El documento analiza los semiconductores de potencia, esenciales en la electrónica de potencia para la conversión y control de energía eléctrica. Se describen sus características, clasificaciones y los parámetros que afectan su funcionamiento, así como sus aplicaciones en la industria. Se concluye que los semiconductores son cruciales para lograr circuitos convertidores eficientes y duraderos.

1. 1
PARÁMETROS DE LOS SEMICONDUCTORES
DE POTENCIA
Luis Zhunio
lzhunio@est.ups.edu.ec
UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA
Abstract—Haremos un análisis de los elementos semiconductores de potencia los cuales serán útiles en la aplicacion
de electrónica de potencia, además se analizará los posibles
parámetros que afecten el comportamiento de cada elemento.
Los semiconductores de potencia son los que se encargarán del
manejo de la energía electrica como control y conversión de esta.
Index Terms—Semiconductores, electronica, potencia.
I. INTRODUCCION
El campo de la industria tiene necesidades principales
que deben ser atendidas por la electrónica de potencia,
pues se necesita un sistema capaz de realizar la conversion
de las distintas formas de la energia eléctrica y controlar
todo sistema industrial donde se utilize la energía eléctrica.
Durante las últimas décadas los semiconductores de potencia
se han extendido en una amplia gama de aplicaciones debido
a la gran velocidad de desarrollo de mejores semiconductores
para tener didpositivos eficaces y fáciles de usar. 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. Lo más importante a considerar
de estos dispositivos, es la curva característica que permite
relacionar la intensidad que los atraviesa con la caída de
tensión entre los electrodos principales.
Figure 1.
Semiconductor tipo NPN
A. Caracteristicas
Las
características
esenciales
que
define
un
dispositivo
semiconductor
de
potencia
las
podemos
resumir
en
los
siguientes
puntos:
-Tener
de alta
impedancia
un estado
dos estados claramente definidos, uno
impedancia (bloqueo) y otro de baja
(conducción). Poder controlar el paso de
a otro con facilidad y pequeña potencia.
-Ser capaces de soportar grandes intensidades y
altas Tensiónes 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.
II. FUNDAMENTOS DE SEMICONDUCTORES
-Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro.
Los dispositivos semiconductores de potencia se
basan en el silicio monocristalino de alta pureza. se
cultivan monocristakles de varios metros de longitud
con el diametro requerido (hasta 150mm) en los
llamados hornos de zona de flotación. Cada uno de
estos cristales gigantescos se rebana en obleas delgadas,
que a continuacion pasan por numerosas etapas de
proceso para convertirse en los dispositivos de potencia.
Se obtienen electrones o huecos libres agregando impurezas
al silicio o al germanio puro, mediante un proceso de
dopado. Asi la aplicacion de un campo electrico puede causar
un flujo de corriente en un material de tipo N o de tipo
P. En la figura 1 podemos ver un tipo de semiconductor.
B. Valores que definen un semiconductor
Para poder definir un dispositivo semiconductor de
potencia debemos conocer los siguientes términos:
-Tensión inversa: es la Tensión que el dispositivo
puede bloquear sin sufrir ningún daño ni modificación.
el
-Tensión directa: es la caída de Tensión cuando
dispositivo se encuentra en estado conducción.
-Y otros términos mas como son la potencia máxima,
temperatura máxima de la unión etc.

2. 2
III. CLASIFICACION DE LOS SEMICONDUCTORES
Los semiconductores de potencia se clasifican según los
niveles de tensión y corriente que manejan. Como pueden ser
: El diodo, transistor y tiristor de potencia.
A. Diodo de potencia
Acontinuación se muestra en la figura un tipo de encapsulado de un diodo de potencia.
Figure 4.
Características Estáticas de un semiconductor
1) Carácteristicas estáticas:
•
•
Figure 2.
Encapsulado de un diodo de potencia.
•
Uno de los dispositivos más impoortantes 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 ser capaces de soportar una fuerte tensión
negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas. La
curva característica será la que se puede ver en la figura 2.
•
•
•
•
Figure 3.
V RW M : Tensión inversa de pico de trabajo : es la
que puede ser soportada por el dispositivo de forma
continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha.
V RRM : Tensión inversa de pico repetitivo : es la que
puede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10
ms de forma continuada.
V RSM : Tensión inversa de pico no repetitiva : es aquella
que puede ser soportada una sola vez durante 10ms cada
10 minutos o más.
V BR : Tensión de ruptura : si se alcanza, aunque sea
una sola vez, durante 10 ms el diodo puede destruirse
o degradar las características del mismo.
V R : Tensión inversa contínua : es la tensión continua que
soporta el diodo en estado de bloqueo.
Parámetros
•
Parametros de bloqueo:
en
conducción:
Intensidad media nominal (IF(AV)): es el valor medio de
la máxima intensidad de impulsos sinusuidales de 180ž
que el diodo puede soportar.
Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es aquella que
puede ser soportada cada 20 ms , con una duración de
pico a 1 ms, a una determinada temperatura de la cápsula
(normalmente 25ž).
Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): es el
máximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10
minutos, con una duración de 10 ms. Intensidad directa
(IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se
encuentra en el estado de conducción.
Curva caráteristica del diodo de potencia
2) Caracteristicas dinámicas: Tiempo de recuperacion inverso

3. 3
Figure 5.
Tiempo de recuperacion inverso del diodo.
El paso del estado de conducción al de bloqueo en el
diodo no se efectúa instantáneamente. Si un diodo se encuentra conduciendo una intensidad IF, la zona central de la
unión P-N está saturada de portadores mayoritarios con tanta
mayor densidad de éstos cuanto mayor sea IF. Si mediante
la aplicación de una tensión inversa forzamos la anulación de
la corriente con cierta velocidad di/dt, resultará que después
del paso por cero de la corriente existe cierta cantidad de
portadores que cambian su sentido de movimiento y permiten
que el diodo conduzca en sentido contrario durante un instante.
La tensión inversa entre ánodo y cátodo no se establece hasta
después del tiempo ta llamado tiempo de almacenamiento, en
el que los portadores empiezan a escasear y aparece en la
unión la zona de carga espacial. La intensidad todavía tarda
un tiempo tb (llamado tiempo de caída) en pasar de un valor
de pico negativo (IRRM) a un valor despreciable mientras van
desapareciedo el exceso de portadores.
•
•
•
•
•
•
ta (tiempo de almacenamiento): es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la intensidad hasta llegar
al pico negativo.
tb (tiempo de caída): es el tiempo transcurrido desde
el 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.
Qrr : se define como la carga eléctrica desplazada, y
representa el área negativa de la característica de recuperación inversa del diodo.
di
dt : es el pico negativo de la intensidad.
I rr : es el pico negativo de la intensidad. La relación entre
tb/ta es conocida como factor de suavizado "SF".
3) Disipación de potencia:
• Pmax: Potencia maxima disipable: Es un valor de potencia que el dispositivo puede disipar, pero no debemos
confundirlo con la potencia que disipa el diodo durante
el funcionamiento, llamada ésta potencia de trabajo.
• P AV : Potencia media disipada: Es la disipación de
potencia resultante cuando el dispositivo se encuentra
en estado de conducción, si se desprecia la potencia
disipada debida a la corriente de fugas. Se define la
potencia media (PAV) que puede disipar el dispositivo,
a continuacion se vera en la ecuacion para su calculo:
1
P AV = T u ∗ iA ∗ dt
• P RRM : Potencia inversa de pico repetitiva: Es la máxima
potencia que puede disipar el dispositivo en estado de
bloqueo.
• P RSM : Potencia inversa de pico no repetitiva: Similar a
la anterior, pero dada para un pulso único.
4) Carácteristicas termicas:
• T jM AX : Temperatura de la unión: Es el límite 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 dispositivo se ha fabricado para funcionar en un
intervalo de temperaturas comprendidas entre dos valores,
uno mínimo y otro máximo.
• T stg : Temperatura de almacenamiento: Es la temperatura
a la que se encuentra el dispositivo cuando no se le aplica
ninguna potencia. El fabricante suele dar un margen de
valores para esta temperatura.
• Rjc : Es la resistencia entre la unión del semiconductor
y el encapsulado del dispositivo. En caso de no dar este
dato el fabricante se puede calcular mediante la fórmula:
Rjc = (T jmax − T c)/P max siendo Tc la temperatura
del contenedor y Pmáx la potencia máxima disipable.
• Rcd : Resistencia térmica contenedor-disipador: Es la resistencia existente entre el contenedor del dispositivo
y el disipador (aleta refrigeradora). Se supone que la
propagación se efectúa directamente sin pasar por otro
medio (como mica aislante, etc).
B. Tiristor de potencia
Los tiristores son una familia de dispositivos semiconductores de potencia. Se manejan como interruptores biestables,
que funcionan de un estado no conductor a un estado conductor. Existen 13 categorías de tiristores. Se puede suponer que
los tiristores son interruptores ideales en muchas aplicaciones,
pero los tiristores prácticos tienen ciertas características y
limitaciones.
Figure 6.
Esquema de un tiristor
Los tiristores son rectificadores o diodos controla-

4. 4
dos constituídos por cuatro capas semiconductoras de
distinto dopaje de impurezas. Estas capas permiten la
constitución de cuatro zonas de características P,N,P,N.
Modos de disparos: Un tiristor se enciende, aumentando la corriente ánodica. Esto se hace de las siguientes formas: Térmica:
Si la temperatura de un tiristor es alta, hay un aumento en la
cantidad de pares electrón-hueco y el tiristor se activa. Luz: Si
se deja incidir luz en las uniones de un tiristor, aumentan los
pares electrón hueco y el tiristor puede activarse. Alto voltaje:
Un aumento de la tensión ánodo-cátodo puede provocar fenómenos de ruptura que activa el tiristor (Diodo de 4 capas).
La conmutación en corte o bloqueo es el proceso de poner en
estado de corte al tiristor que puede realizarse de tres formas:
Conmutación natural: Cuando la corriente del ánodo se reduce
por debajo de un valor mínimo Corte por polarización inversa.
Una tensión inversa ánodo-cátodo tenderá a interrumpir la
corriente del ánodo Corte por puerta. Algunos tiristores especialmente diseñados, como los GTO, se bloquean con una
corriente de puerta negativa
tensión entre puerta y fuente. Esta diferencia vienen determinada por la estructura interna de ambos dispositivos, que
son substancialmente distintas. Es una característica común,
sin embargo, el hecho de que la potencia que consume el
terminal de control (base o puerta) es siempre más pequeña
que la potencia manejada en los otros dos terminales.
• En resumen, destacamos tres cosas fundamentales:
• 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 controlarse otra bastante mayor. OTROS DATOS IMPOR•
•
•
C. Transistor de potencia
El funcionamiento y utilizacion de los transistores de potencia es idéntico al de los transistores normales, teniendo como
caracteristicas especiales las altas tensiones e intensidades que
tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar.
•
•
•
•
TANTES
Corriente media: es el valor medio de la corriente que
puedeccircular por un terminal (ej. ICAV , corriente
media por el colector).
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.
Relación corriente de salida - control de entrada: hFE
para el transistor bipolar (ganancia estática de corriente)
y g ds para el FET (transconductancia en directa).
IV. C ONCLUSIONES
•
Figure 7.
Los semiconductores de potencia son una familia
totalmente extensa, se investigó sobre lo más
importante obteniendo asi suficiente informacion
con la cual despejamos dudas sobre el correcto
funcionamiento de estos. Los semiconductores son
muy requeridos para el campo industrial ya que
benefician por sus diversas y eficientes aplicaciones.
•
La mayor aplicacion se da para los circuitos convertidores, logrando a la vez una mayor cantidad de ventajas
como mejores caracteristicas electricas, mayor duración,
y ausencia de vibraciones. Cada parámetro detallado en
este paper es de suma importancia al momento de adquirir
cualquiera de estos semiconductores, parámetros que influirán en el momento de la aplicacion del componente.
Encapsulado del transistor de potencia.
El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor
que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmuta˙
´
dor o rectificador. El término ntransistorz es la contracción
en inglés de transfer resistor (´ resistencia de transferenn
˙
ciaz). Actualmente se encuentran prácticamente en todos los
aparatos electrónicos de uso diario: radios, televisores, reproductores de audio y video, relojes de cuarzo, computadoras,
lámparas fluorescentes, tomógrafos, teléfonos celulares, etc
La diferencia entre un transistor bipolar y un transistor unipolar o FET es el modo de actuación sobre el terminal de
control. En el transistor bipolar hay que inyectar una corriente
de base para regular la corriente de colector, mientras que
en el FET el control se hace mediante la aplicación de una
R EFERENCES
[1] ”Electronica de potencia”, teoría y aplicaciones, José Manuel Benavent
García,Universidad Politécnica de Valencia,1999

5. 5
[2] ”Electrónica de potencia”, Circuitos, dispositivos y aplicaciones, 3ra
Edicion, Muhammad H. Rashid,Mexico
[3] ”Electrónica de Potencia, Osvaldo Mosconi, Ricardo R. Peña, Universidad
Nacional de Patagonia San Juan Bosco,2010
B IOGRAFÍAS
Luis Angel Zhunio Collaguazo ,(30 de junio de 1990 en Machala-El Oro).
Se graduó de Bachiller Técnico en Electricidad en el año 2007 del Instituto
Tecnológico Superior El Oro, actualmente curso el 3er año de Ingeniería
Eléctrica en la Universidad Politécnica Salesiana, ha realizado seminarios de
AUTO CAD y MAT LAB. Sus areas de interés son Alta tensión y Sistemas
eléctricos de potencia.