
de éste.
• trr (tiempo de recuperación inversa): es la suma de ta y
tb .
trr = ta + tb
• Qrr : se define como la carga eléctrica desplazada, y
representa el área negativa de la característica de recu-
peración inversa del diodo.
• di/dt: es el pico negativo de la intensidad.
• Irr : es el pico negativo de la intensidad.
Figure 7. Curvas de los modelos del diodo
La relación entre tb/ta es conocida como factor de suavizado
"SF"
B. Características dinamicas 2) Disipación de potencia:
1) Tiempo de recuperación inverso: El paso del estado a) Potencia máxima disipable (Pm´x ) : Es un valor de
a
de conducción al de bloqueo en el diodo no se efectúa potencia que el dispositivo puede disipar, pero no debemos
instantáneamente. Si un diodo se encuentra conduciendo una confundirlo con la potencia que disipa el diodo durante el
intensidad IF , la zona central de la unión P-N está saturada funcionamiento, llamada ésta potencia de trabajo.
de portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de éstos
b) Potencia media disipada (PAV ): Es la disipación
cuanto mayor sea IF .
de potencia resultante cuando el dispositivo se encuentra en
estado de conducción, si se desprecia la potencia disipada
debida a la corriente de fugas.
c) Potencia inversa de pico repetitiva (PRRM ): Es la
máxima potencia que puede disipar el dispositivo en estado
de bloqueo.
d) Potencia inversa de pico no repetitiva (PRSM ):
Similar a la anterior, pero dada para un pulso único.
3) Caracteristicas Termicas:
a) Temperatura de la unión (Tjm´x ): Es el límite
a
superior de temperatura que nunca debemos hacer sobrepasar
a la unión del dispositivo si queremos evitar su inmediata
destrucción. En ocasiones, en lugar de la temperatura de la
unión se nos da la "operating temperature range" (margen
de temperatura de funcionamiento), que significa que el dis-
positivo se ha fabricado para funcionar en un intervalo de
Figure 8. Recuperacion Inversa del diodo temperaturas comprendidas entre dos valores, uno mínimo y
otro máximo.
Si mediante la aplicación de una tensión inversa forzamos la b) Temperatura de almacenamiento (Tstg ): Es la tem-
anulación de la corriente con cierta velocidad di/dt, resultará peratura a la que se encuentra el dispositivo cuando no se le
que después del paso por cero de la corriente existe cierta aplica ninguna potencia. El fabricante suele dar un margen de
cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento valores para esta temperatura.

4. 4
Resistencia térmica unión-contenedor (Rjc ) : Es la instantáneamente, sino que siempre hay un retardo (ton ,
resistencia entre la unión del semiconductor y el encapsulado toff). Las causas fundamentales de estos retardos son las
del dispositivo. En caso de no dar este dato el fabricante se capacidades asociadas a las uniones colector - base y base
puede calcular mediante la fórmula: - emisor y los tiempos de difusión y recombinación de los
Rjc = (Tjm´x − Tc )/Pm´x
a a portadores
siendo Tc la temperatura del contenedor y Pm´x la potencia
a
máxima disipable.
A. Principios básicos de funcionamiento
c) Resistencia térmica contenedor-disipador (Rcd ): Es
La diferencia entre un transistor bipolar y un transistor
la resistencia existente entre el contenedor del dispositivo y el
unipolar o FET es el modo de actuación sobre el terminal
disipador (aleta refrigeradora). Se supone que la propagación
de control. En el transistor bipolar hay que inyectar una
se efectúa directamente sin pasar por otro medio (como mica
corriente de base para regular la corriente de colector, mientras
aislante, etc)
que en el FET el control se hace mediante la aplicación
de una tensión entre puerta y fuente. Esta diferencia vienen
IV. T RANSISTOR DE P OTENCIA determinada por la estructura interna de ambos dispositivos,
El funcionamiento y utilización de los transistores de poten- que son substancialmente distintas.
cia es idéntico al de los transistores normales, teniendo como
características especiales las altas tensiones e intensidades que Es una característica común, sin embargo, el hecho de que la
tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar. potencia que consume el terminal de control (base o puerta)
Existen tres tipos de transistores de potencia: es siempre más pequeña que la potencia manejada en los
• bipolar.
otros dos terminales.
• unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo). En resumen, destacamos tres cosas fundamentales:
• IGBT
• En un transistor bipolar I B controla la magnitud de IC.
• En un FET, la tensión V GS controla la corriente I D .
• En ambos casos, con una potencia pequeña puede con-
trolarse otra bastante mayor.
B. Tiempos de conmutaciòn
Cuando el transistor está en saturación o en corte las
pérdidas son despreciables. Pero si tenemos en cuenta los
efectos de retardo de conmutación, al cambiar de un estado a
otro se produce un pico de potencia disipada, ya que en esos
instantes el producto IC x V CE va a tener un valor apreciable,
Figure 9. Parametros de los transistores por lo que la potencia media de pérdidas en el transistor va
a ser mayor. Estas pérdidas aumentan con la frecuencia de
El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada MOS, trabajo, debido a que al aumentar ésta, también lo hace el
más la capacidad de carga en corriente de los transistores número de veces que se produce el paso de un estado a otro.
bipolares:
• Trabaja con tensión.
• Tiempos de conmutación bajos.
• Disipación mucho mayor (como los bipolares).
Nos interesa que el transistor se parezca, lo más posible, a un
elemento ideal:
• Pequeñas fugas.
• Alta potencia
• Bajos tiempos de respuesta (ton , toff), para conseguir
una alta frecuencia de funcionamiento.
• Alta concentración de intensidad por unidad de superficie
del semiconductor.
• Que el efecto avalancha se produzca a un valor elevado
( VCE máxima elevada). Figure 10. Cambios de estados del transistor
• Que no se produzcan puntos calientes (grandes di/dt ).
Una limitación importante de todos los dispositivos de po- Podremos distinguir entre tiempo de excitación o encendido
tencia y concretamente de los transistores bipolares, es que (ton) y tiempo de apagado (toff). A su vez, cada uno de estos
el paso de bloqueo a conducción y viceversa no se hace tiempos se puede dividir en otros dos.

5. 5
Corriente máxima: es la máxima corriente admisible de
colector (ICM ) o de drenador (IDM ). Con este valor se
determina la máxima disipación de potencia del dispositivo.
VCBO : tensión entre los terminales colector y base cuando
el emisor está en circuito abierto.
VEBO : tensión entre los terminales emisor y base con el
colector en circuito abierto.
Tensión máxima: es la máxima tensión aplicable entre dos
terminales del dispositivo (colector y emisor con la base
abierta en los bipolares, drenador y fuente en los FET)
Estado de saturación: queda determinado por una caída de
tensión prácticamente constante. V CEsat entre colector y
emisor en el bipolar y resistencia de conducción R DSon en
el FET. Este valor, junto con el de corriente máxima,
determina la potencia máxima de disipación en saturación.
Figure 11. Tiempos del transistor en funcionamiento Relación corriente de salida - control de entrada: hF E para
el transistor bipolar (ganancia estática de corriente) y g ds
Tiempo de retardo (Delay Time, td): Es el tiempo que para el FET (transconductancia en directa).
transcurre desde el instante en que se aplica la señal de
entrada en el dispositivo conmutador, hasta que la señal de
salida alcanza el 10% de su valor final. D. Protección del transistor de potencia
Tiempo de subida (Rise time, tr): Tiempo que emplea la Los tiempos de conmutación limitan el funcionamiento del
señal de salida en evolucionar entre el 10% y el 90% de su transistor, por lo que nos interesaría reducir su efecto en la
valor final. medida de lo posible.
Tiempo de almacenamiento (Storage time, ts): Tiempo que
transcurre desde que se quita la excitación de entrada y el
instante en que la señal de salida baja al 90% de su valor
final.
Tiempo de caída (Fall time, tf): Tiempo que emplea la señal
de salida en evolucionar entre el 90% y el 10% de su valor
final.
Figure 13. Comportamiento del voltaje en el tiempo
C. Otros parámetros importantes
Los tiempos de conmutación pueden ser reducidos mediante
una modificación en la señal de base.
Puede verse como el semiciclo positivo está formado por un
tramo de mayor amplitud que ayude al transistor a pasar a
saturación (y por tanto reduce el ton) y uno de amplitud
suficiente para mantener saturado el transistor (de este modo
la potencia disipada no será excesiva y el tiempo de
almacenamiento no aumentará). El otro semiciclo comienza
con un valor negativo que disminuye el toff, y una vez que
el transistor está en corte, se hace cero para evitar pérdidas
de potencia.
En consecuencia, si queremos que un transistor que actúa
en conmutación lo haga lo más rápidamente posible y con
Figure 12. Comportamiento de la corriente
menores pérdidas, lo ideal sería atacar la base del dispositivo
con una señal como el de la figura anterior. Para esto se puede
Corriente media: es el valor medio de la corriente que puede emplear el circuito de la figura siguiente:
circular por un terminal (ej. ICAV , corriente media por el En estas condiciones, la intensidad de base aplicada tendrá
colector). la forma indicada a continuación.

6. 6
V. C ONCLUCIONES
Los dispositivos semiconductores de potencia permiten
construir puentes convertidores electrónicos, eficientes que
mejoran las prestaciones estáticas y dinámicas de los procesos
de conversión . Estos puentes originan procesos más eficientes
debido a la capacidad de conmutar grandes bloques de energía
con mínimas pérdidas. Estos incrementos en las prestaciones y
eficiencia se logra al combinar distintas áreas del conocimiento
dentro de las aplicaciones de la electrónica de potencia.
La conmutación de altos bloques de energía trae consigo la
Figure 14. Diagrama de conexion introducción de contaminación armónica en tensión y corriente
sobre las líneas de alimentación, problemas de resonancia,
interferencia electromagnética, fallas de aislación, entre otras.
Estos problemas pueden solucionarse mediante filtros pasivos
y/o activos o mejorando las estrategia de conmutación de los
puentes electrónicos.
R EFERENCES
[www.elprisma.com/apuntes/ingenieria electrica y electronica]
[book.google.com.ec/book]
Figure 15. Comportamiento de la corriente en el tiempo
Durante el semiperiodo t1, la tensión de entrada (Ve) se
mantiene a un valor Ve (máx). En estas condiciones la V BE
es de unos 0.7 v y el condensador C se carga a una tensión
VC de valor
VC = R2 V e(max)−0.7
R1+R2
debido a que las resistencias R1 y R2 actúan como un
divisor de tensión.
La cte. de tiempo con que se cargará el condensador será
aproximadamente de:
R1∗R2
τ1 = C R1+R2
Con el condensador ya cargado a VC , la intensidad de base
se estabiliza a un valor IB que vale:
V e(max)−0.7
IB = R1+R2
En el instante en que la tensión de entrada pasa a valer
−Ve(min) , tenemos el condensador cargado a VC , y la V BE
= 0.7 v. Ambos valores se suman a la tensión de entrada, lo
que produce el pico negativo de intensidad IB(m´n).
ı
V e(min)+V c−0.7
IB(min) = R1+R2
A partir de ese instante el condensador se descarga a través
de R2 con una constante de tiempo de valor R2C.
Para que todo lo anterior sea realmente efectivo, debe
cumplirse que:
5(τ1 ) ≤ t1
5(τ2 ) ≤ t2
con esto nos aseguramos que el condensador está cargado
cuando apliquemos la señal negativa. Así, obtendremos final-
mente una frecuencia máxima de funcionamiento :
1 1 0.4
f(max) = t1+t2 = 5∗τ1 +5∗τ2 = t1+t2