CARACTERÍSTICAS DE LOS DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA Y APLICACIONES

CARACTERÍSTICAS DE LOS DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA Y APLICACIONES

Julio César De Dios López, Lady Marisol López Hernández, Elucinque Rodríguez Vargas.

Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco. Facultad de Ingeniería Mecatrónica.

Comalcalco, México.

cesardilo@gmail.com

lady_mychemical@hotmail.com

Memphis_600@hotmail.com

Abstract— In the following essay components of power electronics, with emphasis on its main characteristics are analyzed. It is remarkable how these devices have been improved through the passage of the years and today they are very useful, so it is essential to study its theoretical basis and its parameters to better understand the problems. These devices are firmly rooted in high-voltage and output power control of high intensity between a megawatt and several gigawatts. Thanks to recent technological advances, the applications of these devices are characterized by being more efficient, reliable and comfortable.

I. INTRODUCCIÓN

En este escrito se aborda temas sobre las características de los dispositivos de electrónica de potencia, para ello es necesario conocer de antemano las clasificaciones de dichos dispositivos.

Dentro de los dispositivos electrónicos de potencia, podemos citar: los diodos y transistores de potencia, el tiristor, así como otros derivados de éstos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor de unión o UJT, el transistor unión programable o PUT y el diodo Shockley. Existen tiristores de características especiales como las fotos tiristores, los tiristores de doble puerta y el tiristor bloqueable por puerta (GTO) (figura 1). Estos dispositivos se pueden clasificar con base en [2]:

1. Cerrado y abertura no controlado (por ejemplo diodo).

2. Cerrado controlado y abertura no controlado (por ejemplo SCR).

3. Características controladas de cerrado y abertura (por ejemplo BJT, MOSFET, GTO, SITH, IGBT, SIT, MCT).

4. Necesidad de señal continua en compuerta (BJT, MOSFET, GTO, SITH, IGBT, SIT, MCT).

5. Necesidad de impulso de compuerta (por ejemplo SCR, GTO, MCT).

6. Capacidad de resistencia a voltaje bipolar (SCR, GTO).

7. Capacidad de corriente bidireccional (TRIAC, RCT).

El principio fundamental de la electrónica de potencia se basa en la conmutación de los dispositivos semiconductores de potencia, y debido a los diferentes avances tecnológicos en este campo ha hecho que muchas de sus aplicaciones en la actualidad se caractericen por realizar sus operaciones de manera más eficientes, confiables y cómodas.

Tal es el caso de la aplicación en el control de los motores eléctricos los cuales se analizarán detalladamente.

Figura 1.

II. CARACTERÍSTICAS Y ESPECIFICACIONES DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

Existe una gran variedad de dispositivos semiconductores de potencia que funcionan como conmutadores de potencia. No obstante, cada uno de ellos tiene pequeñas características diferentes que los hacen adecuados para aplicaciones específicas. El objetivo de cada dispositivo es trabajar de la manera más eficaz y confiable posible, para evaluar el rendimiento se pueden comparar o evaluar las características de cualquier dispositivo real con los parámetros ideales de un dispositivo.

A. Características ideales.

Los semiconductores de potencia dan lugar a muchas clases de dispositivos conmutadores de potencia los cuales nos proporcionan grandes ventajas como desventajas, es por eso que es de gran importancia conocer cada una de las características más importantes y esenciales de cada dispositivo semiconductor de potencia y así poder seleccionar el semiconductor más adecuado para la aplicación que se necesite utilizar. Es por ello que analizaremos sus características ideales más sobresalientes como lo son:

Cuando se encuentran en estado cerrado este debe tener la capacidad de poder conducir grandes corrientes directas la cual llamaremos IF.

Al igual nos proporcionara una caída de voltaje pequeña cuando se encuentre en estado cerrado, VON, aproximado a cero, RON asi como una baja resistencia pero en estado cerrado. Con una baja RON causaría una mínima perdida de potencia PON igual en estado cerrado.

Cuando el interruptor está abierto, debe tener la capacidad de resistir un voltaje alto, directo o inverso, VBR que tienda al infinito. Una baja corriente de fuga Ioff en estado abierto

En el proceso de cerrado y abertura se debe realizar de forma instantánea de modo que no haya problemas en operar con altas frecuencias.

En el proceso de cerrado y abertura se debe necesitar poca potencia de activación en la compuerta PG y VG que tienda a cero.

Debe tener una capacidad dv/dt grande que tienda a infinito, es decir, que el interruptor tenga la capacidad de manipular cambios rápidos de voltaje a través de él.

Demanda impedancia térmica muy pequeña entre la unión interna y temperatura ambiente, que tienda a cero.

Se necesita la capacidad de sostener cualquier corriente de falla durante largo tiempo; esto es, debe tener un valor alto.

Se requiere un coeficiente térmico negativo para la corriente conducida, para obtener una división igual de corriente cuando los dispositivos se conectan en paralelo.

Para construir equipos electrónicos de potencia de bajo costo es necesario que su precio sea bajo.

B. Características prácticas

Cuando los dispositivos se prueban en físico los diversos fenómenos electromagnéticos o naturales afectan considerablemente el funcionamiento ideal de cualquier dispositivo electrónico de potencia, de allí surgen otras características que se dan sólo en el práctica.

En el proceso de cerrado y abertura, un dispositivo práctico de conmutación, requiere tiempo para recuperarse y poder realizar su función de switcheo; en base a los tiempos de reacción o recuperación se encuentran las siguientes características: tiempo de demora (td) un tiempo de subida (tr), tiempo de almacenamiento (ts) y tiempo de bajada (tf) finitos.

Ahora bien, el contraste entre un dispositivo ideal sin pérdidas y uno práctico, radica en que el segundo disipa algo de energía al conducir y al conmutar. La caída de voltaje a través de un dispositivo semiconductor de potencia es por lo menos de 1v, pero con frecuencia dicha cantidad asciende hasta varios volts.

III. PARÁMETROS DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.

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