Transistores de Potencia en conmutación
Marcelo Ariel Vega Odzomek

marcelo@mavnet.com.ar
05 de mayo de 2005,
  Buenos Aires
Argentina.

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Introducción.

Se presentará un pantallaso general sobre los transistores de potencia, explicando algunos puntos que paracen obios en la teoria, pero al verlos en una hoja de datos de un transistor no sabemos donde ubicarlos.  Los temas tratados están relacionados con el transistor en conmutación, osea los transistores de las fuentes switching por ejemplo, NO los de los amplificadores de audio. 


Disipación de Potencia en el Transistor.

Como sabemos la potencia en el transistor, esta dada por el producto de la tensión Colector- Emisor por la corriente de colector, siempre que se considere despreciable a la potencia disipada por la base. En aplicaciones de baja potencia estamos acostumbrados a una ganancia del corriente del transistor hfe mayores a 100, pero en potencia el hfe esta por debajo de 100. Esto nos dice que si la corriente de colector es de 10A, la corriente de base será de 100mA si el hfe es de 100, lo cual no es real en la práctica, ya que el hfe suele ser inferior, debido a que varia en forma decreciente con la corriente de colector y con la frecuencia, por tanto, el hfe con el que debemos trabajar es el minimo que aparece en las hojas de datos del transistor. Ahora tenemos dos ganacias de corriente en las hojas de datos, el hfe y el hFE, el primero corresponde a las caracteristicas dinamicas del dispositivo, es decir para trabajar en conmutación, osea en altas frecuencias. El hFE se refiere a las caracteristicas estaticas osea para trabajo en continua, por ejemplo, si ecxitamos la base para que con la corriente de colector se encienda una lámpara.
Volviendo a lo nuestro, nos interesa el hfe mínimo, que suele ser muy bajo, del orden de unas pocas decenas, supongamos 20, esto nos dice que para una Ic=10A hay que suministrar una Ib=0.5A y una tesión de base emisor de más de 1V, lo cual nos daria una potencia en la base de 0.5W, lo cual nos muestra que el dispositivo que excite este transistor debe poder sumistrarle esa potencia.

Para poder calcular la potencia que disipa un transistor debemos leer algunos parametros de su hoja de datos:

Parametro Descripción
VCEO Tensión máxima entre colector y emisor cuando la base esta abierta. Este valor nos dice cual es el valor de tensión máximo a aplicarle al transistor sin que se dañe e independientemente de la tensión de base.
VCES Tensión máxima entre colector y emisor cuando la base esta puesta a tierra. Es el caso cuando el transistor esta al corte y la tensión en el colector emisor puede estar en este valor como maximo. Este valor es útil para la conmutación cuando tenemos un inductor sin el diodo de descarga.
VCEX VCEV Tensión máxima entre colector y emisor cuando la base esta puesta a una tensión negativa que se especifica en las hojas de datos. Este valor es de relevancia cuando se polariza la base en inversa para sacar al transistor de la saturación con mayor rápides.
VEBO Tensión máxima entre base y emisor cuando el colector esta abierto, útil para saber cuanto podemos sobre excitar la base para llevar al transistor a la saturación más rápido.
VCE(sat) Tensión entre colector y emisor cuando el transistor esta saturado, es decir, cuando al aumentar la corriente de base no se incrementa significativamente la de colector.
ICEO Corriente de colector cuando no hay corriente en la base.
IC Corriente de colector que puede soportar el transistor en forma continua.
ICM Corriente de colector que puede soportar el transistor durante un pico y con un descanso mayor.

Conociendo estos valores podremos analizar las distintas zonas en que trabaja el transistor.

Hiperbolas de ruptura.

En la gráfica se representan como rectas, pero esto es debido a que la escala es logaritmica.  Este gráfico nos muestra los distintos límites que no debe superar el transistor para no dañarse.

Hiperbolas de ruptura
El límite horizontal esta dado por la corriente maxima de colector, que en este caso es de 5A para continua, y se permite hasta 10A en alterna con un 50% de ciclo de actividad, o según lo que se especifique en las hojas de datos. El límite vertical lo marca la tensión colector emisor maxima (VCES), si se supera este valor independientemente de la frecuencia a la que se trabaje, se produce la rotura del transistor por quemarse la aislación entre junturas. La primer recta con pendiente, representa la 1º hiperbola de ruptura, y nos dice que con ciertos valores de IC y VCE se puede quemar el transistor por exceso de calor, ya que el encapsulado del mismo no puede disipar la potencia necesaria, este valor es independiente del disipador que le coloquemos, ya que la juntura se pasa de la temperatura maxima permitida, no pudiendo disipar el calor lo suficientemente rápido hacia la carcasa. La 2º hiperbola de ruptura se produce debido a la densidad de corriente, si esta es muy grande, se quema la unión enter el pin metalico y el semiconductor.  En otras palabras, si le inyectamos mucha corriente a la base en un instante de tiempo muy pequeño, esta no logra distribuirse uniformemente sobre la pastilla semiconductora, creando puntos calientes localizados sobre ésta, causando el sobrecalentamiento térmico localizado. Debido a que es un fenomeno que involucra ciertas convinaciones de tensión corriente y tiempo este es un fenomeno de energia.



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Marcelo Ariel Vega Odzomek
marcelo@mavnet.com.ar
05 de mayo de 2005,
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