Tema 2: Dispositivos de conmutación · Transitorio on off Lab Pspice ... FP Sobretensión: Modulación de la R de la zona drift y existencia de L parásita 11. 2. Diodos Transitorio

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


IF = 50m, 100m, 200m

5V

-5V

0V

200mAV(D2:1)

-10V

0A


-200mASEL>>

8

TimeI(D2)

2. Diodos


Irev = 50m, 100m, 200m

10V

10V

0V

200mAV(D2:1)

-20V

-10V

SEL>>

0A

200mA

-400mA

-200mA

9 Time


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


14


15


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


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


Transitorio (Lab)50 W

IRF530

Vpp = 5 VVDC = 2.5 Vfs = 100 kHz

1n5822

50 Vin = 10 V

20


Transitorio (Pspice: Ejemplotiempos.opj)

21


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


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


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)


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

33

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)

35

6. Control de T y radiadoresEjemplo: Dependencia RDS,ON con T

Especificación fabricante (datasheet)Especificación fabricante (datasheet)

36

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.

37

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

38

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

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6. Control de T y radiadores

Ejemplos de especificacionesEjemplos de especificaciones

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Tema 2: Dispositivos de conmutación · Transitorio on off Lab Pspice ... FP Sobretensión: Modulación de la R de la zona drift y existencia de L parásita 11. 2. Diodos Transitorio