TIRISTORES y TRIACS

El SCR1. Introducción2. Estructura de semiconductor del SCR 3. Modelo del SCR4. Curva característica del SCR5. DRIVERS para SCRs6. Protección del SCR

• Contra dV/dt• Contra di/dt• Contra el calor

7. Control de Potencia con SCRs• Ejemplo de control de potencia con SCR• Semiconvertidor monofásico• Convertidor monofásico completo

El SCR.- Introduccion• Dispositivo de 4 capas y 3 terminales• Manejo de potencias significativas

– I > 5kA– V > 10kV

• Las junturas externas están polarizadas en directa y la interna en reversa.

• Una corriente por el gate sirve para polarizar la juntura intermedia y poner el dispositivo en conducción

Estructura de semiconductor del SCR• Una región de alta resistividad, base-n, esta presente en todos

los tiristores. Esta región y la juntura J23 asociada son las que soportan altos voltajes directos aplicados, que ocurren cuando el dispositivo esta en estado de bloqueo.

• La base-n, típicamente se dopa con impurezas de átomos de fosforo en una concentración de aprox. 1014 cm-3.

• La base-n puede ser desde decenas a centenas de micrómetros de espesor para soportar altos voltajes.

• El perfil del dopado de las regiones p van desde aprox. 1015 a 1017 cm-3. Estas regiones p pueden ser hasta decenas de micrómetros de espesor.

• La región cátodo (típicamente solo unos pocos micrómetros de espesor) se forma usando átomos de fosforo en una densidad de dopado de 1017 a 1018 cm-3.

• A mayor capacidad de bloqueo de voltaje directo, mayor debe ser el espesor de la región de base-n. El incremento del espesor de esta región, resulta en encendidos y apagados lentos ( los mayores tiempos de conmutación y/o baja frecuencia de conmutación se debe a mayor carga almacenada durante la conducción).

• Los átomos de impurezas como platino u oro, o irradiación electrónica, son usados para crear recombinación de portadores de carga en el tiristor. Tener un gran numero de recombinaciones reduce el tiempo de vida promedio de los portadores. Un reducido tiempo de vida de portadores reduce los tiempo de conmutación a expensas de incrementar la caída de conducción directa.

Modelo del SCR• Cuando un voltaje positivo es aplicado al ánodo con respecto al cátodo, el tiristor esta en modo de estado

de bloqueo en directa. La juntura central J23 es polarizada en inversa. En este modo de operación la corriente de puerta se mantiene en cero (circuito abierto).

• En la practica, la puerta se polariza a un voltaje negativo bajo con respecto al cátodo para polarizar en inversa la juntura J34 y evitar que los portadores de carga se inyecten en la base-p.

• En esta condición solo fluye a través del dispositivo corriente de fuga generado térmicamente y puede aproximarse a cero.

• Mientras el voltaje directo aplicado no exceda el valor necesario para causar excesiva multiplicación de portadores en la región de agotamiento alrededor de J23 (ruptura por avalancha), el tiristor permanecerá en el estado de apagado (bloqueo en directa).

• Si el voltaje aplicado excede el voltaje de bloqueo en directa máximo del tiristor, el tiristor conmutara a su estado de encendido. Este modo de encendido causa flujo de corriente no uniforme, es generalmente destructiva y debería evitarse.

• Cuando una corriente positiva en la puerta es inyectada en el dispositivo, J34 se polariza en directa y electrones son inyectados dese el emisor n dentro de la base-p. Algunos de estos electrones se difunden a través de la base-p y son recolectados en la base-n. Esta carga recolectada causa un cambio en la condición de polarización de J12. El cambio en la polarización de J12 causa que huecos se inyecten desde el emisor p dentro de la base-n. Estos huecos se difunden a través de la base-n y son coleccionados en la base p. La adición de estos huecos coleccionados en la base p actúan de igual forma como la corriente de puerta. El proceso entero es regenerativo y causara el incremento de portadores de carga hasta que J23 llegue a ser polarizado en directa y el tiristor se enganche al estado de encendido (conducción directa). La acción regenerativa tomara lugar mientras que la corriente de puerta es aplicado en cantidad suficiente y por suficiente tiempo. Este modo de encendido es el recomendado y es controlado por la señal de puerta.

• El comportamiento de conmutación también se puede explicar en términos de un modelo de dos transistores.• Los dos transistores son acoplados regenerativamente de tal manera que la suma de sus ganancias de corriente

en directa (alpha’s) exceda la unidad, cada transistor conduce al otro hacia la saturación.• La ecuación escribe la condición necesaria para que el tiristor se mueva desde el estado de bloqueo en directa

hacia el estado de conducción en directa.• Los factores alphas dependen de la corriente y se incrementan cuando se incrementa la corriente. La juntura

central J23 esta polarizada en inversa bajo un voltaje aplicado en directa (voltaje en el ánodo positivo). El campo eléctrico asociado en la región de agotamiento alrededor de la juntura puede resultar en una multiplicación de portadores, denotado como factor multiplicativo M sobre los componentes de corriente ICO y IG.

• En el estado de bloqueo en directa, la corriente de fuga ICO es pequeña, ambos alpha’s son pequeños y su suma es menor que la unidad.

• La corriente de puerta incrementa la corriente en ambos transistores, incrementando sus alpha’s.• La corriente de colector en el transistor NPN actúa como la corriente de base para el transistor PNP, y

análogamente la corriente de colector del PNP actúa como la corriente de base excitando al transistor NPN. • Cuando la suma de los dos alpha’s es igual a uno, el tiristor conmuta a su estado de encendido. Esta condición

puede alcanzarse sin corriente de puerta, incrementando el voltaje directo aplicado tal que el factor de multiplicación de portadores (M>>1) en J23 incremente la corriente de fuga interno, esto incrementa los dos alpha’s. Una tercera forma de incrementar los alpha’s es incrementando la temperatura de los dispositivos.

• Incrementando la temperatura de los dispositivos causa un incremento correspondiente en la corriente de fuga ICO al punto donde la conducción pueda ocurrir.

• Existe otra forma de causar conmutación de un tiristor desde el estado de bloqueo en directa a conducción en directa.

• Bajo un voltaje en directa aplicado, J23 esta polarizado en inversa mientras que las otras dos junturas están polarizadas en directa en el modo bloqueo.

• La polarización inversa de la juntura J23 es la capacitancia dominante de las tres junturas y determina la corriente que fluye.

• Si la tasa de incremento en el voltaje aplicado VAK es suficiente (dvAK / dt), causara una corriente significante a través de la capacitancia de J23. Esta corriente puede iniciar la conmutación similar a la corriente de puerta aplicada.

• Este fenómeno dinámico es inherente en todo tiristor y causa que exista un limite (dv/dt) a la tasa de tiempo del voltaje VAK aplicado que puede ser puesto sobre el dispositivo para evitar conmutación no controlada.

• Una vez que el tiristor se ha movido al estado de conducción en directa, no es necesaria la corriente en la puerta.

• El tiristor esta enganchado y los SCR no pueden regresar al modo bloqueo usando el terminal de puerta.• La corriente en el ánodo debe ser eliminada del SCR por un tiempo suficiente para permitir que la carga

almacenada se recombine.• Solo después de que este tiempo de recuperación ha transcurrido se puede aplicar un voltaje en directa y

el SCR nuevamente será operado en modo de bloqueo en directa.• Si el voltaje en directa es reaplicado antes que transcurre un tiempo de recuperación suficiente, el SCR

regresara al estado de conducción en directa.

Sección de un Tiristor

Sección Longitudinal

Curvas características del SCR• Con corriente de puerta cero y vAK positivo, la característica en

directa en el estado de conducción y bloqueo es determinada por la juntura central J2, la cual esta polarizada en inversa.

• En el punto de operación 1, fluye muy poca corriente (solo ICO) a través del dispositivo. Si el voltaje aplicado excede el voltaje de bloqueo en directa, el tiristor conmuta a su estado de encendido o de conducción (punto 2) debido a la multiplicación de portadores (factor M).

• El efecto de la corriente de puerta es disminuir el voltaje de bloqueo en el punto donde ocurre la conmutación.

• Cuando el tiristor se mueve del estado de bloqueo en directa al estado de conducción en directa, el circuito externo debe permitir corriente de ánodo suficiente para mantener el dispositivo enganchado. La corriente de ánodo mínima causara que el dispositivo permanezca en el estado de conducción en directa (corriente de enganche IL).

• El mínimo valor de corriente de ánodo necesario para mantener el dispositivo en conducción directa después que ha operado en valores de corriente de ánodo altas se conoce como corriente de mantenimiento IH.

• La corriente de mantenimiento es menor a la corriente de enganche.

• La característica de reversa del tiristor esta determinada por las junturas J1 y J3, los cuales están en polarización inversa en este modo de operación (vAK negativo).

Parámetros del Tiristor

• Entender las tasas máximas y características eléctricas del tiristor es necesario para una aplicación apropiada.

• Las tasas son valores máximos o mínimos que ponen limites en la capacidad del dispositivo.

Tasas Máximas especificadas por los fabricantes

Características Típicas Máximas y Mínimas Especificadas por los fabricantes

La característica real V – I del tiristor está representada en la figura:

Características estáticas:

Las características estáticas corresponden a la región ánodo - cátodo y son los valores máximos que colocan al elemento en el límite de sus posibilidades: VRRM, VDRM, VT, ITAV, ITRMS, IR, Tj, IH.

Características de control:

Determinan la naturaleza del circuito de mando que mejor responde a las condiciones de disparo.

Para la región puerta - cátodo los fabricantes definen entre otras las siguientes características: VGFM, VGRM, IGM, PGM, PGAV, VGT, VGNT (VGD), IGT, IGNT (IGD), VGNT (VGD) e IGNT (IGD) que dan los valores máximos de corriente y de tensión, para los cuales en condiciones normales de temperatura, los tiristores no corren el riesgo de dispararse de modo indeseado.

Características de control

Construcción de la curva característica de puerta

Características de control

Dentro de esta zona encontramos una parte en la cual el disparo resulta inseguro Esta corriente mínima disminuye al aumentar la temperatura:

GM

G(AV)

PP

Características Dinámicas de Conmutación

• El tiempo de subida tanto de la corriente de ánodo (di/dt) durante el encendido y el voltaje ánodo cátodo (dv/dt) durante el apagado es un parámetro importante para asegurar una operación apropiada y confiable.

• Todos los tiristores tiene limite máximo para di/dt y dv/dt que no se deben exceder.

Características de conmutación:

Los tiristores necesitan un tiempo para pasar de bloqueo a conducción y viceversa.

A.- Tiempo de Encendido (tON)

El tiempo de encendido (paso de corte a conducción) tgt = tON, lo dividimos en dos partes:

A1.- Tiempo de retardo. (td) A2.- Tiempo de subida. (tr)

B.- Tiempo de Apagado (tOFF)Es el tiempo de paso conducción a corte

Dividimos el tiempo de apagado en dos:B1.- T de recuperación inversa. (trr).

B2.- T de recuperación de puerta. (tgr).

grrroff ttt qt

Características de conmutación:

La extinción del tiristor se producirá por dos motivos: Por reducción de la corriente de ánodo por debajo de la corriente de mantenimiento y por anulación de la corriente de ánodo.

Parámetros que influyen sobre toff: Corriente en conducción (IT). Tensión inversa (VR). Velocidad de caída de la corriente de ánodo dI/dt. Pendiente de tensión dVD/dt. Temperatura de la unión Tj o del contenedor Tc. Condiciones de puerta.

Angulo de Conducción

La corriente y la tensión media de un tiristor variarán en función del instante en el que se produzca el disparo, es decir, todo va a depender del ángulo de conducción. La potencia entregada y la potencia consumida por el dispositivo, también dependerán de él: cuanto mayor sea éste, mayor potencia tendremos a la salida del tiristorCuanto mayor es el ángulo disparo, menor es el de conducción:

180º = Áng conducción + Áng disparo

Métodos de disparo:Para que se produzca el cebado de un tiristor, la unión ánodo - cátodo debe estar polarizada en directo y la señal de mando debe permanecer un tiempo suficientemente largo como para permitir que el tiristor alcance un valor de corriente de ánodo mayor que IL, corriente necesaria para permitir que el SCR comience a conducir.

Para que, una vez disparado, se mantenga en la zona de conducción deberá circular una corriente mínima de valor IH, marcando el paso del estado de conducción al estado de bloqueo directo.

Los distintos métodos de disparo de los tiristores son:- Por puerta.- Por módulo de tensión. (V)- Por gradiente de tensión (dV/dt)- Disparo por radiación. - Disparo por temperatura.

El modo usado es el disparo por puerta. Los disparos por módulo y gradiente de tensión son modos no deseados.

Disparo por puerta

Disparo por dc

Disparo por impulso Disparo por puerta:

Circuitos de Puerta• Es posible encender un tiristor inyectando un pulso de corriente dentro de la puerta.

Este proceso es conocido como disparo del tiristor.• La restricción mas importante son el pico máximo y duración del pulso de corriente de

puerta.• A fin de permitir una conmutación de encendido segura, el pulso de corriente debería

ser lo suficientemente alta para evitar un apagado inmediato luego de encender el tiristor, así mismo debería de durar un tiempo suficiente.

• Debería de usarse las característica corriente voltaje de la hoja de datos del dispositivo para estimar el valor de la corriente.

• Otra caracteristica del circuito de puerta que deberia ser analizado es el requerimiento de la rapidez del encendido.

• A fin de permitir un encendido rapido y correspondientemente una gran di/dt de anodo durante el proceso de encendido, un gran pulso de corriente de puerta durante la fase inicial del encendido con un gran diG/dt. La corriente de puerta es mantenido a un valor bajo, por un tiempo despues que el tiristor es encendido a fin de evitar un apagado no deseado.

Forma de Onda de la Corriente de Puerta.

Diagrama de un Circuito de Puerta Aislado

Curva i-v de puerta para Tiristores

Requerimientos del circuito de puerta

• El valor de VG e IG no esta restringido a algún valor en especial, puede variar en un rango amplio.

• Depende de las características de puerta del dispositivo.

• La curva 3 representa la potencia máxima permisible en la puerta.

• El rectangulo mnop debe ser evitado según el fabricante.

• La recta de carga wxyz debe pasar por encima de esta area (mnop)

• La zona preferible de operación es cerca a la curva 3. Incrementara di/dt, minimiza el tiempo de conmutacion en el encendido, y reduce las perdidas de conmutacion en el tiristor.

• El punto de operación sera q, y VG = os e IG=or.

• El rango de operación estara entre x e y.

• Corriente maxima o en corto circuito del circuito driver es Es/(Rs+R1).• R1 debe seleccionarse de tal forma que no dañe a la fuente Es.• El voltaje maximo del circuito driver es Es, R2 es opcional, sin embargo

mejora la inmunidad al ruido del tiristor.• Cuando R2 es conectado entre G y K, el maximo VG debe ser menor que VGM:

• Estas condiciones son validas para un voltajes DC en el gate.• Para un tren de pulsos o un pulso, estos criterios son validos, hasta un ancho

de pulso de 100us.• Para pulsos angostos, el valor de VG e IG debe ser incrementado.• Para pulsos unicos, el ancho del pulso debe ser suficiente para que la

corriente de anodo alcance el valor de la corriente de enganche del tiristor.• Esto es valido para cargas altamente inductivas.• Para un tren de pulso, se recomienda un ancho de pulso de 50us, freq =

10KHz, DC = 50%.

Ejemplo• Diseñe un circuito de disparo para un tiristor: 800V, 110 A, conectado a una fuente de 6V

DC. La máxima corriente permisible de la fuente es 200mA y la corriente de cortocircuito es de 500mA.

• El SCR tiene las siguientes características de puerta: VG = 2.5V, IG= 50mA, VGM = 3V, IGM= 100mA, PGM= 0.5W.

• Sol:Rs= Es/Isc= 6/0.5=12 OhmsRs+R1 >= Es/0.2 = 30 Ohms (para proteger la fuente de corriente excesiva).R1 >= 18 OhmsRs + R1 > = Es/ IGM = 6 /0.1 = 60 Ohms ( para proteger la juntura puerta catodo).R1 >= 48 OhmsUtilizando los valores tipicos de VG e IG:Rs+R1<= (Es – VG)/IG , R1 < = 58 OhmsR2:Como VG no debe exceder el valor de VGM:Es*R2 /(Rs+R1+R2) < = VGM , R2 < = 69 Ohms

Señales de Disparo• El tiristor se disparo cuando

VG alcanza el valor critico de VGT, el cual depende de la temperatura de la juntura GK y de la corriente de anodo y del voltaje de la fuente.

Corriente de puerta Ideal del Tiristor

Circuitos de Disparo para SCRs• Los circuitos de disparo pueden ser realizados con redes R y

RC, son baratos y consumen poca potencia. Sin embargo el control y el voltaje de salida hacia la carga son susceptibles a las variaciones de temperatura. Mas aun control por realimentación no se puede incorporar fácilmente.

Circuito de Disparo Resistivo

• Para disparar un SCR se puede emplear un salto de voltaje DC, una señal DC de subida lenta o una señal positiva rectificada de media onda.

• Cuando el voltaje aplicado al terminal del gate excede el nivel de VGT, ocurre el disparo.

• El ángulo de disparo esta limitado a 90°.

Circuito de Disparo Resistivo para SCR

• Despreciando R2, VG será:

• El mínimo valor de Rmin es:

• El máximo valor de R2 es:

Circuitos de Disparo RC

• El ángulo de disparo puede ser mayor a 90°.• Dos tipos:

– AC– DC

• Media Onda• Onda Completa

Tipo AC• Despreciando la descarga del capacitor

durante el periodo de conducción del SCR, el circuito puede ser analizado por la respuesta en estado estable sinusoidal de un circuito RC lineal.

• Por lo tanto el ángulo del voltaje en el capacitor, puede ser controlado desde 0° hasta casi 90°.

• El valor rms del voltaje en el capacitor (Vc), que es igual a Vcos(θ), decrece drásticamente para valores mayores de θ.

• θ = tan-1(wCR)• vc = 1,41Vcos(θ)sin(wt-θ) , voltaje

instantáneo en el capacitor.

Circuito de Disparo con DIAC

• El capacitor se carga a través de R durante cada medio ciclo. Cuando vc alcanza el voltaje de ruptura del DIAC (aprox 30V), el DIAC conduce y se proporciona una corriente en la puerta necesaria para hacer conducir el Triac.

• El triac conduce y el voltaje a través del capacitor disminuye para el resto del semi ciclo. En el siguiente semiciclo ocurre lo mismo.

• El triac conduce en los semiciclos positivos y negativos.

Circuito de Disparo con UJT• Un transistor UJT provee frecuencia constante, pulsos angostos con tiempo de

subida cortos. • El UJT es un dispositivo de 3 terminales, tiene un semiconductor tipo N (entre dos

terminales de base B1 y B2) con un dopado tipo P pequeño. • El terminal de emisor divide la resistencia interbase VBB en dos partes (RB1 y RB2). • Si se aplica un voltaje de polarizacion DC a traves de los terminales de base, el

voltaje en el material tipo N cerca del terminal del emisor (k) es dado por:

• Donde n es la razon intrinseca del UJT (0.5 – 0.85).• Cuando el voltaje en el emisor vE es menor que VK (o nVBB), la juntura emisor –

B1 se comporta como un diodo en la condicion de polarizacion inversa y por lo tanto ofrece una alta impedancia.

Oscilador UJT

• Cuando se conecta un voltaje DC (VBB), la carga del capacitor empieza a traves de la resistencia Rmin y R. El voltaje a traves del capacitor aumenta.

• Tan pronto como como vE excede ligeramente Vk o (nVBB + VD), la juntura P-N se comporta como un diodo en la condicion de polarizacion directa. Luego la impedancia entre el emisor y la base 1 colapsa y el flujo de IE a traves de R1 toma lugar.

• El capacitor se descarga a traves de R1 y por lo tanto aparece un pulso de voltaje a traves de R1.

• Sin embargo, en un circuito de disparo, α no puede ser igual en cada ciclo de la fuente de voltaje. Por lo tanto α no se mantiene igual sino que varia aleatoriamente en cada ciclo. Para tener un valor constante de α, se requiere sincronizar los pulsos de disparo con la fuente de alimentación.

Consideraciones de Diseño• Selección de R1:

– Debe ser lo mas bajo posible para evitar el disparo no deseado del SCR.

– R1 esta relacionado con el Voltaje máximo en el gate (VGD) que no disparar al SCR en cualquier temperatura.

• Selección de R2:– Se selecciona de las condiciones de

estabilidad , ya que Vp disminuye con la T.

• Selección del capacitor:– Debería almacenar suficiente carga para

disparar al SCR.– Los valores típicos son desde 0.01 a 0.7 uF.

• Selección de Rmin:

• Selección de R:

Circuitos de Driver para SCR

Limitaciones del tiristorLas más importantes son debidas a:

• Frecuencia de funcionamiento.• Sobretensiones y pendiente de tensión (dV/dt).• Pendiente de intensidad (dI/dt).• Temperatura.

En ctos donde el valor de dV/dt sea superior al valor dado por el fabricante, se pueden utilizar ctos supresores de transitorios. Se conectan en bornes de la alimentación, en paralelo con el semiconductor o en paralelo con la carga.

Una solución muy utilizada en la práctica es conectar en paralelo con el tiristor un cto RC (Red SNUBBER), para evitar variaciones bruscas de tensión en los extremos del semiconductor:

Protección del SCR