Presentación_Unidad1 electrónica de potencia.pdf

Electrnica de potencia aplicada
Ingeniera Mecatrnica
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 Caractersticas y parmetros.
2 Rectiﬁcadores monofsicos y polifsicos
3 Aplicaciones industriales.
4 Alimentacin 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 Caractersticas y parmetros.
3. Aplicaciones en mquinas elctricas.
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 hbridos
(Electrnicos-electromecnicos).
Dr. Antonio Navarrete Guzmán Electrnica 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 electrnica de potencia en sistemas de servicios pblicos
estn creciendo muy rpidamente y prometen cambiar el panorama de futuros
sistemas de energa en trminos de generacin, operacin y control.
La electrnica de potencia se describe brevemente junto con el papel de
electrnica de potencia como interfaz, y luego la electrnica 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 seales alternas y utilizarlas en
forma rectiﬁcada en motores elctricos de corriente directa
y dispositivos de estado slido.

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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 seales 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-
conductores de
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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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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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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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 variaci´n 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.
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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
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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 prcticos 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 prcticos o reales diﬁeren de las
características ideales y tienen ciertas limitaciones.
Los diodos de potencia tienen mayores capacidades en
el manejo de la energa, el voltaje y la corriente, que los
diodos de seal ordinarios. La respuesta a la frecuencia
(o velocidad de conmutación) es baja en comparación
con los diodos de señal.

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Caractersticas de los diodos
Un diodo de potencia es un dispositivo de unin pn de
dos terminales. En la Figura 1 aparece un corte
transversal de una unin pn y un smbolo de diodo.
(k) Unin pn (l) Smbolo de diodo
Figura: Smbolo de diodo y unin pn.
Cuando el potencial del nodo es positivo con respecto al
ctodo, se dice que el diodo tiene polarizacin directa o
positiva y el diodo conduce.

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Semiconductores
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de potencia
Un diodo en conduccin tiene una cada de voltaje directa
relativamente pequea a travs de s mismo; la magnitud
de esta cada de voltaje depende del proceso de
manufactura y de la temperatura de la unin.
Cuando el potencial del ctodo es positivo con respecto al
nodo, se dice que el diodo tiene polarización inversa.
En esta polarizacin ﬂuye una pequea corriente inversa
(corriente de fuga) en el rango de los micros o de los
miliamperios, cuya magnitud crece lentamente en funcin
del voltaje inverso hasta llegar al voltaje de avalancha o
zener.

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Semiconductores
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Las caractersticas v − i, se pueden expresar mediante una ecuacin conocida
como la ecuacin Schockley de diodo, y est dada por
ID = Is(eVd /nVT − 1) (1)
(a) Prctica o real (b) Ideal
donde
ID = corriente a travs del diodo. [A]
VD = voltaje del diodo con el nodo positivo con respecto al ctodo. [V]
Is = corriente de fuga (o corriente de saturacin inversa), tpicamente en el
rango entre 10−6 y 10−15. [A]
n = constante emprica conocida como coeﬁciente de emisin o factor de
idealidad, cuyo valor vara de 1 a 2.

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El coeﬁciente de emisin n depende del material y de la
construccin fsica 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
En la ecuacin (1), VT es una constante llamada voltaje
trmico y esta dada por
VT =
kT
q
(2)
donde
q = carga del electrn: 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 unin de 25◦C, la ecuacin (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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El diodo semiconductor se puede dividir en tres
regiones:
Regin de polarizacin directa, donde VD > 0.
Regin de polarizacin inversa, donde VD < 0.
Regin de ruptura, donde VD < −Vzk
Regin de polarizacin directa. La corriente del diodo ID
es muy pequea si el voltaje del diodo VD es menos que
un valor especﬁco VTD (tpicamente 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
polarizaci´n inversa, Vd < 0. Si VD es negativo y
|VD| >> VT , el término de la exponencial de la ecuación
de Schockley se vuelve despreciablemente pequeo 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.

Unidad 1. Semi-
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de potencia
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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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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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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.
Solución: Aplicando la ecuación de Schockley, podemos
encontrar la corriente de fuga (o corriente de saturación)
Is, a partir de
300 = Is
[
e1,2/(2×25,8×10−3
) − 1
]
(3)
Is =
300
12585534721,4
= 2,384 × 10−8
(4)

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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
∼
=
√
2QRR
di/dt
y IRR =
√
2QRR
di
dt

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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 pequea 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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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 =
√
2QRR
di
dt =
√
2 × 135 × 10−6 × 30 × 10−6 = 90 A

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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 recuperaciń 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 recuperacin inversa
relativamente alto, tpicamente de 25µS, y se utilizan en aplicaciones de baja
velocidad.
Diodos de recuperación rápida. Tienen un tiempo de recuperacin 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 unin pn. Dado que se debe slo a la
capacitancia de la unin, bsicamente es independiente de la di/dt inversa. Un
diodo Schotkky tiene una salida de voltaje relativamente baja. Son ideales en
fuentes de alimentacin de alta corriente y de bajo voltaje en corriente directa.
Sin embargo, tambin se utilizan en fuentes de alimentacin de baja corriente
para una eficiencia mayor.

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potencia.
Semiconductores
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

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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
(supniendo una recuperación abrupta) y rompe la
trayectoria del ﬂujo de corriente. La corriente no puede
cambiar rápidamente de I0 a Ip.

Unidad 1. Semi-
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potencia.
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
Solucin. QRR = 1
2
di
dt t2
rr = 1mC por lo tanto
IRR =
√
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
Solucin: 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
Solucin: 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
Solucin: 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-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Dos diodos estn conectados en paralelo, como se muestra en la
ﬁgura 2, con resistencias de reparticin de corriente, en donde
VD1 = 1,1 V y VD2 = 1,95 V. La corriente total es IT = 200 A. El
voltaje a travs 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

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Dos diodos estn conectados en paralelo, como se muestra en la
ﬁgura 2, con resistencias de reparticin de corriente, en donde
VD1 = 1,1 V y VD2 = 1,95 V. La corriente total es IT = 200 A. El
voltaje a travs 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
Solucin 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.
solucin de la ecuacin 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 conﬁguracin 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 seal de corriente
alterna en una seal unidireccional. Un rectificador monofásico de
media onda es el tipo ms 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 electrnico bsico que slo 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 est
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 mnima de contenido armnico. Al mismo
tiempo, deber 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 est
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 =
√
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
=
√
(
Vrms
Vcd
)2
− 1 =
√
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 utilizacin de transformacin.

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
∫ 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
∫ 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
∫ 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
∫ 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 =
√
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
∫ 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
∫ 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 aadiendo un diodo
de marcha libre Dm, tal y como aparece en la ﬁgura. Con lneas
punteadas. El efecto de este diodo es evitar que aparezca un voltaje
negativo a travs de la carga; y como resultado, aumenta la energa
magntica almacenada.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Rectificadores monofsicos de onda completa
En la figura aparece un circuito rectificador de onda completa con un
transformador de derivacin central y un rectificador puente(es de uso
comn en aplicaciones industriales). Dado que a travs del
transformador no fluye corriente directa, no hay problema por
saturacin en el nucleo de este mismo transformador. El voltaje de
salida promedio es:
Vcd =
2
T
∫ 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 utilizacin 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 utilizacin del transformador.
Solucin. 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
∫ 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 =
√
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 trifsicos en puente
Un rectificador trifsico en puente como el que se muestra
en la figura 5 es de uso comn en aplicaciones de alta
energa. 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 estn numerados en orden de
secuencia de conduccin, cada uno de ellos conduce durante 120◦. La
secuencia de la conduccin de los diodos es 12,23,34,45,56 y 61. El par de
diodos conectados entre el par de lneas de alimentacin que tengan la
diferencia de potencial instantneo ms alto de lnea a lnea sern los que
conduzcan. En una fuente conectada en estrella trifsica el voltaje de lnea a
lnea es
√
3 veces el voltaje de fase. Las formas de onda y los tiempos de
conduccin 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 monofsicos
de media onda y es del tipo de media onda. El periodo de conduccin
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 est dado por
Vcd =
2
2π/q
∫ π/q
0
Vm cos(ωt)d(ωt) = Vm
q
π
sen
(
π
q
)
Vrms =
[
2
2π/q
∫ 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
∫ 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 travs de un
diodo es Im =
√
3Vm/R y el valor rms de la corriente del diodo es
Ir =
[
4
2π
∫ 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
∫ 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 lnea pico en el secundario.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Un rectiﬁcador trifsico 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 utilizacin del
transformador.

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Un rectiﬁcador trifsico 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 utilizacin del
transformador.
Solucin. 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 =
√
1,00082 − 1 = 0,059 = 5,97 %

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
Transistores
Los transistores de potencia tienen caractersticas
controladas de activacin y desactivacin. Los transistores,
que se utilizan como elementos conmutadores, se operan
en la regin de saturacin, lo que da como resultado en una
cada de voltaje baja en estado activo. La velocidad de
conmutacin 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 categoras:
1. Transistores bipolares de juntura (BJT)
2. Transistores semiconductores de metal de xido de efecto
de campo (MOSFET)
3. Transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT)
A ﬁn de explicar las tcnicas de conversin 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 comn, base comn y emisor comn, la configuracin
de emisor que aparece en la fig 6a, es la que
generalmente se utiliza en aplicaciones de conmutacin.
(a) Diagrama
de circuito
(b) Caracterstica de salida
Figura: Caracterstica transistores NPN

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

Unidad 1. Semi-
conductores de
potencia.
Semiconductores
de potencia
de potencia
La ecuacin 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 ecuacin anterior indica siempre qie VCE ≤ VBE , la unin colector–base
tendr que polarizacin inversa y el transistor estar en regin activa. La corriente
mxima del colector en la regin 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 saturacin 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 saturacin la corriente del colector se conserva
prcticamente constante. Si el voltaje de saturacin 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 relacin entre IB e IBS se conoce como el factor de sobreexcitacin. ODF
ODF =
IB
IBS
y la relacin entre ICS e IB se conoce como la β forzada,
βf =
ICS
IB
La prdida 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 alimentacin 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 saturacin con un factor de sobreexcitacin de 5, (b)la βf forzada y (c) la
prdida de potencia PT en el transistor.
nota: Para un factor de sobreexcitacin de 10, IB = 22,265 A y la prdida de
potencia sera PT = 1,5 × 22,265 + 18,1 = 51,5 W. Una vez saturado el
transistor, el voltaje colector–emisor no se reduce en relacin con el aumento de
la corriente de base. Sin embargo, aumenta la prdida de potencia. A un valor
alto de ODF, el transistor puede daarse 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 alimentacin 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 saturacin con un factor de sobreexcitacin de 5, (b)la βf forzada y (c) la
prdida de potencia PT en el transistor.
Solucin 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 sobreexcitacin de 10, IB = 22,265 A y la prdida de
potencia sera PT = 1,5 × 22,265 + 18,1 = 51,5 W. Una vez saturado el
transistor, el voltaje colector–emisor no se reduce en relacin con el aumento de
la corriente de base. Sin embargo, aumenta la prdida de potencia. A un valor
alto de ODF, el transistor puede daarse 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)?
£Cunta corriente circula por la carga cuando esto sucede?
£Cul 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)?
£Cunta corriente circula por la carga cuando esto sucede?
£Cul es la magnitud de la corriente de base necesaria?
Solucin. 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
pequeos 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 ms desfavorables dentro de la zona activa.
Para una carga resistiva, el transistor pasar de corte a saturacin por la
recta que va desde A hasta C, y de saturacin a corte desde C a A.
Con una carga inductiva como en el circuito anterior el transistor pasa
a saturacin recorriendo la curva ABC, mientras que el paso a corte lo
hace por el tramo CDA. Puede verse que este ltimo paso lo hace
despus de una profunda incursin en la zona activa que podra fcilmente
sobrepasar el lmite de avalancha secundaria, con valor VCE muy
superior al valor de la fuente (Vcc).

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de potencia
a) Diodo Zner en paralelo con el transistor (la tensin nominal zner ha de
ser superior a la tensin 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 tensin en el transistor durante el paso de
saturacin a corte, proporcionando a travs de los diodos un camino
para la circulacin de la intensidad inductiva de la carga.
En la tercera proteccin, al cortarse el transistor la intensidad inductiva
sigue pasando por el diodo y por el condensador CS, el cual tiende a
cargarse a una tensin Vcc.

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de potencia
Diseando adecuadamente la red RC se consigue que la tensin en el
transistor durante la conmutacin sea inferior a la de la fuente,
alejndose su funcionamiento de los lmites por disipacin y por
avalancha secundaria. Cuando el transistor pasa a saturacin el
condensador se descarga a travs de RS.
El efecto de la red snubber es la que se puede apreciar en la ﬁgura, el
paso de saturacin (A) a corte (pB) se produce de forma ms directa y
sin alcanzar valores de VCE superiores a la fuente Vcc.
Para el clculo de CS se suponer, despreciando las prdidas, que la
energa 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
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 saturacin 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 slo de una pequea corriente de entrada.
La velocidad de conmutacin es muy alta siendo los tiempos
de conmutacin 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 tensin,
baja potencia y conmutacin resistiva en altas frecuencias,
como fuentes de alimentacin conmutadas, motores sin
escobillas y aplicaciones como robtica, CNC y
electrodomsticos.
Los MOSFET tienen problemas de descargas electrstaticas,
por lo que su manejo requiere de cuidados especiales.
Ademsm es relativamente difcil protegerlos bajo condiciones
de falla de corto circuito.

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de potencia
Una diferencia de tensin 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 trmino enriquecimiento hace referencia al incremento de la
conductividad elctrica debido a un aumento de la cantidad de
portadores de carga en la regin correspondiente al canal, que tambin
es conocida como la zona de inversin.
La estructura MOS, acta como un condensador de placas paralelas
en el que G y B son las placas y el xido, el aislante.

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de potencia
MOSFET DE ENRIQUECIMIENTO DE
CANAL N.
Bajo el terminal de Puerta existe una capa de xido (SiO2) que impide
prcticamente el paso de corriente a su travs; por lo que, el control de
puerta se establece en forma de tensin.
La calidad y estabilidad con que es posible fabricar estas ﬁnas capas
de xido es la principal causa del xito alcanzado con este transistor,
siendo actualmente el dispositivo ms 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
Cuando se aplica una tensin positiva al terminal de puerta de un
MOSFET de tipo N, se crea un campo elctrico bajo la capa de xido
que incide perpendicularmente sobre la superficie del semiconductor
P.
Este campo, atrae a los electrones hacia la superficie, bajo la capa
de xido, repeliendo los huecos hacia el sustrato.
Si el campo elctrico es muy intenso se logra crear en dicha superficie
una regin muy rica en electrones, denominada canal N, que permite
el paso de corriente de la Fuente al Drenador.
Cuanto mayor sea la tensin de Puerta (Gate) mayor ser el campo
elctrico y, por tanto, la carga en el canal.
Una vez creado el canal, la corriente se origina, aplicando una tensin
positiva en el Drenador (Drain) respecto a la tensin de la Fuente
(Source).

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de potencia
REGIONES DE OPERACIN.
La operacin de un transistor MOSFET se puede dividir en tres
regiones de operacin diferentes, dependiendo de las tensiones
en sus terminales. Para un transistor MOSFET N de
enriquecimiento se tienen las siguientes regiones: regin de
corte, regin hmica y regin de saturacin.

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Regin de corte.
El transistor estar en esta regin, cuando
VGS < Vt
En estas condiciones el transistor MOSFET, equivale
elctricamente a un circuito abierto, entre los terminales del
Drenador-Surtidor.
De acuerdo con el modelo bsico del transistor, en esta regin,
el dispositivo se encuentra apagado.
No hay conduccin entre Drenador y Surtidor, de modo que el
MOSFET se comporta como un interruptor abierto.

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Regin hmica.
Cuando un MOSFET est polarizado en la regin hmica, el valor de
RDS(on) viene dado por la expresin:
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) especﬁca y el voltaje Puerta-Surtidor. Por
ejemplo, si VDS(on) = 1V y ID(on) = 100mA entonces,
RDS(on) =
1V
100mA
= 10Ω
El transistor estar en la regin hmica, 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 vara dependiendo del valor que tenga la
tensin entre la Puerta y el Surtidor (VGS).

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Regin de Saturacin.
Entra en esta zona cuando la tensin (VDS) supera la tensin de
saturacin (VDSsat ); este valor viene determinado en del fabricante.
VGS > Vt y VDS > (VGS − Vt)
Estaremos en la regin de saturacin cuando el canal se interrumpe o
estrangula
En esta zona, se mantiene constante la ID, independientemente del
valor de tensin que exista entre VDS.
Cuando la tensin entre Drenador y Fuente supera cierto lmite, el
canal de conduccin, bajo la Puerta sufre un estrangulamiento en las
cercanas del Drenador y desaparece.
La corriente entre Fuente y Drenador no se interrumpe, es debido al
campo elctrico entre ambos, pero se hace independiente de la
diferencia de potencial entre ambos terminales.

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Regin de Ruptura
Esta zona apenas se utiliza porque el transistor MOSFET pierde sus
propiedades semiconductoras y se puede llegar a romper el
componente fsico. La palabra ruptura hace referencia a que se rompe
la unin semiconductora de la parte del terminal del drenador.
Los transistores unipolares estn limitados en tres magnitudes
elctricas:
En tensin: no se puede superar el valor mximo de tensin entre la
puerta y el surtidor. Este valor se denomina BVGS. Tampoco se
puede superar un valor mximo de tensin 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 lmite viene marcado por Pdmax , y es la mxima
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 regin
lineal para acciones de conmutacin.
En la regin de saturacin, la corriente de drenaje se
conserva prcticamente constante para cualquier
incremento en el valor de VDS, y los transistores se
utilizan en esta regin para la ampliﬁcacin de voltaje.
Nota:La saturacin tiene un signiﬁcado opuesto que en el
caso de los transistores bipolares.

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de potencia
de potencia
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Es un dispositivo semiconductor que generalmente se
aplica como interruptor controlado en circuitos de
electrnica de potencia.
Tiene las caractersticas de las seales de puerta de los
transistores de efecto campo con la capacidad de alta
corriente y bajo voltaje de saturacin 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 excitacin del IGBT es como el del
MOSFET, mientras que las caractersticas de conduccin
son como las del BJT

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de potencia
de potencia
Caractersticas
El transistor IGBT es adecuado para velocidades de
conmutacin de hasta 100 kHz.
Es usado en aplicaciones de altas y medias energa
como fuente conmutada, control de la traccin en motores
y cocina de induccin.
Mdulos 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 electrnica de potencia es intermedio
entre los tiristores y los MOSFET.
Maneja ms potencia que los segundos siendo ms lento
que ellos y lo inverso respecto a los primeros.

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Semiconductores
de potencia
de potencia
Es un dispositivo para la conmutacin en sistemas de alta
tensin. La tensin de control de puerta es de unos 15 V.
Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia
aplicando una seal elctrica de entrada muy dbil en la
puerta.

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Semiconductores
de potencia
de potencia
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 prdidas de conduccin en estado activo, como los BJT.
Es un dispostivo controlado por voltaje, similar a un MOSFET de
potencia. Tiene menores prdidas de conmutacin y de conduccin, en
tanto comparte muchas de las caractersticas atractivas de los
MOSFET de potencia, como la facilidad de excitacin de compuerta,
la corriente de pica, la capacidad y la resistencia.

Gracias por su atención
Dr. Antonio Navarrete Guzmán

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