Dispositivos electrónicos de potencia
A 20 A, un IGBT pierde menos que un MOSFET por debajo de unos 19 kHz; por encima gana el MOSFET, y a 100 kHz el IGBT disiparía casi el doble. La frecuencia de conmutación elige el dispositivo.
01El dispositivo como llave
La electrónica de potencia convierte energía eléctrica —de alterna a continua, de continua a alterna, de una tensión a otra— con rendimientos del 90 al 99 %. Para eso los semiconductores no trabajan en su zona lineal, como en un amplificador, sino como llaves: totalmente cerrados, con poca tensión, o totalmente abiertos, con poca corriente. La potencia que disipan sale de lo que tienen de imperfectos: la caída en conducción, la fuga en bloqueo y, sobre todo, el tiempo que tardan en pasar de un estado al otro.
02Las familias
| Dispositivo | Control | Rango típico | Uso |
|---|---|---|---|
| Diodo de potencia (rápido, Schottky, SiC) | No controlado | Hasta kV y kA | Rectificadores, rueda libre |
| Tiristor (SCR) | Se enciende por compuerta; se apaga cuando la corriente se anula | Hasta varios kV y kA, baja frecuencia | Rectificadores controlados, transmisión en continua |
| Triac | Tiristor bidireccional | Cientos de V, decenas de A | Control de fase en alterna, relés de estado sólido |
| MOSFET de potencia | Tensión en compuerta, encendido y apagado | Hasta unos cientos de V; cientos de kHz | Fuentes conmutadas, convertidores de baja tensión |
| IGBT | Compuerta MOS, conducción bipolar | 600 V a 6,5 kV; hasta decenas de kHz | Inversores de motores, tracción, energías renovables |
| MOSFET de SiC, HEMT de GaN | Tensión en compuerta | SiC 650 V a 3,3 kV; GaN hasta 650 V, MHz | Cargadores, vehículos eléctricos, fuentes compactas |
El tiristor es una estructura de cuatro capas que se vio en dispositivos multijunturas: una vez disparado queda enganchado mientras la corriente supere la de mantenimiento. El MOSFET conduce como una resistencia, \( R_{DS(on)} \), que en silicio crece mucho con la tensión de bloqueo; por eso sobre unos 600 V se prefiere el IGBT, que tiene una caída casi fija, pero se apaga más lento por la corriente de cola de los portadores minoritarios. Los semiconductores de banda prohibida ancha, carburo de silicio y nitruro de galio, bloquean más tensión con menos resistencia y conmutan más rápido.
03Pérdidas de conducción y de conmutación
En cada conmutación, durante un tiempo breve, la llave soporta a la vez tensión y corriente. Con un ciclo de trabajo \( D \) y una frecuencia de conmutación \( f \):
Un MOSFET y un IGBT de 600 V conmutando 400 V con ciclo de trabajo 0,5. MOSFET: RDS(on) = 0,15 Ω en caliente, tr + tf = 50 ns, Coss = 100 pF. IGBT: VCE0 = 0,9 V, rCE = 0,05 Ω, Eon + Eoff = 0,04 mJ por ampere. Resistencia térmica hasta el ambiente de 1,5 K/W, a 40 °C.
04Área de operación segura y compuerta
El área de operación segura (SOA) de la hoja de datos delimita las combinaciones de tensión y corriente que el dispositivo soporta, según la duración del pulso; en conmutación con carga inductiva la trayectoria debe quedar adentro. La compuerta de un MOSFET o un IGBT es un capacitor: el manejador de compuerta la carga y descarga con picos de amperes, y la resistencia de compuerta ajusta la velocidad de conmutación, en un compromiso entre pérdidas y sobretensiones. En los puentes, la llave de arriba necesita un manejador aislado o con fuente flotante, y un tiempo muerto que impida que las dos llaves de una rama conduzcan a la vez.
05En el laboratorio
Con una carga inductiva y un ensayo de doble pulso, medir las formas de onda de tensión y corriente en el apagado de un MOSFET y de un IGBT, e integrar la energía de conmutación.
Medir la corriente de enganche y la de mantenimiento de un SCR con una fuente de continua y una carga variable.
Cambiar la resistencia de compuerta y observar el compromiso entre velocidad de conmutación y sobretensión.
06Errores frecuentes
- Tomar la RDS(on) a 25 °C. En caliente es entre 1,5 y 2 veces mayor.
- Olvidar las pérdidas de conmutación. A frecuencia alta pueden superar a las de conducción.
- Esperar que un tiristor se apague quitando el pulso de compuerta. Queda enganchado hasta que la corriente se anule.
- Omitir el tiempo muerto en un puente. Las dos llaves de una rama ponen la fuente en cortocircuito.
07Autoevaluación
Con los datos del laboratorio, ¿cuánto pierde el MOSFET a 20 A y 20 kHz?
30 W de conducción y 4,16 W de conmutación: 34,2 W.
¿Y el IGBT?
19 W de conducción y 16 W de conmutación: 35 W. A esa frecuencia están casi empatados.
¿Por qué el IGBT se apaga más lento que el MOSFET?
Por la corriente de cola: los portadores minoritarios acumulados tienen que recombinarse.
¿Qué ventaja da el carburo de silicio?
Bloquea más tensión con menos resistencia de conducción y conmuta rápido, a mayor temperatura.
08Para ampliar
- Ned Mohan, Tore M. Undeland y William P. Robbins. Power Electronics: Converters, Applications, and Design. 3.ª ed., Wiley, 2003. El texto clásico de la materia, con los dispositivos y sus manejadores.
- Muhammad H. Rashid. Electrónica de potencia. 4.ª ed., Pearson. Los dispositivos y todos los convertidores, con muchos ejemplos resueltos.
- B. Jayant Baliga. Fundamentals of Power Semiconductor Devices. 2.ª ed., Springer, 2019. La física de los dispositivos de potencia de silicio y de banda prohibida ancha.