ANALIZADOR DE SEMICONDUCTORES DE POTENCIA E.L.M. 600-3

PRUEBAS EN VARIADORES DE FRECUENCIA

      Montajes Alhama S.L.U. diseña y fabríca instrumentos de alta tecnología para analizar características esenciales en los semiconductores de potencia de los accionamientos eléctricos. El analizador E.L.M. 600-3 soluciona esta necesidad aportando las magnitudes de voltajes, corrientes, potencia de control, y medidas avanzadas, que requieren estos dispositivos. Para verificar la vida residual de los transistores de potencia de un VF (variador de frecuencia), o para caracterizar componentes en caso de diseño I+D, el analizador de semiconductores e impedancia cobra una importancia relevante, especialmente en reparación donde se precisa disponer de un instrumento capaz de medir parametros en circuitos y dispositivos que trabajan en alta frecuencia como los transistores de los VF, inversores fotovoltaicos. SAI, fuentes de alimentación conmutada, arrancadores progresivos, accionamientos de servomotores, etc.

 

IMPEDANCIA DE LOS CIRCUITOS ELECTRICOS

      El análisis de impedancia en los circuitos eléctricos es fundamental cuando se trata de garantizar su funcionamiento. Cuando se precisa realizar medidas de impedancia en componentes de potencia se debe montar costosos equipos, pesados y voluminosos para conseguir las tensiones y potencias suficientes que requieren estas medidas en circuitos de alta potencia. El analizador E.L.M. 600-3 realiza este trabajo con solo dos cables de señal conectados al instrumento. 

      El analizador de impedancia es un instrumento muy preciso con el cual podemos realizar de forma directa múltiples medidas en un gran ancho de banda de frecuencias, dichas medidas no pueden ser realizadas de forma directa con ningún otro instrumento. En muchas aplicaciones se necesita conocer los parámetros de funcionamiento de equipos o componentes individuales en un rango de espectro frecuencias sin tener que utilizar varios equipos de medida, porque no disponemos de ellos, o por falta de tiempo para diseñar y montar los equipos que realizan las medidas indirectas.

      En ocasiones nos hemos preguntado alguna vez, ¿porque se averían las baterías de condensadores para compensación de energía reactiva, a pesar de tener instalados filtros anti armónicos?, la respuesta es muy sencilla, es evidente que el filtro funciona mal. En efecto, el circuito eléctrico L-C formado por "C" (capacidad de los condensadores de compensación) y por "L" (inductancia de filtro), funcionan fuera de sintonía prevista, ofreciendo baja impedancia al paso de las frecuencias altas de los armónicos, de este modo los armónicos alcanzan a los condensadores averiándolos en poco tiempo, debido a que la intensidad de corriente de un condensador es directamente proporcional a la frecuencia a la que funciona, por lo tanto, mayores frecuencias son equivalentes de mayores consumos.   

      Este tipo de problemas es una asignatura pendiente para la mayoría de profesionales, que sin conocer el origen real de las averías en los condensadores, solo pueden solventarlas sustituyendo los condensadores averiados. Para resolver esta cuestión podemos utilizar el analizador de semiconductores de potencia e impedancia E.L.M. 600-3 utilizando el modo de análisis de impedancia para verificar la sintonía de los filtros, también se puede utilizar nuestro analizador de SFRA modelo E.L.M. 1G-2 para averiguar la frecuencia de resonancia de los filtros. Estos son los dos parámetros esenciales en una batería de condensadores para compensación de energía reactiva cuando existen armónicos en la instalación, especialmente si la batería dispone de filtros para armónicos. En efecto, si los filtros están mal diseñados, mal calculados, o presentan defectos, la existencia de defectos en la batería empeora el funcionamiento de los condensadores. Ambos analizadores cubren esta necesidad ampliamente, podemos averiguar por ejemplo, si una batería de condensadores que dispone de filtros de rechazo contra los armónicos se encuentra funcionando en sintonía, o por el contrario, un defecto en la sintonía favorece el paso de los armónicos hacia los condensadores, que es lo que sucede habitualmente. Cuando un circuito L-C funciona en sintonía, la potencia de los armónicos que alcanzan a los condensadores se reduce a una proporción insignificante que no perjudica a los condensadores. Averiguar si una batería de condensadores se encuentra funcionando fuera de sintonía es la clave para tomar decisiones acertadas, en lugar de sustituir los condensadores que se averían de forma recurrente.     

      La disminución de capacidad en un condensador por envejecimiento del mismo es normal, en el mismo sentido, toda anomalía en un condensador se traduce siempre en cierta merma de su capacidad. si dicho condensador forma parte de un circuito serie o paralelo con una inductancia para formar un filtro para desintonizar las frecuencias de los armónicos, la disminución de capacidad se traduce en aumento de la frecuencia de sintonía, lo que facilita el paso de las frecuencias armónicas cercanas hacia el condensador, incrementando la corriente del mismo en función directa de la impedancia resultante.

      En la práctica, según las ecuaciones de cálculo para la F0 (frecuencia de resonancia), F0 = 1/ 2 π Ѵ(LC); y de la Xc (reactancia capacitiva) de un condensador, Xc = 1/ 2 π F C, ambas ecuacionas demuestran que la frecuencia de sintonía es inversamente proporcional a la frecuencia para cambios en la capacidad, es decir, si el valor de "C" la capacidad, es cinco veces menor a causa de pérdidas de capacidad, entonces, la reactancia capacitiva Xc será cinco veces menor, y la F0 aumentara en consecuencia para el mismo circuito formado por la capacidad y la inductancia. Lo mismo sucedería si la inductancia fuese menor, pero es menos probable que la inductancia disminuya en circuitos de potencia para compensación de energía reactiva.

      La etapa de potencia de un inversor trifásico típico es susceptible a varios tipos de fallas, la mayoría de las cuales son potencialmente destructivas para los transistores IGBT de un variador de frecuencia. Bajo cualquiera de estas condiciones de falla, la corriente a través del IGBT puede aumentar rápidamente, provocando una disipación de energía y un calentamiento excesivos en cuestión de unos pocos “ms” (mili segundos). El IGBT se daña de forma irreversible cuando la carga actual se acerca a la corriente de saturación del dispositivo y el voltaje de “CE” (colector a emisor) aumenta por encima del nivel del voltaje de saturación. La disipación de energía drásticamente aumentada sobrecalienta muy rápidamente el dispositivo y lo destruye. Para evitar daños a los transistores de los variadores de frecuencia o cualquier equipo de potencia que emplea transistores IGBT, se debe usar en las rutinas de mantenimiento o cuando se sustituyen transistores, un equipo avanzado para verificar el comportamiento dinámico de los transistores en condiciones reales de funcionamiento, es decir, verificar su "SOA" (Safe Operation Area), o Área Segura de Operación, utilizando para ello las mismas tensiones y frecuencias de conmutación a las que funcionan los dispositivos de potencia. La carga de corriente suministrada por el analizador de IGBT para verificar los transistores puede ser menor que la corriente nominal del dispositivo bajo ensayo, conviene en todos los casos emplear un mínimo de corriente superior a 100 mA de carga para realizar los ensayos preliminares y posteriormente someter el dispositivo semiconductor a los voltajes y corrientes nominales, haciendo que funcione a una frecuencia similar a la del circuito que lo comanda.

      En Variadores de frecuencia, la gran potencia y la alta frecuencia de conmutación, hacen que los transistores IGBT sean muy propensos a sufrir sobretensiones en el instante de la desconexión, esto se debe a la suma de las inductancias intrínsecas del cableado eléctrico más la inductancia del motor. Este fenómeno físico es imposible de eliminar en su totalidad, las redes de amortiguación “snubber” y los capacitores de amortiguación reducen el nivel de sobretensiones en el transistor durante la conmutación, el efecto adverso de los snubber y capacitores de amortiguación es que su capacidad aumenta el tiempo de conmutación que emplea el transistor para desconectar la carga, lo que favorece, que con cargas fuertemente inductivas como las de motores de gran potencia que operan a plena carga se rebase el tiempo máximo que emplean los transistores para realizar la desconexión, en casos extremos el transistor puede producir un cortocircuito al no desconectar a tiempo. Dependiendo de todos estos factores, nivel de carga, inductancias propias, y alta velocidad de conmutación, los semiconductores de potencia “podrían” estar funcionando durante todo su tiempo de operación fuera de su SOA, lo cual reduce sustancialmente la esperanza de vida del dispositivo semiconductor sin que se sospeche el problema, porque no lo conocemos.     

      En la siguiente imagen se muestra un ensayo de la sobretensión que produce una velocidad de conmutación relativamente "lenta" correspondiente a la desconexión de la carga efectuada por un transistor de potencia IGBT, en comparación con la sobretensión que produce una velocidad de desconexión "rápida" efectuada sobre la misma carga, por un transistor de potencia SiC, donde podemos ver, que el "Fall Time" tiempo de bajada de la corriente en el transistor SiC (traza gris) es diez veces más rápida que la del transistor IGBT (traza roja), lo cual produce sobretensiones mayores para el mismo tipo de carga. En esta prueba la sobretensión del canal "Ref 1" color gris correspondiente al transistor SiC se pruduce en la desconexión.

 

 

           Imagen correspondiente a la prueba del tiempo de bajada OFF (desconexión) de los transistores IGBT y SiC, la carga utilizada consiste en una resistencia bobinada de alta potencia. Para esta prueba se utilizó una tensión no peligrosa de 21 VCC, las pruebas efectuadas con una tensión de 570 VCC procedente de la etapa rectificadora de potencia de un VF difieren poco respecto al tiempo de bajada realizado a bajo voltaje en los transistores IGBT o SiC.

 

 

      Las pruebas estáticas de transistores de potencia realizando medidas con un multímetro, o el disparo de "G" (gate) o puerta de disparo de los transistores IGBT, realizado con circuitos didácticos, o kit de escasa potencia, son posibles, pero no sirven para garantizar el funcionamiento de los semiconductores de potencia. Los transistores de potencia MOSFET, MOSFET SiC, GaN, e IGBT en mal estado, o con bajo aislamiento, e incluso parcialmente averiados, suelen producir el disparo de puerta para conectar o desconectar pequeñas cargas, con señales de control de muy baja magnitud, proporcionada por kit o circuitos didacticos, además, si medimos su aislamiento los transistores pueden mostrar cierto valor entre sus electrodos de potencia, que puede ser interpretado como un valor correcto, cuando en realidad no lo es. En efecto, los circuitos didácticos o kit de escasa potencia no suministran al D.U.T. (dispositivo bajo ensayo) la tensión y potencia suficiente para verificar con garantía el umbral de ruptura dieléctrica, no disponen de medida para verificar el tiempo de recuperación inversa del diodo TVS o de barrera Schottky que los transistores de potencia contienen internamente para su protección, éstos circuitos tampoco disponen de corriente suficiente para analizar el comportamiento dinámico bajo la carga nominal de intensidad, no existe posibilidad de medir la capacidad del electrodo de control "G" a la frecuencia de 1 MHz con la carga adecuada, como especifican los fabricantes en las hojas de características de sus semiconductores de potencia, no se puede analizar la impedancia ni la capacidad del electrodo de control en alta frecuencia, por lo tanto, no sabremos si bajo la carga de corriente el dispositivo desconectara la carga de forma segura o por el contrario se producirá un cortocircuito por no desconectar a tiempo, y lo más importante, no se dispone de potencia suficiente para comandar los impulsos de control a alta velocidad con tensiones positivas para producir la conexión, ni de suficiente potencia con tensiones negativas para producir la desconexión segura del dispositivo bajo fuerte carga inductiva, similar a la carga que presentan los motores eléctricos. Existen multitud de textos y videos que muestran de forma "sencilla" el "método" que supuestamente se puede utilizar para evaluar "correctamente" los semiconductores de potencia, esto solo sirve para dispositivos de pequeña potencia nuevos que no presentan avería. El estado intermedio de envejecimiento de un semiconductor de elevada potencia, el cual puede continuar funcionando indefinidamente hasta que se agoten sus propiedades dieléctricas, no es posible evaluarlo de forma "sencilla" porque ello implica analizar de forma dinámica numerosos parámetros bajo carga, como veremos a continuación.  

 

      No existe una sola medida "sencilla" que podamos realizar a un semiconductor de potencia, para evaluar al 100 % todos los parámetros que intervienen durante el funcionamiento "real" de los transistores. Por ejemplo, un transistor IGBT puede mostrar buen aislamiento si lo medimos con un mega óhmetro común, sin embargo, si la capacidad entre sus electrodos de control G y E (Gate y Emisor) ha aumentado a causa del normal funcionamiento durante años, cosa que sucede frecuentemente, el tiempo de desconexión que emplea el transistor para desconectar la carga será mayor. En estas condiciones los transistores que emplean demasiado tiempo en la desconexión, pueden ocasionar un cortocircuito con la polaridad contraria que conecta otro transistor en el mismo circuito, o conductor, como por ejemplo, una fase de un motor eléctrico, la cual es alimentada por dos transistores de polaridad distinta conmutados alternativamente. Los transistores de un variador de frecuencia conmutan polaridades diferentes a elevada velocidad, en caso de una sobrecarga provocada por un cortocircuito en un transistor de potencia de un VF, dicha sobrecarga debe ser despejada con celeridad por fusibles ultrarrápidos del calibre adecuado, solo así se podrá garantizar que una elevada sobre corriente producida por un cortocircuito en un VF ocasione mayores desperfectos aguas arriba en la instalación.

      Es importante conocer, que los dispositivos semiconductores de potencia son fabricados con una delgada oblea de cristal de silicio, de ahí su fragilidad frente a variaciones bruscas de la temperatura. Cuando la capa del cristal de silicio de los semiconductores es sometida frecuentemente a variaciones de temperatura provocadas por la carga o por falta de disipación adecuada del calor que se produce durante el funcionamiento normal, se producirán grietas a nivel microscópico en la oblea de cristal de silicio, causadas por las dilataciones y contracciones, mermando de esta forma el aislamiento del dispositivo con mayor celeridad. Por ejemplo, un dispositivo que funciona de forma constante a determinada temperatura elevada, el mismo durara mucho más tiempo que otro dispositivo igual que funcione con la misma carga de forma intermitente, esto es debido a la ausencia de dilataciones y contracciones del cristal semiconductor de silicio, que producen pocos cambios en su estructura.

 

          Circuito típico para caracterización del D.U.T. (semiconductor de potencia bajo ensayo), en el cual se utiliza una "SMU" (fuente de voltaje suficientemente elevado para probar el dispositivo), más un generador de señal de control, en la practica el generador de señal se encuentra aislado galvanicamente por un circuito de disparo alojado en el interior del analizador.

 

          Esquema del estado de apagado de no conducción OFF para realizar las medidas en semiconductores de potencia, con las fuentes SMU de potencia. Cuando un transistor de potencia del tipo IGBT se apaga, el resultado es una variación de la corriente, esto causa un pico de sobretensión debido a la variación de la corriente en las inductancias parásitas o estáticas, como por ejemplo la inductancia de los motores.

 

INCONVENIENTES QUE PRESENTAN LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

      Los cambios por aumento de la capacidad entre los electrodos de control "GE" (Gate Emisor), causados por el envejecimiento normal, en un transistor de conmutación se traducen en tiempos superiores de conexión y desconexión del dispositivo, que pueden producir un cortocircuito con la tensión de polaridad opuesta del otro transistor que conmuta en la misma fase, si los tiempos de apertura del dispositivo son lentos en comparación con la velocidad de conmutación del mismo, o en comparación con la velocidad del otro transistor que opera en la misma fase con polaridad diferente.

      Las aperturas de la carga (desconexiones de conmutación) realizada por los semiconductores de potencia en tiempos muy breves, cuando manejan cargas inductivas, como sucede en los variadores de frecuencia que accionan motores, producen sobretensiones de conmutación elevadas debido a una "dv/dt" (velocidad de descenso del voltaje) muy brusca. La desadaptación de impedancia entre motor y variador contribuye para amplificar la magnitud de las sobretensiones. En parte este efecto físico desfavorable de los semiconductores de potencia se ha visto mejorado con la aparición de los nuevos semiconductores de SiC (Carburo de Silicio), y GaN (Nitruro de Galio) con los que se obtienen mayores velocidades de conmutación, manejando las cargas a tensiones más elevadas, lo que redunda en mayor rendimiento térmico, aumentando significativamente la eficiencia energética. Dichos componentes están ganando terreno poco a poco, desplazando a los actuales transistores IGBT, lógicamente para controlar estas prestaciones de los nuevos transistores de potencia se precisan circuitos de control más veloces y más complejos, empleando diferentes soluciones de control. Las potencias que manejan los actuales SiC son pequeñas, pero se está trabajando en I+D para aumentar las intensidades corriente de los nuevos dispositivos, aunque se pueden conectar varios dispositivos iguales en paralelo para aumentar la potencia, pero ello acarrea mayor complejidad de los circuitos de control.

      Esquema del estado encendido de conducción ON para realizar las medidas en semiconductores de potencia, con las fuentes SMU que proporcionan el nivel de carga necesario. Los semiconductores de potencia IGBT son usados fundamental como interruptores en variadores de frecuencia, inversores, etc. En estos casos una carga inductiva se conecta y se desconecta, con esto aparecen altas tensiones inversas contra las cuales el IGBT se debe proteger. Esta protección se hace mediante el uso de diodos TVS internos o circuitos SNUBBER. Cuando el IGBT conecta la carga de nuevo, la corriente en el diodo funciona inicialmente como cortocircuito. La carga almacenada debe ser eliminada inicialmente para que el diodo bloquee la tensión. Esto hace que aparezca una corriente que se suma a la corriente de la carga, la cual se denomina corriente de recuperación inversa. La máxima magnitud de corriente inversa se produce cuando la suma de las tensiones instantáneas sobre el IGBT y el diodo igualan a la tensión de alimentación.

     

      Pérdidas de potencia en las conmutaciones. En el siguiente dibujo podemos apreciar que la potencia perdida durante las conmutaciones de un transistor IGBT de potencia es proporcional al tiempo que tarda la "Vce" (Tensión Colector Emisor) en alcanzar el voltaje de saturación o conducción, más el tiempo que emplea dicha tensión para descender a cero durante la fase de desconexión. Todas las pérdidas de potencia originadas en los transistores son convertidas por efecto Joule en calor, que debe ser disipado por el transistor y por el radiador al que está adosado. En el circuito magnético de un motor eléctrico alimentado por un VF también se producen pérdidas de energía adicionales por efecto Joule como consecuencia de las conmutaciones de los semiconductores de potencia. 

 

 

      Los dispositivos semiconductores de potencia como los IGBT necesitan una tensión positiva en el electrodo de control (gate) o puerta, para provocar el cierre del circuito, una tensión de control inferior a 3,3 voltios suele producir el cambio de estado, o sea, la desconexión o apertura del circuito. Para garantizar el cierre y apertura del circuito que maneja un transistor MOSFET o un IGBT, la tensión de control necesaria para garantizar la apertura segura del dispositivo debe ser obligatoriamente de polaridad negativa. Los voltajes típicos de cierre y apertura suelen ser de +15 V y -10 V.

      Aunque en un transistor IGBT se habla de velocidades muy altas de conmutación, del orden de centenares de KHz, lo cierto es que los IGBT de elevada potencia solo emplean en el mejor de los casos velocidades de conmutación de 16-18 KHz para dispositivos de intensidades inferiores a 60 A, para dispositivos de mayor corriente la velocidad adecuada sería de unos pocos KHz, menor velocidad de conmutación cuanto mayor es el amperaje que conmuta el dispositivo. A título informativo, por ejemplo, para un transistor IGBT de corriente nominal de 1200 A, para garantizar una vida útil aceptable, la velocidad adecuada para conmutar la carga debe ser inferior a 4 KHz, por el contrario cuanto mayor es la velocidad de conmutación se traducirá en menor longevidad del dispositivo, pues se realiza un mayor número de ciclos de conexiones y desconexiones con sus pérdidas y el envejecimiento que ello acarrea, ya que la vida esperada del transistor es dependiente de la carga que maneja y de la velocidad de conmutación, mayores tasas de velocidad de conmutación son sinónimo de menor esperanza de vida.

      Si nos preguntamos cual es la duración de un dispositivo semiconductor de potencia (transistor, rectificador, etc.), ello dependerá de las condiciones de funcionamiento y de la disipación del calor. En condiciones favorables la duración debería ser de 20.000 horas por lo menos, esto rara vez se cumple y los dispositivos fallan antes de alcanzar dicha duración, debido a varios factores, como altas sobretensiones de conmutación, cambios frecuentes en la temperatura de operación debido a los cambios en la carga, cambios en la capacidad intrínseca del electrodo de control del dispositivo, envejecimiento prematuro debido a una velocidad de conmutación elevada, etc. Si los transistores trabajan en condiciones de funcionamiento desfavorables, los dispositivos semiconductores de potencia de un inversor o variador de frecuencia deben sustituirse por unos nuevos en la mitad de tiempo, o sea, 10.000 horas. Los defectos o las averías en semiconductores de potencia pueden producir averías reflejas en las tarjetas de control de los mismos, y en el motor que acciona. Generalmente no se revisa el comportamiento de los semiconductores de potencia de los variadores de frecuencia de forma dinámica, es decir, cuando el variador se encuentra funcionando, y solo se comprueban cuando el variador falla. No creemos necesario explicar las consecuencias de las averías en los variadores de frecuencia, especialmente en aparatos de gran potencia. En máquinas importantes de las cuales no podemos prescindir lo correcto sería verificar el comportamiento dinámico de los semiconductores de potencia en los variadores, antes de que éstos fallen, y preparar un plan de actuación, de la misma forma que se comprueban las presiones y el estado de desgaste de los neumáticos en un vehículo, antes de que éstos fallen. 

      Necesidad de protección de los semiconductores de potencia mediante fusibles ultrarrapidos. Los dispositivos semiconductores de potencia a base de silicio (diodos, tiristores, Tiristores Desactivables por Compuerta [GTO], transistores y Transistores Bipolares de Compuerta Aislada [IGBT] han encontrado un número cada vez mayor de aplicaciones en rectificación, inversión y regulación de circuitos de potencia y control, especialmente en Variadores de Frecuencia. Su ventaja es la capacidad de manejar una cantidad considerable de potencia en un tamaño físico muy pequeño. Debido a su masa, relativamente pequeña, su capacidad para soportar sobrecargas y sobretensiones es limitada y, por tanto, requieren medios de protección especiales. En aplicaciones industriales, se producen corrientes de falla de muchos miles de amperios si ocurre un cortocircuito en algún lugar del sistema. Los dispositivos semiconductores pueden soportar estas altas corrientes solo por un periodo de tiempo extremadamente corto. Los altos niveles de corriente provocan dos efectos nocivos en los dispositivos semiconductores: 1. La distribución de corriente no uniforme en las uniones p-n del silicio genera densidades anormales de corriente que causan daños. 2. Se crea un efecto térmico proporcional al valor de la corriente, RMS, al cuadrado (I2) multiplicado por el tiempo (t) que fluye dicha corriente, y se expresa como I2*t o A2*s (amperios al cuadrado por segundo). Por tanto, el dispositivo de protección contra sobrecorriente debe: (A) Interrumpir de forma segura corrientes de falla prospectivas muy altas en tiempos extremadamente cortos. (B) Limitar la corriente permitida que puede pasar a través del dispositivo protegido. (C) Limitar la energía térmica (I2*t) que deja pasar el dispositivo durante la interrupción de la falla. Desafortunadamente, la interrupción ultrarrápida de altas corrientes también crea altas sobretensiones. Si un rectificador de silicio está sujeto a estas altas tensiones, fallará debido al efecto de ruptura. Por tanto, el dispositivo de protección contra sobrecorriente seleccionado también debe limitar la sobretensión durante la interrupción de la falla. Hasta ahora, se ha considerado principalmente protección contra altas corrientes de falla. Con el fin de lograr la máxima utilización del dispositivo protegido, en combinación con una confiabilidad total, el dispositivo de protección contra sobrecorriente seleccionado: 1º No debe requerir mantenimiento. 2º No debe operar a corriente nominal normal o durante condiciones normales de sobrecarga transitoria. 3º Debe operar de la manera predeterminada durante condiciones anormales. El único dispositivo de protección contra sobrecorriente que cuenta con todas estas cualidades (y está disponible a un costo económico) es el moderno fusible ultrarrápido (también conocido como “fusible semiconductor” o “fusible I2*t”).

       La sustitución de semiconductores de potencia por otros equivalentes en corriente y forma física (nos referimos a las cotas físicas de las conexiones), basado en la economía, o por la dificultad que conlleva la localización de dispositivos originales que ya estan obsoletos, suele acarrear malos resultados por varias razones y en ocasiones pueden producir averías catastróficas. La mejor solución es la sustitución de los dispositivos semiconductores por unos iguales a los originales, o en su defecto el cambio del inversor o variador de frecuencia.

      Las redes de amortiguación SNUBBER y los capacitores de amortiguación, que montan de serie los variadores de frecuencia como protección contra las sobretensiones de conmutación de los transistores de potencia, reducen las sobretensiones de las conmutaciones producidas por la inductancia del motor, a valores de tensión admisibles por el transistor, en otras palabras, los snubber y capacitores absorben y disipan la energía extra producida por las sobretensiones durante el tiempo de conmutación del transistor, que es muy breve, típicamente algunos micro segundos. esto es válido solamente para la potencia nominal del variador de frecuencia. En efecto, cuando la corriente que suministra el variador excede la máxima corriente nominal, o cuando se realizan ciclos de carga intermitente que rebasa el máximo nominal, se producen sobretensiones de forma transitoria que exceden la tensión máxima de aislamiento de los transistores, en estas condiciones las redes de amortiguación snubber y los capacitores de amortiguación se mostraran insuficientes solo cuando se rebasa el 100 % de potencia del variador. Esto también es aplicable cuando la carga del motor excede su máximo nominal, bajo este régimen de funcionamiento se producirán igualmente sobretensiones que superan el valor máximo de aislamiento de los transistores de potencia de los variadores. Hay que explicar también, que los variadores de frecuencia se diseñan para soportar sobrecargas de intensidad de forma transitoria, para poder acelerar los motores en caso de fuerte par resistente, como por ejemplo el arranque de molinos o machacadoras para áridos. Comúnmente las corrientes máximas que pueden soportar de forma intermitente los variadores son de 150 % durante un minuto, y 200 % durante un segundo, transcurridos estos tiempos el variador se detiene. En estas condiciones de funcionamiento los transistores del variador y las redes de amortiguación snubber o los capacitores contra sobretensiones que montan se serie los variadores, pueden soportar magnitudes de sobretensión de forma transitoria, pero no de forma permanente, el funcionamiento de forma intermitente continuado producirá sobretensiones y averías en las redes de amortiguación snubber y en los capacitores, sin estos elementos de protección contra las sobretensiones, los transistores de potencia de los variadores pueden averiarse fácilmente al sobrepasar continuamente la tensión máxima de diseño.        

 

TECNICA EMPLEADA POR EL ANALIZADOR DE SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

      La tecnología empleada por el analizador de semiconductores  de potencia e impedancia E.L.M. 600-3 es simple pero efectiva, se dispone de potencia suficiente para reproducir las condiciones reales de funcionamiento de los dispositivos, como tensiones e intensidades, mas el circuito empleado para la logica de disparo y protección. El equipo dispone de canales de salida donde podemos conectar un osciloscopio o un multimetro para verificar todos los parametros importantes de funcionamiento de los transistotres ensayados y su aislamiento entre las conexiones de potencia, nos referimos al voltaje de puerta, tensión colector emisor, corriente de paso, tiempos de cierre (saturación), tiempo de apertura, y aislamiento.

      Cada vez con mayor asiduidad se imponen planes de mantenimiento de los accionamientos de convertidores o variadores para determinar el fin del periodo de vida útil de los semiconductores de potencia con el objeto de asegurar la continuidad de servicio de los equipos, y evitar paradas o costosas pérdidas de producción. El desarrollo del analizador de semiconductores de potencia E.L.M. 600-3 cubre este objetivo para toda clase de aparatos con accionamiento a transistores o tiristores, actualmente los variadores de frecuencia suponen el 95 % de los accionamientos eléctricos existentes, y va en aumento.

      Imagen de diodos rectificadores de alta potencia que emplean los variadores de frecuencia para rectificar las tensiones trifásicas y obtener la corriente contínua que éstos emplean, estos dispositivos son empleadios igualmente por los arrancadores suaves para controlar el angulo de conducción en el arranque o la parada de los motores, se fabricas en distintos formatos de capsulas.

 

RETOS EN EL DISEÑO Y EL MANTENIMIENTO DE SEMICONDUCTORES

      Después de años de investigación y diseño, los dispositivos de energía de carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN) se están volviendo más viables porque generan menos pérdidas de energía gracias a la conmutación más rápida. Pero estos dispositivos, aunque tienen un alto rendimiento, presentan desafíos, incluidos los requisitos de control de puerta. Los SiC requieren un voltaje de puerta (Vgs) mucho más alto con una polarización negativa para apagar. Los GaN, por otro lado, tiene un voltaje umbral (Vth) mucho más bajo, lo que requiere diseños de accionamiento de puerta ajustados. Los dispositivos de banda ancha (WBG), por la naturaleza de su física, también tienen una mayor caída de voltaje en el diodo TVS del cuerpo que requiere un control mucho más estricto del tiempo muerto y las transiciones de encendido/apagado.

      Las pruebas precisas de fuentes y medidas eléctricas son esenciales para caracterizar estos dispositivos de alto voltaje, de modo que se puedan tomar las decisiones de diseño correctas de manera oportuna. El aumento de los márgenes de diseño y el sobrediseño sólo aumentarán los costos y reducirán el rendimiento. Y, por lo general, se trata de voltajes altos superiores a 350 V, por lo que la seguridad contra voltajes dañinos es fundamental. Para probar los dispositivos SiC se requieren instrumentos de medida mucho más veloces y precisos, con capacidades suficientes para producir las señales de control que éstos necesitan. Gracias a la elevada velocidad de conmutación de los Sic, las pérdidas de energía que se generan son inversamente proporcionales a su velocidad para conectar o desconectar la carga, siendo dicha velocidad diez veces superior a la de los transistores IGBT convencionales, lo que produce diez veces menores pérdidas de energía durante las conmutaciones. En contraposición de estas velocidades de los nuevos semiconductores de potencia resulta, que los instrumentos capaces de medir de forma eficaz estas transiciones necesariamente deben disponer de un ancho de banda diez veces superior, o incluso mayor que este si se aplica la regla fundamental que impera, de 5 veces la frecuencia de funcionamientos del DUT (dispositivo bajo ensayo) para poder medir con cierta precisión, o de 10 veces la frecuencia del DUT que es lo habitual en medidas de radiotecnia para obtener buena precisión. Por ejemplo un digitalizador de gama media de 200 MHz de ancho de banda de buena calidad tiene un coste de dos mil euros, y uno de 500 MHz ronda los ocho mil euros. Por otra parte, si trabajamos con frecuencia mayores de forma habitual, necesitaremos un digitalizador de buena calidad con un ancho de banda de al menos un GHz, que suelen tener un coste medio de veinticinco mil euros. Todo esto nos lleva a razonar que, a título informativo, si trabajamos con frecuencias de WIFI en la banda de 5,9 GHz, para poder medir con buena precisión necesitaremos un instrumento de al menos 60 GHz, con precios que oscilan entre seiscientos mil euros para los aparatos usados, y un millón de euros para aparatos nuevos, todo ello sin contar los software necesarios para trabajar en estas bandas, para los cuales debemos sumar otros doscientos mil euros.  

 

PRUEBAS EN SEMICONDUCTORES DE ALTO VOLTAJE

      La caracterización básica de los dispositivos semiconductores de alto voltaje normalmente implica un estudio del voltaje de ruptura y de la corriente de fuga. Estos dos parámetros ayudan a los diseñadores de dispositivos a determinar rápidamente si el dispositivo se fabricó correctamente y si se puede utilizar de forma eficaz en la aplicación de destino.

      Placa de potencia de ondulador con frecuencia de 400 Hz de 80 KW de potencia para accionamiento de un ozonador, con los conductores desmontados para verificar los semiconductores de potencia.

 

      Placa de ondulador analizada con todos los conductores más las tarjetas Snubber de protección ya montados.

 

      Se mire por donde se mire, el parámetro más relevante en un semiconductor empleado para conmutación, como los IGBT o los SiC, es la capacidad intrínseca presente entre el electrodo de control "G" (gate) o puerta de control, y el electrodo de potencia "E" (emisor). A estos electrodos llegan los pulsos de control para conectar o desconectar la tensión del circuito de potencia, donde la frecuencia máxima de dichos impulsos de control es dependiente de la capacidad "Cge" o capacidad Gate/Emisor. Un aumento de la capacidad implica menor frecuencia de los impulsos, si se mantienen frecuencias iguales de pulso para un semiconductor envejecido, se correrá el riesgo de producir el auto cebado del electrodo de control, o en el peor de los casos un cortocircuito. Los cambios en la capacidad Cge de los semiconductores SiC son especialmente críticos debido a la alta velocidad de conmutación, en estos dispositivos es esencial medir la capacidad entre la puerta G y el electrodo de potencia E a la frecuencia de 1 MHz. La dificultad que presenta medir la capacidad Cge en un IGBT o SiC reside en que el instrumento utilizado para medir "siempre" introduce una capacidad adicional en paralelo con la capacidad Cge, lo cual puede provocar una avería en el dispositivo, si dicha capacidad ya se encontraba en valores críticos. Por ello este tipo de pruebas debe realizarse preferentemente de forma estática, es decir con el semiconductor fuera de servicio. Este tipo de prueba se realiza en fábrica o después de cierto tiempo de funcionamiento de los semiconductores, se trata de una prueba que no se encuentra al alcance de instrumentos sencillos, el analizador de semiconductores de potencia E.L.M. 600-3 está diseñado para realizar esta medida y graficarla con gran precisión en todo el ancho de banda.

 

      No menos importante para probar los semiconductores de potencia es disponer de una SMU con capacidad mínima para generar al menor 600 VCC y 200 A. Nuestro analizador de semiconductores de potencia dispone de estas especificaciones. Los VFs que funcionan con tensiones de red de 400 VAC, obtienen una tensión a la salida de su rectificador, de 400 VAC x V2 = 566 VCC, en la misma línea, los semiconductores de cualquier VF de mediana potencia dispone de transistores que superan los 200 A. Por ejemplo, un VF para una potencia de 22 KW a 400 V, el mismo podrá suministrar una intensidad permanente de 48 A, y el 200% de dicha corriente durante un corto tiempo, pero por diseño sus transistores pueden soportar el doble de dicha corriente durante un solo pulso de 1 ms (mili segundo), siempre que la temperatura de la unión semiconductora con la capsula no exceda de 25º C. Esto significa que el transistor de un VF de 22 KW puede soportar una corriente pulsada de casi 200 A. A título informativo un VF de 315 KW a 400 V dispone de transistores que soportan corrientes permanentes de 1.200 A  cuando la capsula se encuentra a 80º C y en la unión del semiconductor a la capsula hay 175º C, el mismo transistor puede soportar corrientes pulsadas de 2.400 A a 25º C. Por estos motivos es esencial disponer de tensión y corriente suficientes para caracterizar o probar los semiconductores de potencia de los VFs, inversores, fuentes conmutadas, SAIs, etc. 

     El estado de eficiencia o vida útil residual de un semiconductor de potencia "usado" se reparte a partes desiguales entre la Cge (capacidad entre los electrodos Gate y Emisor), el aislamiento existente entre los electrodos de potencia C (colector), y E (emisor), y los tiempos de "Rise Time" y "Fall Time". Donde la mayor importancia reside en la capacidad Cge, pues ésta determina la máxima frecuencia de conmutación del semiconductor y por lo tanto, su seguridad para conectar y desconectar de forma segura cargas fuertemente inductivas como las de motores de gran potencia, seguido del aislamiento entre los electrodos de potencia C y E, los demás parámetros son menos relevantes y dependen de los dos primeros citados.    

 

MEDICIÓN DE CORRIENTE DE FUGA

      En una aplicación típica de conversión de energía, el dispositivo semiconductor se utiliza como interruptor de alta velocidad. Las mediciones de la corriente de fuga indican qué tan cerca se comporta el semiconductor de un interruptor ideal. Además, al medir la fiabilidad del dispositivo, las mediciones de corriente de fuga se utilizan para indicar la degradación del dispositivo y hacer predicciones sobre su vida útil.

 

MEDICIÓN DEL VOLTAJE DE RUPTURA

      La medición del voltaje de ruptura se realiza aplicando un voltaje inverso creciente al dispositivo hasta que se alcanza una cierta corriente de prueba que indica que el dispositivo está en ruptura dieléctrica. La medida precisa del aislamiento en los diodos rectificadores de los variadores de frecuencia, así como la impedancia del electrodo de control medida en alta frecuencia, es esencial para garantizar el buen estado conjunto de los variadores, es decir, en el caso de variadores de frecuencia se necesita medir el voltaje de ruptura de sus rectificadores y sus transistores. En equipos que no sean VFs se miden solo los transistores.

      No olvidemos que los VFs accionan motores eléctricos, por esta razón, la medida de aislamiento en los devanados eléctricos de un motor con cierta edad de funcionamiento, el cual "no ha causado avería", accionado mediante VF, deberá ser evaluado para garantizar el funcionamiento conjunto de los transistores del accionamiento y del motor. Piénsese que una avería por cortocircuito en el devanado del motor, puede ocasionar averías reflejas en los semiconductores del VF.

 

 

CARACTERISTICAS DEL EQUIPO STANDARD

Analizador de Tansistores bipolares, Transistores IGBT transistores MOSFET, Tiristores y Diodos

Voltaje máximo de prueba: programable de 0 hasta 600 VDC

Corriente maxima de prueba a 600 V: programable de 0 hasta 3 A

Corriente maxima de prueba a 30 V: programable de 0 hasta 200 A

Velocidad de conmutación PWM programable de: 0,01 Hz a 100 KHz

Salida aislada para medida de corriente en osciloscopio

Protección Programable contra: Sobrecorriente, Sobretensión, y cambio de polaridad

Separación entre pulsos programable de 0,5 us a 1000 us

Tensión de gate programable

Operación facil y segura

 

Opciones

En opción: Tensión de salida hasta 1.000 VDC

                  Tensión de salida hasta 1.500 VDC

En opción: Corriente de salida hasta 600 A

                  Corriente de salida hasta 1.200 A