Fundamentos de Electrónica de Potencia: Semiconductores, Conmutación y Control

Funciones y Operación de los Circuitos de Mando (Drivers)

Un driver o circuito de mando actúa como interfaz entre el bloque de control y el semiconductor de potencia. Sus funciones principales son:

• Aislamiento galvánico: Para proteger el circuito de control de las altas tensiones de potencia.
• Adaptación de niveles: Ajuste de tensión y corriente para asegurar el disparo correcto del semiconductor.
• Gestión de carga: Aportar la energía necesaria para cargar y descargar las capacidades parásitas de los dispositivos de manera rápida.
• Protección: Proporcionar seguridad al componente frente a situaciones críticas como cortocircuitos o sobrecorrientes.

Comportamiento del Tiristor y Factores de Potencia

¿Por qué se debe respetar una dVAK/dt máxima?

El tiristor posee capacidades parásitas en sus uniones internas. Si la tensión entre el ánodo y el cátodo aumenta con una velocidad excesiva (dV/dt elevado), se induce una corriente interna debida al efecto capacitivo. Esta corriente puede ser suficiente para provocar un cebado o disparo no deseado sin señal de puerta. Por tanto, se debe limitar esta pendiente para evitar la pérdida de control sobre el estado de conducción.

Factor de potencia: Desplazamiento y Distorsión

El factor de potencia es igual al producto del factor de desplazamiento por el factor de distorsión:

• Factor de desplazamiento (cos φ): Se debe al desfase entre la tensión y la componente fundamental de la corriente, causado por el carácter reactivo de la carga.
• Factor de distorsión: Relación entre el valor eficaz de la fundamental y el valor eficaz total de la corriente; indica cuánto se aleja la señal de una sinusoide pura debido a los armónicos.

Estructura y Diseño de Semiconductores

Célula elemental de conmutación

Es la estructura básica de los convertidores estáticos que permite gestionar el flujo de energía entre dos fuentes. Consta de una fuente de tensión, una fuente de corriente (inductancia) y dos interruptores que actúan de forma complementaria para evitar cortocircuitos o interrupciones bruscas de corriente.

La capa N- (región de deriva)

Es una zona con muy bajo dopaje y gran espesor. Su función es permitir que el dispositivo soporte altas tensiones de bloqueo. A mayor espesor, mayor tensión soportada, aunque aumenta la resistencia interna en conducción.

Modificaciones del Tiristor a GTO

Para obtener un GTO (Gate Turn-Off Thyristor), se modifica la estructura para permitir el apagado mediante señal negativa en puerta: geometría entrelazada (tipo dedos), reducción de espesor de capas y cortos de ánodo para acelerar la extracción de carga.

Parámetros de Calidad y Conmutación

Fuentes de corriente y THD

Una fuente de corriente mantiene la intensidad constante durante la conmutación. Se logra colocando una inductancia de gran valor en serie con una fuente de tensión. Por otro lado, el THD (Total Harmonic Distortion) mide la calidad de la forma de onda, calculándose como el cociente entre el valor eficaz de los armónicos y el valor eficaz de la fundamental.

Diodos de conmutación rápida

Se reduce el tiempo de vida de los portadores minoritarios mediante dopado con oro o platino. El efecto negativo es un aumento de la resistencia en conducción y mayores pérdidas.

Comparativa de Dispositivos y Gestión Térmica

Transistores Bipolares vs. MOSFET

• Bipolares: Baja caída de tensión, pero control complejo por corriente y lentos.
• MOSFET: Control por tensión, muy rápidos, pero su resistencia (RDSon) aumenta con la temperatura y la tensión nominal.

La grasa térmica es fundamental para reducir la resistencia térmica de contacto entre el semiconductor y el disipador, rellenando burbujas de aire.

Corriente de recuperación inversa (IRRM)

Depende de la pendiente de bajada de la corriente (di/dt) y de la temperatura de la unión, además de la carga acumulada durante la conducción.

Tecnologías de Conmutación y Estructuras Internas

Conmutación forzada y condensadores de desacoplo

La conmutación forzada permite controlar el instante de apertura/cierre. Los condensadores de desacoplo actúan como reserva local de energía para suministrar picos de corriente y filtrar ruidos.

MOSFET e IGBT

• MOSFET: Dispositivo de portadores mayoritarios. La capa N- soporta el campo eléctrico. Al aplicar tensión en puerta, se crea un canal N que permite el flujo de electrones.
• IGBT: Combina la entrada de un MOSFET con la salida de un bipolar. La capa P+ inyecta huecos en la región N- (modulación de conductividad), reduciendo la resistencia interna.

Tiristor (SCR) y GTO

• Tiristor: Basado en un efecto regenerativo de dos transistores entrelazados. Una vez activado, se mantiene en conducción.
• GTO: Permite el apagado mediante un pulso negativo intenso en puerta que succiona los portadores de carga, rompiendo el ciclo de retroalimentación.