Electronica de potencia - 05 tiristores y circuitos de disparo

TIRISTORES Y CIRCUITOS DE DISPARO

Ing. Humberto José López Torres

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Contenido

• Tiristores y circuitos de disparo• Switch ideal y selección del switch

• Diodos de potencia

• Transistores BJT, Darlington y MOSFET

• SCR (Silicon Controlled Rectifier)

• TRIAC (Triode AC Semiconductor Switch)

• IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)


Tiristores y circuitos de disparoSwitch ideal y selección del switch

El switch ideal debe cumplir:

• Cero resistencia o voltaje directo cuando se encuentre

en su estado encendido (ON).

• Resistencia infinita cuando se encuentre apagado

(OFF).

• Velocidad infinita.

• Que no necesite ninguna potencia de entrada para

hacerlo conmutar.



Para escoger el switch hay que tener en cuenta:

• Voltaje

• Corriente

• Velocidad de conmutación

• Circuito de disparo

• Carga

• Efectos de la temperatura



Las características más deseadas del switch

son:

• Velocidad de conmutación.

• Mínimas pérdidas de conducción.

• Circuito de disparo sencillo.


Tiristores y circuitos de disparoDiodos de potencia

• Los diodos de potencia aparecen en la década de los50

• Los diodos rectificadores se utilizan generalmente paraconversión AC/DC. Sus pérdidas de conducción sonmuy bajas pero tienen pocas prestaciones enconmutación.

• Los diodos rápidos tienen capacidad para desactivarseen tiempos muy cortos, pero generalmente presentanmayores pérdidas en conducción.

• Cuando se tienen convertidores con alimentación DC ycarga inductiva, los interruptores requieren diodos“volantes” para manejar la potencia reactiva. En estoscasos resultan indicados los diodos rápidos


Tiristores y circuitos de disparoDiodos de potencia (tipos)

Recuperación estándar• Los tiempos de recuperación no son específicos.

Recuperación rápida y recuperación ultrarápida• Destinado a aplicaciones de convertidores.

• Carga de recuperación especificas y tiempos derecuperación revertidos.

Diodos schottky• No tiene carga de recuperación.

• Restricciones en bajo voltaje.


Tiristores y circuitos de disparoDiodos de potencia

Características

• Bloqueo de voltaje inverso del orden de 9000V.

• Capacidad de voltaje del orden de 5000V.

• Capacidad de corriente del orden de 9000A.

• Aplicaciones de baja velocidad (menos de 1 kHz).

• Voltaje de conducción pequeño y constante.

• Tiempos de recuperación inversa relativamente altos.

Típico: 25 µsec

• Convertidores conmutados en línea.

• Unidireccional


Tiristores y circuitos de disparoDiodo de potencia (schottky)

Características

• Voltaje máximo menor a 100 V y corrientes entre 1 y

300 A.

• Tiempos de recuperación inversa relativamente bajos.

Típico: menor a 0.5 µsec.

• Corrientes de fuga altas.

• Minimiza el problema de almacenamiento de carga

mediante la unión de un semiconductor con un metal.

• Aplicaciones en fuentes de alimentación de alta

corriente y bajo voltaje en DC.


Tiristores y circuitos de disparoRecuperación inversa de un diodo


Tiristores y circuitos de disparoCircuito rectificador monofásico


Tiristores y circuitos de disparoRectificador de puente Trifásico


Tiristores y circuitos de disparoRectificador de puente Trifásico


Tiristores y circuitos de disparoTransistor BJT, Darlington y MOSFET

• Uno de los principales inconvenientes de los

transistores BJT es el control por corriente de base

debido al bajo valor de su ganancia de corriente,

típicamente del orden de 10.

• Los transistores de potencia se utilizan en rangos

entre unos pocos y cientos de kilovatios y con

frecuencias hasta cerca de 15KHz.

• Los Darlington ofrecen mayor ganancia de corriente

(generalmente superior a 70) a costa de un mayor

voltaje de conducción y de una disminución en la

frecuencia de conmutación, que de todas maneras

resulta mayor que la de los GTOs.



Características BJT básicas:

• Bloqueo de voltaje directo del orden de 1500V.

• No bloquea voltaje inverso.


• Voltaje de conducción pequeño y prácticamenteconstante.

• Control por corriente de valor relativamente elevado.

• Unidireccional.



Conexión Darlington BJT

• Aumento de la ganancia de corriente,

para aplicaciones de alto voltaje.

• En un dispositivo darlington monolítico,

los transistores Q1 y Q2 están

integrados en la misma oblea de silicio.

• El diodo D1 acelera el proceso de

desconexión, permitiendo al accionado

de base eliminar activamente la carga

almacenada tanto de Q1 como de Q2

durante la transición de desactivación.



Conclusiones

• Los BJT son reemplazados por los MOSFET enaplicaciones de bajo voltaje (<500V)

• En aplicaciones por encima de 500V los BJT sonreemplazados por los IGBT.

• Un dispositivo de portador minoritario: en comparacióncon el MOSFET, el BJT presenta una conmutaciónmás lenta, pero una menor resistencia a altastensiones.



• Los MOSFETs aparecen en la década de los 70. Sus

dos ventajas principales son la sencillez del circuito de

control por medio de voltaje y no de corriente y la

elevada velocidad de frecuencia de operación,

típicamente superior a 300KHz.

• Para aplicaciones de bajo voltaje los MOSFETs

presentan una resistencia de conducción

extremadamente baja, pero en aplicaciones de alto

voltaje el valor de resistencia aumenta, incrementando

las pérdidas y disminuyendo la eficiencia.



Características básicas MOSFET:

• Bloqueo de voltaje directo del orden de 1000V.


• Voltaje de conducción pequeño pero dependiente de lacorriente.

• Control por voltaje de bajo valor.

• No bloquea voltaje inverso.

• Unidireccional.

• Resultan muy indicados para aplicaciones de bajovoltaje (menor que 100V) y de elevada frecuencia deoperación (superior a 150KHz).



Conclusiones

• Un dispositivo de portador Mayoritario: altasfrecuencias de conmutación

• Frecuencias de conmutación: decenas y cientos deKHz

• La resistencia activa aumenta rápidamente con latensión de bloqueo nominal

• Facil conducción

• Dispositivos varios de elección para el bloqueo devoltajes menores que 500V




Tiristores y circuitos de disparoSCR (Silicon Controlled Rectifier)

• Se activa aplicando un pulso de poca duración entre

puerta y cátodo; una vez en conducción, la puerta

pierde todo control sobre el dispositivo. Para

bloquearlo es necesario aplicar un voltaje inverso entre

ánodo y cátodo (commutación forzada) o disminuir la

corriente por debajo del valor de retención

(commutación natural).

• Las pérdidas de conducción de los SCRs son muy

bajas, lo que los hace muy atractivos para el control de

potencias superiores a 500MW con frecuencia de red

(50/60Hz), tales como cicloconvertidores, hornos de

fusión por arco, sistemas de transmisión HVDC, etc



Símbolo



Características básicas del SCR:

• Bloqueo de voltaje inverso o directo del orden de9000V

• Capacidad de corriente del orden de 9500A

• Voltaje de conducción muy pequeño y prácticamenteconstante

• Control por corriente de muy bajo valor

• Desactivación por ánodo

• Unidireccional



Curva característica



Modelo del tiristor con dos transistores


Tiristores y circuitos de disparoTRIAC (Triode AC Semiconductor Switch)

• El TRIAC (Triode for Alternative Current) es undispositivo semiconductor de tres terminales que seusa para controlar el flujo de corriente promedio a unacarga, con la particularidad de que conduce en ambossentidos y puede ser bloqueado por inversión de latensión o al disminuir la corriente por debajo del valorde mantenimiento.

• El TRIAC puede ser disparado independientemente dela polarización de puerta, es decir, mediante unacorriente de puerta positiva o negativa.





Características

• El TRIAC conmuta del modo de corte al modo deconducción cuando se inyecta corriente a lacompuerta. Después del disparo la compuerta noposee control sobre el estado del TRIAC. Para apagarel TRIAC la corriente anódica debe reducirse pordebajo del valor de la corriente de retención.

• La corriente y la tensión de encendido disminuyen conel aumento de temperatura y con el aumento de latensión de bloqueo.

• La aplicación de los TRIACS, a diferencia de losTiristores, se encuentra básicamente en corrientealterna.



• Su curva característica refleja un funcionamiento muyparecido al del tiristor apareciendo en el primer y tercercuadrante del sistema de ejes.

• La principal utilidad de los TRIACS es como reguladorde potencia entregada a una carga, en corrientealterna.

• Bidireccionalidad.




Tiristores y circuitos de disparoIGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

• El IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) aparece en

la década de los 80. La potencia para el control por

puerta es muy baja, típicamente del orden de 1 a 2

vatios. Los IGBTs pueden conectarse en paralelo sin

necesidad de circuito suavizadores.

• “Una característica única del IGBT es su capacidad

para soportar cortocircuitos. Cuando hay corto la

corriente a través del dispositivo queda limitada a un

nivel dado por el diseño del mismo siendo posible

bloquearlo mediante la señal de puerta, en un tiempo

de 10 microsegundos, sin ocasionar daño

permanente”. (ABB)



Características básicas del IGBT:

• Bloquea voltajes directos o inversos del orden de3500V.


• Voltaje de conducción pequeño y prácticamenteconstante.

• Control por voltaje de bajo valor.

• Unidireccional.



Características

• Las pérdidas de conducción de IGBT son algomayores que las de los GTOs, pero las pérdidas deconmutación son menores, por lo que su frecuencia deoperación puede ser mayor.

• El IGBT presenta la elevada impedancia de entrada ylas características de alta velocidad de un MOSFETcon la característica de bajo voltaje de saturación deun BJT.



• Los IGBTs rápidamente substituyeron a los BJT enaplicaciones industriales de baja potencia. y cada díaes más frecuente su uso, en reemplazo de losMOSFETs, en aplicaciones de baja potencia y altafrecuencia.

• Puede ser utilizado sin redes de protección (snubbers),lo que simplifica la topología de los circuitos,particularmente los montajes en paralelo. El precio deesto es que la mayor cantidad de las pérdidas sedisipan en el silicio reduciendo por lo tanto lacapacidad de potencia.



• La alta capacidad de voltaje, la baja resistencia de

conducción, la facilidad del control y la relativamente

alta velocidad de operación hacen del IGBT una muy

buena opción para aplicaciones de alto voltaje y

moderada velocidad.

• El tiempo de desactivación restringe la frecuencia de

operación a valores moderados (menos de 50KHz),

ofreciendo una atractiva solución mejor que BJT, SCR

o MOSFET. Un SCR tiene un voltaje de conducción

ligeramente menor que el IGBT pero mayor capacidad

de transientes.



• El IGBT ha demostrado ventajas con respecto alMOSFET con excepción de la velocidad deconmutación. Sin embargo, están reemplazando losMOSFETs en aplicaciones de baja potencia y altafrecuencia, donde las pérdidas de conducción debenmantenerse en valores muy bajos. Con técnicas ZCS oconmutación resonante el IGBT puede trabajar en elrango de los kilohertz.

• Circuito IGBT Modulación de ancho de pulso



Circuito IGBT Modulación de ancho de pulso



Conclusiones

• Son dispositivos que trabajan en aplicaciones de 500Va 1700V, con niveles de potencia de 1- 1000kW

• Coeficiente de temperaturas positivas a altascorrientes, sencillez en construcción de módulosparalelos

• Facil manejo, similar al MOSFET

• Mas lentos que los MOSFET, pero mas rápido queGTO, SCR

• Frecuencias de conmutación típicas de 3 a 30KHz


Tiristores y circuitos de disparoClasificación

1. Tiristores de control de fase (SCR)

2. Tiristores de conmutación rápida (SCR)

3. Tiristores de desactivación por compuerta (GTO)

4. Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC)

5. Tiristores de conducción inversa (RCT)

6. Tiristores de inducción estática (SITH)

7. Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR)

8. Tiristores controlados por FET (FET-CTH)

9. Tiristores controlados por MOS (MCT)


¿Preguntas?

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