Transistores de potencia

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA APLICADA 
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PABELLÓN DE ARTEAGA 
Transistores de potencia
PRESENTA:
Daniel Andrade Martínez 
DOCENTE:
Raúl Llamas Esparza
Transistores de potencia.
Los transistores de potencia tienen características controladas de activación y desactivación. Los transistores, se utilizan como elementos conmutadores, se operan en la región de saturación lo que da como resultado en una caída de voltaje bajo en estado activo. La velocidad de conmutación de los transistores modernos es mucho mayor que la de los tiristores por lo que se utilizan en forma amplia en convertidores de C.A.-C.D. y C.D-C. A; con diodos conectados en paralelo inverso para proporcionar un flujo de corriente bidireccional. Sin embargo, las especificaciones de voltaje y de corriente son menores que las de los tiristores y por lo que, los transistores de potencia se pueden clasificar de manera general en cuatro categorías.
1. Transistor bipolar de juntura (BJT).
2. Transistores semiconductores de metal de óxido de efecto de campo (MOSFET).
3. Transistores de inducción estática (SIT).
4. Transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT).
Diodo de protección
Resistencia de base
Señal del microcontrolador 
Principios básicos de funcionamiento
La diferencia entre un transistor bipolar y un transistor unipolar o FET es el modo de actuación sobre el terminal de control. En el transistor bipolar hay que inyectar una corriente de base para regular la corriente de colector, mientras que en el FET el control se hace mediante la aplicación de una tensión entre puerta y fuente. Esta diferencia viene determinada por la estructura interna de ambos dispositivos, que son substancialmente distintas.
Es una característica común, sin embargo, el hecho de que la potencia que consume el terminal de control (base o puerta) es siempre más pequeña que la potencia manejada en los otros dos terminales.
En resumen, destacamos tres cosas fundamentales:
· En un transistor bipolar IB controla la magnitud de IC.
· En un FET, la tensión VGS controla la corriente ID.
· En ambos casos, con una potencia pequeña puede controlarse otra bastante mayor.
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, ya que en esos instantes el producto IC x VCE va a tener un valor apreciable, 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.
1.2.1 Tipos de transistores Bipolar (BJT).
El transistor bipolar es el más común de los transistores, y como los diodos, puede ser de germanio o silicio. En ambos casos el dispositivo tiene 3 patillas y son: el emisor, la base y el colector.
Existen dos tipos transistores: el NPN y el PNP, y la dirección del flujo de la corriente en cada caso, lo indica la flecha que se ve en el gráfico de cada tipo de transistor. El transistor es un dispositivo de 3 patillas con los siguientes nombres: base (B), colector (C) y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la flecha en el gráfico de transistor.
El transistor bipolar es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor) , una cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación.
Este factor de amplificación se llama ß (beta) y es un dato propio de cada transistor. Entonces:
· Ic (corriente que pasa por la patilla colector) es igual a ß (factor de amplificación) por Ib. (corriente que pasa por la patilla base).
· Ic = ß x Ib.
· Ie (corriente que pasa por la patilla emisor) es igual a (ß+1) x Ib., pero se redondea al mismo valor que Ic, sólo que la corriente en un caso entra al transistor y en el otro caso de sale él, o viceversa.
Según la fórmula anterior las corrientes no dependen del voltaje que alimenta el circuito (Vcc), pero en la realidad si lo hace y la corriente Ib. cambia ligeramente cuando se cambia Vcc. Ver la figura de la derecha.
En la figura de la derecha las corrientes de base (Ib.) son ejemplos para poder entender que a más corriente la curva es más alta.
Aunque el transistor posea únicamente tres terminales, se puede realizar su estudio como un cuadripolar (dos terminales de entrada y dos de salida) si uno de sus terminales es común a la entrada y salida: 
– Base Común. – Emisor Común.
– Emisor Común. – Colector Común
• Base común (BC): Aicc=1; Re pequeña; Rs muy grande.
• Colector común (CC): Aicc elevada; Re muy grande; Rs muy pequeña.
• Emisor común (EC): Aicc elevada; Re pequeña; Rs grande.
• El montaje EC se aproxima más al amplificador de corriente ideal.
• El montaje BC permite adaptar una fuente de baja resistencia que ataca a una carga de alta resistencia.
• El montaje CC adapta una fuente de alta resistencia de salida a una carga de bajo valor
FUNCIONAMIENTO BASICO BJT npn
• En el montaje EC de la figura, se polariza directamente la unión Base Emisor; e inversamente la unión Base-Colector.
• Se polariza el BJT si Vbe aprox. 0,6 voltios (polarización directa), y Vce>Vbe (unión base-colector en inversa).
• La corriente de emisor es aquella que pasa por la unión base-emisor polarizada en directa y depende de Vbe al igual que en un diodo pn.
DEFINICION DE LOS MODOS DE TRABAJO DEL BJT
• Según la polarización de cada unión, se obtendrá un modo de trabajo diferente, según la tabla.
• En la región Activa - directa, el BJT se comporta como una fuente controlada. (Amplificación)
• En el modo Corte únicamente circulan las corrientes inversas de saturación de las uniones. Es casi un interruptor abierto.
• En Saturación, la tensión a través de la unión de colector es pequeña, y se puede asemejar a un interruptor cerrado.
• Activo – inverso, no tiene utilidad en amplificación.
1.2.2 Metal Oxido de Silicio (MOS).
Los transistores de efecto de campo por semiconductor de óxido de campo (MOSFET) con apreciable capacidad de conducción en estado activo y buena capacidad de tención de bloqueo en estado pasivo y coma por tanto con potencial para aplicaciones de electrónica de potencia coma están disponibles desde la década de 1980. Ahora se usan tanto como los BJT y de hecho los están remplazando en muchas aplicaciones en especial aquellas en las que son importantes de conmutación altas. Los MOSFET operan con base en mecanismos físicos diferentes a los de los BJT coma y es esencial comprender bien estas diferencias para utilizar de modo eficaz tanto los BJT como los MOSFET por lo tanto consideremos los mecanismos físicos básicos que rigen la operación del MOSFET los factores que establecen los límites de corriente y tenciones del MOSFET coma, así como posibles modos de fallas si se exceden estos límites. Un MOSFET de potencia es controlado por coma que requiere solo de una pequeña corriente de entrada la velocidad de conmutación es muy alta siendo los tiempos de conmutación de orden de los nanosegundos. Los MOSFET de potencia están controlando cada vez más aplicaciones en los convertidores de alta frecuencia y baja potencia. 
Los MOSFET no tienen los problemas de los fenómenos de ruptura secundaria que tienen los BJT coma sin embargo los MOSFET tienen problemas de cargas electrostáticas por lo que su manejo requiere de cuidados especiales es difícil de protegerlo bajo condiciones de fallas por corto circuito punto y aparte 
Los MOSFET son de dos tipos:
1. MOSFET de agotamiento.
2. MOSFET de enriquecimiento. 
1.2.3. Transistor Bipolar de puerta aislada (IGBT).
Transistor IGBT. Componente electrónico diseñado para controlar principalmente altas potencias, en su diseño está compuesto por un transistor bipolar de unión BJT y transistor de efecto de campo de metal oxido semiconductorMOSFET.
· Estructura
El IGBT es un dispositivo semiconductor de cuatro capas que se alternan (PNPN) que son controlados por un metal-óxido-semiconductor (MOS), estructura de la puerta sin una acción regenerativa. Un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) celular se construye de manera similar a un MOSFET de canal n vertical de poder de la construcción, excepto la n se sustituye con un drenaje + p + capa de colector, formando una línea vertical del transistor de unión bipolar de PNP.
Este dispositivo posee la característica de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT. En la figura II se observa la estructura interna de un IGBT, el mismo cuenta con tres pines Puerta (G), Emisor (E) y Colector (C).
 
· Funcionamiento
Cuando se le es aplicado un voltaje VGE a la puerta, el IGBT enciende inmediatamente, la corriente de colector IC es conducida y el voltaje VCE se va desde el valor de bloqueo hasta cero. La corriente IC persiste para el tiempo de encendido en que la señal en la puerta es aplicada. Para encender el IGBT, el terminal C debe ser polarizado positivamente con respecto a la terminal E. La señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado a la puerta G.
Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15 volts, puede causar que el tiempo de encendido sea menor a 1 s, después de lo cual la corriente de colector 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 G. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en la puerta es muy baja.
El IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la terminal G. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 microsegundos, por lo que la frecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz.
EL IGBT requiere un valor límite VGE (TH) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4 V. Arriba de este valor el voltaje VCE cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el G debe tener un voltaje arriba de 15 V, y la corriente IC se auto limita.
· Aplicaciones
El 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. Se usan en los Variadores de frecuencia, así como en las aplicaciones en máquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso: Automóvil, Tren, Metro, Autobús, Avión, Barco, Ascensor, Electrodoméstico, Televisión, Domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI (en Inglés UPS),