Fundamentos y Cálculos de Electrónica de Potencia: Tiristores, IGBT y MOSFET

Introducción a los Semiconductores de Potencia

En las gráficas de potencia, el eje Y representa los vatios (W) y el eje X la frecuencia (f).

• Izquierda arriba: Tiristor
• Medio: IGBT
• Abajo y derecha: MOSFET

Tiristor Rectificador Bifásico

Para un rectificador nominal, se consideran los siguientes parámetros:

• Tensión nominal: V
• R: Resistencia
• Vumbral: Tensión de umbral
• Rd: Resistencia dinámica (Rd = Rdinamica * 10^-3)

Formulaciones Principales

• Vmax: V * √2
• Ipico: Vmax / R
• Itmed (Intensidad media): 1/2π * ∫(π/2 a π) Ipico * senα * dx = (Ipico / 2π) * (1 + cosα)
• Ieficaz: √[1/2π * ∫(π/2 a π) (Ipico * senα)^2 * dx] = Ipico / 2√2
• Ieficaz^2: ((Ipico^2) / 4) * (π - α + sen(2α) / 2)
• Potencia (P): rd * Ieficaz + Itmedia * Vu

Cálculo de Corriente por Tiristor

Para calcular la corriente cuando se deja de aplicar la corriente de puerta (Ip):

• Datos: Ip = 0,5A, R = 1000Ω, Ienclavamiento = 120mA.
• Si Ip es suficiente, el dispositivo siempre enciende.
• I = Ve / R
• Si I < Ienclavamiento: El tiristor se corta (If = 0).
• Si I > Ienclavamiento: El tiristor conduce.

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Cálculo de Potencia Disipada

Para una frecuencia de conmutación de 10kHz, considerando VDS(saturación), Tr, tf, y el ciclo de servicio (D = ton / T):

• Cálculo de IC: VDD = IC * R * VDS
• Pconducción: VDS * IC * D
• Pconmutación: (f * VDD * I * (tr + tf) * (10^-9)) / 6
• Potencia Total (PT): Pcond + Pconmut

Punto de Trabajo del IGBT

A partir de VGS para determinar la línea de carga:

• VCE: VDD - IC * R
• Para hallar el punto de trabajo, se calcula VCE cuando IC = 0 y viceversa, trasladando los valores a la gráfica.

Régimen Térmico y Disipación

Resistencia Térmica del Radiador

Cálculo de Rth(s-a):

• Tj: Temperatura de la unión.
• Ta: Temperatura ambiente.
• P: Potencia disipada.
• Rth(j-c): Resistencia unión-caja.
• Rth(c-s): Resistencia caja-radiador.

Fórmula: Tj - Ta = P * (Rth(j-c) + Rth(c-s) + Rth(s-a))

Cálculo de Temperatura de Unión en el Tiempo

Utilizando la gráfica de impedancia térmica transitoria (Zth):

1. Localizar el tiempo en el eje X.
2. Obtener el valor de Zth en el eje Y.
3. ΔT: P * Zth
4. Tj: Ta + ΔT

Ejemplo: Si t=0 a t=160 disipa 1000W y queremos saber la Tj a los 200s:

• Zth(200) y Zth(200-160=40).
• ΔT: P * Zth(200) - P * Zth(40).
• Tj: Tamb + ΔT.

Análisis de Formas de Onda y Armónicos

Para identificar la gráfica, se debe contar el número de ciclos hasta 2*10^-2 y determinar el ángulo.

En una gráfica de barras (espectro), el número inferior indica el tipo de armónico.

Cálculo del Ángulo de Disparo (α)

Conociendo el espectro armónico y asumiendo carga resistiva:

• Vocc: Valor máximo de la gráfica de barras.
• Vp: Valor máximo de la forma de onda.
• Vocc: (1/T) * ∫ Vo(t) dt => cosα = (π * Vocc / Vp) - 1.
• El resultado de arccos debe expresarse correctamente.

Rectificador Trifásico

• Trifásico simple: A = 3.
• En puente: Vcc = (2 * A * V / π) * sen(π / A) * cosα (α en radianes).
• Amplitud de armónicos: VP = VCC * (2 / ((pA)^2 - 1)) * √[(cosα)^2 + (pA)^2 * (senα)^2].

Características de los Dispositivos

Diodo

• Polarización directa: Pequeña caída de tensión.
• Polarización inversa: Corriente de fuga mínima.
• PD: Vumbral * Idmedio + rd * Ieficaz^2.

Tiristor (SCR)

Compuesto por 4 capas de silicio (PNPN).

• Polarización directa (VA > VK): La unión Jm bloquea la tensión si no hay corriente de puerta.
• Polarización inversa (VA < VK): Las uniones Ja y Jc bloquean la corriente.
• VBO: Tensión de ruptura; si se supera, el componente se dispara.
• IL (Enclavamiento): Corriente mínima para mantener la conducción tras quitar el pulso.
• IH (Mantenimiento): Si la corriente cae por debajo de este nivel, el dispositivo se apaga.
• IG: Corriente de puerta que inicia la conducción.

MOSFET

• De Empobrecimiento (Decrementales): Canal unido físicamente.
• De Enriquecimiento (Incrementales): El canal se crea mediante tensión.

Otros Dispositivos

• IGBT: Combina las ventajas del BJT (potencia) y el MOSFET (control).
• TRIAC: Dispositivo bidireccional para aplicaciones domésticas de baja potencia.
• GTO: Tiristor de alta potencia que puede apagarse mediante la puerta.

Circuitos de Disparo y Protección

Sistemas de Disparo

• Optoacopladores: Utilizan luz para aislamiento perfecto entre el control y la potencia.
• Transformadores de pulso: Utilizan acoplamiento magnético, comunes en tiristores.

Sistemas de Protección

• Protección di/dt: Bobina pequeña en serie para limitar cambios rápidos de corriente.
• Protección dv/dt (Redes Snubber): Circuito RC en paralelo para suavizar picos de tensión.
• Sobrecorrientes: Uso de fusibles ultrarrápidos específicos para semiconductores.