3.2. Características generales del tiristor real

Transcripción

1 Capíulo 3 Tirisores 3.1. Inroducción El irisor es la primera implemenación de una llave de esado sólido para conmuación de poencia. Fue presenado por los laboraorios de General Elecric en 1957 y sigue siendo el disposiivo con mayor capacidad de manejo de poencia. Su forma de funcionamieno esá direcamene asociada con la operación de un converidor conmuado por la red (Capíulo 1). En ese campo el irisor susiuyó finalmene a componenes basados en descargas en gases o vapores como los ignirones, que hasa los años 70 dominaron el área de los converidores de grandes poencias como el conrol de grandes moores de corriene coninua y la ransmisión de poencia en corriene coninua y ala ensión. Si bien su funcionamieno se adapa al converidor conmuado por la red, su ala capacidad de bloqueo de ensión y de conducción de corriene ha impulsado su uso como llave en inversores y converidores CC/AC, conviriéndolo en llave apagable mediane componenes adicionales. Los irisores para ese úlimo uso ienen una consrucción especial que los hace más rápidos en sus conmuaciones. En nuevos diseños para esas aplicaciones los irisores han venido siendo susiuidos por llaves inrínsecamene apagables, como el GTO (Capíulo 5) y el IGBT (Capíulo 8). El irisor real se caraceriza por su robusez y su ala capacidad de manejo de poencia. La difusión de su uso hace imprescindible para el diseñador y el usuario de disposiivos de elecrónica de poencia conocer los fundamenos de su funcionamieno y aplicaciones Caracerísicas generales del irisor real Consideraremos converidores conmuados por la red, como el puene de seis pulsos dos vías ya descrio en el capíulo 1 (Fig. 3.1). Los irisores bloquean la ensión de pico de la fuene de C.A. ano en direco como en inverso y conducen la corriene I d durane el iempo que le oca conducir a cada uno. Si se consideran irisores ideales, no hay resricciones a los valores de ensión y corriene. Además, la corriene por irisores apagados y la ensión sobre irisores prendidos es cero. 59

2 60 CAPÍTULO 3. TIRISTORES R S T Lk Id Ud _ Id Figura 3.1: Puene de seis pulsos dos vías con corriene lisa U R U D I A K I G G Figura 3.2: Esquema (símbolo) del irisor Los irisores reales, en cambio, presenan limiaciones en cuano a las ensiones a bloquear y corrienes a conducir que pueden ser caracerizadas mediane análisis de los esados de funcionamieno El irisor como llave abiera. Límie de ensión La figura 3.2 muesra un esquema del irisor con sus elecrodos y las convenciones de signo de sus parámeros. Cuando el irisor no esá conduciendo, puede esar en bloqueo inverso o en bloqueo direco. En bloqueo inverso U AK oma un valor U R pero con signo negaivo: U AK = U R < 0. U R es la ensión que el irisor esá bloqueando en inverso. U RM es la máxima ensión que, aplicada en inverso, puede ser bloqueada por el irisor. En bloqueo direco: U AK = U D > 0. U D es la ensión que el irisor esá blo-

3 3.3. RAT INGS Y CARACTERÍSTICAS 61 queando en direco. U DM es la máxima ensión que, aplicada en direco, puede ser bloqueada por el irisor. Usualmene el fabricane da el mismo valor para U RM y U DM y la llama U DRM. U DRM es enonces la máxima ensión que el irisor puede bloquear, ano en direco como en inverso, según los daos del fabricane. En bloqueo inverso, U AK debe ser siempre menor en módulo que U DRM U AK = U R < U DRM (3.1) En bloqueo direco, U AK debe ser siempre menor que U DRM Corriene durane el bloqueo U AK = U D < U DRM (3.2) En esado de bloqueo (llave abiera) la corriene por el disposiivo ideal es cero. En el irisor real, a pesar que el disposiivo no esé conduciendo, circula por él una pequeña corriene (corriene de fugas) I f en senido direco o inverso, dependiendo del ipo de bloqueo. Esa corriene depende de la emperaura y desempeña un papel imporane, sobre odo en el esado de bloqueo direco El irisor en conducción. Límie de corriene Cuando esá conduciendo, el irisor se compora como una llave cerrada y circula por él una corriene I T impuesa por el circuio exerno. I T no puede ser mayor que un valor I Tmax, el cual depende de la forma de onda de la corriene y del iempo durane el cual esa corriene circula por el irisor. El fabricane da varios valores de corrienes máximas en disinas condiciones de funcionamieno. Tensión durane la conducción En esado de conducción la ensión sobre el disposiivo ideal es cero. En el irisor real la ensión en esado de conducción U AK = U T > 0. U T depende de la corriene y la emperaura y es del orden de 1 a 2 V si la corriene esá denro de los límies admiidos para operación permanene Raings y caracerísicas Para un irisor deerminado, el valor de la ensión U DRM de bloqueo y los disinos valores de corrienes máximas represenan límies denro de los cuales puede operar el disposiivo con seguridad, y deerminan en primera insancia qué irisor es adecuado a una aplicación dada. Oro ejemplo de límie es la emperaura de rabajo del irisor. Los límies de ese ipo se denominan raings en las hojas de daos en inglés, palabra que se usará en el exo de aquí en adelane. En funcionamieno, adquieren relevancia parámeros que no esán direcamene impuesos por la aplicación misma sino por el disposiivo, y deben ser

4 62 CAPÍTULO 3. TIRISTORES Raings U DRM I Tmax (average ) I Tmax (RMS) T jmax (emperaura) Caracerísicas U T I f I g on off Figura 3.3: Raings y caracerísicas enidos en cuena ya que definen los aparamienos con respeco al componene ideal. Ejemplos de esos parámeros son la corriene de fugas I f, cuando el irisor bloquea, la ensión sobre el irisor U T cuando conduce, los iempos de pasaje de uno a oro esado y los requerimienos de corriene de gae para el disparo. Noa: Esa erminología se aplica a odas las llaves implemenadas con semiconducores y los parámeros aparecen clasificados de esa forma en las hojas de daos 3.4. Esrucura de un irisor Para la consrucción de un irisor, se pare de un rozo de silicio n, que conduce esencialmene por movimieno de elecrones, al cual se lo dopa de un lado y del oro con acepores formando dos capas p, que conducen esencialmene por movimieno de huecos. Finalmene, uno de esos lados p se dopa con una concenración muy grande de donadores, por lo que queda una capa n+, y el oro lado p se dopa con una concenración muy grande de acepores, por lo que queda una capa p+. En la figura 3.4 se muesra un diagrama de la esrucura que queda luego del proceso descrio. En la figura 3.5 (Mohan e al. 1995, adapado de) se muesra el perfil de dopaje de un irisor común, así como posibles disribuciones del cáodo y el gae en el chip de silicio. El esquema presenado en la figura 3.4 represena una zona muy pequeña del crisal de silicio que consiuye el irisor. En realidad el irisor es una oblea de a lo sumo unas décimas de milímeros de espesor y radio que puede ir de algunos milímeros a más de 10 cenímeros.

5 3.5. FUNCIONAMIENTO 63 G K n + p n - p p + A Figura 3.4: Esquema consrucivo de un irisor En la figura 3.6 se muesra a qué pare del irisor puede corresponder la esrucura de la figura 3.4. La oblea puede ser circular o recangular. La figura 3.7 muesra las capas, su numeración convencional y su conexión a los elecrodos meálicos exernos. La zona n + consiuye el cáodo (K) del irisor (capa 4). La zona p superior (capa 3) es el gae (G). La zona n (capa 2) consiuye la capa de bloqueo y no iene conexión exerna. La zona p inferior (capa 1) es el ánodo (A). La zona p + es pare del ánodo y su finalidad principal consise en mejorar el conaco del semiconducor con el meal que se coneca al mismo. En general las uniones meal - semiconducor son muy difíciles de lograr si se quiere que acúen como un conducor (unión óhmica) y no como una junura con capacidad de recificación (por ejemplo, los llamados diodos schoky consisen esencialmene en junuras meal - semiconducor). La capa 4 ocupa superficies basane exensas del silicio pero iene que dejar zonas libres por donde se pueda ener un conaco meálico para el Gae (capa 3). El conaco de la capa 1 (a ravés de la zona p + ) ocupa oda la superficie de la oblea de silicio (figura 3.8) Funcionamieno En lo que sigue analizaremos cómo funciona la esrucura presenada, en ano aproximación real de un irisor No conducción: Bloqueo Bloqueo inverso: U AK < 0

6 64 CAPÍTULO 3. TIRISTORES Gae Cáodo n m -3 n m -3 p m -3 n x m µm µm µm Cáodo Core p m -3 p m -3 Gae Anodo (a) Oblea µm Core Oblea Area de Cáodo Gae disribuido (b) Figura 3.5: Esrucura de un irisor genérico adapado de Mohan e al (a) Sección verical - (b) Disribuciones ípicas de gae y cáodo Si se analizan las junuras (figuras 3.8 y 3.9) se ve que, dada la ensión aplicada en la junura 3-4, el lado n + esá más posiivo que el lado p, por lo que dicha junura se compora como un diodo polarizado en inverso. Si se aplica el mismo análisis para las junuras 2-3 y 1-2 se ve que esán polarizadas en direco y en inverso respecivamene. En resumen: J 34 - polarizada en inverso J 23 - polarizada en direco J 12 - polarizada en inverso Por lo ano en el camino de la corriene se ienen dos diodos polarizados en inverso y el irisor no conduce, a menos que la ensión sea lo suficienemene grande como para que los dos diodos enren en avalancha. Debido a los dopajes y dimensiones de las capas, la junura que bloquea la ensión inversa es la 1 2 (J 12, figura 3.9) ya que la ensión de avalancha de la junura J 34 es muy baja, debido al bajo espesor y el alo dopaje de las capas que la componen. La división de ensiones enre los dos diodos es al que prácicamene oda la ensión aplicada en inverso queda bloqueada por J Además, la junura J 34 en una implemenación real se modifica de al manera que su capacidad de bloqueo pierde imporancia (ver sección 3.6.3). El valor U DRM dado por el fabricane es la máxima ensión inversa aplicable al irisor sin que enre en avalancha. Si la ensión U AK llega a un valor U AK = U RBR el diodo J 12 enra en avalancha y el irisor conduce una corriene deerminada por el circuio exerno. La ensión de avalancha esá deerminada por el ancho y el dopaje de la 1 Aunque J 34 enrara en avalancha la corriene disponible es muy baja, ya que consise solamene en las fugas en inverso de J 12

7 3.5. FUNCIONAMIENTO 65 lado o diámero: de 2 mm a >10 cm core espesor <1mm p n + n - p p + Figura 3.6: Dimensiones de una oblea de silicio para un irisor meal G K capa del gae (3) p n + capa del cáodo (4) capa de bloqueo (2) n - capa del ánodo (1) p p + meal A Figura 3.7: Dealles del esquema consrucivo de un irirsor zona de bloqueo. El mecanismo de la avalancha se llama ionización por impaco. Un campo elécrico suficienemene alo puede hacer que un elecrón libre en el crisal adquiera suficiene energía cinéica como para impacar en un áomo de silicio, romper un enlace covalene y generar un nuevo elecrón libre, que a su vez es acelerado por el mismo campo elécrico. Es un proceso que avanza muy rápidamene como una reacción en cadena, creando en muy poco iempo una gran canidad de elecrones libres en el crisal ransformando la zona de empobrecimieno o deplexión formada por la polarización inversa en un conducor. El fenómeno se presena en el capíulo 2 en el conexo del funcionamieno de una junura pn. La avalancha depende enonces del campo elécrico necesario para que se produzca y de la canidad de elecrones libres disponibles. El campo depende a su vez del espesor de la capa n y de la ensión aplicada, por lo ano, a mayor espesor de la capa y menor dopaje (menor disponibilidad de elecrones libres), mayor es la ensión necesaria para la avalancha. La figura 3.5 muesra la exensa gama de valores que puede omar el espesor de la capa 2, correspondiendo al

8 66 CAPÍTULO 3. TIRISTORES G K n + n + n + n + p n - p p + A Figura 3.8: Disribución de conacos gae - cáodo de un irisor rango de ensiones que pueden bloquear los irisores. La esrucura muesra claramene que en bloqueo inverso no es posible hacer conducir el irisor, ya que no hay forma de modificar la junura J 12, la cual se compora como un diodo de ala ensión. Bloqueo direco: U AK > 0 Haciendo un análisis similar al realizado para el bloqueo inverso, se ve que ahora se iene: J 34 - polarizada en direco J 23 - polarizada en inverso J 12 - polarizada en direco En ese caso se iene una sola junura polarizada en inverso, no hay conducción salvo la corriene de fugas de la junura J 23. Si aumenamos la ensión direca hasa U AK = U D > U Ravalancha endremos una avalancha en esa junura a una ensión similar que la de avalancha en inverso, dado que la capa n que deermina la capacidad de bloqueo es la misma. Sin embargo, como enre la capa p y el conaco del cáodo hay una zona n + el comporamieno general es disino Conducción Conducción por exceso de ensión U AK > 0 Supongamos que, esando en las condiciones de bloqueo direco, la junura J 23 llega a una ensión del orden de la ensión que produce una avalancha. Si se analiza la consrucción del irisor, se ve que la esrucura n +, p y n es un ransisor, y la corriene de fugas de la junura J 23 puede asimilarse a una corriene de base que, si iene un valor suficienemene alo, puede hacer conducir ese ransisor. La corriene de fugas es en principio la corriene inversa de sauración de una junura pn según el modelo presenado en el capíulo 2. Esa corriene no depende de la ensión inversa, que en ese caso es la ensión de bloqueo. Sin embargo, si se oma en cuena la generación de poradores (pares elecrón hueco) en la

9 3.5. FUNCIONAMIENTO 67 G K G K 4 n+ J 34 J 23 J 12 p n p p+ A A Figura 3.9: Esquema y represenación de un irisor zona de deplexión para valores de ensión de bloqueo cercanos al de avalancha, resula que la corriene Is crece con U AK. 2 Por lo ano, si U AK es suficienemene grande (del orden de U RBR ) ambién lo es la corriene de fugas que acúa como corriene de base, y el ransisor n + pn (4 3 2) prende, anes de producirse la avalancha de J 23. El proceso se ilusra en la figura 3.10 y corresponde al encendido de un ransisor npn. La capa del cáodo (n + ) es el emisor, la del gae (p) corresponde a la base y la de bloqueo hace de colecor. Los dopajes y espesores de las capas son los correspondienes a un ransisor común, con lo cual su ganancia en emisor común es la normal. Por lo ano, si bien la corriene de fugas es muy pequeña en comparación con las corrienes de rabajo previsas para el irisor, si U AK > 0 es suficienemene grande, llega a un valor que alcanza para hacer conducir el ransisor. La corriene de ánodo que empieza a circular porque se prendió el ransisor n pn+ y que esá deerminada por el circuio exerno se puede asimilar a la corriene de base de un ransisor pnp consiuido por las capas 1 (ánodo, p), 2 (bloqueo, n ) y 3 (gae, p). La capa 1 (ánodo) acúa como emisor. 2 El modelo uilizado en el capíulo 2 para deerminar la corriene inversa de sauración en una junura pn considera un caso ideal que sirve en los libros de exo como primera aproximación al comporamieneo de esas esrucuras. No oma en cuena por lo ano un fenómeno que se produce en la zona de deplexión y que consise en la generación érmica de pares elecrón - hueco. Esa generación de poradores se vuelve imporane cuando la zona de deplexión es muy ancha, como es el caso de J 23 con ensión cercana a la de avalancha. Se crea enonces una corriene inversa adicional que depende de los poradores disponibles, cuya canidad va aumenar con el volumen de la zona de deplexión. La densidad de esa corriene adicional puede aproximarse como: J gen = q.n i.(x n + x p)/τ e q.n i.x n/τ e. Donde q es la carga elécrica del elecrón, n i la concenración inrínseca de elecrones libres en el silicio, x n +x p x n el ancho de la zona de deplexión y τ e un iempo de vida media de los elecrones en la zona de deplexión. Como x n + x p crece con la ensión bloqueada, de acuerdo la expresión dada por la ecuación 2.68 del capíulo 2, ambién lo hace esa componene de la corriene de fugas.

10 68 CAPÍTULO 3. TIRISTORES G K J 23 J 12 p n - n + I fj23 e - recomb J 34 corriene de elecrones p p + 1 A Figura 3.10: Comienzo del encendido del irisor cuando U AK > U DRM Ese ransisor iene mucho menos ganancia que el npn, pueso que iene una base muy ancha (la capa de bloqueo del irisor), pero la corriene de base es la corriene de colecor del npn, por lo ano el pnp empieza a conducir. Al prenderse el ransisor npn la corriene esá formada esencialmene por elecrones que vienen de la capa n + hacia la zona 2 y al prenderse el ransisor pnp, la corriene esá formada esencialmene por huecos que salen de la capa 1, se difunden por la 2 (n ) y llegan a la capa 3, base del npn, aumenando la corriene de base de ese ransisor. En esa siuación se ienen dos ransisores saurados, la ensión ánodo-cáodo cae, y la corriene oal, suma de las corrienes de base de los ransisores npn y pnp, queda deerminada por el circuio exerno (figura 3.11). El valor U DRM dado por el fabricane es la máxima ensión direca que sopora el disposiivo sin enrar en conducción (figura 3.14). Conducción comandada por gae La caracerísica fundamenal del irisor como llave reside en el hecho de que, con ensión U AK > 0 se puede prender, es decir se puede comandar de manera que conduzca en el insane apropiado, mediane un elecrodo de conrol, la compuera o gae. Supongamos que enemos el irisor en bloqueo direco (U AK > 0) con U AK = U D < U DRM. La corriene de fugas direca I fj23 que depende de la ensión U AK, no alcanza para encender el ransisor n + pn. En esas condiciones se hace circular una corriene I G de gae a cáodo pasando por la junura J 34 (figura 3.12). Si la suma de las corrienes I G + I fj23 (corriene de base)

11 3.5. FUNCIONAMIENTO 69 Figura 3.11: Tirisor en conducción iene un valor suficienemene grande, comienza a conducir el ransisor n + pn, reproduciéndose el proceso de encendido ya descrio. Si aplicamos valores cada vez mayores de I G, serán necesarios valores menores de ensión direca U D para que el irisor enre en conducción, ya que se necesia menos corriene de fugas para complear la corriene de base necesaria para hacer conducir el ransisor n + pn. Una vez encendido, la corriene de colecor del ransisor pnp oma el papel de la corriene de base del npn. Los dos ransisores quedan conduciendo e I G no es ya necesaria. Esá claro que, para una aplicación concrea, es deseable que el irisor dispare para el mayor rango posible de ensiones direcas, y la corriene I G debe adaparse a ese requerimieno. Los fabricanes dan en general el valor mínimo de I G para que los irisores disparen con seguridad bajo una ensión direca U D 6V (o 12V para irisores con U DRM > 2kV ). En la prácica eso significa que, en un puene de seis pulsos dos vías alimenado con 220 V, el ángulo mínimo de disparo es de arcsin 6V 2U = 1, 1 o, lo que no supone resricción prácica alguna a la conrolabilidad del recificador Modelo de dos ransisores Los dos ransisores idenificados en la esrucura y funcionamieno del irisor pueden represenarse según el esquema de la figura De la represenación se deduce que, en conducción y con I G = 0: I bpnp = I cnpn (3.3)

12 70 CAPÍTULO 3. TIRISTORES G I G + _ K n + p I G e - n - I fj23 p p + A Figura 3.12: Encendido del irisor con corriene de gae Además: I cpnp = I bnpn (3.4) Caída de ensión en conducción I T = I bpnp + I cpnp = I K (3.5) Es fácil ver ahora que la caída de ensión en conducción del irisor (U T ) no será nula y esará compuesa por la caída en conducción de un diodo y el volaje de sauración de un ransisor: U T = U EBpnp + U SATnpn (3.6) El primer érmino de la ecuación varía muy poco con la corriene, mienras que el segundo érmino corresponde a la ensión de sauración de un ransisor con un colecor muy ancho y de bajo dopaje, por lo que iene un comporamieno esencialmene resisivo. La caída de ensión, a efecos prácicos suele expresarse de esa forma: U T = U T 0 + r T I T (3.7) Donde U T 0 es aproximadamene la suma algebraica de las caídas de ensión correspondienes a las junuras en el camino de la corriene y r T esá relacionada con la resisencia óhmica de la capa de bloqueo en conducción que, sobre odo

13 3.5. FUNCIONAMIENTO 71 I T A capa 1 Ib pnp (p + ) capa 2 pnp (capas 1-2-3) capa 3 Ic pnp (e - ) + capa 2 V sa _ npn (capas 4-3-2) capa 3 G capa 4 I G I T K Figura 3.13: Modelo del irisor como dos ransisores en irisores de ensiones medias y alas, ocupa la mayor pare del volumen del disposiivo Caracerísica ánodo - cáodo Todo lo anerior se resume en la caracerísica ánodo - cáodo del irisor (Fig. 3.14) El valor de U DRM lo esablece el fabricane para definir una zona de operación donde el disposiivo no enra en conducción en forma forzada con polarización direca ni cae en avalancha con polarización inversa. Qué sucedería si se aplicara una corriene de gae que prende el ransisor npn pero la corriene de colecor de ése no es suficiene para prender el ransisor pnp? El irisor no prendería. Es por eso que el fabricane define una corriene exerna mínima (proporcionada por el circuio exerno) para que el irisor encienda: I L (lach). A su vez, si el irisor esá prendido y no se le esá suminisrando corriene de gae, si la corriene que circula por el circuio exerno baja por debajo de deerminado valor I H (holding) dado por el fabricane, el irisor se apaga debido a que la corriene por el circuio exerno deja de ser suficiene como para manener prendidos los dos ransisores. Si se cumple que I T I bpnpminima + I bnpnminima < I H (3.8)

14 72 CAPÍTULO 3. TIRISTORES I 1/r T Conducción I T U R BR I L I H I G2 I G1 -U DRM Bloqueo inverso U T0 U R >U BR DRM U D3 U D2 U D1 Bloqueo direco +U DRM U D cond U U D >U cond DRM I G2 >I G1 Figura 3.14: Caracerísica ánodo-cáodo del irisor los poradores se recombinan en las bases (capas 2 y 3) a mayor velocidad de lo que son suminisrados por el circuio exerno. Se cumple que: I H < I L (3.9) 3.6. Encendido La figura 3.15 ilusra el proceso de encendido del irisor. Se supone que la ensión U AK es U AK = U D > 0, con U D suficienemene ala como para que el irisor dispare si se le aplica corriene direca a la junura gae - cáodo (circuio de gae). La mínima ensión direca prácica esá en los daos de los fabricanes y es convencionalmene 6 o 12 V, dependiendo de la capacidad de bloqueo del irisor. El proceso de encendido del irisor que ineresa esudiar es el que se inicia con la aplicación de corriene de gae en el insane elegido para el disparo ( 0 ). Como la corriene que se aplica para el encendido circula enre el gae y el cáodo, la zona que enciende primero es la pare del irisor que coincide con el borde de la zona del cáodo (Figura 3.16). El iempo que demora el irisor en empezar a conducir es un iempo de reardo d al que: d > wp(n) + wn(p) (3.10) Donde wp(n) es el iempo de ránsio de un porador n (elecrón) a ravés de la base p del ransisor npn y wp(n) es el de un porador p (hueco) a ravés de la base n del ransisor pnp. El mecanismo de ranspore de poradores de

15 3.6. ENCENDIDO 73 U AK (), I() U D 90% U D I T U AK I 10% U D d r I G on U D = ensión de bloqueo direco I G = corriene de gae 0 ig Figura 3.15: Curvas de encendido de un irisor G K n + p n - p p + A Figura 3.16: Comienzo del encendido - la corriene inicial pasa por la zona sombreada (borde del cáodo)

16 74 CAPÍTULO 3. TIRISTORES un ipo en maerial cuyos poradores propios mayoriarios son del oro ipo es la difusión (Capíulo 2, Subsección 2.8.2). Los elecrones (porador n) salen del emisor n + del ransisor npn y se difunden a ravés del maerial p de la base hasa llegar al colecor n. El iempo de ránsio es aproximadamene wn(p) = W 2 3 2D n (3.11) donde W 3 es el espesor efecivo de la capa 3 (p) y D n la consane de difusión de los elecrones en maerial p. Análogamene: wp(n) = W 2 2 2D p (3.12) donde W 2 es el espesor efecivo de la capa 2 (n) y D p la consane de difusión de los huecos en maerial n. Una vez encendido ese borde la corriene empieza a circular y la ensión U AK empieza a bajar. El iempo que demora la ensión en bajar del 90 % al 10 % de la ensión de bloqueo inicial es el iempo de subida r, durane el cual aumena algo la superficie de la zona encendida y aumena además la densidad de corriene. En converidores conmuados por la red el crecimieno de la corriene esá dado fundamenalmene por el circuio exerno. El iempo de encendido es on = d + r (3.13) IG > on (3.14) El iempo de encendido on se llama a veces g. d es del orden de 1-2 µs, mienras que r puede variar enre 2 y 10 µs. Luego de ranscurrido on, la zona encendida se sigue exendiendo hacia el cenro de la zona n + de cáodo con una velocidad de algunas décimas de mm/µs. El iempo que demora el irisor en quedar prendido oalmene depende por lo ano de la superficie y de las geomerías del dopaje de emisor y de la conexión de gae que se diseña de manera de que el borde del dopaje de emisor cubra la mayor pare posible del chip de silicio. La complejidad del diseño depende de a qué ipo de aplicaciones esá desinado el irisor. Disposiivos de ala velocidad presenan diseños de mayor complejidad Valor máximo de la velocidad de subida de la corriene ( di d ) Si el circuio exerno es al que cuando el irisor apenas empieza a conducir la corriene sube muy abrupamene, como se asume cuando se analiza un converidor conecado a una red fuere con L cc 0, como aún no conduce odo el disposiivo se endría oda la corriene del circuio exerno circulando por zonas muy pequeñas, lo que ocasionaría la desrucción del irisor por calenamieno excesivo de esas zonas. Exise un parámero, di/d, que especifica cuál es la velocidad máxima admisible de crecimieno de la corriene sin que se dañe el irisor (di/d críico). Los valores ípicos del di/d críico van de 50 a 1000 A/µs en la mayor pare de los irisores disponibles.

17 3.6. ENCENDIDO Riesgo de falla por di d en aplicaciones prácicas En converidores conmuados por la red, el di d en el encendido queda deerminado por la inducancia del circuio de conmuación. En el caso de un puene recificador alimenado a ravés de un ransformador, no se corre el riesgo de un crecimieno muy rápido de la corriene pues se iene la inducancia de corocircuio del ransformador en el circuio de conmuación, que generalmene es suficiene para manener el di d muy por debajo del valor críico, aún durane defecos. Si se raa de un conrol de un moor de corriene coninua direcamene conecado a la red, allí se depende del valor de la impedancia de la red. En esos casos, por seguridad, se debería insalar inducancias en serie ya que puede suceder que la poencia de corocircuio del lugar de conexión sea muy grande, y los iempos de conmuación muy coros. En el caso de insalaciones grandes, como por ejemplo Converidores para Transmisión en Corriene Coninua y Ala Tensión (HV DC- High Volage Direc Curren), las corrienes son del orden de miles de A (decenas de miles en caso de defecos). Aún eniendo ransformadores, los valores de di d pueden aproximarse al valor críico. Se suele enonces conecar una inducancia en serie con cada válvula de irisores 3. Como se raa de limiar el di d durane el encendido, se coneca generalmene una inducancia saurable, que acúa como inducancia a valores bajos de corriene. Una vez que la corriene crece, la inducancia saura y se compora como si no esuviera presene en el circuio. En insalaciones de ala ensión cada irisor del esquema de la Figura 3.18 se implemena con un ciero número de irisores en serie (pueden llegar a ser varios cienos) disparados simuláneamene. En serie con los irisores se insalan uno o más reacores (inducancias) saurables Modificación de cáodo Si los irisores en un puene se disparan muy cerca del insane de conmuación naural, algunos encenderán y oros no. Exise una gran dispersión en el comporamieno de los disposiivos. Las hojas de daos garanizan el disparo del irisor cuando U AK > 6V (o 12 V dependiendo del irisor). En la prácica se espera a que la ensión direca sea basane mayor. Esa es una de las razones para que exisa un ángulo de disparo mínimo para los converidores. La corriene de fugas que iene la junura 23 depende, además de la ensión aplicada, de la emperaura. La densidad de corriene necesaria para que un irisor como el modelado conduzca es del orden de 100µA/cm 2, por lo que, si sube un poco la emperaura, el irisor disparará solo. En consecuencia, se le debe dar ciera robusez al gae de al forma que sean necesarias corrienes del orden de por lo menos 20 ma, dependiendo del raing del irisor, para que el disposiivo encienda. Para lograr eso se hacen pequeños canales en la capa n + para que el maerial p llegue al cáodo, lo cual en la prácica significa incorporar una resisencia enre el gae y el cáodo como se muesra en la figura Esa modificación consigue fijar la corriene que se iene que suminisrar para encender el ransisor, pero ocasiona que la junura n + p no sea relevane en el bloqueo inverso. 3 Se llama válvula de irisores a un conjuno de irisores conecados en serie para obener ensiones de bloqueo del orden de kv (un único irisor bloquea menos de 10 kv)

18 76 CAPÍTULO 3. TIRISTORES A K G n + p G K Figura 3.17: Modificación para aumeno de corriene de gae 3.7. Disparo Llamamos disparo de un irisor a la acción necesaria para que en un insane deerminado por los requerimienos de operación del circuio el irisor se encienda, es decir, pase de bloqueo direco a conducción (la erminología equivalene en inglés es riggering = disparo, urn on = encendido). El disparo se realiza mediane la aplicación de un pulso de corriene en el circuio gae - cáodo, que queda caracerizado por su ampliud, forma de onda y duración. El comienzo del pulso de I g debe ser lo más parecido posible a un escalón de corriene. La duración debe ser por lo menos d ( iempo de encendido del ransisor npn + iempo de encendido del ransisor pnp). En la prácica lo razonable parece ser aplicar el pulso de gae por lo menos durane on = d + r (Figura 3.15). En las hojas de daos a veces aparece d, a veces on y frecuenemene ningún dao sobre el iempo de encendido, sobre odo en irisores para aplicación en baja frecuencia. Si bien no es necesario, puede manenerse la corriene de gae odo el iempo que se prevé que va a conducir el irisor. En un puene de seis pulsos dos vías (Figura 3.18) se manendría 120 o (6,66 ms en 50 Hz) en esado esacionario. Además de faciliar la implemenación en algunos casos, facilia el reencendido de irisores que se apagan en operación. Esa prácica puede ser adecuada en converidores de corrienes de hasa algunos cienos de amperes y poencia del orden de unos cienos de kw, con ensiones máximas bloqueables por un solo irisor. Las corrienes de gae son del orden de 200 ma y pueden manenerse los 120 o. Para poencias más alas y para aplicaciones en las cuales es necesario implemenar válvulas con irisores en serie se uiliza un pulso de disparo de duración aproximada ig = d + r y de ampliud mucho mayor que la esricamene necesaria para encender el irisor. Esa implemenación evia ener que manener corrienes relaivamene alas

19 3.7. DISPARO Id Ud _ Figura 3.18: Puene de irisores seis pulsos dos vías de gae durane iempos prolongados. Como la ampliud de la corriene de gae esá limiada solamene por la poencia que se puede disipar en la junura gae-cáodo, durane un iempo coro puede usarse una corriene mayor que la esricamene necesaria. Si se aumena la corriene de gae d disminuye. Un análisis más deallado muesra que el encendido esá conrolado por carga elécrica, y mayor corriene de gae implica menos iempo de reardo d. Esa dependencia se muesra para un caso ípico en la figura Disminuir d es paricularmene imporane en aplicaciones con irisores conecados en serie, donde es fundamenal la simulaneidad del encendido de la cadena para eviar sobreensiones (si un irisor de la serie no dispara y los oros sí, el irisor que no disparó iene sobre sí oda la ensión direca y seguramene se rompe porque no esá dimensionado para bloquearla) Es ineresane ver qué consecuencias iene el empleo de uno u oro méodo de disparo (pulso durane odo el período de conducción previso o pulso en el encendido esricamene) en un converidor paricular. Un puene recificador de seis pulsos dos vías como el de la figura 3.18 iene dos modos esacionarios de funcionamieno denominados conducción coninua y disconinua. El análisis y descripción correspondienes pueden verse en exos de Elecrónica de poencia (Mohan e al. 1995) (Thorborg 1988). En la presenaci=n sumaria del capíulo 1 se supone conducci=n coninua. Si el puene esá en conducción coninua, cuando se produce la conmuación enre el irisor 1 y el 3, el irisor 2 coninúa conduciendo sin problemas. Si el puene esá rabajando en régimen de conducción disconinua, cuando se produzca la conmuación mencionada el irisor 2 esará apagado ya que se anuló la corriene I d que circulaba por el mismo. En esos casos, si no se opó por manener la corriene de gae durane odo el período de conducción del irisor,

20 78 CAPÍTULO 3. TIRISTORES 100 d (µs) I G (A) Figura 3.19: Curva Gae rigger delay ime es necesario dar un pulso de refresco simuláneamene con el encendido de 3, para que la corriene pueda circular. Es claro que ese procedimieno se debe aplicar sucesivamene a odos los irisores que componen el puene Valor de la corriene de gae El valor de la corriene de gae necesaria para disparar el irisor depende de la consrucción y amaño del disposiivo y esá generalmene dado en una o más formas en la hoja de daos del fabricane. 4 Su valor mínimo es la corriene necesaria para hacer conducir por el ransisor npn suficiene corriene como para a su vez prender el ransisor pnp, en el modelo de irisor presenado. Ese valor depende de la corriene de fugas que se esablece al polarizar el irisor con una ensión mayor o igual a 6 V (12 V ) la cual a su vez depende de la emperaura. A mayor emperaura se iene mayor corriene de fugas hacia la capa del gae y por lo ano se necesia menos corriene exerna para la conducción. Su valor máximo depende de la máxima generación de calor (P Gae = I G U GK ) admisible en el elecrodo del gae y en su unión con el silicio (circuio de gae). Las hojas de daos de los irisores conienen disino grado de información a ese respeco. En general aparece por lo menos la corriene de gae necesaria para disparar el irisor con T = 25 o C y U D = 6V, las poencias media y máxima que se puede disipar en la junura gae - cáodo y un diagrama que suelen llamar Caracerísicas de disparo de gae (gae rigger characerisics) o a veces Gae 4 Se sugiere analizar las hojas de daos de irisores dadas por los fabricanes para faciliar el seguimieno de los concepos que se exponen en esas secciones. Como ejemplos pueden omarse los componenes MCC250 (IXYS Semiconducors Daashees), LS43 43 (Powerex Semiconducors Daashees) y T90RIA (Vishay Inerechnology Inc. Daashees)

21 3.7. DISPARO 79 A U GK R G U I G U GK K K límies I G (a) (b) Figura 3.20: Caracerísicas de gae y circuio para su deerminación characerisics que permie dimensionar el circuio a emplear para el disparo y que garanice el mismo para odos los ejemplares de irisores de un mismo ipo, por ejemplo odos los irisores LS (Powerex Semiconducors Daashees) en un deerminado circuio Caracerísica de gae y caracerísicas de disparo de gae Si mediane un circuio como el de la figura 3.20(a) se hace pasar una corriene variable enre el gae y el cáodo de un ejemplar de irisor dado (por ejemplo un LS elegido al azar) y se mide la ensión U GK, se obiene una curva U GK (I G ) similar a la de un diodo polarizado en direco. Llamaremos a esa curva Caracerísica de gae del irisor. Si repeimos el procedimieno con oro ejemplar del mismo código, obendremos una curva disina debido a la dispersión en la fabricación. Lo que hace el fabricane es dar dos curvas límie en un diagrama I G U GK y asegurar que la caracerísica de gae de un ejemplar cualquiera de un irisor de deerminado modelo se encuenra en la zona comprendida enre esos dos límies (Figura 3.20(b)). No se debe confundir la caracerísica de gae con esos límies. En la curva de cada irisor paricular hay un puno al que para una corriene de gae igual o mayor que la que le corresponde, el irisor dispara. El fabricane da enonces, en el mismo diagrama, una curva que cora odas las caracerísicas en un puno al que, para corrienes mayores o iguales a la represenada por ese puno, se asegura el disparo. En un diagrama U GK I G de ejes con escala lineal esa curva es una reca como la (a) de la figura Si se inyeca una corriene I G al que el puno correspondiene en la caracerísica del ejemplar paricular de irisor esá a la derecha de esa reca, el irisor dispara. La reca que deermina la zona de disparo seguro varía con la emperaura, a mayor emperaura la reca se mueve a la izquierda del diagrama dado que

22 80 CAPÍTULO 3. TIRISTORES Figura 3.21: Caracerísicas de disparo de gae para 3 ejemplares del mismo modelo de irisor Figura 3.22: Límie de poencia máxima y reca de carga

23 3.7. DISPARO 81 las fugas son mayores y por lo ano se necesia menor corriene de gae para encender el irisor. Normalmene se da esa reca por lo menos para T = 25 o C y para T = 40 o C. El fabricane ambién da ora reca al que si se opera con valores que quedan por debajo de la misma, es seguro que el irisor no disparará. Muchas veces esa reca se da únicamene como un valor de ensión gae-cáodo (reca (b), figura 3.21). Ese valor se debe ener en cuena para las evenuales ensiones inducidas que se engan en el circuio de disparo que podrían causar disparos no deseados. Habíamos dicho que la corriene de gae esá limiada por la poencia máxima que se puede disipar en la junura gae - cáodo. En la lisa de raings del componene se indica generalmene la poencia media y la máxima. En el diagrama U GK (I G ) el límie debido a la poencia se represena mediane hipérbolas P G = U GK I G (Figura 3.22) paraméricas en la duración del pulso de disparo. Si se elige disparar mediane un pulso coro de duraci=n p y de ampliud ala I g se deberá cuidar que el puno de operación quede a la izquierda de la curva de poencia máxima correspondiene al ancho de pulso inmediaamene mayor al elegido, pero se deberá cuidar ambién que la poencia media no supere el valor máximo esablecido. La poencia media de gae vale P G (av) = I G.U gk. p /T siendo T el iempo enre disparos consecuivos. En la caracerísica de disparo de gae de la figura 3.25 la poencia máxima del disparo indicada para disinos anchos de pulso es al que su poencia media coincide con la admisible si los disparos ocurren cada 20 ms (50 Hz) Circuio de disparo El circuio de disparo debe asegurar que, al conecarse al disposiivo a disparar, el puno de operación se encuenra en la zona limiada por: 1) el límie de disparo seguro elegido (dependiene de la emperaura) 2) la curva de poencia máxima de gae correspondiene al ancho de pulso de corriene de gae elegido para la aplicación 3) los dos límies enre los cuales se encuenran las caracerísicas de gae de los disinos ejemplares Basa enonces con dimensionar adecuadamene un circuio cuyo equivalene de Thévenin sea una resisencia R en serie con una f.e.m. U (Figura 3.23) Su ecuación es: U GK = U RI G (3.15) que se represena por una reca en el diagrama de caracerísicas de disparo de gae. Se elige U y R de manera que la reca core a las caracerísicas en punos de operación ubicados en la zona definida por el límie de disparo seguro, la poencia máxima y los dos límies enre los que se encuenra la caracerísica de gae del disposiivo (Figura 3.24). Como resula poco prácico poner los límies de disparo seguro y los límies de poencia en un mismo diagrama lineal, se uiliza generalmene un diagrama logarímico como el de la figura 3.25 (Vishay Inerechnology Inc. Daashees, imagen coresía de).

24 82 CAPÍTULO 3. TIRISTORES A R G U I G U GK K K Figura 3.23: Circuio de disparo Equivalene Thévenin Los límies de disparo seguro se represenan por recángulos definidos por un valor de ensión y una corriene y la reca de carga queda represenada por una curva (Figura 3.25). Los límies de poencia máxima son nauralmene recas en ese ipo de diagrama Implemenación prácica del circuio de disparo: En un puene recificador como el de seis pulsos dos vías (figuras 3.1 y 3.18)los irisores que ienen los cáodos unidos ienen una referencia común para el disparo. El problema lo presenan los irisores que ienen los ánodos unidos pues sus cáodos ienen una ensión floane con respeco a cualquier puno del circuio. En consecuencia, el circuio de disparo para esos irisores deberá ener aislación galvánica. En general, para poencias medias y grandes (mayores a algunos kw), se aisla galvánicamene oda la pare de poencia de la de señal, por lo ano los seis irisores se disparan con aislación galvánica. La aislación galvánica se puede lograr con un opoacoplador con fibra ópica, omando la energía para el disparo de la ensión de bloqueo de los irisores cuando no conducen o usando direcamene la luz para encender irisores consruidos especialmene para ese ipo de disparo. Cuando no es necesario poner irisores en serie o no se manejan ensiones muy alas (hasa algunos kv), alcanza con un circuio con ransformador aislador, que ransmie ano la información de disparo como la poencia para efecuarlo. En converidores de hasa algunas cenenas de A, se puede uilizar el circuio de disparo que se dealla en la figura 3.26 a). Se necesia aplicar desde una fuene de ensi=n U una corriene a ravés de una resisencia R con una llave comandable y a la vez ener aislación galvánica. Para lograr eso úlimo, se uiliza un ransformador capaz de ransformar ensión coninua, por lo que, para que la ensión en el secundario del mismo sea consane, deberá haber un flujo linealmene creciene a ravés del ransformador

25 3.7. DISPARO 83 U GK U reca de carga P G = U GK * I G P G U/R límies de la zona de disparo dependienes de la emperaura I G Figura 3.24: Límie de poencia máxima y reca de carga (recordar que la ensión es proporcional a la derivada del flujo). El ransformador se puede considerar como ideal pero eniendo en cuena la inducancia de magneización. El ransformador se deberá diseñar para que no llegue a saurar durane el iempo de conducción. Si el ransformador saura, el flujo deja de crecer, la ensión del primario es prácicamene cero y en esas condiciones oda la ensión de la fuene queda aplicada sobre el ransisor prendido, el cual nauralmene se desruye. Para prender el irisor se prende el ransisor Q 1 (figura 3.26) durane el iempo en que queramos que circule corriene I G. El circuio magnéico se magneiza linealmene (según la L m del modelo del ransformador) y durane ese iempo aparece en el secundario: U = n 2 n 1 U cc (3.16) que con R dan la corriene para el disparo requerido. Para finalizar el pulso de disparo se apaga el ransisor llevando I B a cero. La corriene por el ransisor es: I Q = I m + n 2 n 1 I G (3.17) Si se cora I m, la inducancia magneizane genera en el primario del ransformador una ensión:

26 84 CAPÍTULO 3. TIRISTORES Figura 3.25: Caracerísica de gae de la serie T..RIA Î m U P L m (3.18) off ( off, apagado del ransisor) cuya polaridad es inversa a la anerior. La ensión sobre el ransisor queda: Î m U ransisor V cc + L m (3.19) off valor que excede largamene su capacidad de bloqueo, ya que el iempo de apagado off es muy coro. El ransisor puede desruirse. Esa sobreensión inversa se ransforma en una ensión negaiva en el secundario, polarizando el diodo G K en inverso con un valor que puede dañarlo. En consecuencia, el circuio de disparo se modifica agregando un diodo en serie con la resisencia que se coneca al gae de irisor y oro diodo del lado del primario para dar un camino para la corriene de magneización cuando cora el ransisor, por lo que el circuio de disparo se modifica de acuerdo a la figura Se puede ver que cuando cora el ransisor, la ensión inversa provocada por L m y la corriene magneizane hacen conducir el diodo D1 y se genera una ensión inversa en el secundario que cora el diodo D2. La ensión que se ve en el secundario del ransformador es la caída en el diodo D1 (V γ ) como ensión negaiva, afecada por la relación de ransformación. Al conducir el diodo D1 se le da un camino a la corriene i m para la desmagneización del ransformador, la cual se realiza mediane la ensión negaiva V γ. Ese circuio puede funcionar si el disparo consise en un pulso de duración mucho más cora que el iempo enre disparos, por ejemplo un pulso de algunos µs para un iempo de encendido del orden de algunos ms. Eso se debe a que V γ es muy pequeño frene a V cc, por lo que el iempo de desmagneización va a ser mucho más largo que el de magneización. El ransformador debe esar desmagneizado anes de un nuevo disparo. Con la ensión V γ aplicada la desmagneización puede llevar un iempo excesivamene largo para muchas

27 3.7. DISPARO 85 a) V cc R G A c) i B U P I G n 2 U= * V n 1 cc U GK U n n 2 1 * V cc I m +I G K K i B Q 1 ' n I 2 G = * IG n1 i m b) V cc i m L m i G i G L m inducancia de magneización TI Transformador ideal TI Figura 3.26: Circuio de disparo del irisor - Encendido - a) Circuio de disparo con ransformador real - b) Modelo uilizado para el ransformador - c) Formas de onda para un pulso de corriene aplicaciones en que el iempo de conducción requerido es comparable al iempo disponible para desmagneizar. Para solucionar ese inconveniene se suele colocar un zener en serie con el diodo D1 de forma de aumenar la ensión negaiva en la fase de la desmagneización disminuyendo de esa forma el iempo empleado en la misma (Figura 3.28). La ecuación 3.20 describe el circuio durane el proceso de magneización y la ecuación 3.21 describe el circuio durane el proceso de desmagneización. di m d L m = V cc (3.20) La ensión U CEmax es: di m d L m = V γ V Z (3.21) U CEmax = V CC + V γ + V Z (3.22) V Z se elige de manera de disminuir el iempo de desmagneización maneniendo U CE del ransisor por debajo de su valor de avalancha. En un puene de 6 pulsos 2 vías, por ejemplo, se necesiará un ransformador de pulsos al que no saure al aplicarle V CC durane 7 ms o más. Se requiere enonces una L m ala, el ransformador endrá muchas vuelas en el primario,

28 86 CAPÍTULO 3. TIRISTORES i B V cc R G A U D 1 L m U D 2 U GK I m +I G K K i m V cc / L m -V γ / L m i B I G, I G Figura 3.27: Circuio de disparo modificado y seguramene no se podrá despreciar la inducancia de fugas, que hará que la ensión y corriene en el secundario se apare del escalón (Figura 3.29). Eso rae como consecuencia una imprecisión muy grande en el insane del disparo. Lo que usualmene se hace, en vez de manener un disparo durane 120 o, es aplicar i B en forma de ren de pulsos durane los 120 o. En la figura 3.30 se ve que un ren de pulsos de cora duración permie ener un ransformador con L m mucho más baja, menos vuelas, mucho más pequeño y con mucho menor inducancia de fugas, con los que se logra una subida de ensión mucho más rápida Apagado Imposibilidad esrucural del apagado Si se analiza el circuio del modelo del irisor viso como dos ransisores, se podría pensar que así como se lo pudo prender, se lo puede apagar, sacando por el gae la corriene necesaria para que el ransisor npn enre en core. Esa corriene iene que ser por lo menos del orden de la corriene de colecor del ransisor pnp y el problema es que la disribución de esa corriene circulando de cáodo a gae no es uniforme ya que la capa del gae iene una resisencia laeral imporane. La corriene circularfa por el camino de menor resisencia, que es en el borde del dopaje del cáodo, por lo que el cenro del cáodo no se

29 3.8. APAGADO 87 A i B R G Z 1 V cc D 1 i m (L m ) U P U D 2 U GK K K n n 2 1 * n n 2 1 U * V cc ( Vγ + V ) Z i m Q 1 V cc / L m -(V γ +V Z) / L m i B U CE U CE ( V V + ) cc + γ V Z V cc Figura 3.28: Circuio de disparo compleo con zener para aumeno de ensión de desmagneización ideal deformada Figura 3.29: Tensión en el secundario va a apagar. Como esa zona consiuye la mayor pare del irisor, ése no se apagará (Figura 3.31). En la prácica se hacen irisores apagables combinando en la misma oblea de silicio muchos irisores pequeños puesos en paralelo que se pueden apagar. Es el principio de operación de oro disposiivo llamado GTO (Gae Turn-Off Thyrisor). Para apagar un irisor hay que anular la corriene que circula por el mismo (I T ), o mejor dicho, disminuir la corriene hasa que sea menor que un valor I H, por debajo del cual las corrienes de base no son lo suficienemene grandes como para manener encendidos los ransisores que conforman el modelo viso del irisor Procesos de apagado Se pueden ver dos procesos por los cuales se hace disminuir la corriene apagando el irisor:

30 88 CAPÍTULO 3. TIRISTORES i m, i b i b i m =U/L m1 Î m i m, i b i b i m =U/L m2 Î m 20/3 ms 50 Hz 100 khz < 5 µs Figura 3.30: Único pulso vs ren de pulsos para el encendido K G K n + Baja Resisencia n + p Ala Resisencia Figura 3.31: Camino para una evenual corriene de apagado 1) Quenching En ese proceso, por disminución de la carga (aumeno de la impedancia Z), I T va bajando hasa que I T < I H, por lo que el irisor se apaga (Figura 3.32). 2) Corriene inversa: Se acúa de manera que el circuio exerno haga circular una corriene inversa por el irisor de forma de forzar la corriene por el mismo a cero, esando el irisor en conducción y con el consiguiene exceso de poradores en la base de los dos ransisores que lo componen. Eso es lo que sucede en las conmuaciones en el puene de seis pulsos dos vías, donde al disparar el irisor 3 para conmuar con el irisor 1, se forma el circuio de conmuación de la figura 3.33.

31 3.8. APAGADO 89 I T Z Figura 3.32: Apagado del irisor: Quenching Apagado en un recificador conmuado por la red - conducción inversa Se esudiará el apagado de un irisor en el caso del puene recificador de seis pulsos dos vías (figuras 3.1 y 3.18); el proceso es esencialmene el mismo en oras aplicaciones. La figura 3.33 ilusra el proceso. En deerminado momeno esán prendidos T 1 y T 2. I d es consane y no hay caídas de ensión en L cc. Cuando la ensión U SR se hace posiiva, T 3 enra en bloqueo direco y esá en condiciones de conducir. Si se lo dispara, queda en esado de conducción y se forma el circuio de conmuación de la figura 3.33, que consise en una ensión de conmuación u k en serie con dos de las inducancias de línea L cc (suele despreciarse la resisencia) y los dos irisores que funcionan como llaves cerradas, al esar ambos en conducción. La ensión de conmuación u k () es en ese caso la ensión compuesa U SR. Apagado del irisor ideal El circuio de conmuación, considerando irisores ideales (u T = 0) se rige por la ecuación: u k () = 2L cc di k d (3.23) donde u k () = U SR (), L cc es la impedancia de línea (que puede considerarse induciva) e i k () es la corriene de conmuaci=n, que crece desde cero a parir de que se dispara T 3 y se cierra el circuio. Se considera = 0 el insane a parir del cual T 3 enra en bloqueo inverso y α = α/w el insane en que se dispara T 3. En ese caso: u k = U SR = U 2sen(w) (3.24) Haciendo el cambio w = ν la ecuación queda:

32 90 CAPÍTULO 3. TIRISTORES Id L cc T1 T3 U R U S _ U SR + _ u k + i k + + L cc U T L cc T2 Id Figura 3.33: Circuio de conmuación di k U SR (ν) = 2wL cc dν La corriene de conmuación es: (3.25) i k (ν) = 2U 2wL cc (cos α cos ν) (3.26) Idealmene el proceso de conmuación finaliza cuando i k (ν) = I d en el insane τ (ángulo wτ, figura 3.34). T 1 se abre y por T 3 circula I d. Cabe resalar que el iempo en que se prende un irisor es apreciablemene menor que el iempo en que se apaga, por lo que se puede considerar, para discuir el proceso de apagado del irisor 1, que el proceso de prendido del irisor 3 es prácicamene insanáneo. Las formas de onda sobre los irisores cuando el puene esá funcionando como recificador (α < 90 o ) son las que se deallan en la figura 3.34 (irisor ideal).el ßngulo u = w.τ α es el angulo de conmuaci=n ( u = u/(w.τ)). Apagado del irisor real Se esudiará en dealle cómo es el apagado de un irisor real en un puene funcionando como recificador. Eso significa ver qué pasa realmene en el insane τ (ángulo wτ) de la figura Tomando en cuena las caídas de ensión en conducción que ienen los irisores, la ecuación de conmuación queda: U SR (ν) U T3 + U T1 = 2wL cc di k dν (3.27)

33 α ω ω ω ω 3.8. APAGADO 91 U S R = u k I d i T 1 i T 3 u T 3 u T 1 u = á n g u l o d e c o n m u a c i ó n U S R Figura 3.34: Formas de onda durane la conmuación del recificador (irisor ideal) En conducción, el irisor iene un gran exceso de poradores, las junuras base colecor en los dos ransisores esán polarizadas en direco y ienen en sus bases una gran concenración de poradores minoriarios Cuando el irisor 3 comienza a conducir, la corriene y la ensión por el irisor 1 son: i T1 = I d i k (ν) (3.28) U T1 = U T0 + (I d i k (ν))r T (3.29) Donde U T0 y r T son parámeros comunes a odos los irisores del puene. Cuando i k (ν) llega al valor I d la corriene por el irisor 1 se anula, pero las junuras base colecor siguen polarizadas en direco debido al exceso de poradores minoriarios en las bases, por lo que la caída de ensión posiiva se maniene y la carga almacenada susena una corriene inversa que responde a la ecuación 3.27, la cual escria en érminos de i T queda: U SR (ν) U T3 + U T1 = 2wL cc di T1 dν (3.30) Cuando una de las dos junuras base colecor se vacía de exceso de poradores, el irisor se polariza en inverso y la ensión U T1 se hace bruscamene negaiva. La corriene llegará a un valor mínimo (máximo de corriene inversa) cuando di T1 /dν se anula: U T1 = U SR + U T3 (3.31) Como el irisor 3 es un irisor en conducción, U T3 U SR y U T1 U SR. En ese insane el irisor iene bloqueo inverso y una corriene inversa máxima de valor I RM = i T1. Esa corriene se debe a los poradores minoriarios

34 92 CAPÍTULO 3. TIRISTORES que quedan en las capas que acúan como bases y su valor iende a cero más o menos rápidamene dependiendo de la velocidad de recombinación de los poradores en esas capas. U R _ L cc + U T1 T3 + U SR i T1 < 0 durane la conducción inversa + L cc U S Figura 3.35: Tirisor como fuene de corriene durane la conducción inversa en el apagado Desde el momeno en que el irisor 1 se polariza en inverso hasa que su corriene inversa se anula, el irisor acúa como una fuene de corriene i T1 () < 0 (figura 3.35), y la ensión sobre el mismo esá dada por: U T1 = U SR + U T3 2L cc di T1 d (3.32) Esa ensión iene módulo máximo con di T 1 d max U T1max = U SR + U T3 2L cc di T1 d max (3.33) La úlima ecuación expresa la máxima ensión que debe bloquear el irisor en el core. De acuerdo a las consideraciones hechas, la forma de onda de la corriene y la ensión en el momeno del apagado son las que se dibujan en la figura La carga conducida en senido inverso represena la carga almacenada en el irisor y desaparece por conducción y por recombinación. rr es el iempo de recuperación inversa que se define a veces como el iempo desde que i T1 baja a cero al llegar i k (ν) a I d, hasa que i T1 llega a I RM /4 o a I RM /10 luego de haber alcanzado su máximo valor negaivo i T1 = I RM. Se ve que aparece una sobreensión que se agrega a la ensión inversa U SR que se consideraba en el caso ideal. En la figura 3.36 se considera U T3 U SR La sobreensión dependerá de cuán rápido se recombinen las cargas y de la inducancia del circuio exerno. Un irisor rápido en un circuio muy inducivo provoca una sobreensión muy grande. De las curvas presenadas se aprecia que el comporamieno del irisor real se apara fueremene del irisor ideal en el apagado. El problema mayor a superar es que la ensión que debe bloquear no es la ensión de fase, sino un valor de ensión mucho mayor, pues se agrega la sobreensión visa.

35 3.8. APAGADO 93 i T I d I d - i k rr U T1-0,1 I RM i T1 Q rr di T1 d máx - I RM -U SR di T1 U 2L cc d máx Figura 3.36: Formas de onda en el apagado del irisor En el diseño y dimensionado del circuio se hace lo siguiene: 1- Se dimensiona el irisor con un facor de seguridad mayor que 2. Por ejemplo, si la ensión de red (U SR en el caso viso) es de 380 V, se esima el pico que debe soporar el irisor como: Û SR = (1, ) 2 2 (3.34) Donde se agrega un 25 por cieno al valor de la ensión nominal de la red para considerar evenuales variaciones de ensión en la misma y se muliplica por dos como el facor de seguridad. El resulado dice enonces que el pico de la ensión sinusoidal de una red de 400 V puede llegar a más de 700 V, por lo que para ese caso se uilizará un irisor con U DRM mayor a 1400 V. 2- Se hace que una pare de la corriene circule por un circuio amoriguador como se dealla en la figura 3.37 Ese circuio logra amoriguar el pico de ensión en el apagado. Los valores para R y C los da el fabricane en las hojas de daos. El único parámero que se debe calcular es la poencia de la resisencia que dependerá de la carga que enga la capacidad y de la frecuencia de rabajo.

36 94 CAPÍTULO 3. TIRISTORES i T I d R U T1 dir d máx C I RM con circuio amoriguador -U SR sin circuio amoriguador Figura 3.37: Circuio amoriguador y formas de onda resulanes Apagado en un inversor conmuado por la red - Tiempo q Ese caso presena un inerés especial al enrar en juego oras caracerísicas y limiaciones del irisor. Al funcionar como inversor, el ángulo de disparo α será mayor que 90. Las curvas correspondienes en la conmuación en el caso ideal son las que se muesran en la figura El ángulo γ es el margen de conmuación. γ = γ/ω es el iempo durane el cual el irisor que se apagó esá en bloqueo inverso. La ensión que queda aplicada enre el ánodo y el cáodo del irisor 1 es U SR. Si esa ensión U AK se hace posiiva en un iempo demasiado coro después que la corriene por el irisor se anuló, se corre el riesgo de que cargas aún sin recombinar provoquen el reencendido del irisor. El puno A de las figuras 3.38 y 3.39, insane a parir del cual el irisor vuelve a ener ensión U AK > 0 luego de la conducción y poserior apagado y bloqueo inverso, debe esar por lo ano lejos de la finalización del proceso de apagado, de manera que se enga un bloqueo direco seguro. El fabricane especifica el parámero q como el iempo mínimo que el irisor debe permanecer en el modo de bloqueo inverso luego del apagado y anes que se le pueda aplicar un volaje direco. El valor de q es mayor que rr. En general el valor de q (200µs 3.6 o ) no afeca al margen de conmuación γ ya que el valor mínimo del mismo se deermina de acuerdo a oros facores. Un γ muy bajo puede implicar excesiva baja ensión en el momeno del disparo. Una sobrecarga que ocurra inmediaamene después del disparo del irisor hace

37 3.9. MANEJO TÉRMICO 95 U SR = u k α I d i T1 i T3 u T3 u T1 α γ A -U SR Figura 3.38: Curvas de conmuación en funcionamieno como inversor crecer el ángulo de conmuación u a expensas del γ y puede llegar a producirse una falla de conmuación. En la prácica el γ mínimo es del orden de o. Oro aspeco que debe cuidarse es el valor que iene du AK /d luego del puno A, cuando el irisor enra en bloqueo direco. En ese caso U AK = U D > 0 (ensión de bloqueo direco). Ese valor du AK /d = du D /d debe esar por debajo de un valor máximo dado por el fabricane. Eso se debe a que la junura que sosiene el bloqueo direco (junura 2-3) iene una capacidad de polarización inversa C 23, por lo que al crecer U D aparece una corriene que vale: i C 23 du D d + U D C 23 (3.35) C 23 depende de oros facores, por eso se usa la derivada parcial. Si du D /d es suficienemene ala, la corriene i puede disparar el irisor. Esa capacidad se presena en el Capíulo 2 en el conexo del análisis del funcionamieno de una junura pn. En general las hojas de daos dan un valor de du D /d para el caso en que el irisor esuvo conduciendo ( V/µs). Es posible que el irisor encienda por salos de ensión cuando no ha esado conduciendo inmediaamene anes. El valor de du D /d que lo enciende en ese caso es basane más grande Manejo érmico Generación de calor Uno de los aparamienos del modelo ideal de más imporancia prácica es la generación de calor en el irisor.

38 96 CAPÍTULO 3. TIRISTORES i T I d γ = γ/ω q U T1 A I RM dir d máx U T = -U SR -U SR Figura 3.39: Curvas de apagado en funcionamieno como inversor La poencia insanánea disipada en el irisor en forma general es: p() = u AK ()i T () (3.36) En la prácica para deerminar la poencia disipada o pérdida de poencia resula úil calcularla en cada uno de los esados del irisor. Se disinguen enonces pérdidas en el encendido, pérdidas en el apagado, pérdidas en esado de bloqueo y pérdidas en conducción. La poencia de las pérdidas en esado de bloqueo es el produco de la corriene de fugas por la ensión bloqueada. Como la corriene de fugas es generalmene 4 a 5 órdenes de magniud menor que la corriene de rabajo esas pérdidas pueden despreciarse frene a las oras en una primera aproximación. En paricular, la poencia disipada por el irisor en conducción vale: p() = u T ()i T () (3.37) Susiuyendo u T () por el valor dado por la ecuación 3.7: p() = (U T0 + r T i T ())i T () = U T0 i T () + r T i 2 T () (3.38) El comporamieno en el encendido y apagado se muesra en la figura 3.40 Las pérdidas en el encendido y apagado se pueden esudiar a parir de la evolución de la ensión y corriene en las ransiciones (Figura 3.40). Las pérdidas en el encendido dependen de las formas de onda de u T () e i T () en ese proceso, lo cual depende fueremene del circuio exerno. Puede hacerse una esimación suponiendo que la ensión baja al mínimo y la corriene crece al máximo al mismo iempo y linealmene. En ese caso (omando U T U D ) la energía disipada en el encendido puede expresarse como:

39 3.9. MANEJO TÉRMICO 97 Encendido Apagado U D I i T I d rr~2 a 10 µs U T1 U T on (1 a 5 µs) Figura 3.40: Encendido y apagado W on = on 0 u T ()i T () on La poencia media disipada es: 0 (U D U D ) I d d = U DI d on (3.39) on on 6 P encendido = W on f (3.40) siendo f la frecuencia de las ransiciones en un funcionamieno periódico. Las pérdidas en el apagado son más difíciles de calcular, pero se puede dar una expresión aproximada para su valor medio (Wallmark & Zweygbergk 1973): P apagado = U DI T 2 fτ 2 (3.41) Donde τ 2 es el iempo de vida media de los huecos en la capa n, o sea el iempo que un hueco puede viajar por el maerial n- del irisor sin recombinarse con un elecrón. Generalmene las pérdidas en el encendido y en el apagado a 50 Hz pueden despreciarse frene a las pérdidas en conducción, por lo que las pérdidas que se considerarán serán esas úlimas. Uilizando la expresión 3.38 se puede calcular la poencia media en conducción: P = p() = U T0 i T () + r T i 2 T () (3.42) P = U T0 I AV + r T I 2 rms (3.43) Esa úlima expresión es úil dado que en las hojas de daos, el raing de corriene del irisor aparece en forma de dos parámeros que son I AV e I rms, valor medio y valor eficaz de la corriene respecivamene.

40 98 CAPÍTULO 3. TIRISTORES El parámero límie del irisor para la disipación de poencia es la emperaura del silicio, o más precisamene la emperaura de la junura 2 3 (Wallmark & Zweygbergk 1973). Se la llama T j por analogía con la emperaura de junura de un diodo. La emperaura admisible máxima varía enre T j = 125 o C y 140 o C, según el irisor. Para una corriene dada, el área del chip debe ser al que la resisencia érmica de conaco del silicio con los conducores sea suficienemene chica como para que T j se manenga por debajo del máximo, fijando la emperaura del encapsulado en un valor especificado por el fabricane. Valores usuales pueden ser 25 o C, 75 o C u 85 o C Modelo érmico de un irisor en un monaje prácico: Resisencia érmica Con corrienes de rabajo usuales la poencia que se disipa en conducción en el chip de silicio que consiuye el irisor es al que, sin ningún elemeno adicional, puede elevar su emperaura a valores inadmisibles. Por lo ano el irisor se encapsula de al manera que el encapsulado (llamado case en inglés) se pueda adosar a un disposiivo, que llamaremos disipador, al cual ransmiirle el calor. En general el encapsulado no es suficiene para ransferir al medio ambiene la poencia generada por el irisor (o por cualquier llave semiconducora de poencia). El disipador es un objeo conducor de calor cuya función es aumenar la superficie de conaco enre el encapsulado meálico y el aire como medio refrigerane (convección). La superficie aumenada permie además que una pare del calor se disipe por radiación (Figura 3.41) (Wallmark & Zweygbergk 1973, adapado de). Para poencias grandes, el inercambio puede ser enre el meal y un fluido que se maniene a baja emperaura. Cuando el irisor esá conduciendo, la poencia disipada puede expresarse, según lo viso aneriormene, como: p() = [U T0 + r T i T ()]i T () (3.44) Para simplificar el modelo suponemos que el calor se genera en la zona más caliene del chip, que es la junura J 23 (Wallmark & Zweygbergk 1973). 5 Se uilizará la ecuación sencilla de ransmisión de calor en esado esacionario de acuerdo al esquema de la figura 3.42: R θ = T 1 T 2 P (3.45) Donde T 1 y T 2 son las emperauras de las supreficies exernas de un maerial y R θ su resisencia érmica. Si la poencia varía con el iempo se debe considerar además el calor necesario para variar la emperaura de los cuerpos involucrados, lo cual se puede expresar mediane la capacidad calorífica: 5 U T 0 i T () es esencialmene la poencia en la junura 1 2 y r I 2 T () es la poencia por la caída resisiva en la capa 2. El análisis de la disribución de emperaura en el chip excede el alcance de esa presenación.

41 3.9. MANEJO TÉRMICO 99 K n + J P G p n - p p + Encapsulado (case) Conaco case-sink Disipador (hea sink) (h,s,k) Figura 3.41: Diagrama Tirisor - Case - Disipador C = Q T = P T (3.46) Donde Q es la canidad de calor absorbida o disipada por el cuerpo al subir o bajar su emperaura, T es la variación de emperaura y el iempo durane el cual se suminisra la poencia P. Las ecuaciones 3.45 y 3.46 nos permien uilizar una analogía elécrica para consruir el modelo érmico del irisor: la emperaura T corresponde a la ensión, la poencia P corresponde a la corriene y R θ y C corresponden a la resisencia elécrica de un conducor y a la capacidad de un condensador respecivamene. Si se considera la poencia como una corriene que va desde una junura a emperaura T j hasa el aire a la emperaura ambiene T a (o hasa algún fluido refrigerane con emperaura T a ), el modelo érmico del irisor puede represenarse por el circuio de la figura 3.43 en el cual: R Θ = resisencia érmica del silicio R Θc = resisencia érmica del encapsulado R Θcs = resisencia érmica del conaco encapsulado - disipador = resisencia érmica del disipador R Θs R Θ sa = resisencia érmica enre la superficie del disipador y el aire circundane C j = capacidad calorífica del silicio C c = capacidad calorífica del encapsulado C s = capacidad calorífica del disipador

42 100 CAPÍTULO 3. TIRISTORES T 1 T R 2 θ P Figura 3.42: Esquema de ransmisión de calor irisor encapsulado inerfaz encapsulado/disipador disipador R θ R θ R θc R θc R R θs R θ s θ cs T j A medio refrigerane ' sa R θ P C j C c C s T a Figura 3.43: Circuio érmico equivalene del irisor El modelo aproximado uilizado es análogo al modelo de una línea de ransmisión con resisencia serie y capacidad enre conducores. La emperaura en el puno A es la emperaura superficial del encapsulado del irisor. En paricular, en esado esacionario y con poencia consane, los maeriales esán a emperaura consane y no hay ransferencia de calor para el calenamieno. Las capacidades no se recargan - se iene enonces una disribución de emperauras esable, independiene del iempo, por lo que el circuio 3.43 puede simplificarse de acuerdo a la figura R θjc es la resisencia érmica enre la junura y el encapsulado o case; R θcs es la resisencia érmica dada por el fabricane enre las superficies del encapsulado (case) y el disipador (sink), suponiendo que el disposiivo esá correcamene monado (ornillos del amaño especificado apreados con el par especificado, grasa siliconada o similar enre las superficies). Para el modelo esacionario con P consane vale: T j = T a + P (R θjc + R θcs + R θsa ) (3.47) Si P no es consane sino periódica esacionaria, puede usarse la misma