1Dispositivos de Activacin para Tiristores e IGBTsPablo Guamn Novillo, pguamann@est.ups.edu.ecUniversidad Politcnica Salesiana, sede Cuenca.

Electrnica de Potencia.

ResumenEste informe presenta la informacin acerca dealgunos mtodos para la activacin (o disparo) de Tiristorese IGBTs. Adems se presenta una breve introduccin de losmismos con el motivo de facilitar la asimilacin de los dispositivostratados en este documento. En el desarrollo se podr encontraralgunos circuitos correspondientes a ciertas activaciones tantopara los diferentes tiristores presentados como para los IGBTs.Para los IGBTs se presentan varios circuitos y drivers que sonutilizados para el disparo de stos ltimos.

I. INTRODUCCIN.

Con la evolucin de los semiconductores de potencia, seha dado a florecer una nueva gama de opciones sobre losdispositivos semiconductores los cuales necesitan de una sealde activacin, la cual les indican en que momento ellos debenentrar en conduccin y para ello usan dispositivos o elementosque proporcionan el control de la activacin de estos, a msde estos elementos de control tambin poseen mtodos paraque entre en conduccin. Estos semiconductores son msconocidos como tiristores, poseen tres terminales cuales sonnodo, ctodo, y la compuerta o gate en donde se aplica elcontrol, estos dispositivos tienen un amplio campo de uso endiferentes reas tales como en el rea electrnica, comerciale industrial, ya que con la utilizacin de estos dispositivosnos permiten rectificar el voltaje, controlar la velocidad de unmotor, controlar la intensidad de una lmpara incandescente,y hasta en sistemas de seguridad, todas estas aplicacionesse deben a que estos elementos manejan mediana y altapotencia.[5], [6]

II. MARCO TERICO.

II-A. Tiristor

Los tiristores son dispositivos semiconductores de cuatrocapas cuya estructura es pnpn con tres uniones pn tiene tresterminales: nodo ctodo y compuerta, la parte del nodo -ctodo lo hace un elemento unidireccional y slo conducecorriente en el sentido nodo ctodo, siempre y cuando elelemento est polarizado en sentido directo, adems de estoeste dispositivo como cualquier semiconductor responde a surespectiva curva caracterstica.[5]

Figura 1. Muestra el smbolo y composicin del tiristor[4]

Figura 2. Presenta las Caractersticas del tiristor voltaje-corriente[5]

II-A1. Funcionamiento.: Cuando el voltaje del nodo esms positivo con respecto al ctodo, las uniones J1 y J3, que semuestran en la figura. 1 tenemos una polarizacin directa. Launin J2 tiene polarizacin inversa, y slo fluir una pequeacorriente de fuga al nodo al ctodo. Se dice entonces que eltiristor est en condicin de bloqueo directo o en estado des-activado llamndose a la corriente de fuga corriente de estadoinactivo ID. Si el voltaje nodo-ctodo VAK se incrementaa un valor lo suficientemente grande, la unin J2 polarizadainversamente entrar en ruptura. Esto se conoce como rupturapor avalancha y el voltaje correspondiente se llama voltaje deruptura directa VBO, si se lo polariza inversamente es igualque un diodo se queda bloqueado ya no conduce. Dado quelas uniones J1 y J3 ya tienen polarizacin directa, habr unmovimiento libre de portadores a travs de las tres uniones,que provocar una corriente directa del nodo. Entonces el

2dispositivo est en estado de conduccin o activado.[5]

La corriente del nodo debe ser mayor que un valor cono-cido como corriente de enganche IL , a fin de mantener lacantidad requerida de flujo de portadores a travs de la unin;de lo contrario ,al reducirse el voltaje VAK , el dispositivoregresar a la condicin de bloqueo. La corriente IL es elvalor mnimo requerida para mantener el tiristor en estado deconduccin inmediatamente despus de que ha sido activadoy se ha retirado la seal de la compuerta.

Una vez que el tiristor es activado, se comporta como undiodo en conduccin y no hay control sobre el dispositivo. Eltiristor seguir conduciendo, porque en la unin J2 no existauna regin de agotamiento debida a movimientos libre de losportadores. Sin embargo, si se reduce la corriente directa delnodo por debajo de un nivel conocido como corriente deretencin IH, se genera una regin de agotamiento alrededorde la unin J2 debida al nmero reducido de portadores; eltiristor estar en estado de bloqueo o apagado.[5]

Hay que tener en cuenta al momento de utilizar estosdispositivos si la corriente en sentido directo de un tiristordebe ser mayor que su corriente de retencin, para quedarseen su estado de conduccin; en caso contrario, el dispositivose regresa a la condicin de bloqueo, cuando baja el voltaje denodo a ctodo, si la corriente andica en sentido directo enun tiristor se reduce a menos de la corriente de retencin, eldispositivo deja de conducir y queda en el estado de bloqueo.

II-B. Transistor Bipolar de Compuerta Aislada (IGBT)

En un IGBT se combinan las ventajas de los BJT y de losMOSFET. Un IGBT tiene alta impedancia de entrada, comolos MOSFET, y pocas prdidas por conduccin en estadoactivo, como los BJT. Sin embargo, no tiene problema desegunda avalancha, como los BJT. Por el diseo y la estructuradel microcircuito, se controla la resistencia equivalente dedrenaje a fuente, RDS , para que se comporte como la de unBJT. [1]

Este componente semiconductor de potencia tiene carac-tersticas optimizadas como conmutacin rpida y elevadaeficiencia. Este dispositivo posee la robustez para conducirfuertes cargas, como un Tiristor, pero posee ventaja sobre eltiristor ya que el tiristor exige para dispararlo un impulso decorriente bastante fuerte, lo que representa un inconvenientepara el circuito de mando, en comparacin al IGBT que seexcita solamente con tensin elctrica, la tensin de controlde puerta es aproximadamente 15V. Esto ofrece la ventaja decontrolar sistemas de potencia aplicando una seal elctrica deentrada muy dbil en la puerta. Su velocidad de conmutacin,en principio, similar a la de los transistores bipolares, hacrecido en los ltimos aos, permitiendo que funcione acentenas de KHz, en componentes para corrientes del orden dealgunas decenas de Amperios. Este es un dispositivo utilizadopara la conmutacin en sistemas de alta tensin [5,6].

Figure 3. Presenta el circuito equivalente del IGBT. [1]

II-B1. Funcionamiento: Cuando se aplica un voltaje VGEa la puerta, el IGBT enciende inmediatamente, la corriente decolector IC es conducida y el voltaje VCE se va desde elvalor de bloqueo hasta cero. La corriente IC persiste para eltiempo de encendido en que la seal en la puerta es aplicada.Para encender el IGBT, el terminal C debe ser polarizadopositivamente con respecto a la terminal E. La seal deencendido es un voltaje positivo VG que es aplicado a la puertaG.

Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitudaproximada de 15 volts, puede causar que el tiempo deencendido sea menor a 1 segundo, despus de lo cual lacorriente de colector ID es igual a la corriente de carga IL(asumida como constante). Una vez encendido, el dispositivose mantiene as por una seal de voltaje en el G. Sin embargo,en virtud del control de voltaje la disipacin de potencia enla puerta es muy baja.

El IGBT se apaga simplemente removiendo la seal devoltaje VG de la terminal G. La transicin del estado deconduccin al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 mi-crosegundos, por lo que la frecuencia de conmutacin puedeestar en el rango de los 50 kHz.

EL IGBT requiere un valor lmite VGE (TH) para el estadode cambio de encendido a apagado y viceversa. Este esusualmente de 4V. Arriba de este valor el voltaje VCE caea un valor bajo cercano a los 2V. Como el voltaje de estadode encendido se mantiene bajo, el G debe tener un voltajearriba de 15V, y la corriente IC se auto-limita.

III. DESARROLLO.

III-A. Mtodos de activacin del tiristor

Un tiristor se enciende, aumentando la corriente andica.Esto se hace de una de las siguientes maneras.

III-A1. Activacin por una tensin VAK excesiva.: Si elvoltaje en sentido directo, de nodo a ctodo, es mayor que elvoltaje de ruptura en sentido directo VBO, pasa una corrientede fuga suficiente para iniciar la activacin re-generativa. Estaclase de activacin es destructiva, y se debe evitar. [2,4]

3Figura 5. Presenta un LASCR

Figura 4. Disparo por tensin excesiva

III-A2. Activacin por luz.: Existe un grupo de tiristoresque se activan por pulsos de luz guiados por fibra ptica haciauna zona especialmente sensible. A este grupo de tiristores seles denomina tiristores activados por luz (llamados LASCR oLight Activated SCR), son de pequea potencia y se utilizancomo elementos de control todo - nada. [2,4]

En estos tiristores, si incide luz de una longitud de ondaapropiada, aumenta la generacin de pares electrn-hueco enlas uniones, por lo que la corriente de fugas en estado debloqueo directo alcanza un valor cada vez mayor hasta queorigina la entrada en conduccin del tiristor. [2,4]III-A3. Activacin por Corriente de Compuerta: El pro-

cedimiento normalmente empleado para disparar un tiristorconsiste en aplicar a un tiristor polarizado en sentido directo,la inyeccin de corriente de compuerta al aplicar voltajede compuerta positivo siempre y cuando vak>0, entre lasterminales de la compuerta y el ctodo, enciende al tiristor.Al aumentar la corriente de compuerta, disminuye el voltajede bloqueo en sentido directo, como se ve en la figura 4:[1,2,4]

Figura 6. Disparo por impulso en la compuerta.

III-A4. Activacin Trmica.: Si la temperatura de un tiris-tor es alta, hay un aumento en la cantidad de pares electrn-hueco, que aumenta las corrientes de fuga. Este aumento enlas corrientes hace aumentar a 1 y 2. Debido a la accin

regenerativa, 1+1 puede tender a la unidad, y el tiristor sepuede activar. Este tipo de activacin puede causar avalanchatrmica, y en el caso normal se evita. [1]

III-A5. Activacin por dv/dt: Si la rapidez de aumentodel voltaje nodo-ctodo es alta, la corriente de carga de lasuniones capacitivas puede bastar para activar el tiristor. Unvalor alto de la corriente de carga puede daar al tiristor, yse debe proteger contra una alta tasa dv/dt. Los fabricantesespecifican la tasa dv/dt mxima admisible en sus tiristores[1].

III-B. Drivers de disparo

Los drivers, circuitos o mecanismos de disparo de lossemiconductores como son SCRS, TRIACS u otros descritosanteriormente se catalogan por la forma o al tipo de sealque se aplica en el terminal de compuerta, los mtodos paraconseguir estas seales de control son las siguientes:

1. Disparo CD.2. Disparo AC3. Disparo por pulsos.

III-B1. Disparo CD.: Los circuitos de disparo en CD estnbasados en un interruptor mecnico como se observa la figura7, que incluyen a circuitos de proteccin para evitar daosal tiristor. este tipo de seal generada fisicamente se la puedereeplazar por un circuito digital, un micro controlador, o desdeuna computadora.

Figura 7. Presenta el Disparo en CD.

Las seales de pulsos que se pueden generar para el controlde los diferentes tiristores, pueden actuar sobre otros elementosantes que controlen al tiristor para as de esta manera teneraislado al circuito de control.

Los opto-aisladores son circuitos que contienen al menosun emisor que est pticamente acoplado a un foto-detectora travs de un medio aislador, as la salida no afecta a laentrada. Este aspecto es muy importante por cuanto el emisorpuede ser alimentado por bajos niveles de tensin y corriente,mientras que el fotodetector puede alimentar niveles elevadosde DC y cargas AC. El circuito de la figura muestra comoun optoacoplador est conectado para servir de disparador deun Rectificador Controlado de Silicio SCR, el cual a su vezmaneja una carga Resistiva.

4Figura 8. Muestra el Disparo por opto-acoplador

III-B2. Disparo AC.: El diodo es utilizado para evitarque variaciones negativas lleguen a la compuerta, medianteel potenciometro se retarda el angulo de disparo; teniendo encuenta que el angulo maximo debe ser de 90

Figura 9. Ilustra el Disparo en AC.

En este caso tambin puede haber circuitos que aslanelctricamente el mando con el SCR, en la figura 9 sepuede observar que el transformador permite el aislamientoelctrico entre el tiristor y el circuito de control y precisamenor potencia de disparo. Sin embargo son ms voluminososdebido al tamao del transformador, con una seal oscilantela relacin de transformacin debera ser 1:1.

Figura 10. Disparo con transformador

Adems de estos existen mdulos o tarjetas electrnicasque realizan el control, pueden utilizar micro-controladores, ycombinacin de circuitos, que ayudan al usuario, que lo nicoque tiene que hacer es seleccionar el angulo en el cual quiereque sea disparado.

III-C. Tipos de tiristores.

Los tiristores se dividen en diferentes tipos segn suscaractersticas, y propsito los principales pueden ser:[3]

Tiristores controlados por fase, tiristores de conmutacinrpida que son SCR.Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC).Tiristores apagados por compuerta (GTO).

Figura 11. Muestra la simbologa de diferentes tipod de tiristores.[3]

III-D. Mtodos de Activacin para el IGBT

Circuitos de disparo: Circuito de excitacin simple: estaclase de circuitos se muestra en la figura 12. En estos dosejemplos se pueden observar dos circuitos diferentes pero conel mismo funcionamiento.[5,6]

Figura 12. Presenta un Circuito de excitacin simple [5]

5Figura 13. Muestra un Circuito de excitacin simple [3]

Estos dos ejemplos de circuitos de disparo tiene la ventajade que el control del disparo no se relaciona con la parte quecontrolada, es decir es independiente.[5,6]

Figura 14. Muestra un Circuito con excitacin con aislamieto [5]

Figura 15. Ilustra un Circuito 2 con excitacin separada [5]

La necesidad de manejar altas tensiones con los IGBTs hayotra problemtica la cual es cmo dispara al IGBT?. Para

Figura 16. Presenta un Excitador para alta tensin.[5]

Figura 17. Muestra la implementacin del driver para los IGBTs [5]

ello hay ms circuitos para su activacin como el siguiente:ver figura 16[5,6]

Todo este circuito es una representacin que tiene un driverde activacin de IGBTs. [5,6]

Drivers de disparo

Como se mencion en el item anterior un driver posee todolo necesario para el disparo su implementacin en diagramade bloques se puede observar en la figura 17[5,6]

Debido a su caracterstica de disparo existen diferentescircuitos utilizados para su activacin, estos se los puedencomprar como drivers para IGBT, algunos se pueden ver enla figura 18:[5,6]

6Figura 18. Presenta Drives de IGBTs [6]

Cada uno posee diferentes caractersticas como:a) SCiCoreDrive22 es un driver de 2 canales diseadopara controlar IGBTs de hasta 1200V. Es apto paracualquier montaje que incluya medios puentes, puentesmonofsicos o puentes trifsicos de IGBTs con un busde continua de 900V. Tambin permite el manejo de 2canales independientes [5,6].b) SCiswitchDrive11 es un driver de MOSFETs e IGBTsque implementa las funciones propias de un driver depuerta y est pensado para (mediante el acoplamientode un MOSFET en la salida) la realizacin de rels deestado slido DC. Provee un aislamiento galvnico entreentrada y salida de 3000 VAC [5,6].c) SCiCoreDrive62 es un driver de 6 canales diseado pa-ra el control de puentes inversores trifsicos + brake conmdulos IGBT o MOSFET de hasta 1200V. Incorpora unconversor DC-DC interno independiente para cada canal.Incluye monitorizacin VCE del IGBT protegiendolo encaso de fallada por apagado suave y enviando una sealde falta opto-aislada para el control. Incluye tambin unbloqueo al detectar una tensin demasiado baja para evi-tar el disparo del IGBT con tensin de puerta insuficiente[5,6].

Uno de los fabricantes de este tipo de circuito es WEPOWERque ofrece una completa gama de drivers para el disparo deIGBTs de 1700 V hasta 6500 V. Drivers de canal nico ydoble canal de gran potencia plenamente compatibles con otrosdrivers estndar del mercado [5,6].

IV. CONCLUSIONES.Los tiristores estn basados en dispositivos semiconductores

que permiten la conduccin unidirecional de la corriente,stos son de 4 capas. Adems dichos dispositivos tienen unacombinacin mosfet y bje que permite juntar varias ventajas decada caso. Para la activacin de los tiristores existen diferentestipos, se deber;ia considerar la mejor para cada caso perotambin algunas restricciones dentro de cada activacin

Las ventajas y los usos de los IGBT han tenido notablepresencia, ya que tiene utilidad en atas frecuencias,debido a

ser dispositivos muy rpidos al switcheo y de fcil control.Esta descripcin sumado a los bajos valores de tensin parael disparo que manejan los hacen adecuados para aplicacionesdirectas como en la industria, en medios de transporte comoen los trenes, y en muchas aplicaciones que manejen altastensiones y requieran precisin.

REFERENCIAS[1] Electrnica de Potencia, Muhammad Rashid, tercera edicin,

capitulo 7[2] Formas de disparo de un tiristor, disponible en:

http://POTENCIA %20ENSAYO/5.4. %20Formas %20de %20disparo %20de %20un %20tiristor.htm

[3] Dispositivos de control, Rosmil Henry Diaz Zedano[4] Electrnica de Potencia, Tiristores Caractersticas y Principios

de Funcionamiento, Antonio Nachez, Universidad Nacional deRosario.

[5] Transistor Bipolar de Puerta Aislada(IGBT). Recurso web disponible en:http://virtual.ups.edu.ec/presencial40/file.php/2023/section25/IGBT.pdf

[6] IGBTs,Ametrade electronics, disponible enhttp://www.ametrade.com/sp/electronics/products/IGBT_IGCT.shtml

Pablo Fernando Guamn Novillo, nacido en Cuenca - Ecua-dor 29 de Junio de 1992, realiz sus estudios secundariosen el Colegio Tcnico Daniel Hermida obteniendo el ttulode bachiller en electrnica de consumo. Actualmente estudiaIngeniera Electrnica en la Universidad Politcnica Salesianaen la misma ciudad.