Dispositivos electrónicos

de potencia

TIRISTORES

GTO

TRIAC

DIAC

• Los tiristores fueron, durante muchos años, los dispositivos que dominaban la electrónica de potencia

• Son dispositivos bipolares de más de dos uniones

• Por ser bipolares, son lentos, pero capaces de manejar grandes corrientes y tensiones (modulación de la conductividad)

• Los más importantes son:

- El Rectificador Controlado de Silicio (Silicon Controlled Rectifier, SCR), al que se le aplica muchas veces el nombre de Tiristor

- El GTO (Gate Turn-Off thyristor) o Tiristor apagado por puerta

- El TRIAC (Triode AC ) o Triodo para Corriente Alterna

- El DIAC (Diode AC)

• Todos ellos los estudiaremos con menos profundidad que los diodos, los MOSFETs y los IGBTs

Lo

s T

iris

tore

s

Introducción a los Tiristores

Lo

s T

iris

tore

s

La estructura de 3 uniones (4 capas)

E1

B1

C1

E2

B2

C2

• La base de los tiristores es la estructura PNPN

P

N

N

P

P

N

P

N

N

P

Se trata de una estructura realimentada que admite dos

estados estables (es como un “biestable”)

Rg

Vg

Lo

s T

iris

tore

s

R

VCC E1

B1 C1

E2

B2 C2

- + Pol.

inversa

+ - Polarización

directa

Polarización directa + -

La estructura de 4 capas

puede soportar tensión

sin conducir corriente, ya

que una unión queda

polarizada inversamente

La estructura de 3 uniones (4 capas)

R

VCC E1

B1 C1

E2

B2 C2

- +

+ -

+ -

Ahora inyectamos corriente

en la unión B1-E1 desde una

fuente externa Vg

iB1

Ahora circula iB1 = ig

por la unión B1-E1

ig

Lo

s T

iris

tore

s

La estructura de 3 uniones (4 capas)

Rg Vg

R

VCC iB1

• iB1 genera iC1 = b1·iB1

• Pero iC1 = iB2; por tanto:

• iC2 = b2·iB2 = b2·b1·iB1

• La corriente iB1 será ahora:

iB1’ = ig + iC2 = ig + b2·b1·iB1

• Es decir, iB1’ b2·b1·iB1 >> iB1

iC1

iB2

iC2 ig

iB1’

Conclusiones:

- La corriente de base crece hasta saturar a los dos transistores

- Como consecuencia, el dispositivo se comporta como un

cortocircuito

- La corriente ig puede eliminarse y la situación no cambia

b1

b2

- +

Lo

s T

iris

tore

s

R

VCC

La estructura de 3 uniones (4 capas)

+ - 0 V

+ - 0 V

-

+ VCC

iCC = 0 A

R

VCC

+ -

0,7 V

+ - 0,7 V

+ - 0,5 V

iCC VCC/R

0,9 V

+

-

• Por tanto, el mismo circuito puede estar en dos estados,

dependiendo de la “historia” anterior:

- Con la estructura de 4

capas sin conducir - Con la estructura de 4

capas conduciendo

VCC

+

-

Rg

Vg

Lo

s T

iris

tore

s

La estructura de 3 uniones (4 capas)

iCC VCC/R

¿Cómo se puede conseguir que la estructura de 4 capas

conduzca? (I)

- Inyectando corriente en B1

(ya explicado)

0,9 V +

-

R

VCC B1

- Aumentando mucho VCC: las

corrientes inversas de las uniones

base-colector alcanzan valores

suficientes para la saturación

mutua de los transistores

R

VCC

iCC VCC/R

0,9 V +

-

iC1 iC2

Esto sólo ocurre cuando

las b son suficientemente

grandes, lo que se alcanza

cuando las corrientes

inversas también lo son

Lo

s T

iris

tore

s

La estructura de 3 uniones (4 capas)

¿Cómo se puede conseguir que la estructura de 4 capas

conduzca? (II)

- Sometiendo a la estructura a una

fuerte derivada de tensión: la

corriente de carga de la capacidad

parásita colector base pone en

conducción la estructura

iCC VCC/R

0,9 V +

-

iC1 iC2

R

VCC

+

iB2

iB1

- Haciendo incidir radiación

(luz) en la zona B1

iCC VCC/R

iC2

iB2

iB1

0,9 V +

-

R

VCC B1

Luz

Lo

s T

iris

tore

s

El SCR • Es el tiristor “por antonomasia”

• Su símbolo es como el de un diodo con un

terminal más (la puerta)

• Se enciende (dispara) por puerta

• No se puede apagar por puerta

Ánodo

(A)

Cátodo

(K) Puerta

(G)

iA

VAK

+

-

P

N-

N P-

A

K G

Estructura interna

Lo

s T

iris

tore

s

El SCR • Curva característica sin corriente de puerta

-600 V

0

iA [A]

VAK [V]

600 V

Disparo por

sobretensión

ánodo-cátodo

Polarización directa cuando

está ya disparado (como un

diodo en polarización directa)

Polarización inversa

(como un diodo)

Polarización directa a

tensión menor de la

disparo por sobretensión

ánodo-cátodo (como un

diodo en polarización

inversa)

ig = 0 Lo

s T

iris

tore

s

El SCR • Curva característica con corriente de puerta

-600 V

0

iA [A]

VAK [V] 600 V

Polarización directa cuando

está ya disparado (como un

diodo en polarización directa)

ig1 ig2

ig3 ig4

Disparo por

sobretensión

ánodo-cátodo

0 < ig1 < ig2 < ig3 < ig4

Disparo

por puerta

Lo

s T

iris

tore

s

El SCR • Disparo por puerta:

- Es el modo de disparo deseado

0 ig

VGK Unión

fría

Zona de disparo

imposible

Rg

Vg

A

K G

iA

VAK

+

- ig

VGK

+

-

Unión caliente

Límite de disipación

de potencia

En disparo se realiza con poca potencia

(bajos niveles de corriente y tensión)

Vg/Rg

Vg

- Para que se mantenga disparado, la corriente ánodo-cátodo

tiene que ser mayor que el valor llamado “latching current”

Lo

s T

iris

tore

s

El SCR

• Apagado del SCR :

- No se puede hacer por puerta

- Para apagarse, el valor de su corriente ánodo-cátodo

tiene que bajar por debajo de un valor llamado “corriente

de mantenimiento” (holding current)

- Aunque en el pasado los SCRs se usaban en todo tipo de

convertidores, su dificultad para apagarlos los ha relegado

a conversiones con entrada en alterna y a aplicaciones de

altísima potencia

- En aplicaciones de entrada en continua, se usaban

circuitos auxiliares para conseguir el apagado (con

bobinas, condensadores y SRCs auxiliares)

Lo

s T

iris

tore

s

Características de un

ejemplo de SCR

Lo

s T

iris

tore

s

Características de un

ejemplo de SCR

Lo

s T

iris

tore

s

Características de un

ejemplo de SCR

Lo

s T

iris

tore

s

Características de un

ejemplo de SCR

Lo

s T

iris

tore

s

El GTO

• Es un SCR que se puede apagar por puerta

• La corriente de encendido es similar a la de

un SCR

• Se apaga por corriente saliente en puerta,

que llega a ser tan grande como un tercio de la

de ánodo-cátodo

• Su capacidad de soportar tensión directa

cuando no está disparado es alta

• Su capacidad de soportar tensión inversa es

muy limitada (unos 30 V)

• Es un dispositivo lento, pensado para

aplicaciones de muy alta potencia

• La estructura interna es muy compleja

Ánodo

(A)

Cátodo

(K)

Puerta

(G)

Símbolo

Lo

s T

iris

tore

s

El GTO

Estructura interna de un GTO (obtenida del texto "Power Electronics:

Converters, Applications and Design“ de N. Mohan, T. M. Undeland y W.

P. Robbins. Editorial John Wiley and Sons.)

El TRIAC • Es el equivalente a dos SCRs

conectados en antiparalelo

• No se puede apagar por puerta

Lo

s T

iris

tore

s

Símbolo

Terminal 1

(T1)

Puerta

(G)

Terminal 2

(T2)

T1

G

T2

Equivalente Estructura

interna

P

N-

N

P-

T2

T1

N

N

G

El TRIAC L

os T

iris

tore

s

• Curva característica sin corriente de puerta

-600 V

0

iT2 [A]

VT2T1 [V]

600 V

Disparo por

sobretensión

T2-T1

Polarización directa cuando

está ya disparado (como un

diodo en polarización directa)

Polarización inversa: se

comporta como en

polarización directa

Polarización directa a

tensión menor de la

disparo por sobretensión

T2-T1

Lo

s T

iris

tore

s

El TRIAC • Curva característica con corriente de puerta

Disparo

por puerta

ig = 0

ig = 0

ig1 ig2

ig3

Disparo por

sobretensión

T2-T1

Disparo por

sobretensión

T2-T1

ig1 ig2 ig3

-600 V

0

iT2 [A]

VT2T1 [V] 600 V

ig4

ig4

• Las corrientes de

puerta pueden ser

positivas o negativas

• Hay 4 modos posibles:

- Modo I+: VT2T1 > 0 y iG > 0

- Modo I-: VT2T1 > 0 y iG < 0

- Modo III+: VT2T1 < 0 y iG > 0

- Modo III-: VT2T1 < 0 y iG < 0

1

2

3

4

Facilidad

Desaconsejado

Lo

s T

iris

tore

s

• No es un componente de potencia, sino que es un

componente auxiliar para el disparo de TRIACs

• Sólo tiene dos terminales y es simétrico

Curva característica

-30 V

0

iA2 [A]

VA2A1 [V]

30 V

Estructura

interna

P

N

N P

A2

A1

N

El DIAC

A1

iA2

VA2A1

+

-

A2

Símbolo

Cápsula

DO-35

Ejemplo de DIAC