En las hojas de datos de transistores es común observar una gráfica como la que se observa en la figura 1 (azul), el área dentro de la figura indica los límites máximos en los que se puede operar el elemento. Se puede distinguir que al “rectángulo” le falta la esquina, lo que indica que se tienen límites máximos de voltaje y de corriente pero no se pueden tener los dos al mismo tiempo. Estos límites funcionan sin problemas en aplicaciones de pequeña señal, sin embargo, en potencia su uso se enfoca al paso o bloqueo de energía, lo que provoca transitorios como los que se mostrarán en el siguiente circuito.

En aplicaciones de potencia es común que las cargas sean motores, los cuales presentan una alta inductancia en su circuito. En la figura 2 se observa un motor representado por una carga RL en serie con un una fuente y un transistor. Cuando el transistor se encuentra conduciendo se tiene circulando una corriente Ic con un voltaje de saturación Vce, pero cuando se abre el circuito, el efecto de la inductancia provoca que aumente el voltaje hasta cierto punto y se vuelve a disminuir hasta Vcc conforme la corriente disminuye.

Cuando se vuelve a cerrar el transistor el voltaje disminuye conforme aumenta la corriente hasta los valores mencionados previamente.

Como se observa en la figura 1, durante las conmutaciones se tienen transitorios donde los valores se salen de los límites permitidos.

En la búsqueda por solucionar este inconveniente se propone colocar un capacitor en paralelo (se cierra el SW1). Se observa que la energía almacenada por la inductancia se define como:

Mientras que en el capacitor:

Con estos valores se determina que cuando se abre el circuito, la energía almacenada en la inductancia es tomada por el capacitor, así se evitan esos sobrevoltajes en el componente. Esto se obtiene al igualar las dos ecuaciones anteriores para obtener el valor de Cs. También se busca que cuando se cargue el capacitor mantenga el voltaje de la fuente, de este modo cuando se cargue completamente se cancelen los voltajes y no se produzca flujo de corriente. Parece una buena solución, sin embargo, al momento de volver a cerrar, toda la energía que mantiene el capacitor empieza a proporcionar la corriente sobre la malla del capacitor y el transistor, lo que puede dañar el elemento. Por esto se decide agregar una resistencia (se abre SW1 y se cierra SW2), de este modo se controla el flujo de corriente que proporciona el capacitor. Así, el nuevo camino que se produce se muestra en naranja.

El tiristor presenta disparos erráticos debido a una variación de voltaje ente ánodo y cátodo. Esto se debe al circuito equivalente que presenta (diodo y capacitor en naranja en figura 3), en el cual al presentarse una variación de voltaje era grande, se presentaba una corriente en el capacitor por:

y el circuito se disparaba.

Para evitar esto, se agrega un capacitor en paralelo para eliminar cambios bruscos de voltaje, sin embargo, esto provocaba disparos de corriente que también eran perjudiciales, por lo que se agrega una resistencia que regulará esta corriente. Pero esto no corregía el problema, pues ante estos disparos de corriente el capacitor se comportaba como corto circuito, por lo que esta corriente junto con la resistencia provocaba un pico de voltaje que vuelve a encender el tiristor. Por último se agrega un diodo en paralelo con la resistencia, así aunque aumente el voltaje por la resistencia, el diodo lo mantiene en un valor de 0.7V.

En un diodo también es posible agregar un circuito de protección, ya que cuando se encuentra en conducción y posteriormente se le coloca un valor de voltaje en sentido inverso, se genera un pico de corriente en sentido contrario.

Esta corriente se presenta en valores muy cortos de tiempo (ns), por lo que la propia inductancia que se tiene en el cable genera un voltaje muy alto que tiene que soportar el diodo, recordando la ecuación del voltaje en una inductancia.

Para evitar este incidente es importante agregar un circuito RC en paralelo, especialmente en aplicaciones donde el diodo trabaja en altas frecuencias.

Existe una gran variedad de circuitos que permiten controlar los valores transitorios, y muchos autores se enfocan en algunos dependiendo de la experiencia y relevancia de cada uno. En este tema se explicaron los más elementales, de modo que se entienda la importancia de circuitos que apoyen y protejan los elementos semiconductores de potencia.

En los convertidores electrónicos se puede decir que hay una eficiencia, lo que indica que un porcentaje de la potencia que trabaja se queda como calor en los componentes. La disipación de calor permite que los componentes puedan trabajar continuamente sin que lleguen a temperaturas en las cuales dejan de operar correctamente.

Existen métodos de disipación básicos y complejos, un ejemplo del primero se menciona a continuación. La posición del componente afecta la disipación de potencia, ya que si se tiene vertical, el aire que está en contacto con el dispositivo empieza a calentarse y sube de altura, creando una corriente de viento que enfría el componente. En cambio, si se tiene horizontal, es menor la altura que sube y por lo tanto la corriente de aire es menor.

Para mayor facilidad del alumno, el análisis de la disipación de calor que presentan los componentes puede ser observada como una analogía desde el punto de vista eléctrico, como es muestra en el circuito de la figura 5.

Fuente: Mohan, N. (2009). Electrónica de potencia: Convertidores, aplicaciones y diseño (3ª ed.). México: McGraw Hill.

Donde:

Las resistencias térmicas se presentan en unidades de °C/W mientras que las temperaturas se tienen en °C. Con estos datos del circuito equivalente puedes obtener la siguiente ecuación.

De la cual puedes despejar θ_SA, que es la única que no se conoce.

Con esta ecuación se puede elegir el disipador necesario, ya que existen tablas que indican disipadores en base a valores de θ_SA.

En casos como el transistor, el agregar circuitos permite una mejor disipación de potencia, lo que implica un menor calentamiento en el semiconductor. Es importante elaborar en conjunto los elementos que van a lograr que el convertidor funcione correctamente, incluyendo amortiguadores y disipadores de calor.

Revisa a continuación el Checkpoint: