sábado, 3 de diciembre de 2011

EL MOSFET

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)
Es un dispositivo unipolar:
la conducción sólo es debida a un tipo de portador






Manipulación del MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)


MOSFET significa "FET de Metal Oxido Semiconductor" o FET de compuerta aislada. El aislamiento entre la compuerta y el canal es el dióxido de silicio (SiO2). Ver el siguiente diagrama.
MOSFET de canal N, construcción y símbolo  -  Electrónica Unicrom
Esta capa aislante (área gris) es tan delgada que se si produjera un campo eléctrico fuerte, podría destruirse, es por eso que la manipulación del MOSFET es tan importante
Debido a la alta resistencia de la capa de dióxido de silicio, la carga en el capacitor no se dispersa rápidamente , sino que se acumula. Esta acumulación de carga puede producir un campo eléctrico destructivo.
El mayor peligro para un MOSFET son las cargas estáticas durante la manipulación del mismo en un día seco. También causan peligro los cautines para soldar, que por lo general no están aislados de la línea de corriente alterna (C.A.).
Para evitar que el MOSFET se dañe de manera accidental, algunos fabricantes incluyen un diodo zener conectado entre la compuerta (G) y la fuente (S) con el ánodo hacia la compuerta y el cátodo hacia la fuente.
Este zener esta diseñado para que conduzca a 50 voltios por lo que VGS (tensión compuerta - fuente) siempre se mantendrá por debajo o igual al valor de esta tensión, y por ende por debajo del valor de tensión destructivo. Ver la figura.
Otra manera de asegurarse de que el MOSFET no se dañe es almacenarlo y transportarlo con ayuda de esponjas conductoras, que cortocircuitan los terminales del MOSFET y así no exista tensión entre ellos.
Si no fuese posible conocer si el MOSFET tiene la protección antes mencionada, la persona que manipulará el elemento debe de asegurarse que su cuerpo no esté cargado de estática. Existen unas pulseras especiales conectadas a un punto de tierra, pensadas para mantener descargado el cuerpo del usuario.

Los más usados son los MOSFET de canal N
La conducción es debida a los electrones y por tanto, son más rápidos
Parámetros fundamentales para seleccionar un MOSFET
• Tensión de ruptura
• Resistencia en conducción
• Corriente máxima
Tensiones de ruptura de dispositivos comerciales
Baja tensión
15 V
30 V
45 V
55 V
60 V
80 V

Media tensión
100 V
150 V
200 V
400 V

Alta tensión
500 V
600 V
800 V
1000 V
MOSFETS comerciales
Curvas de salida reales de un MOSFET
Influencia de la temperatura








EL IGBT

QUE ES EL IGBT?


La sigla IGBT corresponde a las iniciales de isolated gate bipolar transistor o sea transistor bipolar de puerta de salida

El IGBT es un dispositivo semiconductor de potencia híbrido que combina los atributos del TBJ y del MOSFET. Posee una compuerta tipo MOSFET y por consiguiente tiene una alta impedancia de entrada.

Al igual que el MOSFET de potencia, el IGBT no exhibe el fenómeno de ruptura secundario como el TBJ.

El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es un dispositivo electrónico que generalmente se aplica a circuitos de potencia.
Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de control de puerta es de unos 15V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta.


SIMBOLOGIA:


Es un componente de tres terminales que se denominan GATE (G) o puerta, COLECTOR (C) y EMISOR (E)
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Su estructura microelectrónica es bastante compleja es por ello que lo describimos en base a su esquema equivalente.
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CURVA CARACTERISTICA IGBT:

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COMO FUNCIONA?
Consideremos que el IBGT se encuentra bloqueado inicialmente. Esto significa que no existe ningún voltaje aplicado al gate. Si un voltaje VGS es aplicado al gate, el IGBT enciende inmediatamente, la corriente ID es conducida y el voltaje VDS se va desde el valor de bloqueo hasta cero. LA corriente ID persiste para el tiempo tON en el que la señal en el gate es aplicada. Para encender el IGBT, la terminal drain D debe ser polarizada positivamente con respecto a la terminal S. LA señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado al gate G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15, puede causar que el tiempo de encendido sea menor a 1 s, después de lo cual la corriente de drain iD es igual a la corriente de carga IL (asumida como constante). Una vez encendido, el dispositivo se mantiene así por una señal de voltaje en el gate. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en el gate es muy baja.
CARACTERISTICAS A TENER EN CUENTA EN UN IGBT:


• 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
unos 5 a 10 μs. y pueda actuar una protección electrónica cortando desde
puerta.
• VDSmax es la tensión de ruptura del transistor pnp. Como α es muy baja, será
VDSmax=BVCB0 Existen en el mercado IGBTs con valores de 600, 1.200, 1.700,
2.100 y 3.300 voltios. (anunciados de 6.5 kV).
• La temperatura máxima de la unión suele ser de 150ºC (con SiC se esperan
valores mayores)
• Existen en el mercado IGBTs encapsulados que soportan hasta 400 o 600 Amp.
• La tensión VDS apenas varía con la temperatura ⇒ Se pueden conectar en
paralelo fácilmente ⇒ Se pueden conseguir grandes corrientes con facilidad,
p.ej. 1.200 o 1.600 Amperios.
En la actualidad es el dispositivo mas usado para potencias entre varios kW y un
par de MW, trabajando a frecuencias desde 5 kHz a 40kHz.

EL GTO.

Un tiristor GTO es un SCR que puede apagarse por una pulsación suficientemente grande en su compuerta de entrada, aun si la corriente iD excede IH. 
se usan desde 1960, pero se potencializaron al final de los años setenta. son comunes en las unidades de control de motores, ya que eliminan componentes externos para apagar los SCR en circuitos de cc.

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CARACTERISTICAS
El disparo se realiza mediante una VGK >0

El bloqueo se realiza con una VGK < 0.

La ventaja del bloqueo por puerta es que no se precisan de los circuitos de bloqueo forzado que requieren los SCR.

La desventaja es que la corriente de puerta tiene que ser mucho mayor por lo que el generador debe estar mas dimensionado.

El GTO con respecto al SCR disipa menos potencia.
FUNCIONAMIENTO DEL GTO
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Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista señal en el gate, el dispositivo se bloquea para cualquier polaridad en el ánodo, pero una corriente de fuga (IA leak) existe. Con un voltaje de bias en directa el GTO se bloquea hasta que un voltaje de ruptura VAK = VB0 es alcanzado. En este punto existe un proceso dinámico de encendido., VAK = 3V y la corriente IA es determinada por la carga. Cuando el GTO se apaga y con la aplicación de una voltaje en inversa, solo una pequeña corriente de fuga (IA leak) existe. Una polarización en inversa VAK puede ser alcanzada cuando ocurra un corte. El valor del voltaje del voltaje de ruptura inverso depende del método de fabricación para la creación de una regeneración interna para facilitar el proceso de apagado.

Con un voltaje de polarización directo aplicado al ánodo y un pulso de corriente positiva es aplicada al gate, el GTO se enciende y permanece de esa forma. Para ésta condición, existen 2 formas de apagarlo. Una forma es reduciendo la corriente de ánodo IA por medios externos hasta un valor menor a la corriente de holding Ih, en la cual, la acción regenerativa interna no es efectiva. La segunda forma de apagarlo es por medio de un pulso en el gate, y este es el método más recomendable porque proporciona un mejor control.
La ganancia se calcula con la siguiente formula.
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Para conseguir cortar el GTO, con una corriente soportable por la puerta, debe ser lo mayor posible, para ello debe ser a2=1 (lo mayor posible) y a1=0 (lo menor posible):

·alfa2=1 implica que la base de T2 (capa de control) sea estrecha y poco dopada y que su emisor (capa catódica) este muy dopado. Estas condiciones también son normales en los SCRs.
·alfa1=0 implica que la base de T1 (capa de bloqueo) sea ancha y tenga una vida media de los huecos muy corta. 
ESPECIFICACIONES DE PUERTA DEL GTO
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FORMA DE ONDA EN EL ENCENDIDO DEL GTO
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Para entrar en conducción, se necesita una subida rápida y valor IGM suficientes para poner en conducción todo el cristal. Si solo entra en conducción una parte y circula toda la corriente se puede dañar. Si solo entra en conducción bajara una parte de la tensión ánodo-cátodo y el resto de celdillas que forma el cristal no podrán entrar en conducción.
Cuando se ha establecido la conducción se deja una corriente IGON de mantenimiento para asegurar que no se corta espontáneamente (tiene menos ganancia que el SCR). 
FORMA DE ONDA EN EL APAGADO DEL GTO
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Para cortar el GTO se aplica una corriente IG- =IA/boff muy grande. Ya que boff es del orden de 5 a 10.
Esta corriente negativa debe mantenerse para evitar que el dispositivo entre en conducción espontáneamente. 
APLICACIONES
Como el GTO tiene una conducción de corriente unidireccional, y puede ser apagado en cualquier instante, éste se aplica en circuitos chopper (conversiones de dc- dc) y circuitos inversores (conversiones dc -ac) a niveles de potencia en los que los MOSFET's, TBJ's e IGBT's no pueden ser utilizados. A bajos niveles de potencia los semiconductores de conmutación rápida son preferibles. En la conversión de AC - DC, los GTO's, son útiles porque las estrategias de conmutación que posee, pueden ser usadas para regular la potencia, como el factor de potencia.
a nivel industrial algunos usos son:
troceadores y convertidores.
Control de motores asíncronos.
Inversores.
Caldeo inductivo.
Rectificadores.
Soldadura al arco.
Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI).
Control de motores.
Tracción eléctrica.

EL DIAC

El diac no es realmente un semiconductor de potencia, ya que no aguanta grandes corrientes ni tensiones. Es un componente de dos terminales que permite la conducción en ambos sentidos una vez que se ha sobrepasado cierto umbral de tensión entre los terminales A1 y A2


La tensión e intensidad de ruptura son del orden de 30 V y 100 mA respectivamente. Además, su gran simetría hace que no exista una diferencia mayor de 2 V entre la tensión directa de rupura y la inversa.

El diac es un dispositivo especialmente indicado para su empleo en los circuitos de disparo de los tiristores. Casi todos los circuitos que lo emplean descargan un condensador sobre la puerta del componente a disparar a través del diac.
 normalmente el diac no conduce, sino que tiene una pequeña corriente de fuga. La conducción aparece cuando la tensión de disparo se alcanza.
Cuando la tensión de disparo se alcanza, la tensión en el DIAC se reduce y entra en conducción dejando pasar la corriente necesaria para el disparo del SCR o TRIAC.
Se utiliza principalmente en aplicaciones de control de potencia mediante control de fase.

           Se emplea normalmente en circuitos que realizan un control de fase de la corriente del triac, de forma que solo se aplica tensión a la carga durante una fracción de ciclo de la alterna. Estos sistemas se utilizan para el control de iluminación con intensidad variable, calefacción eléctrica con regulación de temperatura y algunos controles de velocidad de motores.
           La forma más simple de utilizar estos controles es empleando el circuito representado ASI:
en donde la resistencia variable R carga el condensador C hasta que se alcanza la tensión de disparo del DIAC, produciéndose a través de él la descarga de C, cuya corriente alcanza la puerta del TRIAC y le pone en conducción. Este mecanismo se produce una vez en el semiciclo positivo y otra en el negativo. El momento del disparo podrá ser ajustado con el valor de R variando como consecuencia el tiempo de conducción del TRIAC y, por tanto, el valor de la tensión media aplicada a la carga, obteniéndose un simple pero eficaz control de potencia.

TRIAC



Este dispositivo es simular al diac pero con un único terminal de puerta (gate). Se puede disparar mediante un pulso de corriente degate y no requiere alcanzar el voltajeVBO como el diac

El TRIAC  es  equivalente a dos  TIRISTORES, (SCR)  conectados en paralelo, su función es la de interruptor o  switch electrónico en corriente alterna solamente.  Se compone de 3 terminales MT1 – MT2 y Gate, MT1 y  MT2 son los terminales que cierran el circuito a alimentar,  el terminal G Gate, es el de puerta o cebador  aplicando un voltaje a el   pasamos a tener continuidad entre MT1-MT2 alimentando la carga, en forma de motor, resistencia, bombilla etc. La señal a aplicar en G, es del orden de 1 a 2 V y  0,03 a 0,05 A.  Los TRIACS se diferencian unos de otros  por el voltaje y la corriente que pueden manejar, de hay también dependen el encapsulado  y su tamaño

CURVA CARACTERISTICA
En la curva característica se indica que para diferentes disparos, es decir, para distintas corrientes aplicadas en gate, el valor de VBO es distinto. En la parte de polarización positiva, la curva de más a la izquierda es la que presenta un valor de VBO más bajo, y es la que mayor corriente de gate precisa en el disparo. Para que este dispositivo deje de conducir, como en el resto de los casos, hay que hacer bajar la corriente por debajo del valor IH.



Al igual que el SCR, se emplean para controlar la potencia suministrada a una carga. El triac puede dispararse de tal modo que la potencia en alterna sea suministrada a la carga durante un tiempo determinado de cada ciclo. La diferencia con el SCR es que se puede disparar tanto en la parte positiva que en la negativa del ciclo, de tal manera que la corriente en la carga puede circular en los dos sentidos.



Algunos modelos de TRIACS características  
referencia  descripción   
BT136600 Triac BT136-600 4A 600V  
BT137600  Triac BT137-600 8A 600V  
BT137800  Triac BT137-800 8A 800V  
BT139600  Triac BT139-600 16A 600V   
BTA06400  Triac BTA06-400B  6A 400V   
BTA06600  Triac BTA06-600B  6A 600V   
BTA06700  Triac BTA06-700B  6A 700V   
BTA08600  Triac BTA08-600B   8A 600V   
BTA12600  Triac BTA12-600B  12A 600V   
BTA12800  Triac BTA12-800B   12A 800V   
BTA16600  Triac BTA16-600B   16A 600V   
BTA16700  Triac BTA16-700B   16A 700V  
BTA20600  Triac BTA20-600CW  20A 600V   
BTA140800  Triac BTA140-800B  25A 800V   
TIC226  Triac TIC226  8A 600V 
TIC246  Triac TIC246  16A 600V  
 Z01030  Triac Z0103MA 3mA 600V  

Modos De Funcionamiento
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El triac puede dispararse en cualquiera de los dos cuadrantes I o III, esto es, con una corriente positiva o negativa por la puerta y con la aplicación entre los terminales T1 y T2 de un impulso positivo o negativo. Esta particularidad simplifica considerablemente el circuito de disparo.

Así, un triac conduce en el cuadrante I de su curva característica v-i si T2 es positivo respecto a T1 y se aplica un impulso de puerta positivo o negativo. Esto da lugar a los modos de funcionamiento I+ e I-. Por otro lado, un triac conducirá en el cuadrante III si la tensión en T2 es negativa respecto a la de T1 y se aplica un impulso de corriente positivo o negativo en la puerta. Así, un triac puede funcionar según cuatro modos diferentes: I+, I-, III+ e III-.

Estos cuatro modos de funcionamiento tienen diferente sensibilidad, es decir, la corriente de puerta necesaria para que el triac entre en conducción es diferente en cada caso. El modo más sensible es el I+, que funciona como un tiristor convencional, seguido del III-. Estos modos requieren menos corriente de puerta entrante (I+) y saliente (III-) para ser disparados. Son, por tanto, los modos de operación más empleados.

De los otros dos modos restantes, el I- es el siguiente en orden de sensibilidad, mientras que el modo III+ es el de disparo más difícil y debe evitarse su empleo.

Inconvenientes Del Triac
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El empleo de un triac resulta más barato que dos tiristores colocados en antiparalelo. Sin embargo, la dificultad de su construcción debido a su complicada estructura de seis capas, le confieren algunas limitaciones:
·         Aguantan menos derivadas de intensidad que un SCR.
·         Aguantan menores derivadas de tensión que éstos. La derivada de tensión máxima que puede soportar un triac es del orden de 100 V/ms, por lo que su uso se restringe prácticamente a aplicaciones de frecuencia de la transición de energía eléctrica (50 ó 60 Hz).
·         Su tiempo de apagado es mayor que el de un SCR. Esto es debido, precisamente, a su poca capacidad de aguantar derivadas de tensión elevadas.
·         Poca sensibilidad de la corriente de puerta para el disparo en la mayoría de los modos de funcionamiento.
Estos inconvenientes provocan que se empleen en aplicaciones de baja frecuencia.

SCR

El rectificador controlado de silicio (SCR) es un dispositivo semiconductor que es miembro
de una familia de dispositivos de control conocido comoTiristores, este SCR posee tres terminales 

anodo, catodo y puerta (gate).
al igual que el diodo scockley, presenta dos estados de operacion bierto y cerrado.
Es un dispositivo rectificador correccionalista (es decir, que deja circular la corriente eléctrica en un solo sentido: desde A hacia K como un diodo rectificador semiconductor), pero además del estado "on" (cerrado, conduciendo) del diodo común, tiene un segundo estado estable: "off" (cortado, abierto, sin conducir). Si el voltaje VGK entre G y K es el adecuado, conduce desde A hacia K.  





APLICACIONES DEL SCR

Una aplicación muy frecuente de los SCR es el control de potencia en alterna en reguladores (dimmer) de lámparas,
calentadores eléctricos y motores eléctricos.



Principio de Funcionamiento
Tensión de ánodo negativa respecto a cátodo (VAK < 0):
Los diodos U1 y U3 quedan polarizados en inverso y U2 en directo. La corriente del diodo viene dada por:









Métodos de disparo:
Para que se produzca el cebado de un tiristor, la unión ánodo - cátodo debe estar polarizada en directo y la señal de mando debe permanecer un tiempo suficientemente largo como para permitir que el tiristor alcance un valor de corriente de ánodo mayor que IL, corriente necesaria para permitir que el SCR comience a conducir.
Para que, una vez disparado, se mantenga en la zona de conducción deberá circular una corriente mínima de valor IH, marcando el paso del estado de conducción al estado de bloqueo directo.
Los distintos métodos de disparo de los tiristores son:

  • Por puerta.
  • Por módulo de tensión. (V)
  • Por gradiente de tensión (dV/dt)
  • Disparo por radiación.
  • Disparo por temperatura.

  • Disparo por puerta
Es el proceso utilizado normalmente para disparar un tiristor. Consiste en la aplicación en la puerta de un impulso positivo de intensidad, entre los terminales de puerta y cátodo a la vez que mantenemos una tensión positiva entre ánodo y cátodo.
Una vez disparado el dispositivo, perdemos el control del mismo por puerta. En estas condiciones, si queremos bloquearlo, debemos hacer que VAK < VH y que IA < IH



Condiciones necesarias para el control de un SCR
Disparo
  • Polarización positiva ánodo - cátodo.
  • La puerta debe recibir un pulso positivo (respecto a la polarización que en ese momento tengamos en el cátodo) durante un tiempo suficiente como para que IA sea mayor que la intensidad de enganche.
Corte
  • Anular la tensión que tenemos aplicada entre ánodo y cátodo.
  • Incrementar la resistencia de carga hasta que la corriente de ánodo sea inferior a la corriente de mantenimiento (IH), o forzar a que IA < IH.

Características estáticas:

Las características estáticas corresponden a la región ánodo - cátodo y son los valores máximos que colocan al elemento en límite de sus posibilidades: VRWM, VDRM, VT, ITAV, ITRMS, IFD, IR, Tj, IH.


 Características dinámicas:
Tensiones Transitorias

Son valores de tensión que van superpuestos a la señal sinusoidal de la fuente de alimentación. Son de escasa duración, pero de amplitud considerable.

El diodo puerta (G) - cátodo (K) difiere de un diodo de rectificación en los siguientes puntos:
    • Una caída de tensión en sentido directo más elevada.
    • Mayor dispersión para un mismo tipo de tiristor.
Construcción de la curva característica de puerta:
La unión puerta – cátodo se comporta como un diodo, por lo que representamos la característica directa de dicho diodo. Para una misma familia de tiristores existe una gran dispersión. Para no complicar demasiado el proceso, se dibujan únicamente las dos curvas extremas, puesto que todas las demás quedan comprendidas entre ambas.

Análisis gráfico del concepto de disipación máxima.

Para ello tomamos un tiristor típico con los valores nominales y las características de puerta siguientes:

VRGM max= 5V
PGAV max= 0.5W
PGM max = 5W
VGT > 3.5V

IGT > 65mA
 Tensión insuficiente para disparar ningún elemento < 0.25V.