Caracteristicas de Los Transistores de Potencia

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CARACTERISTICAS DE LOS TRANSISTORES DE POTENCIA Hugo Fernando Duchi Matute [email protected],

 Abstract—In this paper we will discuss some features that have the power transistors such as bipolar transistors, FET transistors and IGBTs. Besides presenting the general functioning of each and some of its operating regions.  Index Terms Terms—Transistor Bipolar, transistor FET, IGBT, region

el paso paso de bloq bloque ueo o a cond conduc ucci ción ón y vice viceve vers rsaa no se hace hace instantáneamente, sino que siempre hay un retardo (ton, toff). A continuacion se detalla cada uno de estos tres transistores de potencia.

de corte, region de saturacion.

I I . F UNDAMENTOS TEORICOS I. I NTRODUCCION El funcionamiento y utilización de los transistores de potencia es idéntico al de los transistores normales, teniendo como características especiales las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar. Existen básicamente tres tipos de transistores de potencia: • • •

•

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El interés actual del BJT es muy limitado, ya que existen dispositivos de potencia con características muy superiores [1]

  Bipolar.  Unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo).   IGBT.

Una ventaja importante de los MOSFET es además que pueden colocarse directamente en paralelo para aumentar la capacidad de entregar corriente. Ya que estos poseen un coeficiente de temperatura negativo. Al aumentar la temperatura disminuye la corr corrie ient ntee por por el cana canal. l. En el caso caso de los los bipo bipola lare ress el coeficiente es positivo y se produce el fenómeno de embalamiento térmico. Por esta razón cuando se conectan bipolares en paralelo para aumentar la capacidad de entregar corriente estos deben conectase con resistencias de emisor para ecualizar y estabilizar la corriente. El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada MOS, más la capaci capacidad dad de carga carga en corrie corriente nte de los transi transisto stores res bipolares: •

 A. El transistor bipolar de potencia (BJT)

Figure Figure 1. Esquemas Esquemas basicos basicos •

  Modos de trabajo

Existen Existen cuatro cuatro condicione condicioness de polariza polarización ción posibles. posibles. DepenDependiendo del sentido o signo de los voltajes de polarización en cada una de las uniones del transistor pueden ser:

  Trabaja con tensión.   Tiempos de conmutación bajos (alta frecuencia de funcionamiento)  Margen de potencia en conducción mucho mayor (como los bipolares).

Nos interesa que el transistor se parezca, lo más posible, a un elemento ideal: pequeñas fugas, alta potencia, bajos tiempos de respuesta (ton, toff), que el efecto avalancha se produzca a un valor elevado, que no se produzcan puntos calientes. Una limita limitació ción n impor importan tante te de todos todos los dispos dispositi itivo voss de potencia y concretamente de los transistores bipolares, es que Figure Figure 2. Regione Regioness de trabajo Your Name is with the Department of ..., ... Institute of ..., City, Country, e-mail:  e-mail:   [email protected]. Second Name is with the Department of ..., ... Institute of ..., City, Country, e-mail:  e-mail:   [email protected]. Third Name is with the Department of ..., ... Institute of ..., City, Country, e-mail:  e-mail:   [email protected].

Región Región activa activa directa: directa:   Correspond Correspondee a una polariza polarización ción directa de la unión emisor - base y a una polarización inversa de la unión unión colector colector base. base.

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Región activa inversa:   Corresponde a una polarización inversa de la unión emisor - base y a una polarización directa de la unión colector base Región de corte:  Corresponde a una polarización inversa de ambas uniones. La operación en esta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo apagado, pues el transistor actúa como un interruptor abierto (IC = 0). Región de saturación:   Corresponde a una polarización directa de ambas uniones. La operación en esta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo encendido, pues el transistor actúa como un interruptor cerrado (VCE = 0). [1]

–   Tiempo de almacenamiento (Storage time, ts): Tiempo que transcurre desde que se quita la excitación de entrada y el instante en que la señal de salida baja al 90% de su valor final. – Tiempo de caída (Fall time, tf):  Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre el 90% y el 10% de su valor final. Los tiempos de encendido (ton) y apagado (toff) limitan la frecuencia máxima (fmax) a la cual puede conmutar el transistor:

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 Área de operación segura en un BJT de potencia

La frontera del área de operación sin riesgo (SOA, Safe Operation Area) presenta la forma que se muestra en la siguiente figura:

Figure 3. común •

Curva característica de un transistor pnp en configuración base

 Especificaciones importantes Las principales características que han de considerarse en los transistores bipolares de potencia son:

–   ICmax:   intensidad máxima de colector –   BVCEO:   tensión de ruptura de colector-emisor –   Pmax:  potencia máxima disipable en régimen continuo Los transistores utilizados en circuitos de potencia trabajan generalmente en saturación y corte.[3] •

  Tiempos de conmutación Cuando el transistor está en saturación o en corte las pérdidas son despreciables. Pero si tenemos en cuenta los efectos de retardo de conmutación, al cambiar de un estado a otro se produce un pico de potencia disipada por lo que la potencia media de pérdidas en el transistor va a ser mayor. Estas pérdidas aumentan con la frecuencia de trabajo, debido a que al aumentar ésta, también lo hace el número de veces que se produce el paso de un estado a otro. El tiempo de encendido (ton) y tiempo de apagado (toff) se puede dividir en otros dos: [3]

–  Tiempo de retardo (Delay Time, td):   Es el tiempo que transcurre desde el instante en que se aplica la señal de entrada en el dispositivo conmutador, hasta que la señal de salida alcanza el 10% de su valor final. –   Tiempo de subida (Rise time, tr):   Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre el 10% y el 90% de su valor final.

Figure 4. Frontera del area de operacion

1)  La corriente máxima permisible ICmax.   Si se excede puede dar como resultado que se fundan los alambres del encapsulado 2)  La hipérbola de máxima disipación de potencia. Se cumple que vceic = Pmax. Aún cuando el punto de trabajo se mueva de modo temporal por encima de la hipérbola, no debe permitirse que el promedio de disipación de potencia exceda de Pmax. 3)  Límite de segunda ruptura.   Resulta debido a que la circulación de corriente por la unión entre emisor y base no es uniforme. Da lugar a mayor disipación de potencia y por lo tanto a puntos calientes. 4)   Voltaje de ruptura de la unión colector emisor  BVCEO.  Nunca debe permitirse que el valor instantáneo de vce exceda de BVCEO; de otra manera, ocurrirá la ruptura de avalancha de la unión entre colector y base. [3]

 B. El transistor MOSFET 

Los transistores MOSFET son utilizados masivamente en el mundo como conmutadores gracias a sus características

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–   Región Óhmica.-   Una definición de la región óhmica, parte de la característica que satisface la condición que vGS - VGS (th) vDS. Por lo tanto, las ecuaciones típicas para esta región son: [4]

de tamaño, facilidad de uso y bajo consumo de energía, estando presentes en prácticamente todos los dispositivos. Estos transistores permiten conmutaciones muy veloces y un bajo consumo de energía, pero con capacidad para manejar grandes tensiones y corrientes.[4]

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  Resistencia Drain-Source

Figure 5. a) Mosfet canal N b) Mosfet canal P

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 Regiones de trabajo de los MOSFET 

Al estar encendido el MOSFET presenta un comportamiento resistivo que se modela por el parámetro RDS cuyo valor varía según las condiciones de operación. Hasta cierto nivel de corriente en el drain la resistencia RDS se mantiene bastante baja y lineal, sin embargo, al exigir mayor corriente ésta aumenta bruscamente subiendo el voltaje drain source y por consiguiente la potencia disipada por el MOSFET poniéndolo en peligro de quemarse. También se puede apreciar que dicho límite varía fuertemente con diferentes tensiones en la compuerta (gate), por lo que mayores tensiones de disparo permiten mayor circulación de corriente. [4]

Figure 6. Regiones de trabajo

–   Región de Corte.-   existen corrientes residuales cuando el dispositivo está en corte. Si la tensión aplicada entre Puerta Surtidor es inferior a Vth, el dispositivo continuará en la región de corte. En esta región la corriente que circula por el drenador es prácticamente nula.

–   Región Activa (Saturación de Canal).-   En esta región se utiliza el transistor Mos como amplificador. Para un valor de Vgs, que será como mínimo Vgs(th) se produce el paso de corriente entre el drenador y el surtidor. En la región activa el valor de la tensión entre puerta y surtidor, controla la magnitud de la corriente del drenador (id), como la tensión entre el drenador y el surtidor (vds).

Figure 7. Caraceristicas de salida para Vgs

Voltaje de umbral en el gate.-  Dicho umbral determina la tensión necesaria para formar el canal, por lo que una señal de apagado debe estar bajo este umbral y una de encendido sobre el mismo.

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comúnmente a través del driver, para ello suelen contar con salidas del tipo push-pull. [1]

C. El transistor IGBT 

Figure 8. Voltaje de umbral en el gate

Con estos parámetros se pueden determinar las tensiones necesarias para conmutar el MOSFET dada una aplicación determinada. •

  Tiempo de Conmutación

El IGBT (Insulate Gate Bipolar Transistor) combina las ventajas de los BJT y los Mosfet. Tiene una impedancia de entrada elevada, como los Mosfet y bajas perdidas en conmutación, como los BJT, pero sin el problema de segunda ruptura, por lo que puede trabajar a elevada frecuencia y con grandes intensidades. Los IBGT fueron inventados hace poco tiempo, pero su evolución ha sido rápida debido a que han demostrado tener una resistencia en conducción muy baja y una elevada velocidad de conmutación, además de una elevada tensión de ruptura. Los IGBT se fabrican desde una tensión de 1400V y una corriente de 300A, a una tensión de 600V y una corriente de 50A. El control por tensión hace que el IGBT sea más rápido que el BJT, pero más lento que el Mosfet. La energía aplicada a la puerta que activa el dispositivo es pequeña con una corriente del orden de los nanoamperios, esta pequeña potencia necesaria para conmutar el dispositivo, hace que pueda ser controlado por circuitos integrados. [1]

Además de usar un nivel de tensión adecuado en el gate, se le debe entregar una cierta cantidad de carga para encenderlo satisfactoriamente. El tiempo que tarde en acumularse dicha carga determinará el tiempo de conmutación del MOSFET.

Figure 10. Representación Simbólica del transistor IGBT. a) Como BJT, b) Como Mosfet

Figure 9. Carga necesaria para obtener la mayor circulacion de corriente

De lo anterior se puede obtener la corriente que debe ser capaz de entregar el driver del MOSFET para lograr un encendido en un intervalo de tiempo determinado.

Para el caso del apagado del MOSFET el condensador que se forma en el transistor debe descargarse, lo cual se hace

Figure 11. Curva Caracteristica estática de un transistor IGBT de canal N

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  Características de los igbts

1) Una característica singular de todos los IGBTs es su capacidad para resistir cortocircuitos. En el caso de cortocircuito, la corriente que circula a través de los IGBTs sigue estando limitada a un nivel impuesto por el diseño del dispositivo, siendo posible desconectar de manera segura el cortocircuito antes de transcurridos 10 microsegundos manteniendo el control normal de la puerta y sin que el dispositivo sufra daños permanentes. 2) Las pérdidas en conducción de los IGBTs son algo superiores comparadas con los GTOs e IGCTs. Como contrapartida, las pérdidas en el estado de bloqueo son inferiores. Por este motivo, la frecuencia óptima de conmutación de los IGBTs es superior a la de los GTOs e IGCTs con idénticas características nominales. [5]

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Figure 13. Características de la Tensión y Corriente en el Apagado de unTransistor IGBT conmutando una carga inductiva

  Características en conmutación El encendido es análogo al del MOS, en el apagado destaca la corriente de cola: La corriente de cola se debe a la conmutación más lenta del BJT, debido a la carga almacenada en su base.

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–   Provoca pérdidas importantes (corriente relativamente alta y tensión muy elevada) y limita la frecuencia de funcionamiento. –   La corriente de cola, al estar compuesta por huecos que circulan por la resistencia de dispersión, es la causa del latchup dinámico. –   Se puede acelerar la conmutación del BJT disminuyendo la vida media de los huecos en dicha capa. Tiene el inconveniente de producir más pérdidas en conducción. [5]

  Características y valores límites

–   IDmax Limitada por efecto Latch-up. –   VGSmax Limitada por el espesor del óxido de silicio. –   Se diseña para que cuando VGS = VGSmax la corriente de cortocircuito sea entre 4 a 10 veces la nominal (zona activa con VDS=Vmax) y pueda soportarla durante unos5 a 10 ¸ts. y pueda actuar una protección electrónica cortando desde puerta. –   La temperatura máxima de la unión suele ser de 150žC(con SiC se esperan valores mayores) –   Existen en el mercado IGBTs encapsulados que soportan hasta 400 o 600 Amp. [5]

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 Características Térmicas

Figure 12. Caracteristicas basicas

Figure 14. Características térmicas

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Figure 15. Gráca de los fabricantes

III. C ONCLUSIONES Los transistores son unos elementos que han facilitado, en gran medida, el diseño de circuitos electrónicos de reducido tamaño, gran versatilidad y facilidad de control. Los actuales niveles de tensión, corriente y frecuencia empleados en las distintas aplicaciones de potencia requieren una cuidadosa selección del dispositivo más adecuado. Para su elección es fundamental evaluar correctamente como sus características funcionales se adecuan a los requerimientos de la aplicación. IV. B IBLIOGRAFIA [1] http://www.iuma.ulpgc.es.Transistor de potencia. [2] https://sites.google.com. Transistores fototransistores [3] http://www.icmm.csic.es. Transistores bipolares. [4] http://cursos.smartdreams.cl. Lo fundamental sobre mosfet de potencia [5] http://es.scribd.com. Caracteristicas de los IGBT V. B IOGRAFIA

H   ugo Fernando Duchi Matute. Nacio en Cuenca - Ecuador en 1991, Recibio el titulo de Tecnico en Comercio y Administracion Especialidad Aplicaciones Informaticas en el colegio Tecnico Salesiano . Actualmente esta haciendo sus estudios en la Universidad Politecnica Salesiana en la carrera de Ingenieria Electronica.