Transistores

INTRODUCCIÓN. Características Generales del BJT

TEMA 3. TRANSISTOR BIPOLAR DE POTENCIA 3.1.

INTRODUCCIÓN

3.2.

CONSTITUCIÓN DEL BJT

3.3.

El interés actual del Transistor Bipolar de Potencia (BJT) es muy limitado, ya que existen dispositivos de potencia con características muy superiores. Le dedicamos un tema porque es necesario conocer sus limitaciones para poder comprender el funcionamiento y limitaciones de otros dispositivos de gran importancia en la actualidad.

Saturación

Cuasi-Saturación 1/Rd Ruptura Secundaria

IC(A)

C IC

Ruptura Primaria

FUNCIONAMIENTO DEL BJT

B

Activa

IB

3.3.1. Zona Activa

IE

Corte

3.3.2. Zona de Cuasi-Saturación 3.3.3. Zona de Saturación 3.3.4. Ganancia 3.4.

TRANSISTOR DARLINGTON

3.5.

EL TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN

3.6.

EXCITACIÓN DEL BJT

E 0

BVSUS BVCE0 BVCB0 VCE (V)

Característica de salida (IC frente a VCE ) del transistor NPN de potencia, para distintas corrientes de base, IB5>IB4>...IB1 y Esquema del BJT de tipo NPN. Valores máximos de VCE : BVCB0>BVCE0>BVSUS BVSUS : Continua. BVCE0 : Para IB=0 BVCB0 : Para IE=0

Definición de Corte: de IC= -α IE+IC0 ; -IE=IC+IB ; se deduce:

IC =

1 α ⋅ IB + ⋅ IC0 1−α 1−α

Posibles definiciones de corte:

3.7.

CONSIDERACIONES TÉRMICAS

3.8.

AVALANCHA SECUNDARIA

a) I B = 0⇒ I C = b)

3.9.

ZONA DE OPERACIÓN SEGURA (SOA)

Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 1 de 17

1 ⋅ I C 0 ≈ 10 ⋅ I C 0 1−α

I E = 0⇒I C = I C 0

Por tanto se considera el transistor cortado cuando se aplica una tensión VBE ligeramente negativa ⇒IB = -IC = -IC0 Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 2 de 17

CONSTITUCIÓN DEL BJT

CONSTITUCIÓN DEL BJT

E n+ B

B

p n+ C Transistor Tipo Meseta (en desuso)

• La anchura de la base y su dopado serán lo menores posibles para conseguir una ganancia lo mayor posible (baja recombinación de los electrones que atraviesan la base). • Para conseguir BV elevada, se necesita una anchura de base grande y un dopado pequeño. ¾ El problema surge cuando el dopado es pequeño, pues para alojar la zona de deplexión la base debe ser muy ancha, bajando la ganancia. Es por tanto necesario encontrar unos valores intermedios de compromiso.

B WE=10µm WB=5÷20µm Zona de expansión 50÷200µm WC=250µm

B

E + 1019 cm-3 n

1016 cm-3

p

1014 cm-3

n-

1019 cm-3

¾ Este compromiso implica que los BJT de potencia tienen una ganancia típica de corriente entre 5 y 10. (muy baja).

n+

C Sección Vertical de un Transistor Bipolar de Potencia Típico Ventajas de la estructura vertical: • Maximiza el área atravesada por la corriente: • Minimiza resistividad de las capas • Minimiza pérdidas en conducción • Minimiza la resistencia térmica.

En la práctica, los transistores bipolares de potencia no se construyen como se ve en esta figura, sino que se construyen en forma de pequeñas celdillas como la representada, conectadas en paralelo.

Los dispositivos de potencia que estudiaremos en este curso se construyen empleando una estructura vertical y en forma de pequeñas celdillas en paralelo.

Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 3 de 17

Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 4 de 17

CONSTITUCIÓN DEL BJT Base

FUNCIONAMIENTO DEL BJT. Zona Activa

Emisor

Vbb

Vcc

R

B +

n

p

n+

n+

n+

n+

Activa

E

nn+ Colector Sección Vertical de un Transistor Bipolar de Potencia Multiemisor de Tipo NPN Ventajas de la estructura multiemisor:

Zona Activa: VCE Elevada

p

n-

n+

Carga (Exceso de electrones en la Base) Unión Colector-Base (inversamente polarizada)

Distribución de la carga almacenada en la base de un transistor bipolar de potencia típico en activa.

• Reduce la focalización de la corriente debida al potencial de la base causante de la avalancha secundaria. • Reduce el valor de RB (disminuye pérdidas y aumenta la frecuencia fT ).

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Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 6 de 17

C

FUNCIONAMIENTO DEL BJT. Zona de Cuasi-Saturación

Vbb

Vcc

FUNCIONAMIENTO DEL BJT. Zona de Saturación

R

Vbb

n-

p

n+

C

Carga (Exceso de electrones en la Base) Base Virtual

Distribución de la carga almacenada en la base de un transistor bipolar de potencia típico, en Cuasi-Saturación.

E

Saturación

n

CuasiSaturación

E

R

B

B +

Vcc

n

+

p

n-

n+

C

Carga en exceso Q2

Q1 Base Virtual

Distribución de la carga almacenada en la base de un transistor bipolar de potencia típico, en saturación.

Cuasi-Saturación: En activa al subir IB, IC↑ ⇒ VCE↓ (=VCC - ICR ). Simultáneamente: VjCB↓ (=VCE - ICRd ). Donde Rd es la resistencia de la capa de expansión. El límite de la zona activa se alcanza cuando: VjCB=0 (VCE = ICRd ). Si VjCB>0 (Unión directamente polarizada): Habrá inyección de huecos desde p a n- (Recombinación con electrones procedentes del emisor en n-) ⇒ Desplaz. a la derecha de la unión efectiva: • Rd Disminuye • Aumento del ancho efectivo de la base. • β Disminuye

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Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 8 de 17

FUNCIONAMIENTO DEL BJT. Ganancia

TRANSISTOR DARLINGTON

Base

β max

log(β )

β min garantizada por el fabricante

IeTA

Emisor

n+

p

SiO2

I bTA

n+ IbTB

VCE-Saturación

n-

IcTA

≈ICmax /10

ICmax

log(IC)

IcTB

n+

Variación de β en Función de IC

Colector Colector Base

TA

D2

β=βBβA+βB+βA

TB

D1 Emisor

Estructura de un Par Darlington Monolítico Montaje Darlington para Grandes Corrientes.

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Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 10 de 17

EL TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN

EL TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN

Colector Vcc

Colector Vcc

ZL

ZL Interruptor BJT conmutando una Carga Inductiva

IC

Base IB

VCE

Interruptor BJT conmutando una Carga Inductiva

IC

Base IB

VBE

VCE

VBE IC

IL

IBon

IC IB

IBon

−

IB

dI B dt

IBoff t

t

IBoff

VCE VBE

VBE

t t=0 tdon

VCE

t t=0

ts

trv1 trv2 tfi

tri

tfv1

tfv2

Proceso de conmutación: Saturación

Proceso de conmutación: Corte

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Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 12 de 17

EL TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN

4

IC

5

EXCITACIÓN DEL BJT Aislamiento galvánico entre circuitos de control y potencia

Potencia disipada muy alta

λ

1, 2, 3, 4, 5 y 6: instantes de tiempo Trayectorias en el plano IC-VCE durante la conmutación

IB

IBon

IL

2 −

3

5

dI B dt

6

IB

BJT de potencia

Tierra de potencia -VCC

Circuito Típico de Excitación de Base para BJTs de Potencia

IC

4

Cb

Tierra digital

VCE

1

Acoplamiento

Señal digital de control

6

IC

Amplificador

Fotoacoplador

Potencia disipada muy baja

1 2 3

VCC

IBon 6

5

4

1

IBoff t

t

IBoff

VCE

VBE

VBE VCE

t

t t=0

ts

trv1 trv2 tfi

t=0 tdon

tri

tfv1

tfv2

Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 13 de 17

Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 14 de 17

CONSIDERACIONES TÉRMICAS Vcontrol

VBE

t IC

Las pérdidas en corte suelen despreciarse al ser la corriente muy baja.

Vcc

90% RC

10% td tr

ts

Concentración de corriente

Caída de tensión

VBE

Vcc

VCE

AVALANCHA SECUNDARIA

t

tf

IB

IC VCE

VBE Pd

t

Las pérdidas conducción pueden aproximadas por:

en ser

T Pon = I c ⋅ VCEsat ⋅ ON T

B

E

+

p

e-

t

e-

e-

E

B

n+

-

+

p

e-

-

+ e-

e-

n C

Las pérdidas en conmutación pueden estimarse suponiendo que la corriente y la tensión siguen una línea recta durante la conmutación:

+

-

n T=1/f

B

B

n+

Caída de tensión

C

a) b) Concentración o Focalización de Corriente en un BJT. a) En la Conmutación a Saturación (IB >0) y b) en la Conmutación a Corte (IB <0)

t t ) ⋅ I cmax ⋅ ⋅ dt tr tr t t ≅ 0 ) ⇒ dWr = Vcc ⋅ Icmax ⋅ (1 − ) ⋅ ⋅ dt tr tr

dWr = VCE ⋅ I c ⋅ dt + VBE ⋅ I B ⋅ dt ≅ VCE ⋅ I c ⋅ dt = (Vcc − Rc ⋅ I cmax ⋅

Rc ⋅ Icmax = Vcc − VCEsat ≅ Vcc (VCE Saturacion tr

Wr = ∫ Vcc ⋅ Icmax ⋅ (1 − 0

t t 1 ) ⋅ ⋅ dt = ⋅ Vcc ⋅ Icmax ⋅ tr ; tr tr 6

análogamente se hace para Wf : Wcom = Wr + Wf =

1 ⋅ Vcc ⋅ Icmax ⋅ (t r + t f ) ; 6

La potencia media disipada en el período T será por tanto:

Pcom =

Wcom 1 = ⋅Vcc ⋅ I c max ⋅ f ⋅ (tr + t f ) T 6

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Tema 3. Transistor Bipolar de Potencia. Transparencia 16 de 17

ZONA DE OPERACIÓN SEGURA

IC f3 f2

ICM f1

Límite térmico

dc Avalancha Secundaria

β VCE0 VCE a) FBSOA (f1
IC ICM

VBEoff <0 VBEoff =0

β VCE0 β VCB0 VCE b) RBSOA (Trancisiones de menos de 1 µs) Zonas de Operación Segura del Transistor Bipolar

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