Este documento presenta una introducción a la electrónica de potencia. Explica los diferentes tipos de dispositivos semiconductores de potencia como diodos, tiristores, transistores bipolares de potencia, MOSFET y IGBT. También describe los diferentes tipos de circuitos electrónicos de potencia como rectificadores, convertidores AC-DC, AC-AC, DC-DC y DC-AC. Finalmente, analiza los modelos térmicos de los dispositivos y cómo calcular la necesidad de disipadores térmicos.

1. Dispositivos de Potencia
66.25 Dispositivos Semiconductores - FIUBA
Dr. Ing. Ariel Lutenberg
Organización de la clase
1. Introducción a la electrónica de potencia
2. Diodos de potencia
3. Modelo térmico y cálculo de disipadores
4. Tiristores
5. Transistores de potencia
6. Conclusiones

2. 1.Introducción a la electrónica de potencia
• Objetivos de la clase:
– Entender las aplicaciones de la electrónica de potencia.
– Conocer diferentes dispositivos de potencia y sus usos.
• Definición de “electrónica de potencia”:
– Es la aplicación de dispositivos electrónicos al control y
conversión de energía eléctrica.
– Ejemplos: Control de motores, calefacción, sistemas de
iluminación, fuentes de alimentación, etc.

3. • Dispositivos semiconductores de potencia:
Se pueden clasificar en cinco tipos:
1.Diodos de potencia
2.Tiristores
3.TBJ de potencia (Transistores bipolares de juntura)
4.MOSFET de potencia
5.IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors)
1. Diodos de potencia
– Sus terminales son ánodo y cátodo.
– Conduce sólo cuando Va > Vk (equivale a un cable).
– Si Vk > Va el diodo no conduce (equivale a un circuito abierto).
1.Introducción a la electrónica de potencia

4. 2. Tiristores
– Sus terminales son: ánodo, cátodo y compuerta (gate).
– Sólo conduce cuando Va > Vk, y se inyecta una corriente por
el Gate (entonces A-K equivale a un cable).
– La única forma de “apagarlo” es forzando Va < Vk .
3. TBJ (Transistor bipolar de juntura)
– Sus terminales son emisor, base y colector.
– Sólo conduce cuando VBE > 0.7V
– Si además IB es suficientemente grande, entonces C-E
equivale a un cable.
1.Introducción a la electrónica de potencia

5. 4. MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
– Sus terminales son gate, source y drain.
– Es un dispositivo de conmutación rápida
(más rápido que TBJ).
– Sólo conduce si VD > VS y VG > VS (n-MOSFET),
entonces D-S equivale a un cable.
5. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
– Sus terminales son gate, emisor y colector.
– Combina las mejores características del TBJ y del MOSFET.
– Sólo conduce si VC > VE y VG > VE (nIGBT), entonces C-E
equivale a un cable.
1.Introducción a la electrónica de potencia

6. Características “típicas” de los dispositivos
Dispositivos con terminal de encendido
1.Introducción a la electrónica de potencia
Bajo0,2 m0,2 us5000 A5000 VDiodo
Medio0,2 m200 us5000 A5000 VTiristor
Costo
relativo
Resistencia
serie
Tiempo
encendido
Corriente
máxima
Tensión de
ruptura
Tipo
Alto0,4 m0,5 us50 A500 VMOSFET
Muy alto2,5 m2 us400 A1200 VIGBT
Alto15 m2 us250 A600 VTBJ

7. Ejemplo de uso de los dispositivos:
Lo intento apagar
Dispositivos con
control de apagado
1.Introducción a la electrónica de potencia

8. Ejemplo de uso de los dispositivos:
Lo intento apagar
La corriente
de base es
significativa
La corriente
de gate es
despreciable
Debe permanecer encendido
1.Introducción a la electrónica de potencia

9. Clasificación de los circuitos electrónicos de potencia:
Los dispositivos permiten convertir potencia eléctrica:
1. Rectificadores con diodos AC-DC (salida fija)
2. Conversores AC-DC (rectificadores controlados)
3. Conversores AC-AC (ac voltage controllers)
4. Conversores DC-DC (dc choppers)
5. Conversores DC-AC (inverters)
1.Introducción a la electrónica de potencia

10. 1. Rectificadores con diodos – Ejemplo Nº1:
1.Introducción a la electrónica de potencia

11. 1. Rectificadores con diodos – Ejemplo Nº2:
Funcionamiento:
t1 t2
1.Introducción a la electrónica de potencia

12. 2. Conversores AC-DC - Ejemplo:
“Ángulo de disparo”
Pulso de encendido
VDC
Cambiando el
ángulo de
disparo se
modifica VDC
1.Introducción a la electrónica de potencia

13. 3. Conversores AC-AC - Ejemplo:
Cambiando el
ángulo de
disparo se
modifica VAC
“Ángulo de disparo”
VDC = 0
VAC (eficaz)
1.Introducción a la electrónica de potencia

14. 4. Conversores DC-DC - Ejemplo:
Cambiando el
duty cycle (t1)
se modifica
VDC
“Tiempo de disparo”
VDC
Diodo de
protección
1.Introducción a la electrónica de potencia

15. 5. Conversores DC-AC - Ejemplo:
Cambiando el
disparo se
modifica VAC
“Semi-periodo de disparo”
1.Introducción a la electrónica de potencia

16. Efectos indeseados:
• Éstos circuitos operan encendiendo y apagándose constantemente,
lo que introduce ruido en:
– La tensión de salida
– La fuente de alimentación
• Esto genera problemas:
– Inyecta ruido en la carga
– Inyecta ruido en la fuente de alimentación
– Produce interferencia en circuitos cercanos
• Para reducir estos problemas se puede:
– Usar filtros de entrada y de salida
– Elegir el circuito más conveniente
– Usar blindaje electromagnético
1.Introducción a la electrónica de potencia

17. 2.Diodos de potencia
Esquema del diodo:
Curvas características:

18. 2.Diodos de potencia
Ecuación del diodo:
Donde:
- ID
= corriente que circula por el diodo [A]
- VD
= tensión Va-Vd [V]
- IS
= corriente de saturación inversa (10-6
a 10-15
A)
- n = coeficiente de emisión (1 a 2)
- VT = voltaje térmico:
q = carga del electrón (1.6022 * 10-19 C)
T = temperatura [K]
k = constante de Boltzmann (1.38 * 10-3
J/K)
En directa (VD
>> VT
) :
En inversa (VD < 0) :
En ruptura (VD
< VBR
)

19. 2.Diodos de potencia
“Tiempo de recuperación inversa”
- Al apagar el diodo sigue circulando corriente por un corto tiempo “tb
”:
- En algunos circuitos esta corriente IRR puede ser crítica.
- Se puede clasificar a los diodos según su recovery time en tres tipos:
• Standard o general-purpose
• Diodos Fast-recovery
• Diodos Schottky

20. 2.Diodos de potencia
Diodos de propósito general:
- Tiempo de recuperación ~ 10 µs
- 1A-6000A / 400V-3600V / VF
= 1.2V
- Usados en aplicaciones de baja frecuencia (rectificadores de red)
Diodos Fast-recovery:
“
- Tiempo de recuperación ~ 0.1 a 10 µs
- 30A-200A / 400V-1500V / VF = 1.2V
- Usados como conversores DC-DC o DC-AC (inversores, UPS)
Diodos Schottky (metal-semiconductor):
- Tiempo de recuperación ~ 0.005 µs
- 1A-120A / 15V-150V / VF = 0.7V
- Usados en alta frecuencia (fuentes conmutadas, cargadores de baterías)

21. Función del encapsulado:
- Conexión eléctrica
- Disipación térmica
- Aislamiento eléctrico
2.Diodos de potencia
Encapsulado DO-5:

22. 2.Diodos de potencia
“

23. 2.Diodos de potencia
Corrientes y tensiones máximas
Condiciones máximas en directa:
- IFAV
: Intensidad media nominal para senoides rectificadas (T=110o
C)
- IFRM
: Intensidad máxima de picos de 1ms cada 20ms
- IFSM
: Intensidad pico máximo de 10ms cada 10min
Condiciones máximas en inversa:
- VRWM : Tensión inversa máxima en forma continua
- VRRM
: Tensión inversa máxima de picos de 1ms cada 20ms
- VRSM : Tensión inversa máxima de pico de 10ms cada 10min
- VR : Tensión inversa de ruptura

24. 2.Diodos de potencia
Ejemplo de hoja de datos (1/3):
“

25. 2.Diodos de potencia
Ejemplo de hoja de datos (continuación 2/3):

26. 2.Diodos de potencia
Ejemplo de hoja de datos (continuación 3/3):
Al aumentar la corriente ID aumenta la potencia disipada y el diodo
comienza a recalentarse:
- Para el silicio debe garantizarse: Tjuntura < Tjmax = 200ºC

27. Cálculo de disipadores
Analogía térmico - eléctrica:
Potdisipada·RTerm = T2-T1 I.R = ∆V
Regimenes máximos
Las características térmicas del diodo se definen según:
Estos cuatro casos son exactamente equivalentes (demostrarlo).
3.Modelo térmico y cálculo de disipadores
Forma típica (Tj=125ºC):
Pdja @Ta=25ºC = 25W
Rjc = 1,4 ºC/W
Alternativa (Tj=125ºC):
Pdja @Ta=25ºC = 25W
Pdjc @Tc=25ºC = 70W
Frecuentemente (Tj=125ºC) :
Pdjc @Tc=25ºC = 70W
derate = 0,25 W/ºC
Ocasionalmente (Tj=125ºC) :
Rjc = 1,4 ºC/W
Rca = 2,6 ºC/W
T ambiente
Rca
Tj
Rjc
Tc
Juntura
Ta
Ambiente
Carcaza
Pd
Modelo
térmico
equivalente:

28. Cálculo de disipadores
Problema: Dado un diodo con máximos: Pdja @ Tamb = 25 ºC : 25 W
Pdjc @ Tcase = 25 ºC : 70 W
y sabiendo que Pd = 4 W y Ta = 50 ºC, determine si debe usarse disipador.
Solución: A partir del modelo térmico:
Pdja. (Rjc + Rca) + Ta = Tjmax
Pdjc . Rjc + Tcase = Tjmax
Del enunciado:
Rjc = Tjmax – Tc = 125 ºC – 25 ºC = 1,4 ºC/W
Pdjc 70 W
Rca = Tjmax – Ta - Rjc = 125 ºC – 25 ºC - 1,4 ºC/W = 2,6 ºC/W
Pdja 25 W
Entonces: Tj = 50 ºC + 4W ( 1,4 + 2,6 ºC/W) = 66ºC < 125ºC
El disipador quedaría en paralelo con Rca: Rca//Rd ~ Rd, Rd = Tj – Ta - Rjc
Pd
Si no se cumple hay
que usar disipador
3.Modelo térmico y cálculo de disipadores

29. Ejercicio
Un transistor 2N3055 se utiliza en una etapa de salida de potencia en un
circuito de audio y disipa 30W. El circuito se encuentra en montado en el
interior de un gabinete dónde el aire puede alcanzar una temperatura máxima
de 50 ºC. El fabricante indica las especificaciones de la figura.
a) Indicar si en necesario o no colocar un disipador al transistor. Si el
disipador es necesario calcular su resistencia térmica.
b) Si por fallas en la ventilación la temperatura dentro del gabinete
aumenta a 75ºC, ¿Qué le ocurre al transistor?
3.Modelo térmico y cálculo de disipadores

30. 3.Modelo térmico y cálculo de disipadores
Temperatura de Juntura [ºC]
Temperatura de carcasa [ºC]
Temperatura ambiente [ºC]
Resistencia térmica juntura-carcasa [ºC/W]
Resistencia térmica carcasa-ambiente [ºC/W]
Resistencia térmica juntura-ambiente [ºC/W]
T j
Tc
Ta
Rjc
Rca
ja jc caR = R R+
Ejercicio - Resolución
T j
máx
= 200ºC
Pmáx= 6W @Ta= 25ºC
Pmáx= 117W @Tc= 25ºC
Rjc=
T j
máx
− Tc
Pmáx
@Tc
=
200− 25
177
ºC
W
= 1.50
ºC
W
Rja=
T j
máx
− T a
Pmáx
@Ta
=
200− 25
6
ºC
W
= 29.17
ºC
W
( )ca ja jc
º C º C
R = R R = 29.17 1.50 = 27.67
W W
− −
Datos del fabricante extraídos de los regímenes máximos absolutos:
Temperatura de juntura máxima:
Disipación de potencia máxima:
Por lo tanto:

31. 3.Modelo térmico y cálculo de disipadores
¿Puede el dispositivo sin disipador externo disipar 30W a Ta = 50ºC?
NO!!
P= 30W Ta= 50ºC R ja= 29.17
ºC
W
j ja aT = R P T = 29.17 30º C 50º C = 925º C⇒ + × +
T j
máx
Verificación: Si ,
y
Entonces:
Resulta >> 125ºC ¿Qué hacemos?
Rja = 1/34.2mW/ºC = 29.2 ºC/W
Rjc = 1/668mW/ºC = 1.5 ºC/W

32. 3.Modelo térmico y cálculo de disipadores
TO-247 TO-218 TO-3
TO-92
TO-5
TO-220

33. 3.Modelo térmico y cálculo de disipadores
Mayor disipador menor resistencia
TO-220 TO-3

34. Incidencia de la posición y la ventilación forzada
3.Modelo térmico y cálculo de disipadores

35. Diferentes tipos de aislantes
Mantenimiento de disipadores
• Limpieza
• Pulido
• Lubricado
• Ajuste
3.Modelo térmico y cálculo de disipadores

36. Ejercicio (resolución - continuación)
Un transistor 2N3055 se utiliza en una etapa de salida de potencia en un
circuito de audio y disipa una potencia media de 30W. El circuito se
encuentra en montado en el interior de un gabinete dónde el aire puede
alcanzar una temperatura máxima de 50 ºC. El fabricante indica las
especificaciones de la figura.
a) Indicar si en necesario o no colocar un disipador al transistor. Si el
disipador es necesario calcular su resistencia térmica.
b) Si por fallas en la ventilación la temperatura dentro del gabinete
aumenta a 75ºC, ¿Qué le ocurre al transistor?
3.Modelo térmico y cálculo de disipadores
Dispositivo con disipador externo:
P= 30W
Ta= 50ºC
T j= 200ºC
R jc= 1.50
ºC
W
27.67ja
º C
R =
W
Tc
máx
= T j
máx
− P× R jc
200 30 1.5
155
máx
cT = º C º C
= º C
− ×

37. 3.Modelo térmico y cálculo de disipadores
Dispositivo con disipador externo:
Despejando:
Verificando:
¿Qué ocurre si Ta = 75ºC?
P= 30W
Ta= 50ºC
R jc= 1.50
ºC
W
27.67ja
º C
R =
W
155cT = º C
( )||c a ca disT T = P R R−
|| c a
ca dis
T T 155 50 º C º C
R R = = = 3.5
P 30 W W
− −
1
Rdis
=
1
3.5
ºC
W
−
1
Rca
dis
º C
R = 4
W
⇒
( ) ( )|| ||j a ca dis jc
º C
T =T P R R R = 50º C 30W 4 27.67 +1.5 = 199.8º C
W
+ × + +
j a total
º C
T =T P R =75º C 30W5 = 225º C
W
+ × +

38. 3.Modelo térmico y cálculo de disipadores
Dispositivo con disipador externo:
Conviene tener un factor de seguridad en la elección del disipador.
En general se elige un disipador con R 30% menor a la calculada.
Si el cálculo da un disipador de R = 4 ºC/W, conviene colocar un
disipador de R =0.7 x 4 ºC/W= 2.8 ºC/W.
dis
50 cmº C
R =
WA
2
250
A= cm 156cm
4
 
⇒  
 
≃
A modo de referencia, si queremos utilizar un disipador de aluminio se necesita
una superficie de aletas aproximadamente de 156 cm2 de acuerdo a la siguiente
fórmula empírica:
Para obtener 2.8 ºC/W el disipador tendría una superficie de aletas
DOS veces mayor (318 cm2).

39. 4.Tiristores
¿Para qué sirve un tiristor?
El tiristor es un dispositivo “unipolar” con un terminal de disparo pero sin corte.
“Ángulo de disparo”
Pulso de encendido
VDC
Cambiando el ángulo de
disparo se modifica VDC

40. 4.Tiristores
- El tiristor es uno de los principales dispositivos de potencia.
- Es un sandwich PNPN que puede modelarse como dos transistores:
- Si IG = 0, entonces es un circuito abierto.
- Si IG = 0 y VGK > VBO, el tiristor se dispara, se produce una realimentación
positiva (~reacción en cadena) y se transforma en un cable (es peligroso).
- Si IG > 0 y VGK < VBO, el tiristor se dispara en forma segura.

41. 4.Tiristores
Curva característica del tiristor:
VBO (tensión de ruptura): mínima tensión de Vak que dispara al tiristor.
IL(corriente de latch): es la mínima corriente de encendido del tiristor.
IH (corriente de retención): mínima corriente que lo mantiene encendido.
IR (corriente reversa): corriente que circula para Vk > Va.
G

42. 4.Tiristores
Modos de encendido del tiristor
- Térmico: La temperatura elevada puede dispararlo por corriente de fuga.
- Luz: Si la luz incide sobre la juntura puede disparar al tiristor.
- Por tensión: Si VAK > VBO el tiristor se enciende, pero de modo destructivo.
- dv/dt: Si VAK varia rapidamente puede disparar al tiristor (no es deseable).
- IG: Con IG > 0 y una tensión VAK < VBO el tiristor se enciende.
- Luego del encendido IG debe ser cero para evitar perdidas en la juntura.
- No debe aplicarse IG con el tiristor en inversa, porque podría dispararse.

43. 4.Tiristores
Circuitos de protección
di/dt: si IT crece muy rápido no se distribuye uniformemente y se crean hot-spots
- El inductor Ls ayuda a proteger al sistema
dV/dt: si VAK crece muy rápido se genera un peligroso sobrepico en IT
Al cargarse el capacitor
limita dV/dt
pero al descargarse
nada limita la corriente

44. 4.Tiristores
Circuitos de protección
dV/dt: si VAK crece muy rápido se genera un peligroso sobrepico en IT
Este circuito es muy habitual y se conoce como “Snubber Circuit”
Limita la corriente
de descarga del
capacitor

45. 4.Tiristores
Clasificación de los tiristores:
1. Silicon control rectifier
(SCRs)
2. Fast Switching Thyristors
(SCRs)
3. Gate Turn-off Thyristors
(GTOs)
4. Triode of Alternating Current
(TRIACs)
5. Reverse Conducting Thyristors
(RCTs)
6. Static Induction Thyristors
(SITHs)
7. Light Activated Silicon
Controlled Rectifiers
(LASCRs)
8. FET Controlled Thyristors
(FET-CTHs)
9. MOS Controlled Thyristors
(MCTs)
(9)
(3)
(6)
(1,2)
(4)
(7)

46. 4.Tiristores
3. Gate Turn-Off thyristors (GTO):
- Puede apagarse mediante una señal negativa en el gate.
- Puede no bloquear la tensión inversa (fugas).
- Tiene varias ventajas sobre un SCR:
• Requiere menos componentes circuitales.
• Alta velocidad de apagado.
- Tiene varias ventajas sobre los transistores:
• Mayor capacidad de bloqueo de tensión inversa.
• Mejor capacidad de manejo de corrientes pico.
• Menor corriente de activación (que el TBJ)
• Una señal de activación mas corta
+ +
-
+ +

47. 4.Tiristores
4. Triode of Alternating Current (TRIACs):
5. Reverse Conducting Thyristor (RCT)
- Tiene un diodo integrado en inversa
- Se usa en inverters DC-AC y choppers DC-DC.

48. 4.Tiristores
6. Static Inductor Thyristor (SITH):
- Se apaga mediante un voltaje negativo en el gate.
- Tiene alta velocidad de conmutación y soporta grandes di/dt y dv/dt.
7. Light Activated Silicon Controlled Thyristor (LASCRs)
- Se usa en aplicaciones de alto voltaje y corriente (líneas de HVDC)
- Brinda completa aislación entre el gate y la salida.
- El LASCRs no se puede apagar desde el Gate.

49. 4.Tiristores
8. FET Controlled Thyristor (FET-CTHs)
- Consiste de un FET en paralelo con un tiristor.
- No se puede apagar desde el Gate.
9. MOS Controlled Thyristor (MCTs):
Combinan características de SCR y de MOS:
1. Baja caída de tensión ánodo-cátodo.
2. Rápido encendido y apagado.
3. Bajo consumo para switcheo
4. Baja capacidad de bloqueo de Vak inverso.
5. Alta impedancia de gate.
Se usa en apliaciones de baja velocidad.

50. 4.Tiristores
Ejercicio
Un SCR se utiliza en el circuito de la figura,
a) Dibujar las formas de onda de tensión en el SCR y en la RL
para diferentes ángulos de disparo del dispositivo. Indicar
cuando la potencia disipada en la carga es máxima.

51. 4.Tiristores
Ejercicio (resolución)
Vemos la situación para distintos ángulos de disparos:
La potencia disipada en la carga es máxima cuando el disparo se produce en
td = 0. Entonces, el SCR conduce durante un semiciclo completo de la señal,
ya que en el semiciclo negativo el SCR se apaga.
vs
t
vSCR
t
vRL
t
vs
t
vSCR
t
vRL
t
td = 0 td > 0

52. 4.Tiristores
Ejercicio
Dado el circuito de la figura, graficar la forma de onda en cada uno de
los dispositivos y en la carga RL en las siguientes condiciones:
a. Cada uno de los SCR conduce durante ½ ciclo de la señal Vs.
b. Cada uno de los SCR conduce durante ¼ ciclo de la señal Vs.
c. Los SCR no conducen en ningún momento.
SCR1
Señal disparo
Vef = 220V
f = 50Hz
D2
SCR2
RL
Señal disparoVs D1

53. 4.Tiristores
Ejercicio (resolución)
a. Cada uno de los SCR conduce durante ½ ciclo de la señal Vs.
¿Y qué pasa si los SCR conducen durante ¼ ciclo de la señal Vs?
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
-200
0
200
Tiempo [s]
Vs[V]
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
-200
0
200
Tiempo [s]
VRL
[V]
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
-200
0
200
Tiempo [s]
VSRC1
[V]
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
-200
0
200
Tiempo [s]
VD1
[V]
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
-200
0
200
Tiempo [s]
VD2
[V]
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
-200
0
200
Tiempo [s]
VSCR2
[V]
SCR1
Señal disparo
D2
SCR2
RL
Señal disparoD1

54. 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
-200
0
200
Tiempo [s]
Vs[V]
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
-200
0
200
Tiempo [s]
VRL
[V]
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
-200
0
200
Tiempo [s]
VSRC1
[V]
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
-200
0
200
Tiempo [s]
VD1
[V]
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
-200
0
200
Tiempo [s]
VD2
[V]
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
-200
0
200
Tiempo [s]
VSCR2
[V]
4.Tiristores
Ejercicio (resolución)
b. Cada uno de los SCR conduce durante ¼ ciclo de la señal Vs.
¿Y qué pasa si los SCR no conducen en ningún momento?
SCR1
Señal disparo
D2
SCR2
RL
Señal disparoD1

55. 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
-200
0
200
Tiempo [s]
Vs[V]
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
-200
0
200
Tiempo [s]VRL
[V]
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
-200
0
200
Tiempo [s]
VSRC1
[V]
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
-200
0
200
Tiempo [s]
VD1
[V]
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
-200
0
200
Tiempo [s]
VD2
[V]
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
-200
0
200
Tiempo [s]
VSCR2
[V]
4.Tiristores
Ejercicio (resolución)
c. Los SCR no conducen en ningún momento.
SCR1
Señal disparo
D2
SCR2
RL
Señal disparoD1

56. 5.Transistores de potencia
Características
Son transistores que deben soportar grandes corrientes, tensiones y potencias.
El IGBT ofrece una entrada MOS y una corriente de TBJ:
- Se activa por tensión (no por corriente).
- Tiempos de conmutación bajos.
- Soporta mayor disipación (como los bipolares).
Parámetros MOS Bipolar
Impedancia de entrada Alta (1010 ) Media (104 )
Ganancia en corriente Alta (107) Media (10 a 100)
Resistencia ON (saturación) Media / alta Baja
Resistencia OFF (corte) Alta Alta
Voltaje CE/DS máx. aplicable Alto (1000 V) Alto (1200 V)
Máxima temperatura Alta (200ºC) Media (150ºC)
Frecuencia de trabajo Alta (100-500 Khz) Baja (10-80 Khz)
Costo Alto Medio

57. 5.Transistores de potencia
Características
-Una limitación importante de todos los dispositivos es la demora en conmutar.
En el TBJ las capacidades de juntura son grandes es lento.
Nos interesa que el transistor se parezca a un elemento ideal:
• Manejo de alta potencia.
• Bajo tiempos ton ↔ toff.
• Alta densidad de corriente.
• Que apagado soporte alta tensión VCE o VDS.
• Que soporte grandes di/dt y dv/dt.
Principios básicos de funcionamiento
- En un TBJ IC se controla IB.
- En un MOS ID se controla con VGS.
En ambos casos, con una potencia
pequeña se controla una mucho mayor.

58. 5.Transistores de potencia
Parámetros del dispositivo:
- ICAV / IDAV: Corriente media que puede circular por un terminal.
- ICM / IDM: Corriente máxima admisible de Colector o Drain.
- VCEM / VDSM: Tensión máxima con base o gate abierto.
- Relación entrada/salida: hFE o β para el TBJ (ganancia de corriente: dIC/dIB)
gm para el MOSFET (transconductancia: dVID/dVGS).

59. 5.Transistores de potencia
Curvas de transferencia y avalanchas del TBJ:
- Avalancha primaria: Superada la máxima VCB con emisor abierto (VCBO), o la
máxima VCE con base abierta (VCEO), la unión C-B polarizada en inversa entra
en un proceso de ruptura similar al de un diodo y conduce corriente.
- Avalancha secundaria: Puede darse una avalancha con tensiones por debajo
de los límites anteriores debido a la aparición de puntos calientes (focalización
de la intensidad de base). Está avalancha es destructiva. Debe evitarse.
Funcionamiento normal Funcionamiento extremo

60. 5.Transistores de potencia
Tiempo de conmutación y disipación
- Con el transistor en saturación o en corte las pérdidas son despreciables.
- Pero durante la conmutación se produce un pico de potencia disipada:
- Para minimizar la disipación hay que reducir el tiempo de conmutación,
en el encendido y en el apagado.
- Estos efectos son más importantes en el TBJ que en el MOS
VS

61. 5.Transistores de potencia
Circuitos de encendido del transistor:
El tiempo de conmutación puede reducirse usando una señal adecuada:
- Para esto puede emplearse el siguiente circuito:
El sobrepico acelera
la conmutación

62. 5.Transistores de potencia
Circuitos de encendido del transistor:
Para disminuir el tiempo de apagado una
opción es el popular circuito anti-saturación:
“Enclavador Baker” = “Baker Clamp”
- El objetivo es evitar que durante la conducción la juntura B-C esté en directa
(VB > VC) para así lograr minimizar el tiempo de apagado del transistor.
- Cuando la tensión de control aumenta, D1 conduce una corriente IB que
enciende el transistor. Entonces D2 está en inversa (no conduce).
- Si la tensión de control sigue aumentando, entonces VC disminuye hasta que.
D2 está en directa y conduce. Entonces D1 pierde corriente, el transistor
“conduce menos” y VC aumenta, por lo que D2 deja de conducir.
Este circuito usa una realimentación negativa para impedir que VC sea muy
baja y así logra aumentar la velocidad de apagado del transistor.

63. 5.Transistores de potencia
Zona de operación segura (SOA – Safety Operation Area):
- La SOA indica la capacidad de disipación de energía:
- El transistor puede estar en la zona límite de la avalancha secundaria durante
cortos intervalos de tiempo sin que se destruya.
- Para corrientes grandes se funden las conexiones metálicas

64. 5.Transistores de potencia
Ejemplos de dispositivos dañados:

65. 5.Transistores de potencia
Diseño de transistores de potencia:
Para evitar la aparición de “hot-spots” pueden usarse diseños con
“finger interleaving”, donde se busca disminuir la densidad de corriente.

66. 5.Transistores de potencia
Efecto asociado a cargas inductivas:
- Las cargas inductivas generan las condiciones de trabajo más desfavorables:
Para carga resistiva el transistor pasa de corte a saturación por la recta A-C-A
Para carga inductiva el transistor pasa a saturación recorriendo A-B-C-D-A:
- Hay una profunda incursión en avalancha secundaria, con valor VCE >> VCC

67. 5.Transistores de potencia
Efecto asociado a cargas inductivas:
- Para cargas inductivas también hay un aumento en la disipación de potencia
del transistor:

68. 5.Transistores de potencia
Circuitos de protección para cargas inductivas:
- En A) y B) se limita la VCE durante el paso de saturación a corte,
proporcionando un camino para la circulación de corriente del inductor.
- En C) al cortarse el transistor la corriente pasa por el diodo y por Cs, el cual
tiende a cargarse a Vcc. En saturación Cs se descarga a través de Rs.
Red Snubber
Vz>Vcc

69. Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT):
Es similar al MOSFET, pero con una capa p+ que forma el colector del IGBT:
- El IGBT presenta alta impedancia de entrada como los MOSFET, y bajas
perdidas de conducción como el TBJ, pero sin ruptura secundaria como el TBJ.
- El IGBT es mas rápido que el TBJ, pero mas lento que el MOSFET
5.Transistores de potencia

70. Comparación de distintos tipos de transistores
- Los valores no son exactos dada la gran disparidad del mercado.
- En general el producto tensión-corriente es una constante (limitación de
potencia): hay MOSFET de muy alta tensión pero con corriente reducida.
-Lo mismo ocurre con las frecuencias de trabajo: existen bipolares de poca
potencia que trabajan a 50kHz, aunque no es lo usual.
5.Transistores de potencia

71. 6.Conclusiones
Prestaciones generales:

72. 6.Conclusiones
Prestaciones generales:

73. 6.Conclusiones
Prestaciones generales:

74. 6.Conclusiones
Aplicaciones:

75. - http://materias.fi.uba.ar/6625
- http://www.redeya.com
- http://www.eng.uwi.tt/depts/elec/staff/rdefour/courses/index33d.html
- “Power Electronics: Converters, Applications and Design”, Mohan,
Undeland y Robbins, John Wiley & Sons, 2ª Ed, Nueva York, 1995.
- “Eletrónica de Potência”, J. A. Pomilio, Universidade Estadual de
Campinas, SP - Brasil.
- “Electrónica de Potencia”, D. W. Hart, Valparaíso University,
Valparaíso Indiana. Prentice Hall.
Bibliografía