Transistor de potencia

Transistor de potencia

El transistor de potencia. Su funcionamiento y utilización es idéntico al de los transistores normales, teniendo como características especiales las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar.

Tipos de transistores de potencia

• bipolar.
• unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo).
• IGBT.

Parámetros	MOS	Bipolar
Impedancia de entrada	Alta (1010 ohmios)	Media (104 ohmios)
Ganancia en corriente	Alta (107)	Media (10-100)
Resistencia ON (saturación)	Media / alta	Media (10-100)
Resistencia OFF (corte)	Alta	Alta
Voltaje aplicable	Alto (1000 V)	Alto (1200 V)
Máxima temperatura de operación	Alta (200ºC)	Media (150ºC)
Frecuencia de trabajo	Alta (100-500 Khz)	Baja (10-80 Khz)
Coste	Alto	Medio

El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada MOS, más la capacidad de carga en corriente de los transistores bipolares:

• Trabaja con tensión.
• Tiempos de conmutación bajos.
• Disipación mucho mayor (como los bipolares).

Nos interesa que el transistor se parezca, lo más posible, a un elemento ideal

• Pequeñas fugas.
• Alta potencia.
• Bajos tiempos de respuesta (ton , toff), para conseguir una alta frecuencia de funcionamiento.
• Alta concentración de intensidad por unidad de superficie del semiconductor.
• Que el efecto avalancha se produzca a un valor elevado ( VCE máxima elevada).
• Que no se produzcan puntos calientes (grandes di/dt ).

Una limitación importante de todos los dispositivos de potencia y concretamente de los transistores bipolares, es que el paso de bloqueo a conducción y viceversa no se hace instantáneamente, sino que siempre hay un retardo (ton , toff). Las causas fundamentales de estos retardos son las capacidades asociadas a las uniones colector - base y base - emisor y los tiempos de difusión y recombinación de los portadores.

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 vienen 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. Podremos distinguir entre tiempo de excitación o encendido (ton) y tiempo de apagado (toff). A su vez, cada uno de estos tiempos se puede dividir en otros dos. Tiempo de retardo (Delay Time, td): Es el tiempo que transcurre desde el instante en que se aplica la señal de entrada en el dispositivo conmutador, hasta que la señal de salida alcanza el 10% de su valor final. Tiempo de subida (Rise time, tr): Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre el 10% y el 90% de su valor final. Tiempo de almacenamiento (Storage time, ts): Tiempo que transcurre desde que se quita la excitación de entrada y el instante en que la señal de salida baja al 90% de su valor final. Tiempo de caída (Fall time, tf): Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre el 90% y el 10% de su valor final.

Temperatura de unión

Los transistores de potencia disipan grandes cantidades de potencia en sus uniones entre colector y base. La potencia disipada se convierte en calor, que eleva la temperatura de la unión (TJ). Dicha temperatura no debe superar un máximo especificado (TJmáx) que para el silicio es de 150ºC a 200ºC. El fabricante de un transistor de potencia suele especificar TJmáx, la máxima disipación de potencia a una temperatura ambiente TA0 (que por lo general es de 25ºC), y la resistencia térmica θJA.

Características en estado permanente

La configuración emisor común, es la que generalmente se utiliza en aplicaciones de conmutación. [pic] En la región de corte, las 2 uniones están polarizadas inversamente. En la región de saturación, las dos uniones tienen polarización directa.

Parámetros típicos

Debido a sus grandes dimensiones y elevadas corrientes de operación, los transistores de potencia muestran valores típicos de parámetros que pueden ser muy distintos de los transistores de pequeña señal.

1. A elevadas corrientes, la relación exponencial iC-vBE es iC=IS·e
2. β es pequeña, típicamente entre 30 y 80, pero puede llegar en algunos casos a ser de sólo 5.
3. A elevadas corrientes, rπ se hace muy pequeña y rb se hace significativa.
4. fT es pequeña debido a sus grandes dimensiones.
5. El transistor de potencia BJT El funcionamiento y utilización de los transistores de potencia es idéntico al de los transistores normales, teniendo como características especiales las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar
6. En el transistor bipolar hay que inyectar una corriente de base para regular la corriente de colector, esta 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.

Temperatura de unión

Los transistores de potencia disipan grandes cantidades de potencia en sus uniones entre colector y base. La potencia disipada se convierte en calor, que eleva la temperatura de la unión (TJ). Dicha temperatura no debe superar un máximo especificado (TJmáx) que para el silicio es de 150ºC a 200ºC. El fabricante de un transistor de potencia suele especificar TJmáx, la máxima disipación de potencia a una temperatura ambiente TA0 (que por lo general es de 25ºC), y la resistencia térmica θJA.

Otros parámetros importantes

• Corriente media: es el valor medio de la corriente que puede circular por un terminal (ej. ICAV, corriente media por el colector).
• Corriente máxima: es la máxima corriente admisible de colector (ICM) o de drenador (IDM). Con este valor se determina la máxima disipación de potencia del dispositivo.
• VCBO: tensión entre los terminales colector y base cuando el emisor está en circuito abierto.
• VEBO: tensión entre los terminales emisor y base con el colector en circuito abierto.
• Tensión máxima: es la máxima tensión aplicable entre dos terminales del dispositivo (colector y emisor con la base abierta en los bipolares, drenador y fuente en los FET).
• Estado de saturación: queda determinado por una caída de tensión prácticamente constante. VCEsat entre colector y emisor en el bipolar y resistencia de conducción RDSon en el FET. Este valor, junto con el de corriente máxima, determina la potencia máxima de disipación en saturación.

Relación corriente de salida - control de entrada: hFE para el transistor bipolar (ganancia estática de corriente) y gds para el FET (transconductancia en directa).

Modos de trabajo

Existen cuatro condiciones de polarización posibles. Dependiendo del sentido o signo de los voltajes de polarización en cada una de las uniones del transistor pueden ser :

• Región activa directa: Corresponde a una polarización directa de la unión emisor - base y a una polarización inversa de la unión colector - base. Esta es la región de operación normal del transistor para amplificación.
• Región activa inversa: Corresponde a una polarización inversa de la unión emisor - base y a una polarización directa de la unión colector - base. Esta región es usada raramente.
• Región de corte: Corresponde a una polarización inversa de ambas uniones. La operación en ésta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo apagado, pues el transistor actúa como un interruptor abierto (IC 0).
• Región de saturación: Corresponde a una polarización directa de ambas uniones. La operación en esta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo encendido, pues el transistor actúa como un interruptor cerrado (VCE 0).

Ataque y protección del transistor de potencia

Como hemos visto anteriormente, los tiempos de conmutación limitan el funcionamiento del transistor, por lo que nos interesaría reducir su efecto en la medida de lo posible. Los tiempos de conmutación pueden ser reducidos mediante una modificación en la señal de base. Puede verse como el semiciclo positivo está formado por un tramo de mayor amplitud que ayude al transistor a pasar a saturación (y por tanto reduce el ton) y uno de amplitud suficiente para mantener saturado el transistor (de este modo la potencia disipada no será excesiva y el tiempo de almacenamiento no aumentará). El otro semiciclo comienza con un valor negativo que disminuye el toff, y una vez que el transistor está en corte, se hace cero para evitar pérdidas de potencia. En consecuencia, si queremos que un transistor que actúa en conmutación lo haga lo más rápidamente posible y con menores pérdidas, lo ideal sería atacar la base del dispositivo con una señal.

Véase También

• Optoacopladores

• Diodo de Potencia

Fuente

• UV
• Buenas tareas
• Alibaba