Transistores

Los transistores son utilizados como interruptores electrónicos de potencia. Los circuitos de excitación de estos se diseñan para que éstos estén completamente saturados (activados) o en corte (desactivados). Los transistores tienen la ventaja de que proporcionan un control de activación y de desactivación, mientras que el SCR sólo dispone de control de activación. Se utilizan los transistores de unión bipolar (BJT), los MOSFET y dispositivos híbridos, como por ejemplo, los de unión bipolar de puerta aislada (IGBT). El BJT es un dispositivo controlado por corriente. El MOSFET es un dispositivo controlado por tensión, el circuito de excitación es más sencillo que el utilizado en un BJT. El IGBT es una conexión integrada de un MOSFET y un BJT. El circuito de excitación es como el de un MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT. Este dispositivo es adecuado para velocidades de conmutación de hasta aproximadamente 20 kHz.

Existe una gran variedad de transistores. En principio, se explicarán los bipolares. Los símbolos que corresponden a este tipo de transistor son los siguientes:

Transistor NPN	Estructura de un transistor NPN	Transistor PNP	Estructura de un transistor PNP

Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)

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. El gate maneja voltaje como el MOSFET. El símbolo más comúnmente usado se muestra en la figura . Al igual que el MOSFET de potencia, el IGBT no exhibe el fenómeno de ruptura secundario como el TBJ.

La estructura del IGBT es similar al un MOSFET de canal n, una porción de la estructura es la combinación de regiones n+ , p y n- que forman el MOSFET entre el source S y el gate G con la región de flujo n- que es el drain D del MOSFET. Otra parte es la combinación de 3 capas p+ n- p, que crea un transistor de unión bipolar entre el drain D y el source. La región p actúa como colector C, la región n- actúa como la base B y la región p+ actúa como el emisor E de un transistor pnp. Entre el drain y el source existen 4 capas p+n-pn+ que forman un tiristor. Este tiristor es parásito y su efecto es minimizado por el fabricante del IGBT.

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.

EL IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la terminal gate. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 s, por lo que la frecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz.

EL IGBT requiere un valor límite VGS(TH) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4 V. Arriba de este valor el voltaje VDS cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el gate debe tener un voltaje arriba de 15 V, y la corriente iD se autolimita.

El IGBT se aplica en controles de motores eléctricos tanto de corriente directa como de corriente alterna, manejados a niveles de potencia que exceden los 50 kW.

Tiristores controlados por MOS (MCT)

Un tiristor controlado por MOS (MCT) combina las características de un tiristor regenerativo de cuatro capas y una estructura de compuerta MOS. El circuito equivalente se muestra en la figura siguiente (b) y el símbolo correspondiente en la (a). La estructura NPNP se puede representar por un transistor NPN Q₁ y con un transistor Q₂. La estructura de compuerta MOS se puede representar por un MOSFET de canal p M₁ y un MOSFET de canal n M₂.

Debido a que se trata de una estructura NPNP, en vez de la estructura PNPN de un SCR normal, el ánodo sirve como la terminal de referencia con respecto a la cual se aplican todas las señales de compuerta. Supongamos que el MCT está en estado de bloqueo directo y se aplica un voltaje negativo V_GA. Un canal, p (o una capa de inversión) se forma en el material dopado n, haciendo que los huecos fluyan lateralmente del emisor p E₂ de Q₂ (fuente S₁ del MOSFET M₁ del canal p) a través del canal p hacia la base p B₁ de Q_l (que es drenaje D₁ del MOSFET M₁, del canal p). Este flujo de huecos forma la corriente de base correspondiente al transistor npn Q₁. A continuación e1 emisor n+ E₁ de Q₁, inyecta electrones, que son recogidos en la base n B2 (y en el colector n C₁) que hace que el emisor p E₂ inyecte huecos en la base n B₂, de tal forma que se active el transistor PNP Q₂ y engancha al MCT. En breve, un V_GA de compuerta negativa activa al MOSFET M₁ canal p, proporcionando así la corriente de base del transistor Q₂.

Supongamos que el MCT está en estado de conducción, y se aplica un voltaje positivo V_GA. Se forma entonces un canal n en el material contaminado p, haciendo que fluyan lateralmente electrones de la base n B₂ de Q₂ (fuente S₂ del MOSFET M₂ del canal n) a través del canal n del emisor n+ fuertemente contaminado de Q_l (drenaje D₂ del MOSFET M₂ del canal n+). Este flujo de electrones desvía la corriente de base del transistor PNP Q₂ de tal forma que su unión base-emisor se desactiva, y ya no habrá huecos disponibles para recolección por la base p B₁ de Q₁ (y el colector p C₂de Q₂). La eliminación de esta corriente de huecos en la base p B₁, hace que se desactive el transistor NPN Q₁, y el MCT regresa a su estado de bloqueo. En breve, un pulso positivo de compuerta V_GA, desvía la corriente que excita la base de Q_l, desactivando por lo tanto el MCT.

El MCT se puede operar como dispositivo controlado por compuerta, si su corriente es menor que la corriente controlable pico. Intentar desactivar el MCT a corrientes mayores que su corriente controlable pico de especificación, puede provocar la destrucción del dispositivo. Para valores más altos de corriente, el MCT debe ser conmutado como un SCR estándar. Los anchos de pulso de la compuerta no son críticos para dispositivos de corrientes pequeñas. Para corrientes mayores, el ancho del pulso de desactivación debe ser mayor. Además, durante la desactivación, la compuerta utiliza una corriente pico. En muchas aplicaciones, incluyendo inversores y pulsadores, se requiere, de un pulso continuo de compuerta sobre la totalidad del período de encendido/apagado a fin de evitar ambigüedad en el estado.

Figura 7. Estructura MCT.

Un MCT tiene:

1. Una baja caída de voltaje directo durante la conducción;
2. Un tiempo de activado rápido, típicamente 0.4m s, y un tiempo de desactivado rápido, típicamente 1.25m s, para un MCT de 300A, 500v;
3. Bajas perdidas de conmutación;
4. Una baja capacidad de bloqueo voltaje inverso.
5. Una alta impedancia de entrada de compuerta, lo que simplifica mucho los circuitos de excitación. Es posible ponerlo efectivamente en paralelo, para interrumpir corrientes altas, con sólo modestas reducciones en la especificación de corriente del dispositivo. No se puede excitar fácilmente a partir de un transformador de pulso, si se requiere de una polarización continua a fin de evitar ambigüedad de estado.

Diodo para Corriente Alterna (DIAC)

Dispositivo semiconductor de dos terminales de estructura similar a la del transistor que presenta cierto tipo de conductividad biestable en ambos sentidos. Cuando las tensiones presentes en sus terminales son suficientemente altas se utiliza principalmente junto a los triacs que para el control en fase de los circuitos.

Es un tipo de tiristor que puede conducir en los dos sentidos. Es un dispositivo de dos terminales que funciona básicamente como dos diodos Shockley que conducen en sentidos opuestos.

La curva de funcionamiento refleja claramente el comportamiento del diac, que funciona como un diodo Shockley tanto en polarización directa como en inversa.

Cualquiera que sea la polarización del dispositivo, para que cese la conducción hay que hacer disminuir la corriente por debajo de la corriente de mantenimiento IH. Las partes izquierda y derecha de la curva, a pesar de tener una forma análoga, no tienen por qué ser simétricas.

Tiristores controlados por FET (FET-CTH)

Un dispositivo FET-CTH combina un MOSFET y un tiristor en paralelo, tal y como se muestra en la figura siguiente. Si a la compuerta del MOSFET se le aplica un voltaje suficiente, típicamente 3v, se genera internamente una corriente de disparo para el tiristor. Tiene una alta velocidad de conmutación, un di/dt alto y un dv/dt alto.

Este dispositivo se puede activar como los tiristores convencionales, pero no se puede desactivar mediante control de compuerta. Esto serviría en aplicaciones en las que un disparo óptico debe utilizarse con el fin de proporcionar un aislamiento eléctrico entre la señal de entrada o de control y el dispositivo de conmutación del convertidor de potencia.

Figura 6. Estructura FET-CTH.

Rectificadores controlados de silicio activados por luz (LASCR)

Este dispositivo se activa mediante radiación directa sobre el disco de silicio provocada con luz. Los pares electrón-hueco que se crean debido a la radiación producen la corriente de disparo bajo la influencia de un campo eléctrico. La estructura de compuerta se diseña a fin de proporcionar la suficiente sensibilidad para el disparo, a partir de fuentes luminosas prácticas (por ejemplo, LED y para cumplir con altas capacidades de di/dt y dv/dt).

Los LASRC se utilizan en aplicaciones de alto voltaje y corriente [por ejemplo, transmisión de cd de alto voltaje (HVDC) y compensación de potencia reactiva estática o de volt-amperes reactivos (VAR)]. Un LASCR ofrece total aislamiento eléctrico entre la fuente de disparo luminoso y el dispositivo de conmutación de un convertidor de potencia, que flota a un potencial tan alto como unos cuantos cientos de kilovoltios. La especificación de voltaje de un LASCR puede llegar tan alto como 4 kv a 1500 A, con una potencia de disparo luminoso de menos de 100mw. El di/dt típico es 250 A/m s y el dv/dt puede ser tan alto como 2000v/m s.

Tiristores de inducción estática (SITH)

Por lo general, un SITH es activado al aplicársele un voltaje positivo de compuerta, como los tiristores normales, y desactivado al aplicársele un voltaje negativo a su compuerta. Un SITH es un dispositivo de portadores minoritarios. Como consecuencia, el SITH tiene una baja resistencia en estado activo así como una baja caída de potencial, y se puede fabricar con especificaciones de voltaje y corriente más altas.

Un SITH tiene velocidades de conmutación muy rápidas y capacidades altas de dv/dt y di/dt. El tiempo de conmutación es del orden de 1 a 6m s. La especificación de voltaje puede alcanzar hasta 2500v y la de corriente está limitada a 500 A. Este dispositivo es extremadamente sensible a su proceso de fabricación, por lo que pequeñas variaciones en el proceso de manufactura pueden producir cambios de importancia en sus características.

Tiristor de Concuccion Inversa (RTC)

En muchos circuitos pulsadores e inversores, se conecta un diodo antiparalelo a través de un SCR, con la finalidad de permitir un flujo de corriente inversa debido a una carga inductiva, y para mejorar el requisito de desactivación de un circuito de conmutación. El diodo fija el voltaje de bloqueo inverso del SCR a 1 ó 2v por debajo de las condiciones de régimen permanente. Sin embargo, bajo condiciones transitorias, el voltaje inverso puede elevarse hasta 30v debido al voltaje inducido en la inductancia dispersa del circuito dentro del dispositivo.

Un RCT es un intercambio entre características del dispositivo y requisitos del circuito; puede considerarse como un tiristor con un diodo antiparalelo incorporado, tal y como se muestra en la figura siguiente. Un RCT se conoce también como tiristor asimétrico (ASCR). El voltaje de bloqueo directo varía de 400 a 2000v y la especificación de corriente llega hasta 500 A. El voltaje de bloqueo inverso es típicamente 30 a 40v. Dado que para un dispositivo determinado está preestablecida la relación entre la corriente directa a través de un tiristor y la corriente inversa del diodo, sus aplicaciones se limitarán a diseños de circuitos específicos.

Figura 6. Tiristor de conducción inversa.

Triode de Corriente Alterna (TRIAC)

El Triac puede ser considerado como la integración de 2 SCR's en forma paralela invertida.

El símbolo eléctrico del TRIAC, así como sus características de Voltaje corriente, se muestran en la figura. Cuando la terminal T1 es positiva con respecto a la terminal T2, y el dispositivo es disparado por una corriente positiva en la terminal “gate” (+ig), éste se enciende. De igual forma, cuando la terminal T2 es positiva con respecto a la terminal T1 y el dispositivo es disparado por una corriente negativa en la terminal “gate” , el dispositivo también se enciende.

Es un componente simétrico en cuanto a conducción y estado de bloqueo se refiere, pues la característica en el cuadrante I de la curva UT2-T1 -T2 es igual a la del cuadrante III. Tiene unas fugas en bloqueo y una caída de tensión en conducción prácticamente iguales a las de un tiristor y el hecho de que entre en conducción, si se supera la tensión de ruptura en cualquier sentido, lo hace inmune a destrucción por sobretensión.

El modo de operación del Triac, se describe a continuación:

El TRIAC puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III mediante la aplicación entre los terminales puerta y T1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una facilidad de empleo grande y simplifica mucho el circuito de disparo. A continuación se verán los fenómenos internos que tienen lugar en los cuatro modos de disparo posibles.

Modo I + : Terminal T2 positiva con respecto a T1.

Intensidad de puerta entrante.

Funcionan las capas P1N1P2N2 como tiristor con emisor en corto circuito, ya que la metalización del terminal del cátodo cortocircuita parcialmente la capa emisora N2 con la P2.
La corriente de puerta circula internamente hasta T1, en parte por la unión P2N2 y en parte a través de la zona P2. Se produce la natural inyección de electrones de N2 a P2 que es favorecida en el área próxima a la puerta por la caída de tensión que produce en P2 la circulación lateral de corriente de puerta. Parte de los electrones inyectados alcanzan por difusión la unión P2N1, que bloquea el potencial exterior, y son acelerados por ella iniciándose la conducción.

Modo I - : Terminal T2 positivo respecto a T1.

Intensidad de puerta saliente.

El disparo es similar al de los tiristores de puerta de unión. Inicialmente conduce la estructura auxiliar P1N1P2N3 y luego la principal.

El disparo de la primera se produce como un tiristor normal actuado T1 de puerta y P de cátodo. Toda la estructura auxiliar se pone a la tensión positiva de T2 y polariza fuertemente la unión P2N2 que inyecta electrones hacia el área de potencial positivo. La unión P2N1 de la estructura principal que soporta la tensión exterior, es invadida por electrones en la vecindad de la estructura auxiliar, entrando en conducción.

Modo III + : Terminal T2 negativo respecto a T1.

Intensidad de puerta entrante.

El disparo tiene lugar por el procedimiento llamado de puerta remota. Entra en conducción la estructura P2N1P1N4.
La inyección de electrones de N2 a P2 es igual a la descrita en el modo I +. Los que alcanzan por difusión la unión P2N1 son absorbidos por su potencial de unión, haciéndose más conductora. El potencial positivo de puerta polariza más positivamente el área de la unión P2N1 próxima a ella que la próxima a T1, provocándose una inyección de huecos desde P2 a N1 que alcanza en parte la unión N1P1 encargada de bloquear la tensión exterior y se produce la entrada en conducción.

Modo III - : Terminal T2 negativo respecto a T1.

Intensidad de puerta saliente.

También se dispara por el procedimiento e puerta remota, conduciendo las capas P2N1P1N4.
La capa N3 inyecta electrones en P2 que hacen más conductora la unión P2N1. La tensión positiva de T1 polariza el área próxima de la unión P2N1 más positivamente que la próxima a la puerta. Esta polarización inyecta huecos de P2 a N1 que alcanzan en parte la unión N1P1 y la hacen pasar a conducción.
Los cuatro modos de disparo descritos tienen diferente sensibilidad. Siendo los modos I + y III - los más sensibles, seguidos de cerca por el I -. El modo III + es el disparo más difícil y debe evitarse su empleo en lo posible.

El Triac es usado frecuentemente en muchas aplicaciones de baja potencia como extractores de jugo, mezcladoras y aspiradora. Es económico y fácil de controlar en comparación de 2 SCR's conectados en forma antiparalela . Sin embargo, el Triac tiene una baja capacidad de dv/dt y un largo tiempo de apagado. No es recomendable su uso en niveles altos de voltaje y corriente.

Gate Turn-Off Thyristor (GTO)

Entre las mejoras más recientes que se le han hecho al tiristor está el apagado por compuerta (GTO). Un tiristor GTO es un SCR que puede apagarse por una pulsación suficientemente grande en su compuerta de entrada, aun si la corriente i_D excede I_H. Aunque los tiristores GTO se han venido usando desde 1960, solamente se volvieron prácticos para las aplicaciones de control de motores, al final de los años setenta. Estos dispositivos se han vuelto más y más comunes en las unidades de control de motores, puesto que ellos eliminaron la necesidad de componentes externos para apagar los SCR en circuitos de cc.

Figura 4. Símbolo del GTO.

Un tiristor GTO requiere una mayor corriente de compuerta para encendido que un SCR común. Para grandes aparatos de alta potencia se necesitan corrientes de compuerta del orden de 10 A o más. Para apagarlos se necesita una gran pulsación de corriente negativa de entre 20 y 30m s de duración. La magnitud de la pulsación de corriente negativa debe ser de un cuarto a un sexto de la corriente que pasa por el aparato.

                       

Rectificador Controlado de Silicio (SCR)

El miembro más importante de la familia de los tiristores es el tiristor de tres terminales, conocido también como el rectificador controlado de silicio o SCR. Este dispositivo lo desarrolló la General Electric en 1958 y lo denominó SCR. El nombre de tiristor lo adoptó posteriormente la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI). En la figura siguiente se muestra el símbolo de un tiristor de tres terminales o SCR.

Tal como su nombre lo sugiere, el SCR es un rectificador controlado o diodo. Su característica voltaje-corriente, con la compuerta de entrada en circuito abierto, es la misma que la del diodo PNPN.

Lo que hace al SCR especialmente útil para el control de motores en sus aplicaciones es que el voltaje de ruptura o de encendido puede ajustarse por medio de una corriente que fluye hacia su compuerta de entrada. Cuanto mayor sea la corriente de la compuerta, tanto menor se vuelve V_BO. Si se escoge un SCR de tal manera que su voltaje de ruptura, sin señal de compuerta, sea mayor que el mayor voltaje en el circuito, entonces, solamente puede activarse mediante la aplicación de una corriente a la compuerta. Una vez activado, el dispositivo permanece así hasta que su corriente caiga por debajo de I_H. Además, una vez que se dispare el SCR, su corriente de compuerta puede retirarse, sin que afecte su estado activo. En este estado, la caída de voltaje directo a través del SCR es cerca de 1.2 a 1.5 veces mayor que la caída de voltaje a través de un diodo directo-oblicuo común.

Figura 3. Símbolo del SCR.

Los tiristores de tres terminales o SCR son, sin lugar a dudas, los dispositivos de uso más común en los circuitos de control de potencia. Se utilizan ampliamente para cambiar o rectificar aplicaciones y actualmente se encuentran en clasificaciones que van desde unos pocos amperios hasta un máximo de 3,000 A.

Un SCR.

1. Se activa cuando el voltaje V_D que lo alimenta excede V_BO
2. Tiene un voltaje de ruptura V_BO, cuyo nivel se controla por la cantidad de corriente i_G, presente en el SCR
3. Se desactiva cuando la corriente i_D que fluye por él cae por debajo de I_H
4. Detiene todo flujo de corriente en dirección inversa, hasta que se supere el voltaje máximo inverso.

Tiristores

Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los dispositivos semiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas aplicaciones se puede suponer que los tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y limitaciones.

Características de los tiristores: 

Un tiristor es un dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura pnpn con tres uniones pn tiene tres terminales: ánodo cátodo y compuerta. La fig. 1 muestra el símbolo del tiristor y una sección recta de tres uniones pn. Los tiristores se fabrican por difusión.

Cuando el voltaje del ánodo se hace positivo con respecto al cátodo, las uniones J₁ y J₃ tienen polarización directa o positiva. La unión J₂ tiene polarización inversa, y solo fluirá una pequeña corriente de fuga del ánodo al cátodo. Se dice entonces que el tiristor está en condición de bloqueo directo o en estado desactivado llamándose a la corriente fuga corriente de estado inactivo I_D. Si el voltaje ánodo a cátodo V_AK se incrementa a un valor lo suficientemente grande la unión J₂ polarizada inversamente entrará en ruptura. Esto se conoce como ruptura por avalancha y el voltaje correspondiente se llama voltaje de ruptura directa V_BO. Dado que las uniones J₁ y J₃ ya tienen polarización directa, habrá un movimiento libre de portadores a través de las tres uniones que provocará una gran corriente directa del ánodo. Se dice entonces que el dispositivo está en estado de conducción o activado.

Fig. 1 Símbolo del tiristor y tres uniones pn.

La caída de voltaje se deberá a la caída óhmica de las cuatro capas y será pequeña, por lo común 1v. En el estado activo, la corriente del ánodo debe ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche I_L, a fin de mantener la cantidad requerida de flujo de portadores a través de la unión; de lo contrario, al reducirse el voltaje del ánodo al cátodo, el dispositivo regresará a la condición de bloqueo. La corriente de enganche, I_L, es la corriente del ánodo mínima requerida para mantener el tiristor en estado de conducción inmediatamente después de que ha sido activado y se ha retirado la señal de la compuerta.

Una vez que el tiristor es activado, se comporta como un diodo en conducción y ya no hay control sobre el dispositivo. El tiristor seguirá conduciendo, porque en la unión J₂ no existe una capa de agotamiento de vida a movimientos libres de portadores. Sin embargo si se reduce la corriente directa del ánodo por debajo de un nivel conocido como corriente de mantenimiento I_H, se genera una región de agotamiento alrededor de la unión J₂ debido al número reducido de portadores; el tiristor estará entonces en estado de bloqueo. La corriente de mantenimiento es del orden de los miliamperios y es menor que la corriente de enganche, I_L. Esto significa que I_L>I_H. La corriente de mantenimiento I_H es la corriente del ánodo mínima para mantener el tiristor en estado de régimen permanente. La corriente de mantenimiento es menor que la corriente de enganche.

Cuando el voltaje del cátodo es positivo con respecto al del ánodo, la unión J₂ tiene polarización directa, pero las unioneJ₁ y J₃ tienen polarización inversa. Esto es similar a dos diodos conectados en serie con un voltaje inverso a través de ellos. El tiristor estará en estado de bloqueo inverso y una corriente de fuga inversa, conocida como corriente de fuga inversa I_R, fluirá a través del dispositivo.

Diodo de potencia

Un diodo semiconductor es una estructura P-N que, dentro de sus límites de tensión y
corriente, permite la circulación de corriente en un único sentido. Detalles de funcionamiento,
generalmente despreciados para los diodos  de señal, pueden ser  significativos para
componentes de mayor potencia, caracterizados por un área mayor (para permitir mayores
corrientes) y mayor longitud (para soportar tensiones inversas más elevadas). La figura 2.1
muestra la estructura interna de un diodo de potencia.

Como se puede observar en la figura anterior, el diodo está  formado por una sola
unión PN, aunque la estructura de un diodo de potencia es algo diferente a la de un diodo de
señal, puesto que en este caso existe una región N intermediaria con un bajo dopaje. El papel
de esta región es permitir al componente soportar tensiones inversas más elevadas. Esta
región de pequeña densidad de dopaje dará al diodo una significativa característica resistiva
en polarización directa, la cual se vuelve más significativa cuanto mayor sea la tensión que ha
de soportar el componente. Las capas que hacen los contactos externos son altamente
dopadas, para obtener un contacto con características óhmicas y no del tipo semiconductor.
La figura siguiente muestra el símbolo y la característica estática corriente-tensión de
un diodo de potencia.    Dispositivos de Electrónica de Potencia

 

La tensión VF que se indica en la curva estática corriente-tensión se refiere a la caída de
tensión cuando el diodo está conduciendo (polarización directa). Para diodos de potencia, ésta
tensión de caída en conducción directa oscila aproximadamente entre 1 y 2 Volts. Además,
esta caída depende de la corriente que circule, teniéndose una característica corriente - tensión
bastante lineal en la zona  de conducción. Esta relación se  conoce como la resistencia en
conducción del diodo, abreviada por  Ron y que se puede obtener como el inverso de la
pendiente de la asíntota de la curva estática en la zona de polarización directa. La tensión VR
representa la tensión de ruptura del dispositivo (“Breakdown Voltage”) o, lo que es lo mismo,
la máxima tensión inversa que puede soportar el diodo cuando  éste está bloqueado
(polarización inversa).
Un diodo de potencia puede soportar tensiones inversas elevadas. Si se supera el valor
de tensión de ruptura  especificado por el fabricante, el diodo puede llegar a destruirse por
excesiva circulación de corriente inversa y en definitiva, por excesiva disipación de potencia.
Los diodos de potencia pueden llegar a soportar  tensiones de ruptura de kiloVolts (kV), y
pueden conducir corrientes de kiloAmperes  (kA). Evidentemente, el tamaño del diodo
condiciona sus características eléctricas, llegándose a tener diodos con tamaños del orden de
varios cm

Como ya se ha mencionado, los diodos son interruptores unidireccionales en los
cuales no puede circular corriente en sentido contrario al de conducción. El único
procedimiento de control consiste en invertir la tensión ánodo cátodo, no disponiendo de
ningún terminal de control. En régimen transitorio cabe destacar dos fenómenos:

1) Recuperación Inversa: El paso de conducción a bloqueo no se efectúa
instantáneamente. Cuando el diodo conduce una corriente I en polarización directa, la
zona central de la unión está saturada de portadores mayoritarios, y aunque un circuito
externo fuerce la anulación de la corriente aplicándole una tensión inversa, cuando la
corriente pasa por cero aún existe una cantidad de portadores que cambian su sentido
de movimiento y permiten la conducción de una corriente inversa durante un tiempo,
denominado tiempo de recuperación inverso.
Los parámetros definidos en el proceso de bloqueo dependen de la corriente directa,
de la derivada de la corriente (di/dt) y de la tensión inversa aplicada. El tiempo de
recuperación de un diodo normal es del orden de 10 µs, siendo el de los diodos rápidos
del orden de algunos nanosegundos.

2) Recuperación Directa: Es otro fenómeno de retardo  de menor importancia que el
anterior, cuando el diodo pasa de bloqueo a conducción, y cuyo efecto se muestra.
En el proceso de puesta en conducción, la respuesta del diodo es inicialmente de
bloqueo a la corriente. Siendo esta respuesta quien provoca una sobre tensión Vfp,
ocasionada por la modulación de la conductividad del diodo durante la inyección de
portadores minoritarios. Así el diodo se asemeja a una resistencia donde su valor
decrece con el tiempo. Esta resistencia equivalente  está relacionada con la
concentración de portadores minoritarios inyectados. Por tanto Vfp depende de la
anchura y resistividad de la zona central del diodo.

Dependiendo de las aplicaciones, existen varios tipos de diodos:
• Diodos Schottky: Se utilizan cuando se necesita  una caída de tensión directa muy
pequeña (0,3 V típicos) para circuitos con tensiones reducidas de salida. No soportan    Dispositivos de Electrónica de Potencia
tensiones inversas superiores a 50 – 100 V.
• Diodos de recuperación rápida: Son adecuados en circuitos de frecuencia elevada en
combinación con interruptores controlables, donde se necesitan tiempos de
recuperación pequeños. Para unos niveles de potencia de varios cientos de voltios y
varios cientos de amperios, estos diodos  poseen un tiempo de recuperación inversas de pocos nanosegundos.
• Diodos rectificadores o de frecuencia de línea: La tensión en el estado de conducción
(ON) de estos diodos es la más pequeña  posible, y como consecuencia tienen un trr
grande, el cual es únicamente aceptable en aplicaciones de la frecuencia de línea.
Estos diodos son capaces de bloquear  varios kilovoltios y conducir varios
kiloamperios. Se pueden conectar en serie y/o paralelo para satisfacer cualquier rango
de tensión o de corriente.

introduccion

Dentro de los dispositivos electrónicos de potencia, podemos citar: los diodos y transistores de potencia, el tiristor, así como otros derivados de éstos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor uniunión o UJT, el transistor uniunión programable o PUT y el diodo Shockley.

Existen tiristores de características especiales como los fototiristores, los tiristores de doble puerta y el tiristor bloqueable por puerta (GTO).

Lo más importante a considerar de estos dispositivos, es la curva característica que nos relaciona la intensidad que los atraviesa con la caída de tensión entre los electrodos principales.

El componente básico del circuito de potencia debe cumplir los siguientes requisitos :

• 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 tensiones 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.

El último requisito se traduce en que a mayor frecuencia de funcionamiento habrá una mayor disipación de potencia. Por tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia.

Aplicaciones :

• Tracción eléctrica: troceadores y convertidores.
• Industria:
• Control de motores asíncronos.
• Inversores.
• Caldeo inductivo.
• Rectificadores.
• Etc.