Tiristores: semiconductores que se caracterizan por tener más de 2 uniones y más de 3 zonas con dopados distintos

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1 Trstores El SCR. Introdccón. Estrctra y encapslado Trstores: semcondctores qe se caracterzan por tener más de 2 nones y más de 3 zonas con dopados dstntos SCR: Sllcon Controlled Rectfer Undrecconal GTO: Gate Trned-Off SCR Undrecconal DIAC Dode for Alternate Crrent Dodo de alterna Bdrecconal LASCR Lght Actvated SCR Undrecconal MCT: MOSFET Controlled Thyrstor Undrecconal TRIAC: Trode for Alternate Crrent Trstor de alterna Bdrecconal

2 6.1 El SCR. Introdccón. Estrctra y encapslado Estrctra PUERTA CÁTODO ÁNODO A AK T A PUERTA G G K CÁTODO K P N P Zona de perta Zona de bloqeo Zona de ánodo Z. de cátodo N G ÁNODO Estrctra de catro capas (PNPN) con dos estados estables (condccón y bloqeo). Unón PN zona de cátodo-zona de perta: UNIÓN CATÓDICA Unón PN zona de bloqeo-zona de perta: UNIÓN DE CONTROL Unón PN zona de bloqeo-zona de ánodo: UNIÓN ANÓDICA Bajo certas condcones, podemos qtar la nón de control

3 6.1 El SCR. Introdccón. Estrctra y encapslado Constrccón: Fabrcacón medante DIFUSIÓN o crecmento eptaxal (sstrato tpo N) P Capa anódca P1 Capa de bloqeo N1 Capa de control P2 Capa Catódca N2 DIFUSIÓN N 0 A P1 N1 P2 N2 G K N nón anódca nón de control nón catódca Electrónca de Potenca, Martínez, S., Galda, J.A.; Ed. Thomson, 2006.

4 6.1 El SCR. Introdccón. Estrctra y encapslado Encapslados DO 208 AC Ánodo Cobre Tgsteno A - Sb Cápsla metálca Cerre aslante Perta Pastlla Almno Tgsteno Cátodo Cobre Electrónca de Potenca, Martínez, S., Galda, J.A.; Ed. Thomson, 2006.

5 6.1 El SCR. Introdccón. Estrctra y encapslado Encapslados TO 209 AD B 7 TO 200 AF B 20 TO 208 AC B 2 (500 V 100A) (1300 V 1800A) (500 V 24A)

6 6.2 Bloqeo del SCR Bloqeo drecto: A R L R L ÁNODO G R G A K AK G R G AK P N P N K PUERTA CÁTODO La nón de control está polarzada nversamente. Se tene na corrente de fgas drecta.

7 6.2 Bloqeo del SCR Bloqeo nverso: A R L -AK R L ÁNODO G R G A K - AK G R G P N P N K PUERTA CÁTODO La nón anódca está polarzada nversamente. Se tene na corrente de fgas nversa.

8 6.2 Bloqeo del SCR Característcas del bloqeo drecto T V DWM V DSM V AK V DRM V DO Tensón de trabajo drecta (V DWM ): Máxma tensón drecta qe pede ser soportada de forma contnada sn pelgro de calentamento por avalancha. Tensón de pco repettvo drecta (V DRM ): Máxma tensón drecta qe pede ser soportada en pcos de 1ms repetdos cada 10 ms por tempo ndefndo. Tensón de pco únco drecta (V DSM ): Máxma tensón drecta qe pede ser soportada na sola vez cada 10 mntos o más, con dracón de pco de 10ms. Tensón de rptra drecta (V DO ): S es alcanzada, el dodo entra en condccón sn dañarse.

9 6.2 Bloqeo del SCR Característcas del bloqeo nverso T V BR V RRM V RSM V RWM V DWM V DSM V AK V DRM V DO Tensón de trabajo nversa (V RWM ): Máxma tensón nv. qe pede ser soportada de forma contnada sn pelgro. Tensón de pco repettvo nversa (V RRM ): Máxma tensón nv. qe pede ser soportada en pcos de 1ms repetdos cada 10 ms por tempo ndefndo. Tensón de pco únco nversa (V RSM ): Máxma tensón nv. qe pede ser soportada na sola vez cada 10 mntos o más, con dracón de pco de 10ms. Tensón de rptra nversa (V BR ): S es alcanzada, anqe sea por na vez, el dodo pede destrrse o al menos degradar ss característcas eléctrcas.

10 6.2 Bloqeo del SCR Cálclo de pérddas en bloqeo Son my peqeñas en comparacón con las prodcdas en condccón. El fabrcante proporcona el valor máxmo de la corrente de fgas (I FUGAS MAX ). Es sfcente con acotar las máxmas pérddas prodcdas en bloqeo, tomando I FUGAS MAX. P BLOQUEO 1 T t T t 0 AK (t) T (t) dt I FUGAS MAX 1 T t T t 0 AK (t) dt P I BLOQUEO FUGAS MAX AK AVG

11 6.3 Estado de condccón del SCR A R L R L ÁNODO G R G A K T G R G T P N P N K PUERTA CÁTODO La corrente T crclando en el sentdo ndcado, hace qe portadores mnortaros llegen a la nón de control. Allí se aceleran y crean pares e-heco. Estos nevos portadores se aceleran, mantenéndose el proceso.

12 6.3 Estado de condccón del SCR T Característcas del estado de condccón T V BR V RRM L V RSM V RWM H V AK V DWM V DSM V DRM V DO Intensdad meda nomnal (I TAV ): Es el valor medo de la máxma ntensdad de mplsos senodales de 180º qe el trstor pede soportar con la cápsla mantenda a na determnada temperatra (85 ºC normalmente). Intensdad de pco repettvo (I TRM ): Intensdad máxma qe pede ser soportada cada 20 ms por tempo ndefndo, con dracón de pco de 1ms a determnada temperatra de la cápsla. Intensdad de pco únco (I TSM ): Es el máxmo pco de ntensdad aplcable por na vez cada 10 mntos o más, con dracón de pco de 10ms.

13 6.3 Estado de condccón del SCR T Característcas del estado de condccón T V BR V RRM L V RSM V RWM H V AK V DWM V DSM V DRM V DO Corrente de mantenmento (I H ): Es la corrente mínma de ánodo qe se reqere para qe el trstor sga mantenéndose en condccón. Corrente de enclavamento (I L ): Es la corrente de ánodo mínma qe se reqere para qe el trstor sga mantenéndose en condccón nmedatamente despés de qe el dspostvo haya entrado en condccón y la señal de perta haya desaparecdo (plso en la perta de 10 ms).

14 6.3 Estado de condccón del SCR Cálclo de pérddas P P COND COND 1 T 1 T t T t 0 t T t 0 AK CND T(TO ) (t) T (t) T (t) dt (t) R T T (t) dt T T(TO) P COND T(TO ) T AVG R T 2 T RMS T R T T(TO) : T AVG : R T : T RMS : Tensón mbral. Corrente drecta meda. Resstenca dnámca. Corrente efcaz.

15 6.4 Dsparo del SCR Control del SCR DISPARO BLOQUEO Dsparos NO deseados Bloqeo natral Por exceso de tensón Por dervada de tensón Por radacón electromagnétca Bloqeo forzado Por fente nversa de tensón Por fente nversa de corrente Dsparos deseados Por mplso de perta

16 6.4 Dsparo del SCR: Dsparo no deseado Dsparo por exceso de tensón S la tensón soportada por la nón de control se acerca al valor de rptra en sentdo drecto, la corrente de mnortaros amenta consderablemente (proceso de avalancha). S la corrente de fgas se eleva por encma del valor de enclavamento el dspostvo es capaz de mantener el estado de condccón. P N P PUERTA ÁNODO N CÁTODO

17 6.4 Dsparo del SCR: Dsparo no deseado Dsparo por dervada de tensón ÁNODO ÁNODO P P N N P N P N PUERTA CÁTODO PUERTA CÁTODO S se prodce n cambo brsco de polarzacones entre bloqeo nverso y drecto (paso por cero de la tensón), no hay tempo para la organzacón de cargas. La tensón soportada por la nón de control será elevada, acelerando a los portadores mnortaros. S la corrente de mnortaros se eleva por encma del valor de enclavamento, el dspostvo es capaz de mantener el estado de condccón. Dato del fabrcante: (d/dt) max

18 6.4 Dsparo del SCR: Dsparo no deseado Dsparo por radacón electromagnétca FUGAS ÁNODO P N P PUERTA N CÁTODO E Menor penetracón MAX E La accón combnada de tensón drecta, temperatra y radacón electromagnétca de longtd de onda apropada pede ncrementar la corrente de mnortaros. S la corrente de fgas se eleva por encma del valor de enclavamento, el dspostvo es capaz de mantener el estado de condccón.

19 6.4 Dsparo del SCR: Dsparo por corrente de perta Característca de perta ÁNODO R L R L P R L N P N G PUERTA CÁTODO G G La característca de entrada es la correspondente al dodo entre perta y cátodo (nón catódca).

20 6.4 Dsparo del SCR: Dsparo por corrente de perta Característca de perta GMAX G P GMAX Hay pntos (coordenadas G - GK ) qe delmtan zonas III G < G1 : ZONA I Zona de dsparo mposble: Nnca se dspara el SCR. G1 < G < G2 : ZONA II G2 G1 II I Zona de dsparo mprobable: No se garantza el dsparo, anqe a veces ocrre. I II III GK1 GK2 GKMAX GK G1 < G < G2 : ZONA III Zona de dsparo segro: Se garantza el dsparo. Exsten característcas límte, así como valores máxmos para G, GK y zona de potenca máxma (SOAR)

21 6.4 Dsparo del SCR: Dsparo por corrente de perta Tempos de dsparo con carga resstva G t G R T T t ds t d t r L G AK 10% t d : retardo; desde qe comenza el plso de perta hasta qe T llega al 10% del valor nomnal. t r : sbda; termna cando T = L (enclavamento); Desde entonces hay condccón atomantenda. t ds : dsparo: es el tempo mínmo qe tene qe tener G para dsparar el SCR. (0,5 3 s)

22 6.4 Dsparo del SCR: Dsparo por corrente de perta Tempos de dsparo con carga ndctva G t G L T T t ds t d t r L G AK 10% t d : retardo; desde qe comenza el plso de perta hasta qe T llega al 10% del valor nomnal. t r : sbda; termna cando T = L (enclavamento); Desde entonces hay condccón atomantenda. t ds : dsparo: es el tempo mínmo qe tene qe tener G para dsparar el SCR. (0,5 3 s)

23 6.4 Dsparo del SCR: Dsparo por corrente de perta Tempos de dsparo con carga ndctva: Trenes de plsos G t G L T T t ds t d t r L G AK 10% t d : retardo; desde qe comenza el plso de perta hasta qe T llega al 10% del valor nomnal. t r : sbda; termna cando T = L (enclavamento); Desde entonces hay condccón atomantenda. t ds : dsparo: es el tempo mínmo qe tene qe tener G para dsparar el SCR. (0,5 3 s)

24 6.4 Dsparo del SCR: Crctos de dsparo Acoplamento drecto SCR PULSOS DE CONTROL Útl s el cátodo del SCR va a masa (comparte referenca con el control)

25 6.4 Dsparo del SCR: Crctos de dsparo Acoplamento magnétco SCR D LC PULSOS DE CONTROL Útl s el cátodo del SCR NO está a masa (no comparte referenca con el control) Dodo D LC : de lbre crclacón (desmagnetzacón del núcleo). Mejor con zener.

26 6.4 Dsparo del SCR: Crctos de dsparo Acoplamento óptco PULSOS DE CONTROL SCR Útl s el cátodo del SCR NO está a masa (no comparte referenca con el control) Menor coste qe con transformador.

27 6.5 Bloqeo del SCR: Bloqeo natral Cando la corrente por el SCR evolcona (debdo al crcto) de manera qe pasa a ser menor qe la de mantenmento. T CIRCUITO H AK T H AK

28 6.5 Bloqeo del SCR: Bloqeo forzado A veces se precsa del bloqeo anqe T > H. Hay n tempo de recperacón drante el cal el SCR NO PUEDE SOPORTAR TENSIÓN T CIRCUITO H AK t B T t B : tempo de bloqeo H AK

29 6.5 Bloqeo del SCR: Fente nversa de tensón R C R AUX SCR R Tensones Correntes SCR SCR AUX SCR AUX En permanente, SCR ON, SCR AUX OFF, y C está cargado con. En t=t 1, se dspara SCR AUX. La descarga del C es a través de R, por lo qe se resta corrente del SCR. Aparece sobre SCR na FIT, para qe el trstor no se velva a encender (t FIT <t B ). En t=t 2, SCR se apaga (< H ) R AUX C t 1 t 2

30 6.5 Bloqeo del SCR: Fente nversa de tensón R C R AUX SCR R Tensones Correntes SCR SCR AUX SCR AUX t FIT En permanente, SCR ON, SCR AUX OFF, y C está cargado con. En t=t 1, se dspara SCR AUX. La descarga del C es a través de R, por lo qe se resta corrente del SCR. Aparece sobre SCR na FIT, para qe el trstor no se velva a encender (t FIT <t B ). En t=t 2, SCR se apaga (< H ) R AUX C t 1 t 2

31 6.5 Bloqeo del SCR: Fente nversa de tensón R C R AUX SCR R Tensones Correntes SCR SCR AUX SCR AUX t FIT C 1,74 T PERM t B AK PERM En permanente, SCR ON, SCR AUX OFF, y C está cargado con. En t=t 1, se dspara SCR AUX. La descarga del C es a través de R, por lo qe se resta corrente del SCR. Aparece sobre SCR na FIT, para qe el trstor no se velva a encender (t FIT <t B ). En t=t 2, SCR se apaga (< H ) R AUX C t 1 t 2

32 R 6.5 Bloqeo del SCR: Fente nversa de corrente En permanente, SCR ON, SCR AUX OFF, y C está cargado con C0. En t=t 1, se dspara SCR AUX. Comenza na resonanca LC qe toma corrente del SCR; este se apaga. En t=t 2, D deja de condcr, y el crcto evolcona exponencalmente hasta qe SCR AUX < SCR AUX H SCR D SCR AUX C L R SCR SCR AUX D t 1 C L T PERM C0 t FIT Tensones Correntes AK PERM C 0,893 T PERM t B AK PERM

33 R 6.5 Bloqeo del SCR: Fente nversa de corrente En permanente, SCR ON, SCR AUX OFF, y C está cargado con C0. En t=t 1, se dspara SCR AUX. Comenza na resonanca LC qe toma corrente del SCR; este se apaga. En t=t 2, D deja de condcr, y el crcto evolcona exponencalmente hasta qe SCR AUX < SCR AUX H SCR D SCR AUX C L R SCR SCR AUX D t 1 t 2 C L T PERM C0 t FIT t 3 Tensones Correntes AK PERM C 0,893 T PERM t B AK PERM

34 R 6.5 Bloqeo del SCR: Fente nversa de corrente En permanente, SCR ON, SCR AUX OFF, y C está cargado con C0. En t=t 1, se dspara SCR AUX. Comenza na resonanca LC qe toma corrente del SCR; este se apaga. En t=t 2, D deja de condcr, y el crcto evolcona exponencalmente hasta qe SCR AUX < SCR AUX H SCR D SCR AUX C L R SCR SCR AUX D t 1 t 2 C L T PERM C0 t FIT t 3 Tensones Correntes AK PERM C 0,893 T PERM t B AK PERM

35 R 6.5 Bloqeo del SCR: Fente nversa de corrente En permanente, SCR ON, SCR AUX OFF, y C está cargado con C0. En t=t 1, se dspara SCR AUX. Comenza na resonanca LC qe toma corrente del SCR; este se apaga. En t=t 2, D deja de condcr, y el crcto evolcona exponencalmente hasta qe SCR AUX < SCR AUX H SCR D SCR AUX C L R SCR SCR AUX D t 1 t 2 C L T PERM C0 t FIT t 3 Tensones Correntes AK PERM C 0,893 T PERM t B AK PERM

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45 6.7 Otros trstores

46 6.7 Otros trstores TRIAC T1T2 T T1 T1 T2 G TRIAC: TRIode for Alternate Crrent G T1T2 PUERTA P N P N N N PUERTA T T2 T1 T2 No es exacto (referenca de tensones dstnta para cada SCR) G PUERTA

47 6.7 Otros trstores TRIAC TMAX T PRIMER CUADRANTE V O V RMVWM VSM L H V T1T2 H L V WM V RM V SM V O TERCER CUADRANTE TMAX

48 6.7 Otros trstores TRIAC: Dsparo Dsparo controlado Por nyeccón de corrente en perta, tanto postva como negatva. Prmer cadrante postvo: T1T2 > 0, G > 0 (fácl). Prmer cadrante negatvo: T1T2 > 0, G < 0 (dfícl). Tercer cadrante postvo: T1T2 < 0, G > 0 (my dfícl). Tercer cadrante negatvo: T1T2 < 0, G < 0 (fácl). T R T1T2 Dsparo no deseado G -Por dervada de tensón dv/dt. -Por tensón excesva entre A-K. TRIAC: Aplcacones Reglacón de alterna meda - baja potenca Control de velocdad motores Control de fljo lmnoso Electrodoméstcos de baja potenca

49 6.7 Otros trstores DIAC T T1T2 DIAC: Dode for Alternate Crrent Dsparo por tensón (V BO ) T1 T2 T V BO L H T1T2 H L V BO

50 6.7 Otros trstores DIAC: Ejemplo de crcto axlar de dsparo de TRIAC R L V AC R 1 V AC T C R 2 C R 3 T R1 = 0, máxma potenca. R1 = Elevada, mínma potenca.

51 6.7 Otros trstores GTO AK GTO: Gate Trned-Off SCR A T K G Interrptor ndrecconal controlado por perta. Entrada en condccón: Inyeccón de corrente en perta. Salda de condccón: Extraccón de corrente de perta. Soporta tensones nversas bajas (20V). La corrente de apagado es del orden de 1/3 de la corrente qe maneja el dspostvo.

52 6.7 Otros trstores LASCR: Fotorrstor A T AK K LASCR: Lght Actvated SCR G Son trstores actvados por lz. Utlzados en alta tensón. Frecencas de conmtacón de hasta 2KHz. Tensones elevadas 6000V y 1500A.

53 6.7 Otros trstores MCT MOSFET Controlled Thyrstor Pesta en condccón por tensón negatva en perta. Apagado por tensón postva en perta. Gananca elevada de tensón de control. Dsponbles hasta 1000V y 100A. Potencas medas bajas.

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