Barreno Luis

ESCUELA POLITECNICA NACIONALElectronica de Potencia

Tema: Snubbers y Transistores

Barreno L. E.Profesor: Ing. Jorge Luis Rosero MSc.

15 de marzo de 2014

1

Indice

1. Snubbers 31.1. Definicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2. Amortiguadores de diodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3. Circuitos amortiguadores para tiristores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.4. Amortiguadores con transistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.4.1. Amortiguador de apagado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.4.2. Amortiguador de encendido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.4.3. Amortiguador de sobretension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2. Transistores 92.1. TBJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.1. Definicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.2. Estructura interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.3. Simbologa y convenio de signos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.4. Curvas Caractersticas (De entrada y salida respectivamente) . . . . 92.1.5. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2. MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.1. Definicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.2. Estructura interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.3. Simbologa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.4. Curvas Caractersticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.5. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3. IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.1. Definicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.2. Estructura interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.3.3. Curvas caractersticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.3.4. Simbologa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.3.5. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3. Conclusiones 18

4. Bibliografa 18

2

1. Snubbers

1.1. Definicion

Los dispositivos semiconductores presentan valores lmite tanto de corriente, voltaje ypotencia, si se superan estos lmites, el dispositivo no podra soportar el estres electricoy se danara. Es aqu donde aparecen los snubbers (circuitos de ayuda a la conmutaciono amortiguadores), es un circuito electrico simple compuesto por elementos activos y/opasivos que se incorpora a un circuito de potencia para reducir el estres electrico en elelemento semiconductor (MOSFET, TBJ, IGBT, TRIAC, etc) durante las conmutacionesy asegurar su correcto funcionamiento.

Los snubbers o amortiguadores se dividen en tres categoras:

1. Amortiguadores de conexion para minimizar grandes sobrecorrientes a traves deldispositivo en la fase de encendido.

2. Amortiguadores de desconexion para minimizar grandes sobretensiones a traves deldispositivo en la fase de apagado.

3. Amortiguadores reductores de esfuerzo que forman las formas de ondas de conmu-tacion del dispositivo de modo que la tension y la corriente asociadas al dispositivono esten en alto en forma simultanea.

1.2. Amortiguadores de diodos

Se utilizan en circuitos que contengan diodos para reducir las sobretensiones, debidoa la inductancia parasita L en serie con el diodo, y a la corriente de recuperacion inversaque es bloqueada por el mismo diodo, se usa un amortiguador RS CS, logrando que lacorriente de recuperacion inversa se bloquee en forma instantanea colocadas en el circuitode la siguiente manera:

Figura 1: Proteccion del diodo mediante un snubber Rs Cs.

3

Figura 2: Grafica de la corriente del diodo en funcion del tiempo, la corriente baja a ceroinstantaneamente.

1.3. Circuitos amortiguadores para tiristores

Los tiristores sufren grandes danos debido a sobretensiones que se generan por lacorriente de recuperacion inversa que circula por la inductancia serie. Por esta razonse utilizan los snubers. El circuito siguiente es un convertidor trifasico de tiristores defrecuencia de lnea en el cual en cada tiristor va conectado en paralelo un amortiguadorRS CS.

Figura 3: Proteccion del tiristor mediante un snubber Rs - Cs.

Los parametros del circuito amortiguador se pueden calcular con las siguientes formu-las:

CS =0,6IdVLL

[F ] (1)

RS = 1,3

2VLLIrr

=VLLId

(2)

4

W = 3 Cs V 2LL = 1,8 106VLLId (3)VLL: Es el voltaje rms de lnea a lnea.Irr: Corriente de recuperacion inversa.Id: Es la corriente de la carga.CS y RS: Elementos del circuito amortiguador.W : La perdida total de energa de cada amortiguador.

Los tiristores tambien necesitan proteccion durante el encendido contra di/dt y pro-teccion durante el apagado contra dv/dt. La figura muestra un circuito con tiristor consu snubbers de encendido y apagado. Valores tpicos de los elementos:

0,01F C 1F (4)

10 R 1000 (5)50H L 100H (6)

Figura 4: Proteccion del tiristor durante el encendido y apagado mediante un snubber Rs- Cs.

1.4. Amortiguadores con transistores

Para transistores existen tres tipos basicos de Snubbers o amortiguadores:

1. Amortiguadores de apagado.

2. Amortiguadores de encendido.

3. Amortiguadores de sobretension.

Y sirven para proteger a estos elementos mediante la mejora de su trayectoria de conmu-tacion.

5

1.4.1. Amortiguador de apagado

Un amortiguador de apagado se muestra en la figura 5 se utiliza para proporcionarun voltaje cero a traves del transistor mientras la corriente se apaga. En el apagado enpresencia del circuito amortiguador la corriente del transistor iC decrece con la razon di/dty (IO iC) fluye en el capacitor a traves del diodo de proteccion Ds. La figura muestra elascenso del voltaje a traves del Cs del Snubber. Si CS = CS1 ocasiona que el voltaje en

Figura 5: Amortiguador de apagado, protege en TBJ.

el capacitor alcance a V exactamente en el tiempo de cada tfi, los parametros del circuitose pueden calcular con las siguientes expresiones:

CS1 =IOfi

2V(7)

RS =V

0,2IO(8)

PRS =CSV

2

2fs (9)

PQ =I2Ot

2fifS

24 CS1 (10)

Cs1: Capacitancia del circuito amortiguador.RS: Resistencia del circuito amortiguador.PRS : Potencia disipada por RS.fs: Es la frecuencia de conmutacion.tfi: Tiempo de cada.PQ: Potencia disipada por el transistor con el snubber.

6

Figura 6: Curva de corriente y voltaje del circuito incluido el snubber.

1.4.2. Amortiguador de encendido

Un amortiguador de encendido como se muestra en la figura 7 se usa para reducir latension en el TBJ mientras la corriente se acumula. La reduccion de la tension en el tran-sistor durante el encendido se debe a la cada de voltaje en la inductancia LS del circuitoamortiguador, durante el apagado del transistor, la energa almacenada en la inductanciaLS(1/2LSI

2O) sera disipada por la resistencia Rs tambien del circuito amortiguador.

Para la seleccion de Rs se deben considerar dos situaciones:

1. En el apagado del transistor, el snubber de encendido genera un sobre voltaje atraves del transistor (V CE,max = RSIO).

2. Durante el estado de inactividad del transistor, la corriente del inductor debe al-canzar un valor muy bajo, por ejemplo 0,1IO, de esta manera el snubber puedefuncionar correctamente durante el siguiente encendido, entonces el tiempo mnimode estado inactivo para el transistor debe ser:

testado inactivo > 2,3LSRLS

(11)

7

Figura 7: Circuito amortiguador de encendido.

Entonces se prefiere utilizar una inductancia grande, para tener voltajes de encendido masbajos y bajas perdidas de potencia durante el encendido.

1.4.3. Amortiguador de sobretension

La sobretension durante el apagado debido a la inductancia parasita podra ser mi-nimizada por medio del snubber o amortiguador de sobretension, circuito mostrado enla figura 8 . En el apagado asumiendo que la corriente en el TBJ que cae con el tiempodebe ser pequena, la corriente a traves de la inductancia parasita, L, esta corriente espracticamente Io y la corriente de salida se mueve en circulacion libre a traves del diodode circulacion libre Df .

Cuando la corriente de carga circula libremente a traves de Df se tiene el circuitoequivalente de la figura 9.

Durante la circulacion libre a traves del Df , la energa almacenada en la inductanciaparasita logra ser transferida al capacitor de sobretension a traves del diodo Dsobret y lasobretension V CE en el transistor se calcula mediante:

CsobretV2CE,max

2=LI

2O

2(12)

La ecuacion anterior muestra que se necesita un gran valor de Csobret para minimizar lasobretension V CEmax. Una vez que la corriente a traves de L a decrecido hasta ceropuede invertir su direccion debido a la Rsobret y a que la sobretension en el capacitordisminuye hasta V d.

8

Figura 8: Circuito amortiguador de sobretension.

2. Transistores

2.1. TBJ

2.1.1. Definicion

Primeramente se definiran sus siglas: Bipolar Junction Transistor. Es un dispositivosemiconductor de tres capas y se forma agregando una segunda region p o n a un diodode union pn. Es decir que consta de 3 regiones Emisor, Base, Colector.

2.1.2. Estructura interna

En su parte interna, el BJT se compone de tres capas de silicio y puede tener dosconfiguraciones segun la figura 10.

El emisor ha de ser una region muy dopada, mientras mas dopaje tenga el emisor,mayor cantidad de portadores podra aportar a la corriente.

La base ha de ser muy estrecha y poco dopada, para que tenga lugar poca recombi-nacion en la misma y la mayor parte de la corriente pase del emisor al colector.

El colector ha de ser una zona menos dopada que el emisor, sus caractersticas tieneque ver con los portadores que provienen del emisor.

2.1.3. Simbologa y convenio de signos

En la figura 11 se muestra la polaridad de voltajes y corrientes para el TBJ.

2.1.4. Curvas Caractersticas (De entrada y salida respectivamente)

Se van a detallar las curvas caractersticas de la configuracion del TBJ en emisorcomun, debido a que esta configuracion muestra los datos mas estables de ganancia de

9

Figura 9: Circuito equivalente cuando la corriente de carga circula libremente a traves deDf.

Figura 10: Estructura interna del TBJ.

voltaje, de corriente, de impedancia de entrada, etc.

Figura 12: Caractersticas de entrada.

10

Figura 11: Simbologa y convenio de signos.

Figura 13: Caractersticas de salida.

2.1.5. Aplicaciones

Conmutacion, actuando como un interruptor (control de reles, fuentes, PMW).

Amplificacion de todo tipo (radio, television, instrumentacion).

Generacion de senal (osciladores, generadores de ondas, emision de radiofrecuencia).

Se emplean en conversores estaticos de potencia, controles para motores y llaves dealta potencia.

En sistemas digitales con la tecnologa TTL (Transistor-Transistor Logic) o BIC-MOS.

11

2.2. MOSFET

2.2.1. Definicion

Segun sus siglas: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Dispositivo semi-conductor controlado por voltaje y solo requiere una pequena corriente de entrada, cuentacon una velocidad de conmutacion muy alta, se lo utiliza mucho en convertidores de bajapotencia y alta frecuencia, los MOSFET no tiene el problema de segunda ruptura o ava-lancha, sin embargo se sabe que el MOSFET tiene problemas de descargas electroestaticases decir que requiere un cuidado especial al momento manipular estos elementos, esto sepuede apreciar en las practicas del laboratorio, cuando de la nada se dana un MOSFET.


Existen dos tipos de MOSFET:

1. MOSFET decrementales

2. MOSFET incrementales

MOSFET decrementalesEl MOSFET decremental tipo n, esta compuesto por un substrato de silicio tipo p, dosregiones de silicio n+ muy dopadas y un canal n, consta de tres terminales: drenaje,compuerta y fuente.

Figura 14: MOSFET decremental tipo n

El MOSFET decremental tipo p es exactamente al inverso del MOSFET decrementaltipo n, en cuanto a su construccion se refiere, esto se puede ver en la figura, el substratoutilizado es un substrato tipo n y un canal tipo p. La ecuacion de Shockley sigue siendovalida, pero las polaridades de voltajes y direcciones de las corrientes estan invertidas.

12

Figura 15: MOSFET decremental tipo p

MOSFET incrementalesLos MOSFET incremental no tiene canal fsico, como en el caso de los MOSFET decre-mentales que cuentan con un canal n o un canal p. Si en un MOSFET incremental tipo n,que esta compuesto por un substrato tipo p y dos regiones muy dopadas tipo n, se aplicaun voltaje VGS positivo, aparece un voltaje inducido que atrae a los electrones hacia lasuperficie, bajo la capa del oxido, si este voltaje VGS es superior o igual al voltaje umbral,se van a acumular tantos electrones que van a crear un canal virtual es decir que estoselectrones van a circular desde el drenaje hasta la fuente.

Figura 16: MOSFET incremental tipo n.

El MOSFET incremental tipo p es exactamente al inverso del MOSFET incrementaltipo n, es decir que cambian las polaridades de los voltajes VDS, VGS y de la corrienteIDS, cuenta con un substrato tipo n y con dos regiones tipo p muy dopadas. El MOSFETutilizado en Electronica de Potencia es el MOSFET de tipo incremental, se lo usa comodispositivo de conmutacion.

13

Figura 17: MOSFET incremental tipo p.

2.2.3. Simbologa

Figura 18: Simbologa

2.2.4. Curvas Caractersticas

Como se dijo anteriormente, en Electronica de Potencia se utilizan MOSFETs incre-mentales, a continuacion se detallan sus curvas de entrada y salida.

Figura 19: Caractersticas de transferencia para MOSFET incremental canal P.

14

Figura 20: Caractersticas de transferencia para MOSFET incremental canal N.

2.2.5. Aplicaciones

Se los utiliza principalmente en circuitos integrados CMOS, PMOS y NMOS.

Interruptores digitales y analogicos (circuitos de conmutacion de potencia).

Convertidores de baja potencia y alta frecuencia.

Resistencia controlada por voltaje.

Mezcladores de frecuencia, con MOSFET de doble puerta.

Amplificadores especiales.

2.3. IGBT

2.3.1. Definicion

Por sus siglas: Isolated Gate Bipolar Transistor.

En un IGBT es un dispositivo semiconductor en el cual se combinan los atributosdel BJT y del MOSFET. Tiene una alta impedancia de entrada debido a que contieneuna compuerta tipo MOSFET (gate). En esta compuerta se manejan voltajes como en elMOSFET. No tiene problemas de segunda ruptura como el BJT. Se lo utiliza en circuitosde alta potencia. En circuitos de conmutacion para sistemas de alta tension, se puedencontrolar sistemas de alta potencia con un pequeno voltaje de 15 V aplicado a la puerta.Las caractersticas de conduccion son como las del BJT y circuito de excitacion es comoel del MOSFET.

15


Figura 21: Estructura interna

Esta compuesto alternadamente por cuatro capas PNPN, un IGBT es basicamente unMOSFET de canal n construido sobre un sustrato tipo p, sin embargo su rendimientose parece mas al de un TBJ. Para que un IGBT se encienda hay que aplicar un voltajepositivo desde emisor hacia la compuerta, superando el voltaje umbral los portadores nformaran un canal de conduccion y para apagar este dispositivo hay que eliminar el voltajede compuerta.

La figura 22 muestra los circuitos equivalentes simplificados para un IGBT.

Figura 22: Circuitos equivalentes simplificados para un IGBT.

16

2.3.3. Curvas caractersticas

Figura 23: Curvas caractersticas

2.3.4. Simbologa

Consta de tres terminales que se denominan GATE (G) o puerta, COLECTOR (C) yEMISOR (E) y su smbolo corresponde al dibujo de la figura 24.

Figura 24: Representacion simbolica del transistor IGBT.a) Como BJT b) Como MOSFET

2.3.5. Aplicaciones

Conmutacion en sistemas de alta potencia.

Variadores de frecuencia.

17

Maquinas electrica y convertidores de potencia (Motores tanto de AC y CC).

Domotica.

Sistemas de alimentacion ininterrumpida.

3. Conclusiones

Es un circuito electrico simple compuesto por elementos activos y/o pasivos que seincorpora a un circuito de potencia para reducir el estres electrico en el elementosemiconductor (MOSFET, TBJ, IGBT, TRIAC, etc) durante las conmutaciones yasegurar su correcto funcionamiento.

Los snubbers o amortiguadores se dividen en tres categoras:

1. Amortiguadores de conexion para minimizar grandes sobrecorrientes a travesdel dispositivo en la fase de encendido.

2. Amortiguadores de desconexion para minimizar grandes sobretensiones a travesdel dispositivo en la fase de apagado.

3. Amortiguadores reductores de esfuerzo que forman las formas de ondas deconmutacion del dispositivo de modo que la tension y la corriente asociadas aldispositivo no esten en alto en forma simultanea.

Los transistores de potencia mas importantes son tres: TBJ, MOSFET, IGBT. LosTBJ son dispositivos semiconductores controlados por corriente, son muy sensiblesa la temperatura de la union, tienen problemas de segunda ruptura o avalancha,para apagarse necesitan de una corriente de base en sentido inverso.

Los MOSFET en contrario a los TBJ son controlados por voltaje, funcionan me-diante una pequena corriente de entrada, no son muy sensibles a la temperatura dela union y no padecen del problema de segunda avalancha.

Los IGBT combinan las ventajas del MOSFET y del TBJ, las caractersticas deconduccion son como las del BJT y circuito de excitacion es como el del MOSFET.No padecen del problema de segunda avalancha.

4. Bibliografa

M. H. Rashid, Transistores de Potencia, en Electronica De Potencia, Circuitos,Dispositivos y Aplicaciones, 3th, 2004, pp. 122-163.

N. Mohan, T. M. Undeland y W. P. Robbins, Circuitos Amortiguadores, en Electroni-ca De Potencia, Convertidores, Aplicaciones y Diseno, 3th, pp. 585-601.

J. Dodge. (2002, Jul.). IGBT Tutorial. Advanced Power Technology [Online]. Dis-ponible:

18

http://www.microsemi.com/design-support/application-notes#mosfets-and-igbts,seccion de descargas, MOSFETs e IGBTs.

http://pels.edv.uniovi.es/pels/pels/Pdf/Leccion%20Snubbers.pdf

http://fetmosfetwilliamrobertohembergerson.blogspot.com/

http://gredanke.blogspot.com/2008_11_01_archive.html

http://www.hispavila.com/3ds/atmega/mosfets.html

19

SnubbersDefinicinAmortiguadores de diodosCircuitos amortiguadores para tiristoresAmortiguadores con transistoresAmortiguador de apagadoAmortiguador de encendidoAmortiguador de sobretensin

TransistoresTBJDefinicinEstructura internaSimbologa y convenio de signosCurvas Caractersticas (De entrada y salida respectivamente)Aplicaciones

MOSFETDefinicinEstructura internaSimbologaCurvas CaractersticasAplicaciones

IGBTDefinicinEstructura internaCurvas caractersticasSimbologaAplicaciones

ConclusionesBibliografa

Documents

Barreno Luis