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Selección de dispositivos electrónicos de potencia

Universidad de Oviedo. Lección 2. Selección de dispositivos electrónicos de potencia. Diseño de Sistemas Electrónicos de Potencia 4º Curso. Grado en Ingeniería en Tecnologías y Servicios de Telecomunicación . Dispositivos a estudiar. El Diodo de potencia El MOSFET de potencia

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  1. Universidad de Oviedo Lección 2 Selección de dispositivos electrónicos de potencia Diseño de Sistemas Electrónicos de Potencia 4º Curso. Grado en Ingeniería en Tecnologías y Servicios de Telecomunicación

  2. Dispositivos a estudiar • El Diodo de potencia • El MOSFET de potencia • El Transistor Bipolar de Puerta Aislada (IGBT) • El Rectificador Controlado de Silicio (SCR) • El Tiristor Apagado por Puerta (GTO) • El Triodo de Corriente Alterna (TRIAC) Nuevos para vosotros

  3. DO 35 DO 41 DO 15 DO 201 Encapsulados de diodos • Axiales DIODOS DE POTENCIA

  4. Encapsulados de diodos • Para usar radiadores DIODOS DE POTENCIA

  5. DO 5 B 44 Encapsulados de diodos • Para grandes potencias DIODOS DE POTENCIA

  6. 2 diodos en cátodo común 2 diodos en serie Encapsulados de diodos • Agrupaciones de 2 diodos DIODOS DE POTENCIA

  7. Encapsulados de diodos • Agrupaciones de 2 diodos (con varias conexiones) DIODOS DE POTENCIA

  8. Nombre del dispositivo Encapsulados de diodos • Agrupaciones de 2 diodos (sin conectar) DIODOS DE POTENCIA

  9. Nombre del dispositivo Encapsulados Encapsulados de diodos • Agrupaciones de 2 diodos. Diversos encapsulados para el mismo dispositivo DIODOS DE POTENCIA

  10. Dual in line Encapsulados de diodos • Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos) DIODOS DE POTENCIA

  11. Encapsulados de diodos • Agrupaciones de 4 diodos (puentes de diodos) DIODOS DE POTENCIA

  12. Encapsulados de diodos • Puentes de diodos. Toda la gama de Fagor DIODOS DE POTENCIA

  13. Electrónica militar Control de Motores Encapsulados mixtos de diodos y otros dispositivos • Dan origen a módulos de potencia - Adecuados para alta potencia y relativa alta frecuencia - Minimizan las inductancias parásitas del conexionado - Se usan en aplicaciones industriales, espaciales, militares, etc - Se pueden pedir a medida DIODOS DE POTENCIA

  14. Curva característica real i Curva característica ideal Curva característica asintótica. Pendiente = 1/rd V 0 V ideal rd Modelo asintótico V Circuito equivalente estático DIODOS DE POTENCIA • Circuito equivalente asintótico

  15. Baja tensión Media tensión Alta tensión 15 V 30 V 45 V 55 V 60 V 80 V 100 V 150 V 200 V 400 V 500 V 600 V 800 V 1000 V 1200 V Ejemplo de clasificación Características fundamentales de cualquier diodo 1ª -Máxima tensión inversa soportada 2ª -Máxima corriente directa conducida 3ª -Caída de tensión en conducción 4ª -Corriente de inversa en bloqueo 5ª -Velocidad de conmutación 1ª Máxima tensión inversa soportada DIODOS DE POTENCIA • Corresponde a la tensión de ruptura de la unión inversamente polarizada

  16. 1ª Máxima tensión inversa soportada • El fabricante suministra (a veces) dos valores: • - Tensión inversa máxima de pico repetitivo VRRM • - Tensión inversa máxima de pico no repetitivo VRSM DIODOS DE POTENCIA La tensión máxima es crítica. Superarla suele ser determinante del deterioro irreversible del componente

  17. 2ª Máxima corriente directa conducida • El fabricante suministra dos (y a veces tres) valores: • - Corriente eficaz máxima IF(RMS) • - Corriente directa máxima de pico repetitivo IFRM • - Corriente directa máxima de pico no repetitivo IFSM DIODOS DE POTENCIA Depende de la cápsula

  18. i ID V VD ideal 5 A rd V 3ª Caída de tensión en conducción • La caída de tensión en conducción (obviamente) crece con la corriente directa conducida. A corrientes altas crece linealmente DIODOS DE POTENCIA

  19. 3ª Caída de tensión en conducción • La caída de tensión en conducción crece con la máxima tensión soportable por el diodo DIODOS DE POTENCIA

  20. 3ª Caída de tensión en conducción • Se obtiene directamente de las curvas tensión corriente IF(AV) = 4A, VRRM = 200V DIODOS DE POTENCIA 1,25V @ 25A IF(AV) = 5A, VRRM = 1200V • En escala lineal no son muy útiles • Frecuentemente se representan en escala logarítmica 2,2V @ 25A

  21. 3ª Caída de tensión en conducción • Curva característica en escala logarítmica IF(AV) = 22A, VRRM = 600V IF(AV) = 25A, VRRM = 200V DIODOS DE POTENCIA 0,84V @ 20A 1,6V @ 20A

  22. 3ª Caída de tensión en conducción • Los Schottky tienen mejor comportamiento en conducción para VRRM < 200 (en silicio) DIODOS DE POTENCIA 0,5V @ 10A

  23. 3ª Caída de tensión en conducción • Schottky de VRRM relativamente alta DIODOS DE POTENCIA 0,69V @ 10A La caída de tensión en conducción no sólo va creciendo al aumentar VRRM, sino que se aproxima a la de un diodo PN

  24. Schottky Schottky Similares valores de VRRM y similares caídas de tensión en conducción PN 3ª Caída de tensión en conducción DIODOS DE POTENCIA

  25. IF(AV) = 8A, VRRM = 200V IF(AV) = 4A, VRRM = 200V IF(AV) = 5A, VRRM = 1200V 4ª Corriente de inversa en bloqueo • Depende de los valores de IF(AV) y VRRM, de la tensión inversa (poco) y de la temperatura (mucho) • Algunos ejemplos de diodos PN Crece con IF(AV) Crece con Tj DIODOS DE POTENCIA

  26. IF(AV) = 10A, VRRM = 40V IF(AV) = 10A, VRRM = 170V 4ª Corriente de inversa en bloqueo • Crece con IF(AV) • Crece con Tj • Dos ejemplos de diodos Schottky • Decrece con VRRM DIODOS DE POTENCIA

  27. R i a b + V2 V V1 - i V1/R t t V -V2 5ª Velocidad de conmutación • Comportamiento ideal de un diodo en conmutación Transición de “a” a “b”, es decir, de conducción a bloqueo (apagado) DIODOS DE POTENCIA

  28. R i a b + V2 V V1/R V1 i - trr t -V2/R ts tf(i= -0,1·V2/R) V t -V2 5ª Velocidad de conmutación • Comportamiento real de un diodo en conmutación Transición de “a” a “b”, es decir, de conducción a bloqueo (apagado) DIODOS DE POTENCIA ts = tiempo de almacenamiento (storage time ) tf = tiempo de caída (fall time ) trr = tiempo de recuperación inversa (reverse recovery time )

  29. R i a b + V2 V V1 - 0,9·V1/R i 0,1·V1/R td tr tfr 5ª Velocidad de conmutación • Comportamiento real de un diodo en conmutación Transición de “b” a “a”, es decir, de bloqueo conducción (encendido) DIODOS DE POTENCIA td = tiempo de retraso (delay time ) tr = tiempo de subida (rise time ) tfr = td + tr = tiempo de recuperación directa (forward recovery time ) El tiempo de recuperación directa genera menos problemas reales que el de recuperación inversa

  30. IF(AV) = 8A, VRRM = 200V 5ª Velocidad de conmutación • Información suministrada por los fabricantes • Corresponde a conmutaciones con cargas con comportamiento inductivo DIODOS DE POTENCIA

  31. 5ª Velocidad de conmutación • Más información suministrada por los fabricantes STTA506D DIODOS DE POTENCIA

  32. VRRM IF trr 100 V - 600 V 1 A – 50 A > 1 s • Standard • Fast • Ultra Fast • Schottky 100 V - 1000 V 1 A – 50 A 100 ns – 500 ns 200 V - 800 V 1 A – 50 A 20 ns – 100 ns 15 V - 150 V (Si) 300 V – 1200 V (SiC) 1 A – 150 A < 2 ns < 2 ns www.irf.com www.onsemi.com www.st.com www.infineon.com Direcciones web 5ª Velocidad de conmutación • La velocidad de conmutación (valorada con la trr) ayuda a clasificar los diodos DIODOS DE POTENCIA 1 A – 20 A Las características de todos los semiconductores (por supuesto, también de los diodos) se pueden encontrar en Internet (pdf)

  33. Forma de onda frecuente iD iD Potencia media en un periodo: ideal rd V Pérdidas en diodos • Son de dos tipos: • - Estáticas en conducción (en bloqueo son despreciables) • - Dinámicas Pérdidas estáticas en un diodo DIODOS DE POTENCIA Potencia instantánea perdida en conducción: pDcond (t) = vD (t)·iD (t) = (V + rd · iD(t))·iD(t) PDcond = V·IM + rd · Ief2 IM : Valor medio de iD(t) Ief : Valor eficaz de iD(t) Þ

  34. iD 10 A tf t 3 A VD 0,8 V t Potencia media en un periodo: -200 V Pérdidas dinámicas (pérdidas de conmutación) en un diodo • Las conmutaciones no son perfectas • Hay instantes en los que conviven tensión y corriente • La mayor parte de las pérdidas se producen en la salida de conducción DIODOS DE POTENCIA Potencia instantánea perdida en la salida de conducción: pDsc (t) = vD (t)·iD (t)

  35. (de las hojas de características (Datasheet) del diodo STTA506) Información de los fabricantes sobre pérdidas • Estáticas DIODOS DE POTENCIA

  36. (de las hojas de características (Datasheet) del diodo STTA506) Información de los fabricantes sobre pérdidas • Dinámicas DIODOS DE POTENCIA

  37. (de las hojas de características (Datasheet) del diodo STTA506) Información de los fabricantes sobre pérdidas • Dinámicas DIODOS DE POTENCIA

  38. Si RTHca RTHjc a P (W) j Ambiente Unión (oblea) c Equivalente eléctrico Encapsulado Características Térmicas • Las pérdidas generan calor y éste debe ser evacuado • El silicio pierde sus propiedades semiconductoras a partir de 175-150ºC • Magnitudes térmicas: • - Resistencias térmicas, RTH en ºC/W • - Increm. de temperaturas, ΔT en ºC • - Potencia perdida, P en W • Ley “de Ohm” térmica:ΔT=P·RTH DIODOS DE POTENCIA • Magnitudes eléctricas: • - Resistencias eléctricas, R en Ω • - Difer. de tensiones, V en voltios • - Corriente, I en A RTHÞR ΔT ÞV P Þ I

  39. a a Si j RTHca RTHjc Ambiente P (W) Unión TC RTHjc TJ RTHca Ta j c c P Encapsulado RTHÞR ΔT ÞV P Þ I Equivalente eléctrico 0 K Características Térmicas DIODOS DE POTENCIA Por tanto:ΔT = P·ΣRTH Þ Tj-Ta = P·(RTHjc + RTHca) Y también: Tj-TC = P·RTHjcy Tc-Ta = P·RTHca

  40. IF(AV) = 5A, VRRM = 1200V Características Térmicas • La resistencia térmica unión-cápsula es baja ( 0,5-5 ºC/W) • La resistencia térmica cápsula-ambiente es alta ( 30-100 ºC/W) DIODOS DE POTENCIA • Para reducir la temperatura de la unión hay que disminuir la resistencia térmica entre la cápsula y el ambiente. • Para ello se coloca un radiador en la cápsula.

  41. RTHrad a RTHjc c Ta TC RTHca TJ P RTHrad RTHca a 0º K j Si Ambiente RTHjc Unión P (W) c Encapsulado Características Térmicas j DIODOS DE POTENCIA Por tanto:Tj-Ta = P·[RTHjc + (RTHcaRTHrad)/(RTHca+RTHrad)] Y también:Tj-TC = P·RTHjcyTc-Ta = P·(RTHcaRTHrad)/(RTHca+RTHrad)]

  42. ID 2,5KW ID[mA] 4 VGS = 4,5V D + VDS VGS = 4V G 2 + - S VGS = 3,5V VGS - VGS = 3V VGS = 2,5V VGS < VTH = 2V 0 12 VDS [V] 8 4 Comportamiento resistivo Comportamiento como fuente de corriente (sin interés en electrónica de potencia) Comportamiento como circuito abierto Ideas generales sobre los MOSFETs de acumulación de señal • Zonas de trabajo de un MOSFET de señal 10V EL MOSFET DE POTENCIA < 4,5V VGS = 0V < 2,5V < 3V < 3,5V < 4V

  43. S G D N+ N+ P- + Substrato D G S Ideas generales sobre los MOSFETs de acumulación de señal • Precauciones en el uso de transistores MOSFET • - El terminal puerta al aire es muy sensible a los ruidos • - El óxido se puede llegar a perforar por la electricidad estática de los dedos. A veces se integran diodos zener de protección • - Existe un diodo parásito entre fuente y drenador en los MOSFET de enriquecimiento EL MOSFET DE POTENCIA

  44. Fuente Fuente Puerta Puerta S n+ n+ n+ p p G n- n- n+ D n+ Drenador Drenador Estructura en trinchera (V MOS) Estructura planar (D MOS) Estructura de los MOSFETs de Potencia • Están formados por miles de celdas puestas en paralelo (son posibles integraciones de 0,5 millones por pulgada cuadrada) • Los dispositivos FET (en general) se paralelizan fácilmente • Algunas celdas posibles (dispositivos verticales): EL MOSFET DE POTENCIA

  45. RDS(on)=12mW, ID=57A RDS(on)=9,4mW, ID=12A RDS(on)=9mW, ID=93A RDS(on)=1.5mW, ID=240A RDS(on)=5,5mW, ID=86A Encapsuladosde MOSFETs de Potencia • En general, semejantes a los de los diodos de potencia (excepto los encapsulados axiales) • Existe gran variedad de encapsulados • Ejemplos: MOSFET de 60V EL MOSFET DE POTENCIA

  46. RDS(on)=3.4mW, ID=90A Encapsuladosde MOSFETs de Potencia • Otros ejemplos de MOSFET de 60V EL MOSFET DE POTENCIA

  47. Características fundamentales de los MOSFETs de potencia 1ª -Máxima tensión drenador-fuente 2ª -Máxima corriente de drenador 3ª -Resistencia en conducción 4ª -Tensiones umbral y máximas de puerta 5ª -Proceso de conmutación Fuente 1ª Máxima tensión drenador-fuente N+ P • Corresponde a la tensión de ruptura de la unión que forman el substrato (unido a la fuente) y el drenador. • Se mide con la puerta cortocircuitada a la fuente. Se especifica a qué pequeña circulación de corriente corresponde (por ejemplo, 0,25 mA) Puerta EL MOSFET DE POTENCIA N- DiodoFuente–Drenador N+ Drenador MOSFET con puerta en trinchera

  48. Baja tensión Media tensión Alta tensión 15 V 30 V 45 V 55 V 60 V 80 V 100 V 150 V 200 V 400 V 500 V 600 V 800 V 1000 V 1200 V (SiC) Ejemplo de clasificación 1ª Máxima tensión drenador-fuente • La máxima tensión drenador-fuente de representa como VDSS o como V(BR)DSS • Ayuda a clasificar a los transistores MOSFET de potencia EL MOSFET DE POTENCIA

  49. 2ª Máxima corriente de drenador • El fabricante suministra dos valores (al menos): • - Corriente continua máxima ID • - Corriente máxima pulsada IDM EL MOSFET DE POTENCIA • La corriente continua máxima ID depende de la temperatura de la cápsula (mounting base aquí) A 100ºC, ID=23·0,7=16,1A

  50. Drain-source On Resistance, RDS(on) (Ohms) 3ª Resistencia en conducción • Es uno de los parámetro más importante en un MOSFET. Cuanto menor sea, mejor es el dispositivo • Se representa por las letras RDS(on) • Para un dispositivo particular, crece con la temperatura • Para un dispositivo particular, decrece con la tensión de puerta. Este decrecimiento tiene un límite. EL MOSFET DE POTENCIA

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