Tiristores.pdf

Tema VII.
Dispositivos semiconductores de potencia.
Interruptores.
Lección 19 El rectificador controlado de silicio.
19.1 Construcción y encapsulado
19.2 Funcionamiento en bloqueo
19.2.1 Bloqueo directo
19.2.2 Bloqueo inverso
19.2.3 Características eléctricas y pérdidas
19.3 Funcionamiento en conducción
19.3.1 Circuito equivalente y características eléctricas
19.3.2 Cálculo de pérdidas
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.4 Disparo del tiristor
19.4.1 Por tensión excesiva
19.4.2 Por derivada de tensión
19.4.3 Por radiación electromagnética
19.4.4 Por impulso de puerta. Características de puerta
y
tiempos de disparo
19.4.5 Circuitos de disparo. Dispositivos, transformadores
de impulsos y optoacopladores
19.5 Bloqueo del tiristor
19.5.1 Formas de bloqueo: Estático y dinámico
19.5.2 Métodos de bloqueo: Por fuente inversa de tensión
y por fuente inversa de corriente
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
1
19.6 Otros tiristores
19.6.1 Tiristor bidireccional (TRIAC)
19.6.2 Tiristor de apagado por puerta (GTO)
19.6.3 Fototiristor
19.6.4 Tiristor controlado por estructura MOS (MCT)
19.7 Uso de los datos de catálogo de fabricantes
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.1 Construcción y encapsulado.
CARACTERÍSTICAS
CARACTERÍSTICASGENERALES:
GENERALES:
-Estructura
-Estructurade
decuatro
cuatrocapas
capas(PNPN)
(PNPN)con
condos
dos
estados
estadosestables
estables(conducción
(conducciónyybloqueo).
bloqueo).
ESTRUCTURA:
A
(Ánodo)
G
(Puerta)
K
(Cátodo)
J1: Unión anódica.
J2: Unión de control.
J3: Unión catódica.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
2
19.1 Construcción y encapsulado.
TÉCNICAS
TÉCNICASDE
DECONSTRUCCIÓN:
CONSTRUCCIÓN:--Difusión.
Difusión.
--Crecimiento
Crecimientoepitaxial.
epitaxial.
DIFUSIÓN
P
Capa anódica
(substrato tipo N)
P1
Capa de bloqueo
Capa de
control
Capa
Catódica
N1
P2
N2
DIFUSIÓN
N
N1 P2
K
N2
N
unión de control
G
unión anódica
P1
A
unión catódica
0
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.1 Construcción y encapsulado.
- Aislamiento
- Conexión Eléctrica
- Disipación térmica
ENCAPSULADOS
DO 208 AC
Cobre
Ánodo
Tugsteno
Au - Sb
Cápsula
metálica
Pastilla
Aluminio
Cierre
aislante
Tugsteno
Puerta
Cátodo
Cobre
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
3
19.1 Construcción y encapsulado.
ENCAPSULADOS
TO 209 AD
B7
TO 200 AF
B 20
500 V
100A
1300 V
1800A
TO 208 AC
B2
500 V
24A
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.2 Funcionamiento en bloqueo.
Bloqueo directo:
CARGA
A
CARGA
P1
iA
N1
A
G
P2
N2
V AK
K
i G=0A
G
K
CARGA
iA
A
• La unión de control está
polarizada inversamente.
V AK
G
• Corriente de fugas directa.
iG=0A
K
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
4
19.2 Funcionamiento en bloqueo.
Bloqueo inverso:
CARGA
A
CARGA
P1
iA
A
N1
P2
G
V AK
N2
K
G
i G=0A
K
CARGA
iA
A
• La unión anódica está
polarizada inversamente.
V AK
iG =0A
G
K
• Corriente de fugas inversa.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.2 Funcionamiento en bloqueo.
Características eléctricas en bloqueo.
iA
(en conducción)
VBR VRSM VRRM VRWM
VDWM VDRM VDSM VBO
VAK
(en bloqueo inverso)
(en bloqueo directo)
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
5
19.2 Funcionamiento en bloqueo.
Características eléctricas en bloqueo inverso.
Parámetros:
Tensión de trabajo inversa(V RWM):
Máxima tensión inversa que puede ser soportada de forma
continuada sin peligro de calentamiento por avalancha.
Tensión de pico repetitivo inversa(V RRM):
Máxima tensión inversa que puede ser soportada en picos de
1ms repetidos cada 10 ms por tiempo indefinido.
Tensión de pico único inversa(VRSM):
Máxima tensión inversa que puede ser soportada por una sola
vez cada 10 minutos o más, con duración de pico de 10ms.
Tensión de ruptura inversa (VBR):
Si es alcanzada, aunque sea por una vez, el diodo puede
destruirse o al menos degradar sus características eléctricas.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.2 Funcionamiento en bloqueo.
Características eléctricas en bloqueo directo.
Parámetros:
Tensión de trabajo directa(VDWM):
Máxima tensión directa que puede ser soportada de forma
continuada sin peligro de calentamiento por avalancha.
Tensión de pico repetitivo directa(VDRM):
Máxima tensión directa que puede ser soportada en picos de
1ms repetidos cada 10 ms por tiempo indefinido.
Tensión de pico único directa(V DSM):
Máxima tensión directa que puede ser soportada por una sola
vez cada 10 minutos o más, con duración de pico de 10ms.
Tensión de ruptura directa (VDO):
Si es alcanzada, el diodo entra en conducción sin dañarse.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
6
19.2 Funcionamiento en bloqueo.
Cálculo de pérdidas:
••Son
Son muy
muy pequeñas
pequeñas en
en comparación
comparación aa las
las
producidas
en
conducción.
producidas en conducción.
••El
El fabricante
fabricante proporciona
proporciona el
el valor
valor máximo
máximo de
de la
la
corriente
de
fugas
(I
).
corriente de fugas (Ifugasmax
).
fugasmax
••Es
suficiente
con
Es suficiente con acotar
acotar las
las máximas
máximas pérdidas
pérdidas
producidas
en
bloqueo,
tomando
I
.
producidas en bloqueo, tomando fuga
Ifugasmax
smax.
Pdis =
1
T
∫
T
0
v AK (t) ⋅ i A (t) ⋅ dt ≤ I fugasmax ⋅
1
T
∫
T
0
v AK (t) ⋅ dt
Pdis ≤ I fugasmax ⋅ V AKm
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.3 Funcionamiento en conducción.
CARGA
Circuito equivalente:
A
CARGA
iA
P1
A
N1
V AK
G
iG
G
K
+
-
+
-
+
-
P2
N2
-
• Parte del aporte de electrones
realizado por la corriente de
puerta llegan a la zona N1, se
aceleran y crean pares e-hueco.
Estos
nuevos
huecos
son
atraídos
por
el
cátodo.
Manteniéndose el proceso.
(VT(TO)≈1,3V).
K
CARGA
iA
A
rT
G
VAK
VT(TO)
K
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
7
19.3 Funcionamiento en conducción.
Características eléctricas:
Intensidad media nominal (ITAV):
Es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos
senoidales de 180º que el tiristor puede soportar con la
cápsula mantenida a determinada temperatura (85 ºC
normalmente).
Intensidad de pico repetitivo (ITRM):
Intensidad máxima que puede ser soportada cada 20 ms
por tiempo indefinido, con duración de pico de 1ms a
determinada temperatura de la cápsula.
Intensidad de pico único (ITSM):
Es el máximo pico de intensidad aplicable por una vez
cada 10 minutos o más, con duración de pico de 10ms.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.3 Funcionamiento en conducción.
Características eléctricas:
Corriente de mantenimiento(IH):
Es la corriente mínima de ánodo que se requiere para que el
tiristor siga manteniéndose en conducción.
Corriente de enclavamiento(IL):
Es la corriente de ánodo mínima que se requiere para que el
tiristor siga manteniéndose en conducción inmediatamente
después de que el dispositivo haya entrado en conducción y
la señal de puerta haya desaparecido (pulso en la puerta de 10
µs).
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
8
19.3 Funcionamiento en conducción.
Características eléctricas:
iA
IT
Corr. de enclavamiento
i >0
G
Corr. de mantenimiento
i =0
G
IL
IH
VBR
VBO VAK
VH VT
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.3 Funcionamiento en conducción.
Cálculo de pérdidas:
iT
Pdis
1
=
T
∫
T
0
v T (t) ⋅ iT (t) ⋅ dt
vT
PPdis
= V T(TO)·I·ITm
+r ·(I Tef))22
dis = VT(TO)
Tm+rTT·(ITef
VVT(TO)::
T(TO)
ITm
ITm::
rrT::
T
ITef
ITef::
Tensión
Tensiónumbral.
umbral.
Corriente
Corrientemedia.
media.
Resistencia
Resistenciadinámica.
dinámica.
Corriente
Corrienteeficaz.
eficaz.
iT
VT(TO)
rT
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
9
19.4 Disparo del tiristor.
Disparos
-Por exceso de tensión.
no-deseados
-Por derivada de tensión.
Disparo
-Por impulso de puerta.
deseado
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.4 Disparo del tiristor.
Por exceso de tensión:
CARGA
A
P1
N1
Unión
de control
G
P2
N2
K
Si
Sila
latensión
tensiónsoportada
soportadapor
porla
launión
uniónde
decontrol
controlse
seacerca
acercaal
alvalor
valor
de
de ruptura
ruptura en
en sentido
sentido directo,
directo, la
la corriente
corriente de
de minoritarios
minoritarios
aumenta
aumenta considerablemente
considerablemente (proceso
(proceso de
de avalancha).
avalancha). Si
Si la
la
corriente
corriente de
de fugas
fugas se
se eleva
eleva por
por encima
encima del
del valor
valor de
de
mantenimiento
mantenimiento el
eldispositivo
dispositivo es
es capaz
capaz de
demantener
mantener el
elestado
estado de
de
conducción.
conducción.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
10
19.4 Disparo del tiristor.
Por derivada de tensión:
CARGA
CARGA
A
A
P1
P1
N1
N1
P2
G
G
N2
P2
N2
K
K
Si
Si se
se produce
produce un
un cambio
cambio brusco
brusco de
de polarización
polarización inversa
inversa aa
directa,
no
hay
tiempo
para
la
organización
de
cargas.
directa, no hay tiempo para la organización de cargas. La
La
tensión
tensión soportada
soportada por
por la
la unión
unión control
controlserá
será elevada,
elevada, acelerando
acelerando
los
los portadores
portadores minoritarios.
minoritarios. Si
Si la
la corriente
corriente de
de minoritarios
minoritarios se
se
eleva
por
encima
del
valor
de
mantenimiento,
el
eleva por encima del valor de mantenimiento, el dispositivo
dispositivo es
es
capaz
capazde
demantener
mantenerel
elestado
estadode
deconducción.
conducción.
Dato
del
fabricante:
(du/dt)
Dato del fabricante: (du/dt)max
max
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.4 Disparo del tiristor.
Por radiación electromagnética:
CARGA
Ifugas
A
P1
N1
G
P2
N2
K
(poco poder
de penetración)
λo
(poco poder
energético)
λ
La
La acción
acción combinada
combinada de
de tensión
tensión directa,
directa, temperatura
temperaturayyradiación
radiación
electromagnética
electromagnética de
de longitud
longitud de
de onda
onda apropiada
apropiada puede
puede
incrementar
incrementar la
la corriente
corriente de
de minoritarios.
minoritarios. Si
Si la
la corriente
corriente de
de fugas
fugas
se
seeleva
elevapor
porencima
encimadel
delvalor
valorde
demantenimiento,
mantenimiento,el
eldispositivo
dispositivoes
es
capaz
capazde
demantener
mantenerel
elestado
estadode
deconducción.
conducción.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
11
19.4 Disparo del tiristor.
Por impulso de puerta:
Los
Loshuecos
huecosinyectados
inyectadospor
porla
lapuerta
puertaproducen
producenla
lainyección
inyecciónde
deuna
unanube
nube
de
deelectrones
electronesdesde
desdeel
elcátodo.
cátodo. Algunos
Algunoselectrones
electronesson
son captados
captadosyy son
son
acelerados
acelerados hacia
haciala
la unión
uniónde
de bloqueo,
bloqueo,generando
generando pares
parese-hueco.
e-hueco. Estos
Estos
huecos
huecos generados
generados se
se dirigen
dirigen hacia
hacia el
el cátodo
cátodo introduciendo
introduciendo más
más
electrones.
Si
la
corriente
generada
se
eleva
por
encima
electrones. Si la corriente generada se eleva por encima del
del valor
valor de
de
enclavamiento,
enclavamiento, el
el dispositivo
dispositivo es
es capaz
capaz de
de mantener
mantener el
el estado
estado de
de
conducción
conducciónaunque
aunquedesaparezca
desaparezcala
lacorriente
corrientede
depuerta.
puerta.
Tiempo min.
de disparo
A
P1
Corriente mín.
de puerta
N1
G
+-
+- +-
P2
MANTENIMIENTO
MANTENIMIENTODE
DELA
LA
CORRIENTE
CORRIENTETRAS
TRASEL
ELDISPARO
DISPARO
N2
-
K
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.4 Disparo del tiristor.
Tiempos de disparo. Circuito resistivo
R
iG
iT
A
V AK
V AK VB
VB
G
iG
K
100%
90%
iT
tr: Tiempo de retardo a la excitación.
10%
tr
ts
ts: Tiempo de subida.
td: Tiempo de disparo (0,5...3µs)
td
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
12
19.4 Disparo del tiristor.
Tiempos de disparo. Circuito inductivo
L
iG
iT
R
A
V AK
V AK VB
VB
G
K
iG
iT
IL
tmin: Tiempo mínimo de disparo.
tmin
IT =
(tiempo que IT tarda en alcanzar el
valor de enclavamiento, IL)
VB
R
t
- ⎞
⎛
⎜1 − e τ ⎟
⎟
⎜
⎠
⎝
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.4 Disparo del tiristor.
Características de puerta
V GK
caract. límite
VGKmáx
( re
ct
a
VGKmínCD
Pm
áx
de
DISPARO
ca
rg
a ) SEGURO
DISPARO
INCIERTO
VGKmáxSD
Q
caract. límite
DISPARO
IMPOSIBLE
IGmáxSD
caract. real
I GmínCD
IGmáx
iG
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
13
19.4 Disparo del tiristor.
Características de puerta
VVGKmáxSD::Máxima
tensión puerta-cátodo sin disparo de ningún
GKmáxSD Máxima tensión puerta-cátodo sin disparo de ningún
tiristor
a
tiristor adeterminada
determinadatemperatura.
temperatura.
VVGKmínCD::Mínima
tensión puerta-cátodo con disparo de todos
GKmínCD Mínima tensión puerta-cátodo con disparo de todos
los
tiristores
los tiristoresaadeterminada
determinadatemperatura.
temperatura.
IGmáxSD
IGmáxSD:: Máxima
Máximacorriente
corrientede
depuerta
puertasin
sindisparo
disparode
deningún
ningún
tiristor
a
determinada
temperatura.
tiristor a determinada temperatura.
IGmínCD
IGmínCD:: Mínima
Mínimacorriente
corrientede
depuerta
puertacon
condisparo
disparode
detodos
todoslos
los
tiristores
a
determinada
temperatura.
tiristores a determinada temperatura.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.4 Disparo del tiristor.
Circuitos de disparo
TIPOS DE ACOPLAMIENTO: - DIRECTO.
- MAGNÉTICO.
- ÓPTICO.
Acoplamiento directo:
+V CC
Cátodo
referido
a masa
CIRCUITO
DE
CONTROL
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
14
19.4 Disparo del tiristor.
Acoplamiento magnético:
DIODO DE LIBRE
CIRCULACIÓN
+VCC
Cátodo
NO referido
a masa
CIRCUITO
DE
CONTROL
La desmagnetización del
núcleo es muy lenta
utilizando un diodo.
Utilizando un diodo zener
es mucho más rápida.
Dz2
imag
L mag
Dz1
(ideal)
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.4 Disparo del tiristor.
Acoplamiento óptico:
Optoacopladores
Fibra óptica
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
15
19.4 Disparo del tiristor.
Acoplamiento óptico
(+VCC)
Cátodo
NO referido
a masa
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.5 Bloqueo del tiristor.
Formas de bloqueo: - Bloqueo estático.
- Bloqueo dinámico.
Bloqueo estático
Evolución suave
iT
VAK
CIRCUITO
iT
iT
IH
(1)
VAK
(2)
IH
t
(3)
VAK
t
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
16
19.5 Bloqueo del tiristor.
Bloqueo dinámico
Evolución brusca
iT
iT
VAK
CIRCUITO
t
ta
VAK
iT
(1)
t
(2)
ta: tiempo de apagado.
VAK
(Tiempo mínimo que debe transcurrir
desde que se anula la corriente para
que una nueva polarización directa no
lo meta en conducción.)
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.5 Bloqueo del tiristor.
Bloqueo forzado por fuente inversa de tensión (FIT)
VAK
iS
tb
CIRCUITO
DE BLOQUEO
RTH
L
iC
VTH
iT
+
V AK
-
VC
Un circuito externo (no
mostrado) mantiene cargado
un condensador con una
tensión inversa Vi.
tb > ta
C = 1,47 ⋅
I ⋅tb
Vi
t
iT
I
VC
V TH
Vi
t
t
iC
I
t
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
17
19.5 Bloqueo del tiristor.
Bloqueo forzado por fuente inversa de corriente (FII)
iT
RTH
CIRCUITO
DE BLOQUEO
iT
I TH
VAK
L
t
VAK
iC
iD
VC
VC
ITH = iA – iD + iC
tb > ta
t
Vi
t
iC
Ip
I⋅t
C = 0,893 ⋅ b
Ui
iD
I
tB
t
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.5 Otros tiristores.
Tiristor bidireccional (TRIAC)
G
T2
T1
iT
Conducción
bidireccional
I
Símbolo
T2
IL
n4
n4
-VBO
IH
P1
VBO
n1
VT1T2
III
P2
n3
G
n2
T1
Estructura
Característica
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
18
19.5 Otros tiristores.
Tiristor bidireccional (TRIAC)
Entrada
Entradaen
enconducción:
conducción:
--Forma
controlada:
Forma controlada:
Carga
T2
--Inyección
Inyecciónde
decorriente
corrienteen
enpuerta,
puerta,
tanto
positiva
como
negativa.
tanto positiva como negativa.
RG
--Forma
Formano
nocontrolada:
controlada:
Ve
V T2T1
G
iG
--Derivada
Derivadade
detensión
tensióndv/dt.
dv/dt.
--Tensión
excesiva
entre
Tensión excesiva entreA-K.
A-K.
iT
T1
MODO I+: VT2T1 > 0, i G > 0 (FÁCIL).
Aplicaciones:
MODO I- : VT2T1 > 0, i G < 0 (DIFÍCIL).
Regulación de alterna media - baja potencia
Control de velocidad motores
Control de flujo luminoso
Electrodomésticos de baja potencia
MODO III+: VT2T1 < 0 , iG > 0 (MUY DIFÍCIL).
MODO III-: VT2T1 < 0, iG < 0 (FÁCIL).
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.5 Otros tiristores.
DIAC
A1
Dispositivo de disparo de tiristores
Proporciona picos de corrientes de 2A
Tensión de cebado 33V
Diac comercial DB3
A2
iT
CARACTERÍSTICA:
-VBO
IL
IH
VBO
V A1A2
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19
19.5 Otros tiristores.
Ejemplo de aplicación del TRIAC
Vcarga
Carga
R1
T2
R2
V DIAC
R3
G
V BO
iG
C
T1
iG
TRIAC controlado por DIAC
α
R1 = 0 , máxima potencia
R1 = Elevada, mínima potencia
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.5 Otros tiristores.
GTO
G
A
K
- Interruptor unidireccional controlado por puerta.
- Entrada en conducción:
- Inyección de corriente en puerta.
- Salida de conducción:
- Extracción de corriente de puerta.
- Soporta tensiones inversas bajas (20V).
- La corriente de apagado es del orden de 1/3 de la corriente
que maneja el dispositivo.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
20
19.5 Otros tiristores.
El fototiristor (LASCR)
G
A
-
K
Son Tiristores activados por luz.
Utilizados en alta tensión.
Frecuencias de conmutación de hasta 2KHz.
Tensiones elevadas 6000V y 1500A.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.5 Otros tiristores.
MCT (Tiristor Controlado por Mos)
A
K
G
-
Puesta en conducción por tensión negativa en puerta.
Apagado por tensión positiva en puerta.
Ganancia elevada de tensión de control.
Disponibles hasta 1000V y 100A.
Potencias medias bajas.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
21
19.6 Uso de los datos de catálogo de fabricantes.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.5 Uso de los datos de catálogo de fabricantes.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
22
19.5 Uso de los datos de catálogo de fabricantes.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.5 Uso de los datos de catálogo de fabricantes.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
23
19.5 Uso de los datos de catálogo de fabricantes.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.5 Uso de los datos de catálogo de fabricantes.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
24
19.5 Uso de los datos de catálogo de fabricantes.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.5 Uso de los datos de catálogo de fabricantes.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
25
19.5 Uso de los datos de catálogo de fabricantes.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
19.5 Uso de los datos de catálogo de fabricantes.
Lección 19. – El rectificador controlado de silicio.
26