Parámetros de los semiconductores de potencia

Resumen

En el presente trabajo vamos a realizar una descripción breve de los semiconductores de potencia buscando introducir y tener una idea básica de los para metros y aspectos más importantes de los dispositivos semiconductores de potencia. Se indica como están conformados, que valores definen cada uno de los componentes y adema s como se clasifican. A su vez se pretende abarcar lo más importante aspectos de estos dispositivos semiconductores que son la base de la Electrónica de Potencia.

Index Terms—Dopado, Polarización, Semiconductores.

I. INTRODUCCION

Según el paso del tiempo la tecnología de los dispositivos semiconductores tiene un rápido avance convirtiéndolos en dispositivos eficientes, fiables y más económicos. Su presencia se la encuentra en todos lados, ya sea en industria, comercio, o cualquier elemento de nuevas tecnologías. Dentro de los dispositivos electrónicos de potencia más conocidos podemos mencionar los diodos y transistores de potencia, el tiristor, así como otros elementos derivados de estos como pueden ser triac, diac, conmutador unilateral, transistor uniunión , el transistor uniunión programable y el diodo Shockley.

II. SEMICONDUCTOR

Como un conocimiento general comenzaremos definiendo a un semiconductor.

Un semiconductor es un componente que puede tener dos estados como un conductor de corriente, pero también como un aislante. En un conductor la corriente es debida al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se producen corrientes producidas por el movimiento de electrones como de las cargas positivas (huecos). Los semiconductores son aquellos elementos pertenecientes al grupo IV de la Tabla Periódica (Silicio, Germanio, etc. Generalmente a estos se le introducen átomos de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida. Otra característica que los diferencia se refiere a su resistividad, estando esta comprendida entre la de los metales y la de los aislantes.

III. CARACTERÍSTICAS

Las características esenciales que define un dispositivo semiconductor de potencia las podemos resumir en los siguientes puntos:

Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (conducción). Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y pequeña potencia.

Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas Tensiónes cuando está en estado de bloqueo, con pequeñas caídas de tensión entre sus electrodos, cuando está en estado de conducción. Ambas condiciones lo capacitan para controlar grandes potencias.

Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro.

IV. VALORES QUE DEFINEN UN COMPONENTE

Para poder definir un dispositivo semiconductor de potencia debemos conocer los siguientes términos:

Tensión inversa: es la Tensión que el dispositivo puede bloquear sin sufrir ningún daño ni modificación.

Tensión directa: es la caída de Tensión cuando el dispositivo se encuentra en estado conducción.

Y otros términos mas como son la potencia máxima, temperatura máxima de la unión etc.

V. CLASIFICACION

Podemos dividir a los semiconductores en 3 bloques básicos:

V-A. Semiconductores de Potencia

Soportan Tensiones e intensidades elevadas dependienta del dispositivo. Su uso esta presente en la industria por ejemplo para control de motores asíncronos, caldeo inductivo, rectificadores.

V-B. Módulos de potencia

Soportan menos Tensión, entre sus principales aplicaciones están soldadura al arco sistema de alimentación ininterrumpida (SAI), control de motores.

V-C. Semiconductores de baja potencia

El nivel de intensidad de corriente que soportan es relativamente bajo en comparación de los dos grupos mencionados anteriormente, entre sus principales aplicaciones están control de motores, aplicaciones domésticas, control de iluminación.

VI. PRINCIPALES DISPOSITIVOS DE POTENCIA

VI-A. Diodos

Figura 1. Diodo

Entre los principales dispositivos de potencia se puede mencionar al diodo que son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conducción Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de Tensión. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte Tensión negativa de anodo con una pequeña intensidad de fugas.

Figura 2. Curva característica del diodo

VII. CARACTERÍSTICAS DEL DIODO

Las características más importantes que podemos mencionar del diodo se pueden agrupar de la siguiente forma:

VII-A. Características Estáticas

VII-A1. Para metros en Conducción: Además, en los diodos de silicio normalmente se produce una caída de Tensión en la barrera de la juntura que oscila entre los 0,6 y los 0,8

V dependiendo de la temperatura y de la concentración de impurezas en la unión.

Los valores de corrientes a considerar son:

Intensidad media nominal (IF(AV)): es el valor medio de la maxima intensidad de impulsos sinusoidales de 180º que el diodo puede soportar.

Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es aquella que puede ser soportada cada 20 mseg, con una duración de pico a 1 mseg, a una determinada temperatura de la capsula (normalmente 25 ºC).

Intensidad directa de picóno repetitiva (IFSM): es el maximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duración de 10 mseg. Su valor es importante en el caso de corrientes de conexión, por ejemplo debidas a la maniobra de capacitores. Intensidad directa (IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en el estado de conducción.

VII-A2. Para metros en bloqueo: Cuando se aplica una Tensión inversa "moderada" a un rectificador de silicio, a traves del mismo fluye una pequeña corriente de fuga. A medida que la Tensión inversa se va incrementando la corriente de fuga crece lentamente, hasta que en determinado valor se produce un aumento muy brusco de la corriente de fuga, que en los diodos de potencia da lugar a un embalamiento termico que puede destruir al semiconductor. A esta Tensión se la llama tambien Tensión de ruptura, de avalancha o de Zener.

Los valores de Tensiónes a considerar son:

Tensión inversa de pico de trabajo (VRWM): es la que puede ser soportada por el dispositivo de forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha. Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM): es la que puede ser soportada en picos de 1 mseg, repetidos cada 10 mseg de forma continuada.

Tensión inversa de picóno repetitiva (VRSM): es aquella que puede ser soportada una sola vez durante 10 mseg cada 10 minutos o mas.

Tensión de ruptura (VBR): si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 mseg el diodo puede destruirse o degradar las características del mismo.

Tensión inversa continua (VR): es la Tensión continua que soporta el diodo en estado de bloqueo.

A continuación se muestra una grafica que abarca todos los terminos mencionados

Figura 3. Tensión en el diodo

VII-A3. modelos esta ticos del diodo: Los distintos modelos del diodo son:

Modelo ideal: resistencia cero en el sentido directo e infinita en el sentido inverso (diodo ideal).

Modelo ideal con fuente de Tensión: diodo ideal en serie con una fuente de Tensión de valor igual a la Tensión de barrera de la unión o juntura.

Modelo ideal con fuente de Tensión y resistencia: diodo ideal en serie con una fuente de Tensión de valor igual a la Tensión de barrera y con una resistencia igual a la del diodo en conducción.

Estos modelos facilitan los calculos a realizar, para lo cual debemos escoger el modelo adecuado segu n el nivel de precisión que necesitemos.

VII-B. Características dinamicas

En el estudio de estos dispositivos de potencia hay que dar un cuidado extra a los estado transitorios provocados por la conmutación, hay que tener en cuenta las características dinamicas, dado que los dispositivos no son ideales, se requiere un tiempo, para conseguir el paso de corte a conducción, t on y de conducción a corte, t off.

VII-B1. Tiempo de conmutación a corte (turn off): Cuando un diodo se encuentra conduciendo una intensidad, Id la zona central de la unión p-n esta saturada de portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de estos cuanto mayor sea dicha intensidad. Si el circuito exterior fuerza la disminución de la corriente con una cierta velocidad, di/dt aplicando una Tensión inversa, resultara que despues del paso por cero de la señal i(t), hay un periodo en el cual cierta cantidad de portadores cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario. La Tensión inversa entre anodo y catodóno se establece hasta despues de un tiempo, ts durante el cual los portadores empiezan a escasear y aparece en la unión una zona de carga espacial. La intensidad todavia tarda un tiempo tf en pasar de un valor de picónegativo Irr a un valor practicamente nulo, mientras se va descargando la capacidad interna de la unión.

VII-B2. Tiempo de corte a conducción (turn on): Por ser practicamente despreciables los efectos provocados por el tiempo de recuperación directa, indicar solamente que se conoce como Turn on, al tiempo que transcurre entre el instante en que la Tensión entre el anodo y catodo se hace positiva y en el que dicha Tensión alcanza el valor normal de conducción. Es decir el tiempo de paso de corte a conducción.

VII-B3. Tiempo de recuperación inverso: El paso del estado de conducción al de bloqueo en el diodóno se efectu a instantaneamente. Si un diodo se encuentra conduciendo una intensidad IF, la zona central de la unión P-N esta saturada de portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de estos cuanto mayor sea IF. Si mediante la aplicación de una Tensión inversa forzamos la anulación de la corriente con cierta

Figura 4. Tiempo de recuperación inversa

VII-B4. Influencia del trr en la conmutación: Si el tiempo que tarda el diodo en conmutar no es despreciable:

Se limita la frecuencia de funcionamiento, pues a altas frecuencias disminuye abruptamente el rendimiento de la rectificación.

Existe una disipación de potencia durante el tiempo de recuperación inversa, que puede llegar a producir sobrecalentamiento y destrucción del diodo.

Para altas frecuencias, por lo tanto, debemos usar diodos de velocidad di/dt, resultara que despues del paso por cero de recuperación rapida. la corriente existe cierta cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca

A mayor IRRM menor trr.

Cuanta mayor sea la intensidad principal que atraviesa el en sentido contrario durante un instante, dando lugar a una pequeña corriente inversa de recuperación. La Tensión inversa entre anodo y catodóno se establece hasta despues del tiempo diodo mayor sera sera trr. la carga almacenada, y por tanto mayor

ta llamado tiempo de almacenamiento, en el que los portadores empiezan a escasear y aparece en la unión la zona de carga espacial. La intensidad todavia tarda un tiempo tb (llamado tiempo de caída) en pasar de un valor de picónegativo (IRRM) a un valor despreciable mientras van desapareciendo el exceso de portadores. Entonces:

Tiempo de almacenamiento (ta): es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la intensidad hasta llegar al picónegativo.

Tiempo de caída (tb): es el tiempo transcurrido desde el picónegativo de intensidad hasta que esta se anula, y es debido a la descarga de la capacidad de la unión polarizada en inverso. En la practica se suele medir desde el valor de picónegativo de la intensidad hasta el 10 % de este.

Tiempo de recuperación inverso (trr): es la suma de ta y tb.

La relación entre tb/ta es conocida como factor de suavizado

"SF".

VII-B5. Tiempo de recuperación directa: El tiempo de

recuperación directo (tfr): es el tiempo que transcurre entre el instante en que la Tensión anodo-catodo se hace positiva y el instante en que dicha Tensión se estabiliza en el valor VF.

Este tiempo es bastante menor que el de recuperación inversa y no suele producir perdidas de potencia apreciables.

Figura 5. Tiempo de Recuperación directa

VII-C. Potencia

VII-C1. Potencia ma xima disipable: Es un valor de potencia que el dispositivo puede disipar, peróno debemos confundirlo con la potencia que disipa el diodo durante el funcionamiento, llamada esta potencia de trabajo.

VII-C2. Potencia media disipable: Es la disipación de

potencia resultante cuando el dispositivo se encuentra en estado de conducción, si se desprecia la potencia disipada debida a la corriente de fugas.

Generalmente el fabricante incluye tablas en las hojas

de características, que indican la potencia disipada por el elemento para una intensidad conocida.

Otro dato que puede dar el fabricante son las curvas que

relacionan la potencia media con la intensidad media y el factor de forma (ya que el factor de forma es la intensidad eficaz dividida entre la intensidad media).

VII-C3. Potencia inversa de pico repetitivo (PRRM): Es

la maxima potencia que puede disipar el dispositivo en estado de bloqueo.

VII-C4. Potencia inversa de picóno repetitivo (PRSM):

Similar a la anterior, pero dada para un pulso u nico

VII-D. Características termicas

VII-D1. Temperatura de la unión (Tjma x): Es el limite superior de temperatura que nunca debemos hacer sobrepasar a la unión o juntura del dispositivo si queremos evitar su inmediata destrucción. En ocasiones, en lugar de la temperatura de la unión se nos da la "operating temperature range" (margen de temperatura de funcionamiento), que significa que el dispositivo se ha fabricado para funcionar en un intervalo de temperaturas comprendidas entre dos valores, uno minimo y otro maximo.

VII-D2. Temperatura de almacenamiento (Tstg) : Es la

temperatura a la que se encuentra el dispositivo cuandóno se le aplica ninguna potencia. El fabricante suele dar un margen de valores para esta temperatura.

VII-D3. Resistencia termica unión-contenedor (Rthjc) :

Es la resistencia entre la unión del semiconductor y el encapsulado del dispositivo. En caso de no dar este dato el fabricante, se puede calcular mediante la fo rmula:

Rthjc = (Tjmax Tc) / Pmax

Donde Tc es la temperatura del contenedor y Pmax la potencia maxima disipable.

VII-D4. Resistencia termica contenedor-disipador (Rthcd)

Es la resistencia existente entre el contenedor del dispositivo y el disipador (aleta refrigerante). Se supone que la propagación se efectu a directamente sin pasar por otro medio (como mica aislante, etc).

VIII. TRANSISTOR

El transistor bipolar es conocido como un elemento amplificador de señal. En el contexto de los componentes electrónicos de Potencia, es usado como un dispositivo de conmutación, ya que, dispone de las características que lo convierten en un conmutador casi ideal. A diferencia del transistor bipolar normal, en el cual, la zona de trabajo mas importante es la lineal, en el transistor de potencia los estados mas importantes

de funcionamiento son saturación y corte. Estos dos estados se corresponden con los estados cerrado y abierto del conmutador ideal.

Figura 6. Transistor

Los transistores bipolares de alta potencia se utilizan fundamentalmente para trabajar con frecuencias por debajo de

10KHz y en aplicaciones que requieran 1.200 V y 400 A como maximo.

Entre las características principales de los transistores po-

demos mencionar las siguientes:

IC = Intensidad maxima que puede circular por el Colector

VCE0 = Tensión de ruptura de colector con base abierta, (maxima Tensión C-E que se puede aplicar

Frecuencia de corte

VCBO = Tensión de ruptura colector base con base abierta

VEBO = Tensión de ruptura emisor base con base abierta

VCEOSUS = Tensión de ruptura por un aumento excesivo de la corriente de colector y de la Tensión C E VCEO = Tensión de ruptura colector – emisor, con base abierta.

VCER = Tensión colector – emisor con resistencia de base especificada.

VCEX = Tensión colector – emisor con circuito especificado entre base – emisor.

VCES = Tensión colector – emisor con unión base –

emisor cortocircuitada

IX. TIRISTOR

Los tiristores son una familia de dispositivos semiconductores de cuatro capas (pnpn), que se utilizan para controlar grandes cantidades de corriente mediante circuitos electrónicos de bajo consumo de potencia.

Figura 7. Tiristor

El tiristor engloba una familia de dispositivos semiconductores que trabajan en conmutación, teniendo en comu n una estructura de cuatro capas semiconductoras en una secuencia

P-N-PN, la cual presenta un funcionamiento biestable (dos estados estables). La conmutación desde el estado de loqueo ("OFF") al estado de conducción ("ON") se realiza normalmente por una señal de control externa. La conmutación desde el estado "ON" al estado "OFF" se produce cuando la corriente por el tiristor es mas pequeña que un determinado valor, denominada corriente de mantenimiento, ("holding current"), especifica para cada tiristor.

Figura 8. Curva caracteristica del tiristor

Dentro de la familia de los tiristores los elementos mas comunes son el Diodo Shockley, SCR (Silicon Controlled Rectifier), GCS (Gate Controlled Switch), SCS (Silicon Controlled Switch), Diac y Triac.

SCR (Rectificador Controlado de Silicio): El SCR es uno de los dispositivos mas antiguos que se conocen dentro de la Electrónica de Potencia (data de finales de los años 50). Ademas, continua siendo el dispositivo que tiene mayor capacidad para controlar potencia (es el dispositivo que permite soportar mayores Tensiónes inversas entre sus terminales y mayor circulación de corriente). El SCR esta formado por cuatro capas semiconductoras, alternadamente P-N-P-N, Si entre anodo y catodo tenemos una Tensión positiva, las uniones J1 y J3 estaran directamente polarizadas, en cuanto que la unión J2 estara inversamente polarizada. No habra conducción de corriente hasta que la Tensión VAK aumente hasta un valor que provoque la ruptura de la barrera de potencial en J2.

TRIAC: Es un tiristor bidireccional de tres terminales. Permite el paso de corriente del terminal A1 al A2 y viceversa, y puede ser disparado con Tensiónes de puerta de ambos signos. Cuando se trabaja con corriente alterna, es interesante poder controlar los dos sentidos de circulación de la corriente. Evidentemente, con un SCR, so lo podemos controlar el paso de corriente en un sentido. Por tanto uno de los motivos por el cual los fabricantes de semiconductores han diseñado el TRIAC ha sido para evitar este inconveniente.

GTO ("Gate Turn-Off Thyristor"): A pesar de que el

GTO fue inventado en el inicio de la decada de los años

60, ha sido poco empleado debido a sus reducidas prestaciones. Con el avance de la tecnologia en el desarrollo de dispositivos semiconductores, se han encontradónuevas soluciones para mejorar tales componentes que hacen que hoy ocupen una franja significa dentro de la electrónica de potencia, especialmente en aquellas aplicaciones de elevada potencia, con dispositivos que alcanzan los 5000

V y los 4000 A.

X. TABLA DE PRESTACIONES

Cuadro I

PARA METROS DE LOS SEMICONDUCTORES

XI. CONCLUSIONES

Como conclusión al presente ensayo se puede mencionar que la electrónica de potencia con el paso del tiempo ha tenido grandes cambios, y dichos cambios siguen en proceso para dar soluciones mas eficientes.

La clasificación de los dispositivos semiconductores depende de la intensidad de corriente y Tensiónes,ya que es muy importante conocer las características de conducción, por que nos permite administrar debidamente los parametros de voltaje o corriente con los que se puede trabajar, evitando que sufran algu n daño los componentes electrónicos.

Los dispositivos semiconductores, son elementos que permiten trabajar circuitos de potencia, rectificación y muchas otras aplicaciones.

En la actualidad es muy importante el estudio de los semiconductores de potencia, ya que junto a la ingenieria de control estan desarrollando el campo de la generación, transmisión y distribución de energia electrica.

REFERENCIAS

[1] Sanchez Diaz. Dispositivos semicondutores de potencia. page 14, 2010. [2] BENAVENT GARCIA Jose Manuel. Electronica de Potencia:Teoria y

aplicaciones, volume 1. 1999.

[3] GUALDA Juan MARTINEZ Salvador. Electronica de Potencia:componentes, topologias y equipos, volume 1. 2006.

[4] MUHAMMAD RASHID. Electrónica de Potencia, volume 1. 2004.

Autor:

José Sarango Chamba