GTO

Es un tiristor con capacidad externa de bloqueo. La puerta permite controlar las dos transiciones: paso de bloqueo a conducción y viceversa.

Un tiristor GTO es un SCR que puede apagarse por una pulsación suficientemente grande en su compuerta de entrada, aun si la corriente iD excede IH.
se usan desde 1960, pero se potencializaron al final de los años setenta. son comunes en las unidades de control de motores, ya que eliminan componentes externos para apagar los SCR en circuitos de cc.

CARACTERÍSTICAS
El disparo se realiza mediante una VGK >0
El bloqueo se realiza con una VGK < 0.
La ventaja del bloqueo por puerta es que no se precisan de los circuitos de bloqueo forzado que requieren los SCR.
La desventaja es que la corriente de puerta tiene que ser mucho mayor por lo que el generador debe estar mas dimensionado.
El GTO con respecto al SCR disipa menos potencia.

CURVA DE CARACTERÍSTICAS EN MODO ESTÁTICO:

Si la corriente por la puerta es positiva, el semiconductor pasará del estado “OFF” al estado “ON”. Por el contrario, si la corriente por la puerta es negativa, el semiconductor dejará de conducir, pasando del estado de “ON” a “OFF”.
Con ello se tiene un control total del estado del semiconductor en cualquier momento.
Nótese que al tratarse de un tiristor, la corriente sólo puede circular de ánodo a cátodo, pero no en sentido contrario.

  

   

APLICACIONES

Como el GTO tiene una conducción de corriente unidireccional, y puede ser apagado en cualquier instante, éste se aplica en circuitos chopper (conversiones de dc- dc) y circuitos inversores (conversiones dc -ac) a niveles de potencia en los que los MOSFET's, TBJ's e IGBT's no pueden ser utilizados. A bajos niveles de potencia los semiconductores de conmutación rápida son preferibles. En la conversión de AC - DC, los GTO's, son útiles porque las estrategias de conmutación que posee, pueden ser usadas para regular la potencia, como el factor de potencia.
a nivel industrial algunos usos son:
troceadores y convertidores.
Control de motores asíncronos.
Inversores.
Caldeo inductivo.
Rectificadores.
Soldadura al arco.
Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI).
Control de motores.
Tracción eléctrica.

DIAC (diodo para corriente alterna)

Es un dispositivo semiconductor de dos conexiones. Es un diodo que conduce en ambos sentidos y que conduce la corriente sólo tras haberse superado su tensión de disparo, y mientras la corriente que circula no sea inferior al valor de disparo que requiere el dispositivo. El comportamiento es fundamentalmente el mismo para ambas direcciones de la corriente. La mayoría de los DIAC tienen una tensión de disparo de alrededor de 30V.

ESTRUCTURA.





Estructura básica del DIAC. (El diac no tiene polaridad)

CARACTERÍSTICAS GENERALES Y APLICACIONES.

Se emplea normalmente en circuitos que realizan un control de fase de la corriente del triac, de forma que solo se aplica tensión a la carga durante una fracción de ciclo de la alterna. Estos sistemas se utilizan para el control de iluminación con intensidad variable, calefacción eléctrica con regulación de temperatura y algunos controles de velocidad de motores.
La forma más simple de utilizar estos controles es empleando el circuito representado en la Figura 3, en que la resistencia variable R carga el condensador C hasta que se alcanza la tensión de disparo del DIAC, produciéndose a través de él la descarga de C, cuya corriente alcanza la puerta del TRIAC y le pone en conducción. Este mecanismo se produce una vez en el semiciclo positivo y otra en el negativo. El momento del disparo podrá ser ajustado con el valor de R variando como consecuencia el tiempo de conducción del TRIAC y, por tanto, el valor de la tensión media aplicada a la carga, obteniéndose un simple pero eficaz control de potencia.

CURVA DE CARACTERÍSTICAS:

En la curva característica se observa que cuando:
- +V o - V es menor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como un circuito abierto.
- +V o - V es mayor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como un cortocircuito.

Transistor de potencia

Es un dispositivo semiconductor con tres terminales utilizado como amplificador e interruptor en el que una pequeña corriente o tensión aplicada a uno de los terminales controla o modula la corriente entre los otros dos terminales. Es el componente fundamental de la moderna electrónica, tanto digital como analógica. En los circuitos digitales se usan como interruptores, y disposiciones especiales de transistores configuran las puertas lógicas, memorias RAM y otros dispositivos; en los cuircuitos analógicos se usan principalmente como amplificadores.

Características:

-LOS TRANSISTORES SON DISPOSITIVOS DOTADOS DE 3 TERMINALES.

-DOS DE LOS TERMINALES ACTÚAN COMO TERMINALES DE ENTRADA (CONTROL).

-DOS ACTÚAN COMO TERMINALES DE SALIDA.

-UN TERMINAL ES COMÚN A ENTRADA Y SALIDA.

-LA POTENCIA CONSUMIDA EN LA ENTRADA ES MENOR QUE LA CONTROLADA EN LA SALIDA.

-LA TENSIÓN ENTRE TERMINALES DE ENTRADA DETERMINA LA SALIDA: PUEDE FUNCIONAR COMO FUENTE DE CORRIENTE (ZONA ACTIVA), CORTOCIRCUITO (SATURACIÓN) O CIRCUITO ABIERTO (CORTE). EN LOS ACCIONAMIENTOS PARA MOTORES TRABAJAN EN CONMUTACIÓN.

TIPOS DE TRANSISTORES DE POTENCIA: 

  

TRANSISTOR MOSFET:

FET: Field Effect Transistor. Transistor de efecto de campo. EstáEstá formadoformado porpor una barra de material semiconductor de silicio tipo P o N en cuyoscuyos extremosextremos sese establece un contacto óhmico. También se les conoce como transistorestransistores uniuni--- polares. En los de canal N la conducción la producen e- en loslos dede canalcanal PP huecos. Hay 3 tipos:

• JFET Æ Junction Field Effect Transistor

• MESFET Æ Metal Semiconductor Transistor

• MOSFET Æ Metal Oxide Semiconductor Transistor

El MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”), es un transistor de conmutación muy rápida que nació con un futuro prometedor en aplicaciones de alta frecuencia (hasta 1 MHz) y baja potencia (hasta unos pocos kW).

El dispositivo tiene poca capacidad para soportar la tensión inversa y siempre lleva un diodo inversor. A diferencia de un transistor bipolar, el MOSFET se controla por tensión de tal manera, que si se aplica a la puerta una tensión positiva (es decir VGS positiva) mayor que un valor umbral, el transistor conduce permitiendo el flujo de intensidad entre el drenador y la fuente. La puerta está aislada por una capa de oxido de silicio (SO2), y entonces la impedancia de entrada del circuito de puerta es extremadamente elevada en estado estacionario. La puerta precisará de un pulso de corriente durante el paso de conducción a bloqueo.

TRANSISTOR IGBT:

IGBT : Isolated Gate Bipolar Transistor. Transistor bipolar dede puertapuerta aislada. Presenta la ventaja de que la puerta se comporta como la de un transistor MOSFET lo que facilita su gobierno. Es más robusto que el MOSFET y soporta tensiones y corrientes másmás elevadas aunque su frecuencia de conmutación es más baja.

El IGBT (“Isolated Gate Bypolar Transistor”) es un dispositivo que tiene algunas de las ventajas de los MOSFET, BJT y GTO combinadas, ha sustituido a los transistores de potencia en las aplicaciones de baja tensión y media potencia y con módulos asociados, están sustituyendo también a los SCR y GTOs en pequeña y media potencia, pudiéndose alcanzar hasta 1,5 MW.

Las tensiones son del orden de los 2000 V y las intensidades de cientos de amperios y frecuencias de maniobra del orden de los 20 kHz. Su rápido desarrollo persigue, entre otros aspectos, aumentar la tensión colector-emisor y también la intensidad de colector (que puede llegar hasta 2.700 A, la cual se consigue mediante la asociación en paralelo de varios módulos individuales), así como mejorar la transmisión de calor entre la unión semiconductora y el exterior.

Este dispositivo tiene una impedancia de puerta elevada, por lo que precisa pequeñas corrientes para manejar grandes potencias, de esta manera se reducen los retrasos asociados a elevadas corrientes de control y se consigue una respuesta rápida, (menor de 1 microsegundo). Los IGBTs tienen tiempos de encendido y apagado del orden de 1 microsegundo, la rapidez de conmutación permite lograr, con las técnicas PWM, formas de onda de gran calidad, con un mínimo nivel de armónicos, lo que permite hacer desaparecer el ruido electromagnético audible característico de los armónicos de bajo rango. Los IGBTs que se fabrican actualmente, tienen una capacidad de manipulación de potencia comparable con la del BJT pero pueden operar a más altas frecuencias. La simplicidad de la puerta, facilidad de protección, capacidad de protección en circuitos de potencia, operación sin snubbers, y alta velocidad de maniobra hacen que los convertidores de IGBTs sean más atractivos que los convertidores de BJTs.

TRIAC

Un triac poder mirarse como un "tiristor bidireccional" debido a que conduce en ambas direcciones. Por el triac estándar, la corriente circula actual en cualquiera de las dos direcciones entre los terminales principales MT1 y MT2. Esto es iniciado por una corriente pequeña de señal aplicada entre el terminal de puerta y MT1.

Encendido
Distinto de los tiristores, el triac estándar puede ser disparado por circulación de corriente positiva o negativa entre compuerta y MT1. (Las reglas para VGT, IGT e IL son al igual que para el tiristor. Vea Regla 1). Esto permite el disparo del triac en cuatro “cuadrantes" como se muestra



en el Figura 4. 

Donde la compuerta debe ser excitada por Corriente Continua o por pulsos unipolares en el cruce por cero de la corriente de carga, corriente negativa de compuerta es la preferida por las siguientes razones.

La construcción interna de los triac medios hace que la compuerta este más alejada desde la región de portadores mayoritarios cuando opera en el 3º cuadrante. Esto resulta en:

1. IGT más alta, esto implica un pico más alto de I G requerido.

2. Retraso mayor entre IG y el principio de la circulación de corriente principal, esto requiere una mayor duración de I G.

3. Mucha menor capacidad de di/dt esto puede implicar una degradación progresiva de puerta cuando controlamos cargas con di/dt iniciales (P.E: filamentos de lámpara incandescente fría).

4. Mayor IL (también cierto para la 1º operación) - > I G más largo, la duración mayor podría necesitarse para cargas muy pequeñas cuando conduzcan desde el comienzo de un hemiciclo para permitir la corriente de carga alcanzar el IL.

En controles comunes de ángulo de fase, como por ejemplo atenu adores de luces y controles de motores universales (taladros de mano), la polaridad de la tensión entre compuerta y MT2 son siempre las mismas. Esto significa la operación es siempre en el 1º o 3º cuadrante, donde el los parámetros de conmutación del triac son iguales. Esto resulta en un simétrico funcionamiento de conmutación del triac donde la puerta está a su más sensible estado.

Métodos alternativos de disparo.
Hay algunas maneras indeseables con las que un triac pueden encenderse. Algún son benignas, mientras otras son potencialmente destructivas.

(a) Señal de ruido en la compuerta.
En ambientes eléctricamen te ruidosos, disparos espurios pueden ocurrir si el nivel de ruido excede la tensión VGT y si suficiente corriente de puerta circula para iniciar acción regenerativa dentro de el triac. La primer línea de defensa es minimizar la ocurrencia del ruido en primer lugar. Uno de los mejores resultados es logrado por realizar las conexiones de puerta tan corta tan sea posible y asegurando que el retorno común desde el circuito de disparo se conecte directamente al terminal MT1 (o cátodo en el caso de un tiristor). (los tiristores y triac de potencia incluyen este terminal en su dispositivo). En situaciones donde las conexiones de puerta son de conductor macizo, par torcido o apantallado podría ser necesario minimizar acortarlo.
La inmunidad adicional de ruido puede proveerse agregando un resistor de 1kW o menor entre la puerta y MT1 para reducir la sensibilidad de puerta. También es posible la utilización de un capacitor de tipo cerámico o de poliester para filtrar las altas frecuencia o dv/dt.

La Alternativa de usar una serie H de triac (p. ej. BT139-600H). Estos son los tipos insensibles con 10 mA min. de IGT. Estos son triac diseñados específicamente para proveer un alto el grado de inmunidad de ruido.


REGLA. Para minimizar el ruido que toma la compuerta, el largo de conexión tiene que ser lo mas corto posible. El retorno al terminal MT1 (o cátodo) tiene que retornar en forma directa al terminal propiamente dicho. Colocar una resistencia de no mas de 1 kW, entre los terminales de compuerta y MT1 o cátodo. Una red snubber es aconsejable para la compuerta. La alternativa de utilizar la serie H de triacs, si lo anterior es insuficiente.

Excediendo el valor permitido de dv/dt

Esta es la mas probable ocurrencia cuando tenemos una carga altamente reactiva, donde existe un considerable desfasaje entre la tensión de carga y la corriente de la misma. Cuando el triac conmuta, esto es la corriente se hace cero, la tensión aplicada en los bornes del mismo no es cero, debido al desfasaje entre ambas magnitudes, como es mostrado en la figura Nº6. El triac entonces repentinamente requerirá bloquear esta tensión. El resultado de esta conmutación puede forzar al triac a volver al estado de conducción si se excede el valor permitido de dv/dt. Esto es debido a que los portadores en la juntura no tienen el tiempo suficiente para abandonarla totalmente.

La capacidad para soportar dv/dt es afectada por dos de condiciones:

1. El valor de la caída de corriente en la conmutación esto es la di/dt. Alta di/dt implica una capacidad de dv/dt.

2. La temperatura de juntura Tj. Si esta temperatura aumenta disminuye la capacidad de soportar dv/dt.

Si el triac es probable que supere la máxima dv/dt permitida por el dispositivo, es probable también, que sufra falsos disparos. La manera mas común para mitigar este problema es con el uso de una red RC de amortiguación. Estas redes se las conoce como red snubber.
Esta deberá estar entre los terminales MT1-MT2 para limitar el valor de cambio de voltaje. Los valores comunes son: resistencia de 100 W de carbón elegida por su manejo de corriente y un capacitor de 100nF.

Otra alternativa es usar un Hi-Com triac.
Nótese que la resistencia de la red snubber nunca debe omitirse, porque si así fuere cuando el triac se dispare, pueda sufrir daños, debido a el dispositivo puede superar el valor máximo de di/dt permitido al descargarse el capacitor entre los bornes MT1 y MT2 sin limitación de corriente.

SCR

DEFINICIÓN.

El SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio, Figura 1), es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones pn con la disposición pnpn (Figura 2). Está formado por tres terminales, llamados Ánodo, Cátodo y Puerta. La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional (sentido de la corriente es único), conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez.



  Figura 1: Símbolo del SCR.



ESTRUCTURA.



Figura 2 : Estructura básica del SCR.



CURVA CARACTERÍSTICA Y FUNCIONAMIENTO.


La curva característica del SCR es la representada en el siguiente Applet:

En el Applet se muestra la curva característica típica de un tiristor SCR, representándose la corriente de ánodo (Ia) en función de la tensión aplicada entre ánodo y cátodo (Vak). Cuando la tensión Vak es nula, también lo es la intensidad de corriente Ia. Al aumentar dicha tensión en sentido directo, con corriente de puerta nula, si se supera la tensión Vb0, la transición de estado OFF a ON deja de ser controlada. Si se desea que el paso al estado "ON" se realice para tensiones Vak inferiores a Vb0, será necesario dotar al dispositivo de la corriente de puerta (Ig) adecuada para que dicha transición se realice cuando la intensidad de ánodo supere la intensidad de enganche (IL ). Por el contrario, si el dispositivo esta en conducción, la transición al estado "OFF" se produce cuando la corriente de ánodo caiga por debajo de la intensidad de corriente de mantenimiento (Ih).
Tanto para el estado de bloqueo directo, como para el estado de polarización inversa, existen unas pequeñas corrientes de fugas. Cuando se polariza inversamente se observa una débil corriente inversa (de fuga) hasta que alcanza el punto de tensión inversa máxima que provoca la destrucción del mismo.


El SCR es, por tanto, un dispositivo conductor solo en el primer cuadrante, en el cual el disparo se provoca por:
- tensión suficientemente elevada aplicada entre ánodo y cátodo,
- intensidad en la puerta. Se puede controlar así la tensión necesaria entre ánodo y cátodo para la transición OFF Þ ON, usando la corriente de puerta adecuada.

CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS.
Características dinámicas.

• Tensiones transitorias:
- Valores de la tensión superpuestos a la señal de la fuente de alimentación.
- Son breves y de gran amplitud.
- La tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM) debe estar dentro de esos valores.
• Impulsos de corriente:
- Para cada tiristor se publican curvas que dan la cantidad de ciclos durante los cuales puede tolerarse una corriente de pico dada (Figura 4).
- A mayor valor del impuso de corriente, menor es la cantidad de ciclos.
- El tiempo máximo de cada impulso está limitado por la temperatura media de la unión.






Figura 4. Curva de limitación de impulsos de corriente.


• Ángulos de conducción:

- La corriente y tensión media de un SCR dependen del ángulo de conducción.

- A mayor ángulo de conducción, se obtiene a la salida mayor potencia.

- Un mayor ángulo de bloqueo o disparo se corresponde con un menor ángulo de conducción (Figura 5):



ángulo de conducción = 180º - ángulo de disparo



- Conociendo la variación de la potencia disipada en función de los diferentes ángulos de conducción podremos calcular las protecciones necesarias.



Figura 5. Ángulo de bloqueo y conducción de un tiristor.

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 larga 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.
- Por gradiente de tensión (dV/dt)
- Disparo por radiación.
- Disparo por temperatura.


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

5.1 DISPARO POR PUERTA.

Es el proceso utilizado normalmente para disparar un tiristor. Consiste en la aplicación en la puerta de un impulso positivo de intensidad, entre los terminales de puerta y cátodo a la vez que mantenemos una tensión positiva entre ánodo y cátodo.



Figura 8. Circuito de control por puerta de un SCR.

- El valor requerido de VT necesario para disparar el SCR es:
VT = VG + IG × R
- R viene dada por la pendiente de la recta tangente a la curva de máxima disipación de potencia para obtener la máxima seguridad en el disparo (Figura 9).
R = VFG / IFG



Figura 9. Recta tangente a la curva de máxima disipación de potencia.

5.2 DISPARO POR MÓDULO DE TENSIÓN.

Es el debido al mecanismo de multiplicación por avalancha. Esta forma de disparo no se emplea para disparar al tiristor de manera intencionada; sin embargo ocurre de forma fortuita provocada por sobre tensiones anormales en los equipos electrónicos.

5.3 DISPARO POR GRADIENTE DE TENSIÓN.
Una subida brusca del potencial de ánodo en el sentido directo de conducción provoca el disparo. Este caso más que un método, se considera un inconveniente.



Figura 10. Zona de disparo por gradiente de tensión.

5.4 DISPARO POR RADIACIÓN.
Está asociado a la creación de pares electrón-hueco por la absorción de la luz del elemento semiconductor. El SCR activado por luz se llama LASCR.

5.5 DISPARO POR TEMPERATURA.
El disparo por temperatura está asociado al aumento de pares electrón - hueco generados en las uniones del semiconductor. Así, la suma (a1+ a2) tiende rápidamente a la unidad al aumentar la temperatura. La tensión de ruptura permanece constante hasta un cierto valor de la temperatura y disminuye al aumentar ésta.

6. CONDICIONES NECESARIAS PARA EL CONTROL DE UN SCR.

Para el control en el disparo:
- Ánodo positivo respecto al cátodo.
- La puerta debe recibir un pulso positivo con respecto al cátodo.
- En el momento del disparo Iak > IL.

Para el control en el corte:
- Anulamos la tensión Vak.
- Incrementamos RL hasta que Iak< IH.

El Diodo de Potencia

Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, las siguientes limitaciones: son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conducción. El único procedimiento de control es invertir el voltaje entre ánodo y cátodo.

Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas.

El diodo responde a la ecuación:

La curva característica será la que se puede ver en la parte superior, donde:
VRRM: tensión inversa máxima VD: tensión de codo.


Tipos de diodos de potencia

Diodos de propósito General:

Los diodos de uso general tienen un tiempo de recuperación inversa de unos 25 micro segundos, y se usan en aplicaciones de baja velocidad.

Especificaciones:

Voltaje: 50 V a 50KV.

Diodos típicos en fuentes de poder para soldar 

1500V a 400A.

Diodos de recuperación rápida:

Estos diodos tienen un tiempo de recuperación menor a los 5 micro segundos y se usan en convertidores de DC - DC  y  DC - AC.

Especificaciones:

Voltaje: 50V a 3KV.

Corriente:

De menos de 1A a varios cientos de amperios.

Diodos típicos en fuentes de poder para soldar 

1500V a 400A.

Diodos Schottky:

Es un dispositivo semiconductor que proporciona conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa (menos de 1nano segundo en dispositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas tensiones umbral.

Modelos estáticos del diodo:


Los distintos modelos del diodo en su región directa (modelos estáticos) se representan en la figura superior. Estos modelos facilitan los cálculos a realizar, para lo cual debemos escoger el modelo adecuado según el nivel de precisión que necesitemos.

Estos modelos se suelen emplear para cálculos a mano, reservando modelos más complejos para programas de simulación como PSPICE. Dichos modelos suelen ser proporcionados por el fabricante, e incluso pueden venir ya en las librerías del programa.

CARACTERÍSTICAS DESEABLES:

-  Corriente elevada con baja caída de tensión

-  Tensión inversa elevada con mínimas fugas

COMPARACIÓN DE LOS DIODOS DE POTENCIA:

			Caída de		Corriente	Temp.	Tensión	Intensidad	Densidad
		Tipo	tensión			interna	inversa	directa	de corriente
					de fugas
			directa (V)			máx. (ºC)	máx. (V)	máx. (A)	(A/cm2)
		Mercurio	15 a 19		baja	400	20.000	5.000	4.000
		Selenio	1		alta	150	50	50	1
		Germanio	0,5		baja	120	800	200	100
		Silicio	1		muy baja	200	3.500	1.000	100
		Oxido de	0,6		alta	70	30	10	1
		cobre