Tema Tiristores

Universidad de Oviedo Tema 2: Dispositivos semiconductores de potencia

TEMA 2 Dispositivos semiconductores de potencia

Lección 3: Introducción

Lección 4: El diodo de potencia

Lección 6: El rectificador controlado de silicio (SCR)

Lección 5: Los transistores de potencia


6.1 Construcción y encapsulado6.2 Funcionamiento en bloqueo 6.2.1 Bloqueo directo. 6.2.2 Bloqueo inverso. 6.2.3 Características eléctricas y pérdidas6.3 Funcionamiento en conducción

6.3.1 Circuito equivalente y características eléctricas6.3.2 Cálculo de pérdidas

6.4 Disparo del tiristor6.4.1 Por tensión excesiva6.4.2 Por derivada de tensión6.4.3 Por radiación electromagnética6.4.4 Por impulso de puerta. Características y tiempos de disparo.6.4.5 Circ. de disparo. Dispositivos, transf. de impulsos y optoacoplador

6.5 Bloqueo del tiristor.6.5.1 Formas de bloqueo: estático y dinámico.6.5.2 Métodos de bloqueo: FIT y FIC

6.6 Uso de los datos de catálogo de fabricantes.6.7 Otros Tiristores

TEMA 2 Dispositivos semiconductores de potencia

Lección 6: El rectificador controlado de silicio (SCR)


Tiristores: semiconductores que se caracterizan por tener más de 2 uniones y más de 3 zonas con dopados distintos

SCR:Sillicon Controlled Rectifier

Unidireccional

TRIAC:Triode for Alternate CurrentTiristor de alternaBidireccional

DIACDiode for Alternate CurrentDiodo de alternaBidireccional

GTO:Gate Turned-Off SCRUnidireccional

MCT:MOSFET Controlled ThyristorUnidireccional

LASCRLight Activated SCRUnidireccional

Lección 6: Tiristores6.1 El SCR. Introducción. Estructura y encapsulado


Estructura

Bajo ciertas condiciones, podemos “quitar” la unión de control

ÁNODO

CÁTODO

N

P

P

N

PUERTA

iG

iT

uAK

ÁNODOCÁTODO

PUERTA

A K

G

Zona de puerta

Zona de bloqueo

Zona de ánodo

Z. de cátodo

A K

G

Estructura de cuatro capas (PNPN) con dos estados estables (conducción y bloqueo).


Unión PN zona de cátodo-zona de puerta: UNIÓN CATÓDICAUnión PN zona de bloqueo-zona de puerta: UNIÓN DE CONTROLUnión PN zona de bloqueo-zona de ánodo: UNIÓN ANÓDICA


Capa de bloqueo

P

N

0

Capa anódica

P1 N1

N

(sustrato tipo N)

DIFUSIÓN

P2

N2

A K

G

CapaCatódica

Capa decontrol

P1 P2N1

un

ión

an

ód

ica

un

ión

de

co

ntr

ol

un

ión

ca

tód

ica

N2

Construcción: Fabricación mediante DIFUSIÓN o crecimiento epitaxial


“Electrónica de Potencia”, Martínez, S., Gualda, J.A.; Ed. Thomson, © 2006.


Cobre

Tugsteno

Au - Sb

PastillaCápsulametálica

Aluminio

Tugsteno

CobreCátodo

Ánodo

PuertaCierre

aislante

DO 208 AC

Encapsulados


“Electrónica de Potencia”, Martínez, S., Gualda, J.A.; Ed. Thomson, © 2006.


(500 V 24A)(1300 V 1800A)(500 V 100A)

TO 200 AFB 20

TO 209 ADB 7

TO 208 ACB 2

Encapsulados



• La unión de control está polarizada inversamente.• Se tiene una corriente de fugas directa.

Bloqueo directo:

Lección 6: Tiristores6.2 Bloqueo del SCR

ÁNODO

CÁTODO

P

P

N

PUERTA

N

A

KG

RG

RL

uAK

VCC

A

K

G

RG

RL

uAKVCC


Bloqueo inverso:


A

KG

RG

RL

-uAK

VCC

A

K

G

RG

RL-uAK

VCC

• La unión anódica está polarizada inversamente.• Se tiene una corriente de fugas inversa.

ÁNODO

CÁTODO

P

P

N

PUERTA

N


Características del bloqueo directo


VAK

iT

Tensión de trabajo directa (VDWM): Máxima tensión directa que puede ser soportada de forma continuada sin peligro de calentamiento por avalancha.

Tensión de pico repetitivo directa (VDRM): Máxima tensión directa que puede ser soportada en picos de 1ms repetidos cada 10 ms por tiempo indefinido.

Tensión de pico único directa (VDSM): Máxima tensión directa que puede ser soportada una sola vez cada 10 minutos o más, con duración de pico de 10ms.

Tensión de ruptura directa (VDO): Si es alcanzada, el diodo entra en conducción sin dañarse.

VDO

VDSM

VDRM

VDWM


Características del bloqueo inverso


VAK

iT

VRWM

Tensión de trabajo inversa (VRWM): Máxima tensión inv. que puede ser soportada de forma continuada sin peligro.

Tensión de pico repetitivo inversa (VRRM): Máxima tensión inv. que puede ser soportada en picos de 1ms repetidos cada 10 ms por tiempo indefinido.

Tensión de pico único inversa (VRSM): Máxima tensión inv. que puede ser soportada una sola vez cada 10 minutos o más, con duración de pico de 10ms.

Tensión de ruptura inversa (VBR): Si es alcanzada, aunque sea por una vez, el diodo puede destruirse o al menos degradar sus características eléctricas.

VRRM

VRSM

VBR

VDO

VDSM

VDRM

VDWM


Son muy pequeñas en comparación con las producidas en conducción.

El fabricante proporciona el valor máximo de la corriente de fugas (IFUGAS MAX).

Es suficiente con acotar las máximas pérdidas producidas en bloqueo, tomando IFUGAS MAX.

Cálculo de pérdidas en bloqueo


dt)·t(u·T1

·Idt)·t(i)·t(u·T1

PTt

0t AKMAX FUGASTt

0t TAKBLOQUEO

AVG AKMAX FUGASBLOQUEO u·IP


ÁNODO

CÁTODO

P

P

N

PUERTA

N

Lección 6: Tiristores6.3 Estado de conducción del SCR

A

KG

RG

RL

iTVCC

A

K

G

RG

RL

VCC

La corriente iT circulando en el sentido indicado, hace que portadores minoritarios lleguen a la unión de control. Allí se aceleran y crean pares e-hueco. Estos nuevos portadores se aceleran, manteniéndose el proceso.

iT


Lección 6: Tiristores

VAK

iT

VRWM

Intensidad media nominal (ITAV): Es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos senoidales de 180º que el tiristor puede soportar con la cápsula mantenida a una determinada temperatura (85 ºC normalmente).

Intensidad de pico repetitivo (ITRM): Intensidad máxima que puede ser soportada cada 20 ms por tiempo indefinido, con duración de pico de 1ms a determinada temperatura de la cápsula.

Intensidad de pico único (ITSM): Es el máximo pico de intensidad aplicable por una vez cada 10 minutos o más, con duración de pico de 10ms.

VRRM

VRSM

VBR

VDO

VDSM

VDRM

VDWM

iT

iHiL

Características del estado de conducción

6.3 Estado de conducción del SCR


Características del estado de conducción


VAK

iT

VRWM

Corriente de mantenimiento (IH): Es la corriente mínima de ánodo que se requiere para que el tiristor siga manteniéndose en conducción.

Corriente de enclavamiento (IL): Es la corriente de ánodo mínima que se requiere para que el tiristor siga manteniéndose en conducción inmediatamente después de que el dispositivo haya entrado en conducción y la señal de puerta haya desaparecido (pulso en la puerta de 10 ms).

VRRM

VRSM

VBR

VDO

VDSM

VDRM

VDWM

iT

iHiL


uT(TO): Tensión umbral.iT AVG: Corriente directa media.RT: Resistencia dinámica.iT RMS: Corriente eficaz.

Cálculo de pérdidas


dt)·t(i)·t(u·T1

PTt

0t TCND AKCOND

iT

iTRT

uT(TO)

Tt

0t TTT)TO(TCOND dt)·t(i·R)·t(i)t(u·T1

P

2RMS TTAVG T)TO(TCOND i·Ri·uP


Disparos NO deseados

Control del SCR

Lección 6: Tiristores6.4 Disparo del SCR

Por exceso de tensión

Por derivada de tensión

Disparos deseados

Por impulso de puerta

Bloqueo forzado

Por fuente inversa de tensión

Por fuente inversa de corriente

Bloqueo natural

DISPARO BLOQUEO

Por radiación electromagnética


Si la tensión soportada por la unión de control se acerca al valor de ruptura en sentido directo, la corriente de minoritarios aumenta considerablemente (proceso de avalancha).

Si la corriente de fugas se eleva por encima del valor de enclavamiento el dispositivo es capaz de mantener el estado de conducción.

Disparo por exceso de tensión

Lección 6: Tiristores6.4 Disparo del SCR: Disparo no deseado

ÁNODO

CÁTODO

P

P

N

PUERTA

N


Disparo por derivada de tensión


Si se produce un cambio brusco de polarizaciones entre bloqueo inverso y directo (paso por cero de la tensión), no hay tiempo para la organización de cargas.

La tensión soportada por la unión de control será elevada, acelerando a los portadores minoritarios. Si la corriente de minoritarios se eleva por encima del valor de enclavamiento, el dispositivo es capaz de mantener el estado de conducción.

Dato del fabricante: (du/dt)max

ÁNODO

CÁTODO

P

P

N

PUERTA

N

ÁNODO

CÁTODO

P

P

N

PUERTA

N


La acción combinada de tensión directa, temperatura y radiación electromagnética de longitud de onda apropiada puede incrementar la corriente de minoritarios.

Si la corriente de fugas se eleva por encima del valor de enclavamiento, el dispositivo es capaz de mantener el estado de conducción.

ÁNODO

CÁTODO

P

P

N

PUERTA

N

iFUGAS

MAX

E E Menor penetración

Disparo por radiación electromagnética



Característica de puerta

Lección 6: Tiristores6.4 Disparo del SCR: Disparo por corriente de puerta

ÁNODO

CÁTODO

P

P

N

PUERTA

N

iG

RL

VCC

RL

VCC

iG

RL

VCC

iG

La característica de entrada es la correspondiente al diodo entre puerta y cátodo (unión catódica).


Característica de puerta


Hay puntos (coordenadas iG-uGK)

que delimitan zonas

iG

uGK

iG2

iG1

uGK1 uGK2

I

II

III

I II III

iG<iG1: ZONA I

Zona de disparo imposible: Nunca se dispara el SCR.

iG1<iG<iG2 : ZONA II

Zona de disparo improbable: No se garantiza el disparo, aunque a veces ocurre.

iG1<iG<iG2 : ZONA III

Zona de disparo seguro: Se garantiza el disparo.

Existen características límite, así como valores máximos para iG, uGK y zona de potencia máxima

(SOAR)

iGMAX

uGKMAX

PGMAX


Tiempos de disparo con carga resistiva


tG

iT

uAK

10%

iG

iLtd tr

tdis

td: retardo; desde que comienza el pulso de puerta hasta que iT llega al 10% del valor nominal.

tr: subida; termina cuando iT=iL (enclavamiento); Desde entonces hay conducción automantenida.

tdis: disparo: es el tiempo mínimo que tiene que tener iG para disparar el SCR. (0,5 – 3 s)

iG

iT

VCC

VCC

R


iT

uAK

10%

iG

iLtd tr

tdis

iG

iT

VCC

VCC

L

Tiempos de disparo con carga inductiva


tG





iT

uAK

10%

iG

iLtd tr

tdis

iG

iT

VCC

VCC

L

Tiempos de disparo con carga inductiva: Trenes de pulsos


tG





Acoplamiento directo

Lección 6: Tiristores6.4 Disparo del SCR: Circuitos de disparo

VCC

PULSOS DE

CONTROL

SCR

Útil si el cátodo del SCR va a masa (comparte referencia con el control)


Acoplamiento magnético


VCC

PULSOS DE

CONTROL

SCR

Útil si el cátodo del SCR NO está a masa (no comparte referencia con el control)Diodo DLC: de libre circulación (desmagnetización del núcleo). Mejor con zener.

VCC

DLC


Acoplamiento óptico


PULSOS DE CONTROL

SCR

Útil si el cátodo del SCR NO está a masa (no comparte referencia con el control)Menor coste que con transformador.

VCC


Cuando la corriente por el SCR evoluciona (debido al circuito) de manera que pasa a ser menor que la de mantenimiento.

Lección 6: Tiristores6.5 Bloqueo del SCR: Bloqueo natural

CIRCUITO

iT

uAK

iH

uAK

iT

iH


A veces se precisa del bloqueo aunque iT>iH.

Hay un tiempo de recuperación durante el cual el SCR NO PUEDE SOPORTAR TENSIÓN

Lección 6: Tiristores6.5 Bloqueo del SCR: Bloqueo forzado

CIRCUITO

iT

uAK

iH

uAK

iT

iH

tB

tB: tiempo de bloqueo


En permanente, SCR ON, SCRAUX OFF, y C está cargado con VCC.

En t=t1, se dispara SCRAUX. La descarga del C es a través de R, por lo que se resta corriente del SCR.

Aparece sobre SCR una FIT, para que el tiristor no se vuelva a encender (tFIT<tB).

En t=t2, SCR se apaga (i<iH)

Lección 6: Tiristores6.5 Bloqueo del SCR: Fuente inversa de tensión

SCRAUX

SCR

C

RAUX

TensionesRCorrientes

SCR SCRAUX

RAUXR

VCC

C

u

i

u

u

u

u

ii

i

i

t1 t2







SCRAUX

SCR

C

RAUX


SCR SCRAUX

RAUXR

VCC

C

u

i

u

u

u

u

ii

i

i

t1 t2

tFIT







SCRAUX

SCR

C

RAUX


SCR SCRAUX

RAUXR

VCC

C

u

i

u

u

u

u

ii

i

i

t1 t2

tFITPERM AK

BPERM T

ut·i

·74,1C


u

En permanente, SCR ON, SCRAUX OFF, y C está cargado con uC0.

En t=t1, se dispara SCRAUX. Comienza una resonancia LC que toma corriente del SCR; este se apaga.

En t=t2, D deja de conducir, y el circuito evoluciona exponencialmente hasta que iSCR AUX < iSCR AUX H

Lección 6: Tiristores6.5 Bloqueo del SCR: Fuente inversa de corriente

D

SCR

L

C


SCRSCRAUX

LR

VCC C

u

i

u

u

u

u

i

i

i t1

tFIT

PERM AK

BPERM T

ut·i

·893,0C

i

D

SCRAUX

iT PERM

uC0

uAK PERM


u





D

SCR

L

C


SCRSCRAUX

LR

VCC C

u

i

u

u

u

u

i

i

i t1 t2

tFIT

PERM AK

BPERM T

ut·i

·893,0C

i

D

t3

SCRAUX

iT PERM

uC0

uAK PERM


u





D

SCR

L

C


SCRSCRAUX

LR

VCC C

u

i

u

u

u

u

i

i

i t1 t2

tFIT

PERM AK

BPERM T

ut·i

·893,0C

i

D

t3

SCRAUX

iT PERM

uC0

uAK PERM


u





D

SCR

L

C


SCRSCRAUX

LR

VCC C

u

i

u

u

u

u

i

i

i t1 t2

tFIT

PERM AK

BPERM T

ut·i

·893,0C

i

D

t3

SCRAUX

iT PERM

uC0

uAK PERM


Lección 6: Tiristores6.6 Catálogos de fabricantes


















Lección 6: Tiristores6.7 Otros tiristores


P

P

PUERTA

N

T2

T1

N

N

N


TRIAC

No es exacto (referencia de tensiones distinta para cada SCR)

iG PUERTA

T2

G

TRIAC: TRIode for Alternate Current

T1

PUERTA

T2

G

T1

iT

iT

uT1T2

uT1T2


VT1T2

iTiTMAX

iHiL


TRIAC

VO

VSM

VRM

VWM

iTMAX

iHiL

VO

VSM

VRM

VWM

PRIMER CUADRANTE

TERCER CUADRANTE


Por inyección de corriente en puerta, tanto positiva como negativa.

Primer cuadrante positivo: uT1T2 > 0, iG > 0 (fácil).

Primer cuadrante negativo: uT1T2 > 0, iG < 0 (difícil).

Tercer cuadrante positivo: uT1T2 < 0 , iG > 0 (muy difícil).

Tercer cuadrante negativo: uT1T2 < 0, iG < 0 (fácil).

•Regulación de alterna media - baja potencia•Control de velocidad motores


TRIAC: Disparo

Disparo controlado

-Por derivada de tensión dv/dt.-Por tensión excesiva entre A-K.

Disparo no deseado

•Control de flujo luminoso•Electrodomésticos de baja potencia

TRIAC: Aplicaciones

iG

iT

VCC

R

uT1T2



DIAC

T2

DIAC: Diode for Alternate CurrentDisparo por tensión (VBO)

T1

iT

uT1T2

iT

iHiL

VBO

VBO

iH iL

uT1T2



DIAC: Ejemplo de circuito auxiliar de disparo de TRIAC

iTVAC

VAC

uC

iT

uC

R1 = 0 , máxima potencia.R1 = Elevada, mínima potencia.

R1

R2

R3

RL


Interruptor unidireccional controlado por puerta.

Entrada en conducción: Inyección de corriente en puerta.

Salida de conducción: Extracción de corriente de puerta.

Soporta tensiones inversas bajas (20V).

La corriente de apagado es del orden de 1/3 de la corriente que maneja el dispositivo.


GTO

K

GTO: Gate Turned-Off SCR

A

iT

uAK

iG



LASCR: Fotoriristor

K

LASCR: Light Activated SCR

A

iT

uAK

iG

Son tiristores activados por luz.

Utilizados en alta tensión.

Frecuencias de conmutación de hasta 2KHz.

Tensiones elevadas 6000V y 1500A.



MCT

MOSFET Controlled Thyristor

Puesta en conducción por tensión negativa en puerta.

Apagado por tensión positiva en puerta.

Ganancia elevada de tensión de control.

Disponibles hasta 1000V y 100A.

Potencias medias bajas.

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Tema Tiristores