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

ANALIZADOR DE IMPEDANCIA

      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 de última generación. 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 los casos de reparación donde se precisa disponer de un instrumento capaz de medir parametros en 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.

      El análisis de impedancia en los circuitos eléctricos es fundamental cuando se trata de garantizar su buen funcionamiento, para realizar las medidas de impedancia 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. 

      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" la capacidad de los condensadores de compensación y por "L" la inductancia de filtro, funcionan fuera de sintonía, ofreciendo baja impedancia al paso de las frecuencias de los armónicos, y de este modo los armónicos alcanzan a los condensadores averiándolos en poco tiempo. Este tipo de problemas es una asignatura pendiente para la mayoría de profesionales, que sin conocer el origen real de las averías solo pueden solventarlo sustituyendo los condensadores averiados. Para resolver esta cuestión se puede utilizar el analizador de semiconductores de potencia e impedancia E.L.M. 600-3 utilizando el modo análisis de impedancia para verificar la sintonía, también se puede utilizar nuestro analizador de SFRA modelo E.L.M. 1G-2 para averiguar la frecuencia de resonancia, que los dos parámetros esenciales de una batería de condensadores para compensación de energía reactiva, sobre todo si la batería dispone de filtros para armónicos. Ambos analizadores cubren esta necesidad ampliamente, por lo que podremos averiguar, por ejemplo, si una batería de condensadores que dispone de filtros contra los armónicos se encuentra funcionando en sintonía, o por el contrario facilita el paso de los armónicos hacia los condensadores. 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 etapa de potencia de un inversor trifásico típico es susceptible a varios tipos de fallas, la mayoría de las cuales son potencialmente destructivas para un transistor IGBT de potencia. 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 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 1000 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 que su capacidad amplía 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 de desconexión de los transistores, 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.     

      Las pruebas estáticas de transistores de potencia realizando medidas con un multímetro, o el disparo de "G" (gate) o puerta de los transistores IGBT realizado con circuitos didácticos, o kit de escasa potencia, son posibles, pero no sirven para probar semiconductores de potencia. Los transistores de potencia MOSFET e IGBT en mal estado, o con bajo aislamiento, e incluso averiados, suelen producir el disparo de puerta para conectar o desconectar pequeñas potencias con señales de control de muy baja magnitud, proporcionada por kit o circuitos didacticos, además, si medimos su aislamiento pueden mostrar cierto valor en los electrodos de potencia que puede ser interpretado como correcto, cuando en realidad no lo es. En efecto, los circuitos didácticos o kit no suministran al D.U.T. (dispositivo bajo ensayo) la tensión suficiente para verificar la ruptura dieléctrica, no disponen de medida para tiempo de recuperación inversa del diodo TVS 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 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 de 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, no es posible evaluarlo de forma "sencilla" porque ello implica analizar de forma dinámica numerosos parámetros como veremos a continuación.  

 

      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.

 

INCONVENIENTES QUE PRESENTAN LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

      Los cambios por aumento de la capacidad "GE" (Gate Emisor), causados por el envejecimiento normal, en un transistor de conmutación se traducen en tiempos superiores de cierre o apertura del dispositivo, pudiendo 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.

      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, suelen producir sobretensiones de conmutación extremadamente elevadas debido a una "dv/dt" (velocidad de descenso del voltaje) muy brusca. 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 mayores 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.

 

          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.

     

      Pérdidas de potencia en las conmutaciones. En el siguiente dibujo podemos apreciar que la potencia perdida durante las conmutaciones de un transistor IGBT 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. 

 

 

      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 poca intensidad 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. 

       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 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 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 corriente 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. Esto también sucede cuando la carga del motor excede su máximo nominal, en este regimen 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 fabrican 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. Bajo este régimen de funcionamiento los transistores del variador y las redes de amortiguación snubber o los capacitores 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 la tensión máxima de diseño.        

TECNICA EMPLEADA POR EL ANALIZADOR DE SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

      La tecnología empleada por el analizador de semiconductores E.L.M. 600-3 es simple pero eficaz, 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 funcionamiento 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 y los arrancadores, con 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. 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 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 250 V, por lo que la seguridad contra voltajes dañinos es fundamental. 

 

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.

 

MEDICIÓN DE CORRIENTE DE FUGA

      En una aplicación típica de conversión de energía, el dispositivo semiconductor se utiliza como interruptor. 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. 

 

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