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Tema 2: Dispositivos de conmutación
1. Características ideales
2. Diodos
3. Transistores (MOSFET)
4. Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)
5. Controladores (Drivers) de interruptor
6. Control de la temperatura y radiadores
1
1. Características ideales:
• Bloquear tensión elevada en cualquier polaridad con flujo de corriente 0 en posición off.• Conducir corrientes elevadas con caída de potencial nula en posición on.• Conmutar de on a off instantáneamente al aplicar la señal de control correspondiente.• Requerir poca potencia de la fuente de control para realizar la conmutación.
2 Diodos
Requerir poca potencia de la fuente de control para realizar la conmutación.
2. Diodos
Tipos
• Diodos de línea: para rectificar la señal de la red, a baja frecuencia. Elevadas tensiones de ruptura y corriente. Lentos al conmutar. Tensión on no muy alta.
• Diodos de conmutación (switching / fast recovery): Alta velocidad de conmutación, normalmente a costa de una mayor R interna (mayor tensión on)mayor R interna (mayor tensión on).
• Diodos Schottky: Unión metal-semiconductor. Tensión on baja, conmutación rápida, tensión de ruptura relativamente baja.
2
2. Diodos DonDDDS RIIVP 2Consumo estático
3
2. Diodos
Transitorio on off
G. W. Neudeck.El diodo PN de uniónAddison-Wesley
(Cambio de VFORWARD a VREVERSE)
tsDurante el estado on se inyectan minoritarios.yAl pasar a off, el diodo sigue conduciendo hasta que se elimina la población de minoritarios, como consecuencia de la corriente IR y de la recombinación.
Unión p+-n:
FIL 1
tr
R
Fps ILnt 1
Tiempo necesario para que se cree la zona de carga espacial en inversa.Relacionado con la capacidad de la zona de carga espacial (CJO).
4
2. Diodos
Transitorio on off
G W NeudeckG. W. Neudeck.El diodo PN de uniónAddison-Wesley
5
2. Diodos
Transitorio on off LabPspice: Diodeswitching.opj
100 W
Vpp = 18 Vfs = 10 kHz
CH1
CH2
TT relacionado con
50 1n4002
Figura. 1. Montaje para visualizar transitorios
Generador de funcionesMATH = CH1-CH2
10V
TT = 0.5u, 1u, 2u
del diodo.
0V
SEL>>
200mAV(Vin) V(D2:1)
-10V
0s 1 0 s 2 0 s 3 0 s 4 0 s 5 0 s 6 0 s-200mA
0A
6
Time
0s 1.0us 2.0us 3.0us 4.0us 5.0us 6.0usI(D2)
2. Diodos
Transitorio on off Pspice
CJO = 50p, 500p, 5n
10V
0V
100mAV(Vin) V(D2:1)
-10V
-0mA
2.0us 2.5us 3.0us 3.5us 4.0us 4.5us 5.0us 5.5us 6.0us-200mA
-100mA
SEL>>
7
Time
2.0us 2.5us 3.0us 3.5us 4.0us 4.5us 5.0us 5.5us 6.0usI(D2)
2. Diodos
Transitorio on off Pspice
IF = 50m, 100m, 200m
5V
-5V
0V
200mAV(D2:1)
-10V
0A
2.0us 2.5us 3.0us 3.5us 4.0us 4.5us 5.0us 5.5us 6.0usI(D2)
-200mASEL>>
8
TimeI(D2)
2. Diodos
Transitorio on off Pspice
Irev = 50m, 100m, 200m
10V
10V
0V
200mAV(D2:1)
-20V
-10V
SEL>>
0A
200mA
-400mA
-200mA
9 Time
2.0us 2.5us 3.0us 3.5us 4.0us 4.5us 5.0us 5.5us 6.0usI(D2)
400mA
2. Diodos
Transitorio off on(aplicando IF fija)Fase 1: Reducción de la anchura de la zona de carga espacial.Fase 2: Almacenamiento de la carga de mayoritarios
G. W. Neudeck.El diodo PN de uniónAddison-Wesley
10
2. Diodos
Transitorio en función de di/dt
VFP Sobretensión: Modulación de la R de la zona drift y existencia de L parásita
11
2. Diodos
Transitorio (Hoja de datos 1n4148)
12
2. Diodos
13
3. Transistores (MOSFET)
14
3. Transistores (MOSFET)
15
3. Transistores (MOSFET)
Consumo estáticoV 2
DSTGSDS
DSTGSD VVVkVVVVkI
2
DSDSonD VGI DDSonDS IRV
2.0A( )
F d i t
100.00ms 100.02ms 100.04ms 100.06msI(M1 d)
0A
1.0A Forma onda corriente en el transistor
TimeI(M1:d)
DSonDDDSS RtItItVtP 2
DSononDCDSononAC
onDCT
SS
SS RDIRI
IDdttPT
tPPS
2,
2,2
, 3)(1
2,,
,onMINonMAX
onDCii
I
iii22
,,,,
onMINonMAXonDonAC
iiiI
16
3. Transistores (MOSFET)
17
Turn‐on Characteristics 3. Transistores (MOSFET)
i
GSvGGv
DDi
( )oGS Ivvi
GSvGGv
DDi
( )oGS Ivv
DiD
DSv
Di
oIon
A
0t
inV DSvV
G
S0
GGv BDSv ( )GS thv
Di
oIon
A
0t
inV DSvV
G
S0
GGv BDSv ( )GS thv
0
GGV
DiS
G DSv
DSvoff
A
0 0t
oIDiin
( )d ont rit fvtoI
inV
inV DSvoff
A
0 0t
oIDiin
( )d ont rit fvtoI
inV
inV
inV
0I
inin
diode o D D oi I i i I
18
Turn-off Characteristic 3. Transistores (MOSFET)
G
DDiDi
GSvGGv( )oGS Iv( )GS thv
DSvG
DDiDi
GSvGGv( )oGS Iv( )GS thv
DSv
inV
GS
0GGv
oIon
D
C 0 t
I inV
DSv
inV
GS
0GGv
oIon
D
C 0 t
I inV
DSv
oI
DSvoff
0 0t
oIDi
DSv
( )d offt rvt fitinVoI
DSvoff
0 0t
oIDi
DSv
( )d offt rvt fitinV
19
3. Transistores (MOSFET)
Transitorio (Lab)50 W
IRF530
Vpp = 5 VVDC = 2.5 Vfs = 100 kHz
1n5822
50 Vin = 10 V
20
3. Transistores (MOSFET)
Transitorio (Pspice: Ejemplotiempos.opj)
21
3. Transistores (MOSFET)
Transitorio (Pspice: Ejemplotiempos.opj)
10V
5V
V(V + V ) V(M1 ) V(M1 )0V
40V1
10A2
V(Vc:+,Vc:-) V(M1:g)- V(M1:s)
20V 5A
0s 0.5us 1.0us 1.5us1 V(M1:d)- V(M1:s) 2 ID(M1)
0V 0ASEL>>SEL>>
22
Time
3. Transistores (MOSFET)
Transitorio (Pspice: Ejemplotiempos.opj) Turn on
10V
5V
V(Vc:+,Vc:-) V(M1:g)- V(M1:s)0V
40V1
10A2
20V 5A
tdon=16.5ns
tri=7.1ns
tfv=4.9ns
Time
0.98us 1.00us 1.02us 1.04us1 V(M1:d)- V(M1:s) 2 ID(M1)
0V 0ASEL>>SEL>>
23
Time
3. Transistores (MOSFET)
Transitorio (Pspice: Ejemplotiempos.opj) Turn off
10V
5V
V(Vc:+,Vc:-) V(M1:g)- V(M1:s)0V
SEL>>
40V1
10A2
20V 5A
tdoff=42.6ns
trv=7.0ns
tfi=13.2ns
Time
480ns 500ns 520ns 540ns 560ns 580ns 600ns1 V(M1:d)- V(M1:s) 2 ID(M1)
0V 0A >>
Time
24
Calculating Power Losses Within the MOSFET (assuming an ideal diode)
3. Transistores (MOSFET)
oI DSv
i
inVDSv
inV
ioI DSv
i
inVDSv
inV
i
0trit fvt
Di
rvt fit
Di
0trit fvt
Di
rvt fit
Di
,c offt,c ont
p in oV I in oV Ip
,c offt,c ont
p in oV I in oV Ip
(IMIN) (IMAX)
,c ont0t,c offt
swp swp
,c ont0t,c offt
swp swp
1 ,c on ri fvt t t Switching Losses: , ,
1 ( )2sw in o c on c off sP V I t t f
,c on ri fv
,c off rv fit t t
1
25
offcMAXoncMINsinsw tItIfVP ,,21
4. IGBT
26
4. IGBT
27
4. IGBT
28
4. IGBT
29
4. IGBT
30
5. Drivers de interruptorReferencia: Design And Application Guide For High Speed MOSFET Gate Drive Circuits By Laszlo BaloghMOSFET Gate Drive Circuits, By Laszlo Balogh
Drivers con referencia a tierra (lado bajo, low side)
31
5. Drivers de interruptorDrivers de lado alto (high side) PMOS
32
5. Drivers de interruptorDrivers de lado alto (high side) NMOS
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Need for Component Temperature Control 6. Control de T y radiadores
• All components, capacitors, inductors and transformers, and semiconductor devices and circuits have maximum operating temperatures specified by manufacturermanufacturer.
• Component reliability decreases with increasing temperature.Semiconductor failure rate doubles for every 10 ‐ 15 C increase in temperature above 50 C (approx. rule‐of‐thumb).
• High component operating temperatures have undesirable effects on components.Capacitors Magnetic Components SemconductorsCapacitors
Electrolyte evaporation rate increases
Magnetic Components
• Losses (at constant power input) increase above 100
Semconductors
• Unequal power sharing in paralleled or seriesed
significantly with temperature
increases and thus
C
• Winding insulation (lacquer or varnish) degrades above
devices.
• Reduction in breakdown voltage in some devicesshortens lifetime. or varnish) degrades above
100 Cvoltage in some devices.
• Increase in leakage currents.
• Increase in switching times. Increase in switching times.
34
6. Control de T y radiadoresEjemplo: Dependencia RDS,ON con T
Sim Pspice
100m
M1
Id
1080m
IRF150Vgs10
0
60m
0
40m
-80 -40 0 40 80 120 160 20020m
TEMP(V(M1:d)- V(M1:s))/ I(M1:d)
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6. Control de T y radiadoresEjemplo: Dependencia RDS,ON con T
Especificación fabricante (datasheet)Especificación fabricante (datasheet)
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Temperature Control Methods 6. Control de T y radiadores
• Control voltages across and current through components via good design practices.
• Snubbers may be required for semiconductor devices.
F h li di d b d d ith ti t• Free‐wheeling diodes may be needed with magnetic components.
• Use components designed by manufacturers to maximize heat transfer via convection and radiation from component to ambient.
• Short heat flow paths from interior to component surface and large component surface area.
• Component user has responsibility to properly mount temperature‐critical components on heat sinks.
• Apply recommended torque on mounting bolts and nuts and use thermalApply recommended torque on mounting bolts and nuts and use thermal grease between component and heat sink.
• Properly design system layout and enclosure for adequate air flow so that heat i k t l t di i t h t t th bi tsinks can operate properly to dissipate heat to the ambient.
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Heat Conduction Thermal Resistance 6. Control de T y radiadores
• Generic geometry
d
bg yof heat flow via conduction
Pcond
hheat flow direction
Temperature = T 1Temperature = T 2 T > T12
• Heat flow Pcond [W] =A (T2 ‐ T1) / d = (T2 ‐ T1) / Rcond
• Thermal resistance Rcond = d / [ A]
• Cross‐sectional area A = hb
• = Thermal conductivity has units of W‐m‐1‐C‐1 (Al = 220 W‐m‐1‐C‐1 ).• Units of thermal resistance are C/W
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Thermal Equivalent Circuits 6. Control de T y radiadores
• Heat flow through a structure composed of layers of different
• Thermal equivalent circuit simplifies calculation of temperatures in variousof layers of different
materials.temperatures in various
parts of structure.
Junction Case Sink AmbientChip T j
PRsacsR
jcR
jT cT sT aT++++
----
j
Case T c
Isolation pad
Heat sink T s • Ti = Pd (Rjc + Rcs + Rsa) + TaTi Pd (Rjc + Rcs + Rsa) + Ta• If there parallel heat flow paths, then thermal resistances of th ll l th bi
Ambient Temperature T
the parallel paths combine as do electrical resistors in parallel.
Ambient Temperature T a
39
6. Control de T y radiadores
Ejemplos de especificacionesEjemplos de especificaciones
40
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