Tiristores

Contenido:

TIRISTORES(Thyristor)

En 1956 se desarrollo el primer Tiristor Bell Telephoned Laboratory.

Inicialmente fue llamado Transistor PNPN (hoy conocido como SCR)

Los tiristores son dispositivos especialmente populares en Electrónica de Potencia.

Son sin duda los dispositivos electrónicos que permiten alcanzar potencias mas altas, son dispositivos realmente robustos.

Definición y tipos- Dispositivo de 4 capas con estados estables de conducción y bloqueo

- Interruptor de potencia muy alta

- Potencias y tensión muy altas

- Frecuencias de conmutación no superiores a 2kHz

SCR (Silicon Controlled Rectifier). Interruptor unidireccional

GTO (Gate Turn-off)Interruptor unidireccional. Apagado

por puerta

TRIAC (Triode AC)Interruptor bidireccional

DIAC. (Diode AC)Interruptor bidireccional ( Control de

tiristores)

p2

n2

n1

p1G

K

A

J3

J2

J1

IA

p2

n2

p1

n1

C

A

A

Estructura Interna y circuito

equivalente

Característica

SímboloSCR: Silicon Controlled Rectifier

Siempre es de Silicio.El SCR es el tiristor por excelencia

(Cátodo)

(Puerta)

C

G

A

(Ánodo)

E

B

C

C

B

E

IA

VACVB

IG

P

PN

N

A

CG

A

C

G

SCR: Silicon Controlled Rectifier

SCR: Un modelo ideal sencillo

Podemos decir que es un interruptor unidireccional que se cierra con un pulso de corriente de puerta (disparo) y se abre cuando la corriente pasa por cero

G

A

CMODELO IDEAL DE UN SCR

A

CG

A

C

G NOTA:El disparo por tensión directa (VB) se considera indeseable y, como norma general, debe seleccionarse el SCR para que esto no ocurra

US(t)

Umax

Umax

ig

t

t

t

UAK

UE (t)

A

KG

UAK

IG

IA Carga

UE(t)

US(t)

Rg

SCR: Ejemplo de control de fase

500 V24A

1300 V1800A

500 V100A

TO 200 AFB 20

TO 209 ADB 7

TO 208 AcB 2

SCR: Algunos ejemplos

Unos de los 12 SCR para un “pequeño” rectificador trifásico de 500 MW y 500 KV(Inga-Shaba, ZAIRE)

EL SCR es el dispositivo electrónico mas robusto que existe.

Puede manejar tensiones y corrientes realmente impresionantes.

Algunos ejemplos son realmente espectaculares.

P1

P2

n1

n2n3

n4 n4

T2

T1G

T2

T1

G

Estructura Interna

Característica

Símbolo

TRIAC: Triode ACT2

T1G

IT

VT+VB

IG-VB IG

NOTA:Se puede disparar con pulsos positivos o negativos de corriente en puerta

TRIAC: Triode AC T2

T1G

T2

T1G

T2

T1

G

TRIAC: Un modelo ideal sencillo

Podemos decir que es un interruptor bidireccional que se cierra con un pulso de corriente de puerta (disparo) y se abre cuando la corriente pasa por cero. La puerta es ahora bidireccional (2 diodos en anti-serie)

G

T2

T1MODELO IDEAL DE UN TRIAC

T2

T1G

U MAX

U Carga

t

IG

T 2

T 1

G

IG

U e

R L

U carga

U T2T1IG

TRIAC: Ejemplo de control de fase

IT(RMS) = 12A

VDRM = VRRM = 700 V

Disparo

Apagado

Dispositivo auxiliar (p.e. disparo de tiristores) Soporta picos de corrientes elevados Se debe conocer la Tensión de cebado (p.e. 33V en el DB3) DB3: Diac comercial muy popular

DIAC: Diode AC

Característica

IT

VT+VB-VB

A1 A2

Estructura Interna

P1

P2

N1

N3 N3

T2

T1

N2 N2

DIAC: Diode AC

T2

T1

Podemos decir que es un interruptor que se cierra por tensión (Tensión de ruptura) y permanece cerrado hasta que la corriente por el pase por cero (corriente de mantenimiento)

DIAC: Algunos elementos similares

DESCARGADOR DE GAS

VARISTOR

Gránulos de óxidos metálicos sinterizadas (Óxido de cinc, etc)

Recinto de descarga

DIAC: Uso como elemento de protección

Equipo a protegerVe

I F

TRIAC,VARISTOR,DESCARGADOR,...

Sobretensión

NOTA:Seguramente el VARISTOR es el elemento mas popular para esta aplicación

R1 = 0 , máxima potenciaR1 = Elevada, mínima potencia

Ejemplo: Control de TRIAC con DIAC (Típico regulador de luz de salón)

DIAC: Ejemplo de uso

Carga

R1

R2 R3

C

TRIAC controlado por DIAC(Montaje simplificado)

A2

A1

G

IG

GTO: (Gate Turn-off)

A CG

La especial estructura del dispositivo permite el apagado por puerta (con un pulso negativo).

Por lo demás es similar al SCR.

Estructura de un GTO simétrico

A

C G

C

G

Vista desde abajo

MCT, tiristor controlado por MOS:

Puesta en conducción por tensión negativo en puerta Apagado por tensión positiva en puerta. Ganancia elevada de tensión de control Disponibles hasta 1000V y 100A. Potencias medias bajas

K

G

A Símbolo

NOTA:Tiene una funcionalidad similar a la del GTO, pero gobernado con tensión

LASCR, Tiristor controlado por luz.

Son Tiristores activados por luz Utilizados en Alta tensión Frecuencias de conmutación de hasta 2KHz Tensiones elevadas 6000V y 1500A

A KG

NOTA:Normalmente disponen de conexiones especiales para ser disparados con fibra óptica. Son interesantes en entornos de corrientes y tensiones elevadas, permitiendo un elevado aislamiento entre el circuito de potencia y el de gobierno.

Ejemplo de calculo rápido red RC:El SCR del cto de la figura puede soportar una dVAK/dt = 50V/µs. La descarga inicial del condensador sobre el SCR debe ser limitada a 3A. En el momento en que se cierra el interruptor S es conectada la fuente de tensión VS al circuito. Si en ese momento se aplica un impulso apropiado a la puerta del elemento, calcular:

1º) Valor del condensador de la red de protección. 2º) Valor de la resistencia de protección.

Datos: dV/dt = 50V/µs; R = 20; Imáx = 3A

5.55A120

311VR

V(0)IL

máx SC

F311.0s/V50

15.55AdtdVCIC

C

100103.63A

311VR

MÉTODOS PARA EL CÁLCULO DE LOS ELEMENTOS DE MÉTODOS PARA EL CÁLCULO DE LOS ELEMENTOS DE PROTECCIÓN:PROTECCIÓN:A.- Método de la constante de tiempoMétodo de la constante de tiempo (más utilizado).B.- Método resonanteMétodo resonante.

A.- Método de la constante de tiempo

Con éste método tratamos de buscar el valor mínimo de la constante de tiempo () de la dV/dtdV/dt del dispositivo. Para ello, nos basamos en la figura:

min

DRM

dtdV

V0.63

LRC

KIIVR

LTSM

Amáx

KK= F de seguridad. (0.4 ... 0.1)

CdtdIVR Amáx

min

La misión de la resistencia calculada es proteger al SCR cuando se produce la La misión de la resistencia calculada es proteger al SCR cuando se produce la descarga instantánea del condensador al inicio de la conducción.descarga instantánea del condensador al inicio de la conducción.

Limitaciones de la pendiente de intensidad (dI/dt)Limitaciones de la pendiente de intensidad (dI/dt)

Una variación rápida de la intensidad puede dar lugar a una Una variación rápida de la intensidad puede dar lugar a una destrucción del tiristordestrucción del tiristor.(creación de puntos calientes)

Un procedimientoUn procedimiento posible es añadir una inductancia L para conseguir que la añadir una inductancia L para conseguir que la pendiente de la intensidad (dI/dt) no sobrepase el valor especificado en las pendiente de la intensidad (dI/dt) no sobrepase el valor especificado en las características del estado de conmutacióncaracterísticas del estado de conmutación.

LtR

A e1RVI

máx

A

dtdI

VL

Ejemplo Ckto de ProtecciónSupongamos que el tiristor está colocado según la figura. Calcular aplicando el método de la cte de tiempo el cto de protección contra dV/dt y dI/dt.

Datos: VRMS = 208V; IL = 58A; R = 5;

SCR: VDRM = 500V; ITSM = 250A;dI/dt = 13.5 A/µs; dV/dt = 50V/µs

294V2208VAmáx

s3.6

dtdV

V0.63

min

DRM

F26.1R

C

83.3KII

VRLTSM

AmáxS

15.4C

dtdIVR Amáx

min

H7.21

dtdI

VL Amáx

Extinción del tiristor. Tipos de conmutaciónExtinción del tiristor. Tipos de conmutación..

Entenderemos por extinciónextinción, el proceso mediante el cual, obligaremos al tiristor que estaba en conducciónconducción a pasar a cortea corte. En el momento en que un tiristor empieza a conducir, perdemos completamente el control sobre el mismo.

Conmutación Natural

-a.-) LibreLibre-b.-) AsistidaAsistida

Conmutación Forzada

-a.-) Por contacto mecánicoPor contacto mecánico-b.-) Por cto resonantePor cto resonante

-SerieSerie-ParaleloParalelo

-c.-) Por carga de condensadorPor carga de condensador-d.-) Por tiristor auxiliarPor tiristor auxiliar

intensidad por el tiristor intensidad por el tiristor se anula por si mismase anula por si misma

Secuencia lógica de la Secuencia lógica de la fuente primariafuente primaria

Conmutación forzada.Conmutación forzada.

Para provocar la conmutaciónPara provocar la conmutación del tiristor, será necesario anular la anular la corriente anódica durante un tiempo suficientecorriente anódica durante un tiempo suficiente para que el tiristor pueda pasar a corte. Este intervalo de tiempo tiene una gran importancia, puesto que si su duración es inferior a un valor determinado por ttoffoff (valor intrínseco al tiristor utilizado) no tendrá lugar la conmutación del dispositivo.

Conmutación forzada.Conmutación forzada.Sea el circuito de la figura. Para un tiempo de apagado del tiristor de toff

= 15µs, determinar si se podrá producir la conmutación óptima del mismo para el valor de capacidad adoptado.

Datos: E = 100V; R0 = 5; C = 5F

CRtq

C

CRt

CCCCC

CCR

t

C

0

0

0

e-E)(V

e)(V)0(V)(V)(V ;A )(V

BA)0(V ; eBA)(V

EEt

t

t

CRt

0

q

eE2E0

CR0.693t 0q toffs33.1710550.693CR0.693t -6

0q

FFundamento de conmutación por cto resonanteundamento de conmutación por cto resonante

LC21

f

00)(tvidtC1

dtdiL C

senwtLCVi(t) C

coswtV(t)v CC

Conmutación por carga de condensador

La extinción extinción del tiristor se consigue con el circuito de se consigue con el circuito de la figurala figura:

En el cto anterior podemos distinguir 2 partes: cto de potencia constituido por la fuente E, el tiristor T1 y la carga RO (resistiva pura); y el cto auxiliar de bloqueo formado por R, C y un tiristor auxiliar T2.

El cto puede se comparado con un biestable asimétrico de potenciabiestable asimétrico de potencia, en el que los tiristores conducen de forma alternada.

TRIACTRIAC GTOGTO ZTOZTO FOTOTIRISTOREFOTOTIRISTORES S SITHSITH ASCRASCR MCTMCT

TRIACTRIAC Dispositivo de tres terminales con capacidad de controlar el paso de corriente en ambas direcciones (dispositivo bidireccionaldispositivo bidireccional), muy utilizado en la regulación de corriente alterna.

GTO (GTO (Gate - Turn - Off)Gate - Turn - Off)Dispositivo semiconductor de potencia que combina características de un tiristor convencional con las de un transistor bipolar, presentando la ventajaventaja de poder pasar de conducción a bloqueo mediante la aplicación de un pasar de conducción a bloqueo mediante la aplicación de un impulso negativo a la puertaimpulso negativo a la puerta

Es equivalente a una resistencia la cual es incapaz de bloquear voltaje. Para continua el dispositivo no presenta ningún problema, no obstante, si queremos bloquear cualquier voltaje inverso, deberemos conectar en serie con el GTO un diodo. Si deseamos que pase la corriente, deberemos conectar un diodo en antiparalelo con el dispositivo.

CKTO DE DISPARO DEL GTO

APLICACIÓN DE TIRISTORES: Convertidor de fase monofasico

• Al igual que un puente rectificador T1 y T2 operan en una alternación mientras que T3 y T4 operan en la otra.

• Sin embargo Cuando la carga es inductiva y la corriente nunca se hace cero, una pareja sigue conduciendo mas allá de 180 grados hasta que la otra pareja recibe el comando de empezar a conducir.

• La corriente en la carga es directa mientras que del lado ac es una onda cuadrada.

• El valor promedio del voltaje aplicado en este caso es positivo como aparece en la figura.

04/28/23 34

Convertidor de fase monofásico

• Cuando el ángulo de disparo es mas allá de 90 entonces el promedio del voltaje es negativo.

• En este caso si aplicamos esta señal a un motor que tenia una energía cinética almacenada, esta operacion se va a comvertir en frenado regenerativo(segundo cuadrante )

04/28/23 35

Voltaje de salida del convertidor

Para conducción continua el voltaje de salida viene dado por la ecuación:

cos2)()sin(1

mssmdc

VtwdtwVV

)cos(cos yVV mdc

Para conducción discontinua el voltaje de salida viene dado por la ecuación:

Para conducción discontinua el voltaje de salida es mas alto que para el de continua:

Para conducción discontinua se ha considerado un carga resistiva donde la conducción solo se lograra hasta 180 grados.

04/28/23 36

Ejemplo: Modo continuo y discontinuo

• Encuentre el voltaje promedio de un rectificador para VRMS=120V α=30 Para modo continuo y Para modo discontinuo γ+α=π (carga resistiva).

04/28/23 Slide 37

Efecto de la impedancia de la fuente

• Debido a la impedancia de los transformadores o alguna introducida intencionalmente, los tiristores opuestos se encienden (cortocicuitando el DC Bus) haciendo el voltaje aplicado a la carga igual a cero y reduciendo el voltaje efectivo a

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)cos(cos)()sin(1

mssmx

VtwdtwVV

m

dclss

VILcoscos 1

Igualando este voltaje con la caida en la inductancia dclss ILw

Convertidor trifásico• Cuando se cuenta con

aimentación trifásica el convertidor utiliza 6 tiristores. El tiempo de conducción de cada uno se reduce de 180 a 120 grados máximos. durante ese periodo 60 grados trabaja con un tiristor opuesto diferentes. Por lo el controlador tiene que producir 6 señales diferentes( cada 60 grados) .

• Este convertidor produce una salida con mucho menos rizado que el convertidor monofásico.

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Formas de onda del convertidor trifásico

• Para apreciar cada segmento de conmutación se grafican los voltajes de líneas y sus inversos. Es decir Vab y Vba. Estas dos ondas sinusoidales estan defasadas 180 grados. De esta manera solo hay que escoger cual de los voltajes esta en la parte superior.

• Los tiristores que estan encendido en Vab son T1 y T6 sin embargo en Vba son T3 y T6.

• Cada transistor permanece encendido 120 grados pero que cada 60 grados se apaga uno y se enciende otro.

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Operando el convertidor trifasico en el segundo cuadrante

• Si queremos aplicar un voltaje negativo promedio a la carga para recuperar parte de la energía almacenada en la carga, hay que disparar los transistores con un valor de alpha mayor 90 grados similar al convertidor monofásico

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Curva de transferencia • Para determinar el

voltaje de salida integramos el voltaje dese 60 grados +alpha hasta 120grados +alpha

04/28/23 42

cos3sin33/

1 32

3

32

3

mssmsabdc VtwdtwVtwdVV

Linearizando el voltaje de control• El voltaje dc es un función

no lineal del angulo de disparo.

• Para linearizar el contol de comando debemos usar

04/28/23 43

crdc

cncm

c

VKVmV

VVV

cos3

coscos 11

TOSHIBA

Algunos fabricantes de tiristores