Electrónica de Potencia · 96 h · Contenido 8 de 8

Protecciones y evacuación de calor

Un transistor que disipa 200 W en pulsos de 1 ms con 10 % de ciclo de trabajo llega a 71 °C de pico; con pulsos de 100 ms y el mismo promedio, a 128 °C. La potencia media no alcanza para dimensionar.

Red amortiguadora Desaturación Fusible ultrarrápido Resistencia térmica Impedancia térmica

01Sobretensiones

Al abrir una llave que lleva corriente, la inductancia parásita del circuito —pistas, cables, encapsulado— genera una sobretensión \( L\,di/dt \) que se suma a la del bus. Con los flancos de decenas de nanosegundos de los dispositivos modernos, unos pocos nanohenrios bastan para decenas de voltios. Se combate en tres frentes:

Disposición: barras laminadas y capacitores de desacople pegados a las llaves, para achicar el lazo de conmutación.
Redes amortiguadoras (snubbers): una red RC, o RCD, en paralelo con la llave absorbe la energía de la inductancia parásita y frena la subida de la tensión.
Limitadores: supresores TVS o recorte activo que vuelve a encender la llave si la tensión supera un umbral.

Las sobretensiones que llegan desde la red, por descargas atmosféricas o maniobras, se limitan con varistores y descargadores, como se vio en otros dispositivos.

02Sobrecorrientes y cortocircuito

Un semiconductor de potencia tiene muy poca capacidad térmica: una sobrecorriente lo destruye en microsegundos o milisegundos. Las protecciones actúan a distintas velocidades:

Protección	Tiempo de acción	Cómo funciona
Detección por desaturación	Pocos microsegundos	Si la tensión colector-emisor de un IGBT encendido sube, hay cortocircuito: el manejador lo apaga suavemente. Los IGBT soportan típicamente hasta unos 10 μs de cortocircuito
Limitación de corriente por ciclo	Un ciclo de conmutación	El control por corriente corta el pulso al superar un umbral
Fusible ultrarrápido	Milisegundos	Se elige con un \( I^2 t \) de fusión menor que el que soporta el semiconductor
Protección térmica	Segundos	Un sensor en el disipador o en el módulo reduce la potencia o apaga

03Evacuación del calor

En régimen permanente, el calor sigue un camino de resistencias térmicas en serie, como una corriente por resistencias:

\[ T_j = T_a + P\,(R_{jc} + R_{cs} + R_{sa}) \] Juntura a cápsula, cápsula a disipador —la interfaz térmica—, y disipador a ambiente, que depende del tamaño del disipador y de si hay ventilación forzada o líquido. La temperatura de juntura acelera las fallas según Arrhenius, como se vio en confiabilidad.

Pero cada parte también tiene capacidad térmica: en un pulso corto, la juntura se calienta antes de que el calor llegue al disipador. Las hojas de datos dan la impedancia térmica transitoria \( Z_{th}(t) \), que se modela con una red de Foster, una suma de exponenciales:

\[ Z_{th}(t_p) = \sum_i R_i \left(1 - e^{-t_p/\tau_i}\right) \] \[ Z_{ef} = \sum_i R_i\,\frac{1 - e^{-t_p/\tau_i}}{1 - e^{-T/\tau_i}} \] La primera es para un pulso único de duración \( t_p \); la segunda, para un tren de pulsos de período \( T = t_p / D \) en régimen, y da el pico de temperatura al final de cada pulso: \( T_{j,pico} = T_a + P\,Z_{ef} \).

Laboratorio · temperatura de juntura con pulsos

Un transistor con R_jc = 0,4 K/W en tres etapas de Foster (0,05; 0,15; 0,2 K/W con 0,5 ms, 5 ms y 50 ms), interfaz de 0,1 K/W y 1 s, y disipador de 0,5 K/W y 60 s, a 40 °C de ambiente. Las curvas son la impedancia efectiva en función del ancho del pulso para varios ciclos de trabajo; la azul es el elegido.

Potencia en el pulso P =

Ancho del pulso t_p =

Ciclo de trabajo D =

04En el laboratorio

Actividad 1 · Red amortiguadora

Medir la sobretensión de apagado de un MOSFET con carga inductiva, sin red RC y con varios valores, y calcular la potencia que disipa la resistencia.

Actividad 2 · Resistencia térmica

Aplicar potencia constante a un transistor montado en un disipador, medir las temperaturas de cápsula y disipador, y deducir las resistencias térmicas.

Actividad 3 · Curva de enfriamiento

Usar la tensión de un diodo como termómetro para registrar el enfriamiento de la juntura y ajustar una red de Foster.

05Errores frecuentes

Dimensionar con la potencia media cuando hay pulsos largos. El pico de temperatura puede ser mucho mayor.
Olvidar la interfaz térmica. Una mica seca o mal apretada puede duplicar la resistencia de cápsula a disipador.
Proteger un semiconductor con un fusible común. Es demasiado lento: el semiconductor falla primero.
Agregar una red amortiguadora sin contar su pérdida. Su resistencia disipa \( C V^2 f \), que a frecuencia alta es mucho.

06Autoevaluación

¿Qué temperatura de juntura alcanza el transistor del laboratorio con 100 W continuos?

\( 40 + 100 \cdot 1 = 140 \) °C.

¿Y con pulsos de 200 W, 1 ms, ciclo de trabajo 0,1?

Unos 71 °C de pico: la impedancia efectiva es 0,157 K/W.

¿Cuánto tiempo soporta típicamente un IGBT un cortocircuito?

Hasta unos 10 μs, según su hoja de datos.

¿Para qué sirve una red RC en paralelo con una llave?

Para absorber la energía de la inductancia parásita y limitar la sobretensión y la velocidad de subida en el apagado.

07Para ampliar

Ned Mohan, Tore M. Undeland y William P. Robbins. Power Electronics: Converters, Applications, and Design. 3.ª ed., Wiley, 2003. Las redes amortiguadoras, los manejadores con protección y el diseño térmico.
Andreas Volke y Michael Hornkamp. IGBT Modules: Technologies, Driver and Application. 2.ª ed., Infineon Technologies, 2012. El cortocircuito, la desaturación y la impedancia térmica de los módulos.
Frank P. Incropera y David P. DeWitt. Fundamentos de transferencia de calor. Pearson. La conducción, la convección y la radiación detrás de las resistencias térmicas.

← Contenido anterior

Convertidores en los sistemas de energía

Fin de la materia →

Volver al Mapa de Temas