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UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NUEVO LEÓN FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Materia: Diseño de Sistemas Electrónicos de Potencia M.C. Ovidio A. Ochoa Ochoa Hora: V1-V3 Salón: Elec1 Actividad 5 Tiristores y Optoacopladores

Alumno: Javier de Jesús Flores Cruz. Matrícula: 1517671 Carrera: IMTC Correo: [email protected]

TIPOS DE TIRISTORES La corriente anódica requiere un tiempo finito para propagarse hasta toda el área de la unión, desde el punto cercano a la compuerta, cuando se inicia la señal de compuerta para encender el tiristor. Los fabricantes usan diversas estructuras de compuerta para controlar la di/dt, el tiempo de encendido y el tiempo de apagado. Los tiristores pueden encenderse con facilidad con un impulso corto. Para apagarlos, requieren circuitos especiales de control, o estructuras internas especiales para auxiliar en el proceso de apaga- do. Hay varias versiones de tiristores con capacidad de apagado, y el objetivo de todo dispositivo nuevo es mejorar la posibilidad de apagado. Con el advenimiento de nuevos dispositivos con posibilidades tanto de encender como de apagar, el dispositivo que sólo tiene posibilidad de encender se llama "tiristor convencional" o sólo "tiristor". Otros miembros de la familia de tiristor, o rectifica- dores controlados de silicio (SCR, de silicon-controlled rectifier) han adquirido otros nombres, basados en acrónirnos. Dependiendo de la construcción física y el comportamiento en el encendido y el apagado, se pueden clasificar los tiristores, en forma amplia, en 13 categorías:

 Tiristores controlados por fase Esta clase de tiristores suele funcionar a la frecuencia de línea, y se apagan por conmutación natural. Un tiristor inicia la conducción en sentido directo, cuando se aplica un pulso de disparo de corriente de la compuerta al cátodo, y se llega y se mantiene con rapidez a la conducción total, con una caída pequeña de voltaje en sentido directo. No puede hacer que su corriente regrese a cero mediante una señal en su compuerta; en lugar de ello, se basa en el comportamiento natural del circuito para que la corriente llegue a cero. Cuando la corriente anódica baja a cero, el tiristor recupera su capacidad en unas pocas decenas de microsegundos de voltaje de bloqueo en sentido inverso, y puede bloquear la corriente en sentido directo hasta que se aplique el siguiente pulso de encendido. El tiempo de apagado t q es del orden de 50 a 100 µS. Es más adecuado para aplicaciones con conmutación de baja velocidad, y también se le llama tiristor convertidor. Como un tiristor es básicamente un dispositivo controlado hecho de silicio, también se le llama rectificador controlado de silicio (SCR). El voltaje V t en estado de encendido varía, normalmente desde unos 1.15V para 600 V hasta 2.5 V para dispositivos de 4000 V, Y para un tiristor de 1200 V, 5500 A, ese voltaje suele ser 1.25V. Los tiristores modernos usan una compuerta amplificadora donde se controla el encendido de un tiristor auxiliar TA mediante una señal de compuerta, y a continuación la salida amplificada de TA se aplica como señal de compuerta al tiristor principal TM' La compuerta amplificadora permite tener unas características dinámicas altas con tasas dv/dt típicas de 1000 V/µS y tasas di/dt de 500 A/µS, y simplifica el diseño del circuito porque reduce o minimiza el inductor limitador de la tasa di/dt y los circuitos de protección contra la tasa dv/dt.

 BCT El BCT es un concepto nuevo para control por fase con alta potencia. Es un dispositivo único que combina las ventajas de tener dos tiristores en un encapsulado, permitiendo diseñar equipos más compactos, simplificando el sistema de enfriamiento y aumentando la fiabilidad del sistema.

Son adecuados en aplicaciones tales como compensadores estáticos de voltamperes reactivos (VAR), interruptores estáticos, arrancad ores suaves y controles de motor. La especificación máxima de voltaje puede ser hasta de 6.5 kV a 1.8 kA, Y la especificación máxima de corriente puede ser hasta 3 kA a 1.8 kV. El comportamiento eléctrico de un BCT corresponde al de dos tiristores en antiparalelo, integrados en una oblea de silicio. Cada mitad de tiristor funciona como el tiristor de oblea completa correspondiente, con respecto a sus propiedades estáticas y dinámicas. La oblea del BCT tiene regiones anódicas y catódicas en cada cara. Los tiristores A y B se identifican en la oblea con las letras A y B, respectivamente. El dispositivo debe tener una gran uniformidad entre las dos mitades, respecto a parámetros de dispositivo como carga de recuperación inversa y caídas de voltaje en estado de encendido. Encendido y apagado. Un BCT tiene dos compuertas: una para encender e iniciar el flujo de la corriente en sentido directo, y una para corriente en sentido inverso. Este tiristor enciende con un pulso de corriente a una de sus compuertas. Se desactiva si la corriente anódica baja del valor de la corriente de detención, por el comportamiento natural del voltaje o la corriente.



Tiristores de conmutación rápida

Se usan en aplicaciones de conmutación de alta velocidad, con conmutación forzada Tienen un tiempo corto de apagado, por lo general de 5 a 50 µS, dependiendo del intervalo de voltaje. La caída de voltaje en estado de encendido varía, aproximadamente en función inversa del tiempo de encendido t q . A esta clase de tiristor también se le llama tiristor inversor. Estos tiristores tienen alta tasa dv/dt, normalmente de 1000 V/µS, y tasa di/dt de 1000 A/µS. El apagado rápido y la alta di/dt son muy importantes para reducir el tamaño y el peso de los componentes de conmutación o del circuito reactivo. El voltaje en estado de encendido, de un tiristor de 1800 V - 2,200 A suele ser de 1.7 V. Los tiristores inversores, con posibilidades muy limitadas de bloqueo en sentido inverso, normalmente de 10 V Y que tienen un tiempo de apagado muy corto, de 3 a 5 µs, se llaman tiristores asimétricos (ASCRS).

 LASCR Este dispositivo enciende por irradiación directa, con luz, de la oblea de silicio. Los pares electrón-hueco que crea la radiación producen la corriente de disparo, bajo la influencia del campo eléctrico. La estructura de la compuerta se diseña para proporcionar la sensibilidad suficiente para hacer la activación con fuentes luminosas normales y para obtener grandes capacidades de las tasas di/dt y dv/dt. Los LASCR se usan en aplicaciones de alto voltaje y gran corriente, por ejemplo HVDC, transmisión y compensación de potencia o VAR reactivos. Un LASCR ofrece un aislamiento eléctrico completo entre la fuente luminosa de activación y el dispositivo de conmutación de un convertidor de potencia, que flota a un potencial hasta de algunos pocos kilovolts. La especificación de voltaje de un LASCR podría llegar a 4 kV a 1500 A, con potencia de la luz de activación menor a 100 mW. La di/dt normal es 250 A/ms y la dv/dt podría ser hasta de 2000 V/µs.

 Tiristores de tríodo bidireccional Un TRIAC puede conducir en ambas direcciones, y se usa normalmente para control por fase. Se puede considerar como dos SCR conectados en antiparalelo con una conexión de compuerta común. Como un TRIAC es un dispositivo bidireccional, no se puede decir que sus terminales sean ánodo y

cátodo. Si la terminal

MT 2 es positiva con respecto a la terminal MT 1 , el

TRIAC se puede encender aplicando una señal positiva entre la compuerta G y la terminal MT 1 . Si la terminal MT 2 es negativa con respecto a la terminal MT 1 , se enciende aplicando una señal negativa entre la compuerta G y la terminal

MT 1 . No es necesario tener las dos polaridades de señal de

compuerta, y un TRIAC se puede encender con una señal de compuerta que puede ser positiva o negativa.

 RCT En muchos circuitos de convertidor e inversor se conecta un diodo antiparalelo a través de un SCR para permitir un flujo de corriente en sentido inverso, causada por carga inductiva, y para mejorar los requisitos de apagado del circuito de conmutación. El diodo fija el voltaje de bloqueo en sentido inverso del SCR en 1 o 2 V bajo condiciones de estado estable. Sin embargo, bajo condiciones transitorias el voltaje puede subir hasta 30 V debido a voltaje inducido en la inductancia parásita del circuito, en el interior del dispositivo. Un RCT es un compromiso entre las características del dispositivo y los requisitos del circuito; se puede considerar como un tiristor con un diodo antiparalelo incorporado. AI RCT también se le llama ASCR, o tiristor asimétrico. El voltaje de bloqueo en sentido directo varía de 400 a 2000 V, Y la especificación de corriente va hasta 500 A. El voltaje típico de bloqueo en sentido inverso es de 30 a 40 V. Como la relación de corriente en sentido directo a través del tiristor, entre la corriente en sentido inverso de un diodo está fija para determinado dispositivo, sus aplicaciones se limitan a diseños de circuitos específicos.

 GTO Como un SCR, un GTO se puede encender aplicando una señal positiva a la compuerta. Sin embargo, el GTO puede abrirse con una señal negativa de

compuerta. Un GTO es un dispositivo que no retiene, y se puede construir con especificaciones de corriente y voltaje parecidas a las de un SCR. Un GTO se enciende aplicando un pulso positivo corto, y se apaga con un pulso negativo corto a su compuerta. Los GTO tienen las siguientes ventajas sobre los SCR: 1) eliminación de componentes de conmutación, en la conmutación forzada, que dan como resultado una reducción de costo, peso y volumen; 2) reducción de ruido acústico y electromagnético, por la eliminación de reactores de conmutación; 3) apagado más rápido que permite altas frecuencias de conmutación, y 4) mejor eficiencia de convertidores. En aplicaciones con baja potencia, los GTO tienen las siguientes ventajas sobre los transistores bipolares: 1) mayor especificación de voltaje de bloqueo, 2) alta relación de corriente pico controlable a corriente promedio; 3) alta relación de pico de corriente de sobrecarga entre corriente promedio, normalmente de 10:1;4) alta ganancia en estado encendido (corriente anódica y corriente de compuerta); 600 en forma típica, y 5) una señal pulsada de compuerta de corta du- ración. Bajo condiciones de inundación sobrecarga, un GTO entra en mayor saturación debido a la acción regenerativa. Por otra parte, un transistor bipolar tiende a salir de la saturación. Al igual que un tiristor, un GTO es un dispositivo con retención, pero también es un dispositivo que es posible apagar.

 FET-CTH Un dispositivo FET-CTH combina en paralelo a un MOSFET y un tiristor. Si se aplica el voltaje suficiente a la compuerta del MOSFET, normalmente 3 V, se genera internamente una corriente de disparo para el tiristor. Tiene alta velocidad de conmutación, altas tasas di/dt; dv/dt. Este dispositivo puede encenderse como los tiristores convencionales, pero no puede apagarse mediante control de compuerta. Esto tiene aplicaciones cuando se debe usar disparo óptico para dar aislamiento eléctrico entre la señal de entrada o de control, y el dispositivo de conmutación del convertidor de potencia.

 MTO El MTO fue desarrollado por Silicon Power Company (SPCO). Es una combinación de un GTO y un MOSFET, que juntos superan las limitaciones de capacidad de apagado del GTO. El inconveniente principal de los GTO es que requieren un circuito de encendido con grandes pulsos de corriente, para la compuerta de baja impedancia. El circuito de la compuerta debe proporcionar la corriente de apagado de compuerta, cuya amplitud pico típica es 35% de la corriente que se va a controlar. El MTO proporciona la misma funcionalidad que el GTO, pero usa un control de compuerta que debe suministrar sólo el voltaje de nivel de señal necesario para encender y apagar los transistores MOS. Su estructura es parecida a la de un GTO, y conserva las ventajas de los GTO de alto voltaje (hasta 10 kV) Y gran corriente (hasta 4000 A). Los MTO se pueden usar en aplicaciones de gran potencia, desde 1 a 20 MVA.

 ETO El ETO es un dispositivo híbrido de MOS y GTO en el que se combinan las ventajas del GTO y del MOSFET. El ETO fue inventado en el Virginia Power Electronics Center, en colaboración con SPCO. El símbolo del ETO, su circuito equivalente y la estructura pn se ven en la Un ETO tiene dos compuertas: una normal, para encenderlo, y una con un MOSFST en serie, para apagarlo. Se han demostrado ETO de alta potencia, con especificaciones de corriente hasta de 4 kA Y de voltaje hasta de 6 kV.

 lGCT

En el IGCT se integran un tiristor conmutado por compuerta (GCT) y un activador de compuerta en tarjeta de circuito impreso multicapa. El CGT es un GTO de conmutación permanente, con un pulso de corriente de compuerta muy rápido y grande, tan grande como la corriente total especificada, que toma toda la corriente del cátodo y la lleva a la compuerta aproximadamente en 1 µ S, para asegurar un apagado rápido. Éste también puede tener un diodo inverso integrado, indicado por la unión n+ n- p del lado derecho. En forma similar a un GTO, MTO y ETO, la capa de acoplamiento n" distribuye el esfuerzo dieléctrico a través de la capa n-, reduce el espesor de esa capa, disminuye las pérdidas por conducción en estado de encendido, y hace que el dispositivo sea asimétrico. La capa p del ánodo se fabrica delgada y ligeramente dopada, para permitir una remoción más rápida de cargas, del lado del ánodo, durante el apagado.

MCT En un MCT se combinan las propiedades de un tiristor regenerativo de cuatro capas, y una estructura de compuerta de MOS. Como el IGBT, combina las ventajas de las estructuras bipolares de unión con las de efecto de campo, y es una mejoría respecto a un tiristor con un par de MOSFET que lo enciendan y apaguen. Aunque hay varios dispositivos en la familia del MCT con combinaciones distintas de estructuras de canal y de compuerta, el MCT del canal p se menciona mucho en las publicaciones. La estructura NPNP se puede representar con un transistor NPN Q1, y un transistor PNP Q2' La estructura de compuerta de MOS se puede representar con un MOSFET MI de canal p, y un MOSFET M2 de canal n. Debido a que la estructura es NPNP, y no es la estructura PNPN de un SCR normal, el ánodo sirve como terminal de referencia, con respecto a la cual se aplican todas las señales de compuerta. Supongamos que el MCT está en su estado de bloqueo en sentido directo, y se aplica un voltaje VGA negativo. Se forma un canal p (o una capa de inversión) en el material dopado n, haciendo que los huecos fluyan lateralmente, desde el emisor p E2 de Q2 (S} de fuente, de MOSFET M] de canal p), por el canal p hasta la base B1 p de Q1 (drenaje DI del MOSFET MI de canal p). Este flujo de huecos es la corriente de base para el transistor NPN Q1' El emisor n+ El de

Q1 inyecta entonces electrones que alcanzan la base n B2 (y el colector n C1), lo cual hace que el emisor p de E2 inyecte huecos en la base n B1, de modo que el transistor PNP Q2 se activa y retiene al MCT. En resumen, una voltaje de compuerta VGA negativo activa el MOSFET MI de canal p y con ello proporciona la corriente de base para el transistor Q2' Supongamos que el MCT esté en su estado de conducción, y que se aplica un voltaje positivo VGA' Se forma un canal n en el material p dopado, y hace que los electrones pasen lateralmente de la base n B2 de Q2 (fuente S2 del MOSFET M2 de canal n), a través del canal n hacia el emisor «',muy dopado, E2 de Q2 (drenaje D2 del MOSFET M2 de canal n). Este flujo de electrones desvía a la corriente de la base del transistor PNP Q2, de tal modo que se apaga su unión de base y emisor, y no quedan disponibles huecos para ser recolectados por la base BI p de QI (y por el colector C2 de Q2)' La eliminación de esta corriente de huecos en la base p B1 hace que se apague el transistor NPN Q1 y el MCT regresa a su estado de bloqueo. En resumen, un pulso positivo VGA en la compuerta, desvía la corriente que enciende a la base de Q1 y con ello apaga al MCT.

 SITH El SITH, llamado también diodo controlado-limado (FCD, de filed-controlled diode) fue intro- ducido por Teszner en la década de 1960. Un SITH es un dispositivo de portadores minoritarios. En consecuencia, tiene baja resistencia o caída de voltaje en estado activo, y se puede fabricar con mayores especificaciones de voltaje y corriente. Tiene grandes velocidades de conmutación y mayores capacidades de las tasas dv/dt y di/dt. El tiempo de conmutación es del orden de 1 a 6 µS. La especificación de voltaje puede llegar hasta a 2500 V,Y la de corriente se limita a 500 A. Este dispositivo tiene una sensibilidad extremadamente alta al proceso, y pequeñas perturbaciones en su manufactura producen grandes cambios en sus características. Con la llegada de la tecnología SiC se ha fabricado un SITH 4H- SiC con voltaje de bloqueo en sentido directo de 300 V.

Tipos de Optoacopladores Los Optoacopladores tienen un acoplamiento óptico y, al mismo tiempo, un aislamiento eléctrico. Por ello también se les conoce como OPTOAISLADORES. El acoplamiento se efectúa en el rango del espectro infrarojo a partir de dispositivos emisores de luz, usualmente IRED (infra-rojo) LEDs (diodos emisores de luz), actuando como emisores y utilizando dispositivos detectores de luz (optodetectores), actuando como receptores .

Fototransístor. Se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un transistor BJT.

Fototriac: se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un triac.

Fototriac de paso por cero: Optoacoplador en cuya etapa de salida se encuentra un triac de cruce por cero. El circuito interno de cruce por cero conmuta al triac sólo en los cruce por cero de la corriente alterna.

Optotiristor: Diseñado para aplicaciones donde sea preciso un aislamiento entre una señal lógica y la red.