El documento describe diferentes tipos de semiconductores de potencia como el IGBT, SCR, TRIAC y GTO. El IGBT combina características de un transistor bipolar y MOSFET, permitiendo el manejo de alta corriente mediante control de tensión. Los SCR y TRIAC conducen una vez disparados hasta que la corriente pase por cero, mientras que el GTO puede apagarse mediante la puerta, haciéndolo más versátil que los SCR.

1. Lección 5
OTROS SEMICONDUCTORES
DE POTENCIA
Sistemas Electrónicos de Alimentación
5º Curso. Ingeniería de Telecomunicación

2. EL
IGBT
DE
POTENCIA
El transistor Bipolar de Puerta Aislada
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)
Este dispositivo aparece en los años 80
Mezcla características de un transistor bipolar y de un MOSFET
La característica de salida es la de un bipolar pero se controla por
tensión y no por corriente
G
C
E
Bipolar
MOSFET
Alta capacidad de manejar corriente (como un bipolar)
Facilidad de manejo (MOSFET)
Menor capacidad de conmutación (Bipolar)
No tiene diodo parásito

3. EL
IGBT
DE
POTENCIA
Estructura del IGBT
Es similar a la de un MOSFET
Sólo se diferencia en que se añade un sustrato P bajo el sustrato N
Es el dispositivo más adecuado para tensiones > 1000 V
El MOSFET es el mejor por debajo de 250 V
En los valores intermedios depende de la aplicación, de la frec.,etc.

4. EL
IGBT
DE
POTENCIA
El IGBT se suele usar cuando se dan estas condiciones:
• Bajo ciclo de trabajo
• Baja frecuencia (< 20 kHz)
• Aplicaciones de alta tensión (>1000 V)
• Alta potencia (>5 kW)
Aplicaciones típicas del IGBT
• Control de motores
• Sistemas de alimentación ininterrumpida
• Sistemas de soldadura
• Iluminación de baja frecuencia (<100 kHz)
y alta potencia

5. EL
IGBT
DE
POTENCIA
Gran capacidad de manejo de corriente
Comparación IGBT-MOSFET con el mismo área de semiconductor
El IGBT tiene menor caída de tensión
Menores pérdidas en conducción
Problema:
Coeficiente de temperatura negativo
A mayor temperatura, menor
caída de tensión
Conduce más corriente
Se calienta más
Esto es un problema para paralelizar IGBTs

6. Encapsulados de IGBT
TO 220
TO 247
EL
IGBT
DE
POTENCIA
Módulos de potencia
MTP

7. Parámetros fundamentales para seleccionar un MOSFET
• Tensión de ruptura
• Corriente máxima
• Tensión colector-emisor
en saturación
Tensiones de ruptura de dispositivos comerciales
Media tensión Alta tensión
250 V
300 V
600 V
900 V
1200 V
(Poco usuales)
EL
IGBT
DE
POTENCIA

8. EL
IGBT
DE
POTENCIA
Características básicas
G
C
E
En ocasiones, el encapsulado incorpora
internamente un diodo

9. EL
IGBT
DE
POTENCIA
Características eléctricas
Tensión de saturación colector-emisor (como en bipolares)
Tensión umbral de puerta (como en MOSFETS)
Características térmicas

10. EL
IGBT
DE
POTENCIA
Cola de corriente
Características dinámicas
Circuito equivalente del IGBT
La base del bipolar no del accesible
La circuitería exterior no puede solucionar el
problema de la eliminación de los minoritarios
de la base
Esto da lugar a la llamada
“cola de corriente”
(current tail)
Problema: aumento de
pérdidas de conmutación

11. EL
IGBT
DE
POTENCIA
Características dinámicas
Al contrario que en el MOSFET, los tiempos de conmutación del IGBT
no dan información sobre las pérdidas de conmutación
Causa:
No tienen en cuenta el efecto de cola de corriente
Este efecto es muy significativo en el conjunto de pérdidas
Además, el tiempo de caída de la tensión VCE no queda definido
Este tiempo es muy importante para definir las pérdidas
Se hace mediante gráficos que proporciona el fabricante

12. TIRISTORES
Tipos de Tiristores
SCR (Silicon Controlled Rectifier)
DIAC
TRIAC
GTO
A este dispositivo se le suele llamar Tiristor

13. TIRISTORES
SCR (Silicon Controlled Rectifier)
Es uno de los semiconductores más antiguos
1957 General Electric Research Laboratories
Tiene una enorme capacidad de manejar potencia
Son muy robustos
Seguirá teniendo aplicaciones debido a que es de los
semiconductores con mayor capacidad de manejar potencia
Estructura de 4 capas

14. TIRISTORES
SCR
VAK
IA
Característica V-I
Ánodo
Cátodo
A
K
VAK
IA
Con polarización inversa se comporta como un diodo: no conduce
Polarización directa: si no se
ha disparado, no conduce
Polarización directa: una vez
disparado, conduce como un diodo
Zona de transición
El SCR se apaga de forma natural cuando la corriente pasa por cero
Puerta

15. Encapsulados de SCR
TIRISTORES
ADD A PACK MAGN A PACK
PACE PACK
TO-200

16. Parámetros fundamentales para seleccionar un SCR
• Tensión de ruptura
• Corriente máxima
• Velocidad de conmutación
Tensiones de ruptura de dispositivos comerciales
Alta tensión
400 V
800 V
1000 V
1200 V
TIRISTORES
Soportan tensión directa (VDRM)
e inversa (VRRM)

17. TIRISTORES
Características de disparo
Para disparar el SCR hay que introducir corriente por la puerta
Para que el disparo sea efectivo, se deben de cumplir dos condiciones:
1. La corriente de puerta debe ser superior a un cierto valor
VGK
IG
Ningún SCR se dispara
Zona de disparo seguro
No se garantiza el disparo

18. TIRISTORES
Características de disparo
VGK
IG
Zona de disparo seguro
El circuito de disparo debe tener una recta de carga tal que el
punto de corte esté en la zona de disparo seguro
Z1
V1
V1
V1 / Z1

19. TIRISTORES
Características de disparo
2. Hay que mantener el disparo hasta que la corriente ánodo-cátodo
sobrepase un cierto valor que se llama Corriente de Enclavamiento
(Latching Current)
IA
IG
ILATCHING
Se apaga
Sigue conduciendo
Una vez disparado, el SCR sigue conduciendo
aunque no tenga corriente en puerta

20. TIRISTORES
Características de disparo
Podríamos disparar el SCR con un pulso de corriente
Esto funciona con carga resistiva ya que la corriente crece
rápidamente y se alcanza fácilmente la corriente de enclavamiento
Z1
V1
Z1 = R
Z1 = Ls
Se apaga
Para evitar esto, se suele disparar los SCR con trenes de pulsos
IG
IA
IA
IG
IG

21. TIRISTORES
Características de disparo
El SCR se puede llegar a disparar por derivada de tensión
Si la tensión ánodo-cátodo cambia muy bruscamente, puede
inducirse corriente en la puerta y entrar en conducción
VAK
dt
dVAK
grande
i

22. TIRISTORES
Apagado del SCR
Idealmente, cuando la corriente que circula entre ánodo y cátodo
llega a cero, el SCR se apaga de forma natural
En realidad, se apaga cuando la corriente baja hasta un cierto valor
llamado Corriente de mantenimiento (holding current)
IA
Corriente de
mantenimiento
Corriente de
enclavamiento
(p.ej 600mA)
(p.ej 1 A)

23. TIRISTORES
Apagado del SCR
• Apagado estático
• Apagado dinámico
Hay dos tipos de apagado:
El apagado estático se utiliza en
aplicaciones de red (50 Hz)
El tiristor se apaga de forma natural
El apagado dinámico se utiliza en
aplicaciones de frecuencia más elevada
(1 - 20 kHz)
Se requiere un circuito externo para
apagar el SCR de forma forzada
IMANTENIMIENTO
IA
IA
VAK
VAK
s

24. TIRISTORES
Ejemplo de funcionamiento
R1
V1
V1
VR
VT
VR
VT
Disparo

25. TIRISTORES
TRIAC
Funciona como un tiristor
Al dispararlo, conduce hasta que la corriente pasa por cero
Es bidireccional. Conduce en ambos sentidos
Se puede disparar con corrientes entrantes y salientes
Su uso es común en aplicaciones de “baja” potencia (pero relativamente
alta comparada con la potencia de muchos sistemas de alimentación)
Especificaciones típicas
200, 400, 600, 800, 1000 V
1- 50 A
T1 T2
G

26. TIRISTORES
TRIAC
Hay 4 posibilidades de funcionamiento
No todas son igual de favorables
T2
T1
IG
+
-
T2
T1
IG
+
-
T2
T1
IG
+
- T2
T1
IG
-
+
IG >
IH <
IL <
IH Corriente de mantenimiento IL Corriente de enclavamiento
35 mA 35 mA 35 mA
30 mA 30 mA 30 mA 30 mA
40 mA 60 mA 60 mA 40 mA
70 mA

27. TIRISTORES
TRIAC Ejemplo
C
R
RL (Carga)
Comp. con
Histéresis
Nivel de
comparación
VRL
VComp
VG
VG

: ángulo de disparo
Controlando el ángulo de
disparo se controla la
potencia que se le da a RL
A este tipo de control se
le llama control de fase

28. TIRISTORES
DIAC
No es un interruptor
Una vez disparado se comporta como un diodo
Cuando su corriente pasa por cero, se apaga
Para dispararlo hay que sobrepasar una tensión característica VDIAC
que suele ser de 30 V.
Es totalmente simétrico
Aplicaciones: se suele usar para disparar TRIACs y tiristores
30 V
- 30 V
T1
T2 VT12
IT12

29. TIRISTORES
GTO Gate Turn-Off Thirystor
A
K
G
• En muchas aplicaciones, el hecho de no poder
apagar el SCR es un grave problema
• El GTO solventa ese inconveniente
• Con corriente entrante por puerta, se dispara
• Con corriente saliente por puerta, se apaga
• Se utiliza en aplicaciones de mucha potencia
• Es muy robusto

30. TIRISTORES
GTO
• Soporta altas tensiones
• Puede manejar corrientes elevadas
• La caída de tensión en conducción es relativamente baja
• El GTO es básicamente igual que un SCR
• Se han modificado algunos parámetros constructivos para
poder apagarlo por puerta
• Se pierden algunas características (solución de compromiso).
Por ejemplo, la corriente de disparo es mayor.
• Caída de tensión en conducción ligeramente superior al SCR
• Algo más rápido que un SCR