Dispositivos electrónicos de potencia TIRISTORES GTO TRIAC DIAC
Introducción a los Tiristores Los tiristores fueron, durante muchos años, los dispositivos que dominaban la electrónica de potencia Son dispositivos bipolares de más de dos uniones Por ser bipolares, son lentos, pero capaces de manejar grandes corrientes y tensiones (modulación de la conductividad) Los más importantes son: El Rectificador Controlado de Silicio (Silicon Controlled Rectifier, SCR), al que se le aplica muchas veces el nombre de Tiristor El GTO (Gate TurnOff thyristor) o Tiristor apagado por puerta El TRIAC (Triode AC ) o Triodo para Corriente Alterna El DIAC (Diode AC) Todos ellos los estudiaremos con menos profundidad que los diodos, los MOSFETs y los IGBTs
La estructura de 3 uniones (4 capas) La base de los tiristores es la estructura PNPN P P N P N N N P P N E 2 C 2 B 1 B 2 C 1 E 1 Se trata de una estructura realimentada que admite dos estados estables (es como un biestable )
La estructura de 3 uniones (4 capas) Pol. inversa E 2 B 2 C 2 Polarización directa B 1 C 1 Polarización directa E 1 La estructura de 4 capas puede soportar tensión sin conducir corriente, ya que una unión queda polarizada inversamente R V CC i g Ahora inyectamos corriente en la unión B 1 E 1 desde una fuente externa V g V g R g E 2 B 2 C 2 i B1 B 1 C 1 E 1 Ahora circula i B1 = i g por la unión B 1 E 1 R V CC
La estructura de 3 uniones (4 capas) i B1 genera i C1 = b 1 i B1 b 2 i B2 R Pero i C1 = i B2 ; por tanto: i C2 = b 2 i B2 = b 2 b 1 i B1 i g i C2 b 1 i C1 V CC La corriente i B1 será ahora: i B1 = i g i C2 = i g b 2 b 1 i B1 V g R g i B1 i B1 Es decir, i B1 b 2 b 1 i B1 >> i B1 Conclusiones: La corriente de base crece hasta saturar a los dos transistores Como consecuencia, el dispositivo se comporta como un cortocircuito La corriente i g puede eliminarse y la situación no cambia
La estructura de 3 uniones (4 capas) Por tanto, el mismo circuito puede estar en dos estados, dependiendo de la historia anterior: Con la estructura de 4 capas sin conducir i CC = 0 A Con la estructura de 4 capas conduciendo i CC V CC /R V CC V CC 0 V 0 V R V CC 0,9 V 0,5 V 0,7 V 0,7 V R V CC
La estructura de 3 uniones (4 capas) Cómo se puede conseguir que la estructura de 4 capas conduzca? (I) Inyectando corriente en B 1 (ya explicado) i CC V CC /R 0,9 V R Aumentando mucho V CC : las corrientes inversas de las uniones basecolector alcanzan valores suficientes para la saturación mutua de los transistores i CC V CC /R 0,9 V R i C2 i C1 V g R g B 1 V CC Esto sólo ocurre cuando las b son suficientemente grandes, lo que se alcanza cuando las corrientes inversas también lo son V CC
La estructura de 3 uniones (4 capas) Cómo se puede conseguir que la estructura de 4 capas conduzca? (II) Sometiendo a la estructura a una fuerte derivada de tensión: la corriente de carga de la capacidad parásita colector base pone en conducción la estructura i C2 i CC V CC /R i B2 0,9 V i C1 R Haciendo incidir radiación (luz) en la zona B 1 i C2 i B1 i CC V CC /R i B2 0,9 V R V CC B 1 V CC i B1 Luz
El SCR Es el tiristor por antonomasia Su símbolo es como el de un diodo con un terminal más (la puerta) Se enciende (dispara) por puerta No se puede apagar por puerta Ánodo (A) V AK Cátodo (K) i A Puerta (G) Estructura interna P N A N P K G
El SCR Curva característica sin corriente de puerta i A [A] Polarización directa cuando está ya disparado (como un diodo en polarización directa) Disparo por sobretensión ánodocátodo 600 V 0 600 V V AK [V] Polarización inversa (como un diodo) Polarización directa a tensión menor de la disparo por sobretensión ánodocátodo (como un diodo en polarización inversa)
El SCR Curva característica con corriente de puerta i A [A] Polarización directa cuando está ya disparado (como un diodo en polarización directa) Disparo por puerta Disparo por sobretensión ánodocátodo 600 V i g4 i g3 i g2 i g1 i g = 0 0 600 V V AK [V] 0 < i g1 < i g2 < i g3 < i g4
El SCR Disparo por puerta: Es el modo de disparo deseado V AK A i A V GK V g Unión fría Límite de disipación de potencia K G i g V GK R g V g V g /R g Zona de disparo imposible Unión caliente 0 i g Para que se mantenga disparado, la corriente ánodocátodo tiene que ser mayor que el valor llamado latching current En disparo se realiza con poca potencia (bajos niveles de corriente y tensión)
El SCR Apagado del SCR : No se puede hacer por puerta Para apagarse, el valor de su corriente ánodocátodo tiene que bajar por debajo de un valor llamado corriente de mantenimiento (holding current) Aunque en el pasado los SCRs se usaban en todo tipo de convertidores, su dificultad para apagarlos los ha relegado a conversiones con entrada en alterna y a aplicaciones de altísima potencia En aplicaciones de entrada en continua, se usaban circuitos auxiliares para conseguir el apagado (con bobinas, condensadores y SRCs auxiliares)
Características de un ejemplo de SCR
Características de un ejemplo de SCR
Características de un ejemplo de SCR
Características de un ejemplo de SCR
El GTO Ánodo (A) Cátodo (K) Símbolo Puerta (G) Es un SCR que se puede apagar por puerta La corriente de encendido es similar a la de un SCR Se apaga por corriente saliente en puerta, que llega a ser tan grande como un tercio de la de ánodocátodo Su capacidad de soportar tensión directa cuando no está disparado es alta Su capacidad de soportar tensión inversa es muy limitada (unos 30 V) Es un dispositivo lento, pensado para aplicaciones de muy alta potencia La estructura interna es muy compleja
El GTO Estructura interna de un GTO (obtenida del texto "Power Electronics: Converters, Applications and Design de N. Mohan, T. M. Undeland y W. P. Robbins. Editorial John Wiley and Sons.)
El TRIAC Es el equivalente a dos SCRs conectados en antiparalelo No se puede apagar por puerta Terminal 2 (T2) T2 P N T2 N P N N Terminal 1 (T1) Símbolo Puerta (G) T1 Equivalente G T1 G Estructura interna
El TRIAC Curva característica sin corriente de puerta i T2 [A] Polarización directa cuando está ya disparado (como un diodo en polarización directa) Disparo por sobretensión T2T1 600 V 0 600 V V T2T1 [V] Polarización inversa: se comporta como en polarización directa Polarización directa a tensión menor de la disparo por sobretensión T2T1
El TRIAC Curva característica con corriente de puerta i T2 [A] Disparo por puerta Disparo por sobretensión T2T1 600 V i g4 i g3 i g2 i g1 i g = 0 i g = 0 i g1 i g2 i g3 i g4 0 600 V V T2T1 [V] Disparo por sobretensión T2T1 Las corrientes de puerta pueden ser positivas o negativas Desaconsejado Facilidad Hay 4 modos posibles: Modo I: V T2T1 > 0 y i G > 0 1 Modo I: V T2T1 > 0 y i G < 0 3 Modo III: V T2T1 < 0 y i G > 0 4 Modo III: V T2T1 < 0 y i G < 0 2
El DIAC No es un componente de potencia, sino que es un componente auxiliar para el disparo de TRIACs Sólo tiene dos terminales y es simétrico i A2 A2 V A2A1 i A2 [A] P N A2 N A1 Símbolo Cápsula DO35 Ejemplo de DIAC 30 V 0 30 V Curva característica V A2A1 [V] N P A1 Estructura interna