Los diodos rápidos, los transistores MOSFET e IGBT y los dispositivos de protección frente a impulsos de tensión permiten diseñar convertidores y sistemas de alimentación con requisitos específicos de eficiencia, conmutación y fiabilidad.
Los circuitos de electrónica de potencia deben gestionar corrientes elevadas y tensiones que pueden alcanzar varios kilovoltios, además de soportar transitorios eléctricos derivados de la conmutación y de las perturbaciones de la red.
En convertidores DC/DC, inversores, fuentes de alimentación conmutadas y sistemas de accionamiento, la selección de los semiconductores influye directamente en las pérdidas de potencia, la disipación térmica y el comportamiento dinámico del sistema.
La gama de componentes de Littelfuse comercializada por TME incluye semiconductores de potencia de la familia IXYS, como diodos rápidos, transistores MOSFET e IGBT, junto con dispositivos de protección contra sobretensiones, entre ellos varistores de óxido metálico y descargadores de gas (GDT).
Diodos rápidos IXYS para convertidores de alta frecuencia
En los circuitos rectificadores y convertidores conmutados, el comportamiento dinámico de los diodos resulta tan importante como sus valores nominales de tensión y corriente.
Durante la transición del estado de conducción al de bloqueo, la carga almacenada en la unión debe eliminarse, un proceso que puede generar pérdidas de recuperación y afectar a las condiciones eléctricas del circuito.
Los módulos IXYS DSEI2X61-04C, DSEI2X61-10B y DSEI2X61-12B pertenecen a la familia FRED (Fast Recovery Epitaxial Diode), caracterizada por su recuperación inversa rápida.
Esta propiedad permite reducir las pérdidas asociadas a la conmutación y limitar la generación de calor en aplicaciones de frecuencia elevada.
La selección debe considerar la tensión inversa máxima, la corriente directa, el tiempo de recuperación inversa y las condiciones térmicas de funcionamiento.
También conviene evaluar la interacción del diodo con el interruptor principal, ya que las características de recuperación pueden influir en las pérdidas y en los transitorios de tensión del conjunto.
Transistores MOSFET: pérdidas de conducción y conmutación
Los MOSFET de potencia se utilizan como interruptores electrónicos en convertidores DC/DC, fuentes de alimentación conmutadas, sistemas UPS y accionamientos eléctricos.
Su elección requiere analizar tanto las pérdidas durante la conducción como las producidas en las transiciones entre los estados de encendido y apagado.
Entre los dispositivos IXYS distribuidos por TME figuran los módulos IXFN100N50P, IXFN132N50P3, IXFN210N20P, IXFN360N10T e IXFN420N10T.
La oferta también incluye transistores discretos como IXFH170N25X3, IXFR48N60P, IXFX210N30X3, IXFX27N80Q e IXTK120N25P.
Los principales parámetros que deben compararse son la tensión máxima drenador-fuente, la corriente admisible, la resistencia en conducción RDS(on), la carga de puerta, las características de conmutación y la resistencia térmica del dispositivo y de su montaje.
Una resistencia RDS(on) reducida ayuda a disminuir las pérdidas de conducción, que aumentan con el cuadrado de la corriente. Sin embargo, al elevar la frecuencia de conmutación, las pérdidas dinámicas pueden adquirir mayor relevancia.
La carga de puerta, las capacidades parásitas, los tiempos de transición y la energía disipada durante cada ciclo condicionan el rendimiento global.
La temperatura de unión también establece un límite fundamental. Por ello, el cálculo térmico debe incluir las pérdidas eléctricas, la resistencia térmica entre la unión y el ambiente y la capacidad de refrigeración del sistema.
Tecnologías MOSFET para distintas condiciones de funcionamiento
La familia IXYS incluye dispositivos basados en distintas tecnologías, como Polar, Polar3, X3-Class, Q-Class y Trench Gate. Estas denominaciones identifican diferentes soluciones de diseño, cuyas características deben evaluarse mediante las hojas de datos correspondientes.
Dos MOSFET con tensiones nominales y corrientes similares pueden presentar diferencias importantes en resistencia de conducción, carga de puerta, velocidad de conmutación y comportamiento térmico. Por tanto, la corriente máxima especificada no basta para determinar la idoneidad de un dispositivo.
Transistores IGBT para aplicaciones de alta tensión
Los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) constituyen otra opción para la conmutación de potencia, especialmente en aplicaciones donde deben combinarse tensiones elevadas y corrientes significativas.
Su selección depende de la tensión colector-emisor, la corriente de colector, las pérdidas de conducción y conmutación y las condiciones térmicas.
Como ejemplos de la gama IXYS figuran el IXYK120N120C3, con una tensión colector-emisor nominal de hasta 1,2 kV y una corriente de colector de 120 A, y el IXGH2N250, especificado para una tensión de hasta 2,5 kV y una corriente de colector de 2 A a una temperatura de carcasa de 110 °C.
Estas cifras representan límites de funcionamiento bajo condiciones de ensayo determinadas y no garantizan que ambos valores máximos puedan utilizarse simultáneamente en cualquier aplicación.
La frecuencia de conmutación también condiciona la elección entre MOSFET e IGBT. Además de las pérdidas en conducción, deben calcularse las energías de encendido y apagado y su contribución a la potencia disipada.
La decisión final depende de la tensión del bus, el perfil de corriente, la frecuencia de trabajo y la arquitectura del convertidor.
Origen de las sobretensiones en los circuitos electrónicos
Incluso cuando los semiconductores trabajan dentro de sus condiciones nominales, pueden aparecer sobretensiones capaces de superar sus límites de bloqueo.
Entre las fuentes más habituales se encuentran las descargas atmosféricas acopladas a las líneas, las perturbaciones de la red y los transitorios generados al conmutar cargas inductivas, como motores, transformadores y bobinas de contactores.
Los cambios rápidos de corriente también pueden provocar sobretensiones en las inductancias parásitas del circuito. Su magnitud depende, entre otros factores, de la inductancia y de la velocidad de variación de la corriente.
La protección debe dimensionarse según la forma de onda del impulso, su amplitud, la energía asociada y la tensión que puede soportar el circuito protegido.
En sistemas de potencia, además, es importante coordinar los dispositivos de protección con los elementos de conmutación y con las medidas de limitación de transitorios integradas en el diseño.
Descargadores GDT y varistores MOV de Littelfuse
Los descargadores de gas GDT de la serie CG presentan una impedancia elevada en condiciones normales.
Cuando la tensión alcanza el umbral de cebado, el gas se ioniza y el dispositivo conduce la corriente del impulso.
Su baja capacitancia resulta ventajosa en determinadas líneas de señal y comunicaciones, donde una capacitancia excesiva podría alterar la transmisión.
Estos dispositivos se utilizan en sistemas de telecomunicaciones, transmisión de datos y protección de entradas y salidas de equipos electrónicos. Su selección debe tener en cuenta la tensión de cebado, la capacidad de conducción del impulso y las condiciones de extinción posteriores a la descarga.
Los varistores de óxido metálico (MOV) actúan mediante una reducción pronunciada de su resistencia al aumentar la tensión aplicada. De este modo, desvían parte de la corriente transitoria y limitan la tensión que alcanza el circuito protegido.
Las series LA y TMOV de Littelfuse incluyen soluciones para distintas condiciones de protección. En la selección de un MOV deben comprobarse la tensión máxima de funcionamiento continuo, la tensión de varistor, la tensión de limitación, la corriente de impulso y la energía admisible.
Los dispositivos TMOV incorporan protección térmica para desconectar el varistor cuando se alcanza una condición de sobretemperatura. Esta función aporta una medida adicional frente al deterioro térmico, aunque no sustituye al dimensionamiento correcto ni a las protecciones complementarias que requiera el equipo.
Coordinación entre semiconductores y protección eléctrica
El diseño de un sistema de electrónica de potencia exige evaluar conjuntamente los componentes de conmutación, la distribución térmica y los dispositivos de protección.
Los MOSFET e IGBT deben seleccionarse según las tensiones, corrientes, frecuencias y pérdidas previstas, mientras que los diodos deben cumplir los requisitos de recuperación y rectificación del circuito.
Por su parte, los GDT y los MOV responden a mecanismos de protección diferentes y no son intercambiables en todas las aplicaciones. La coordinación depende de la naturaleza del transitorio, de la impedancia de la fuente, de la tensión residual admisible y de las características del equipo protegido.
La gama IXYS y los dispositivos de protección de Littelfuse disponibles en TME permiten abordar estas funciones mediante componentes diferenciados.
Por lo tanto, tien es la información en esta página web del distribuidor internacional TME.
#electrónica de potencia, #semiconductores, #MOSFET, #IGBT, #protección contra sobretensiones, #Littelfuse, #IXYS, #TME
