Ensayo Final Tiristores

Universidad Politécnica Salesiana

Nombre: Iván Llivisaca Materia: Electrónica de Potencia

Los tiristores tiristores Un tiristor es un interruptor electrónico utilizados en circuito electrónicos de potencia, tiene tres terminales un Ánodo, un cátodo, y una compuerta, un tiristor conduce siempre que el terminal del ánodo tenga mayor potencial que el cátodo. Los tiristores se dividen en: 1) Tiristor conmutado forzado. “Esta clase de tiristores suele funcionar a la frecuencia de línea, y se apagan por conmutación

natural. Un tiristor inicia la conducción en sentido directo, cuando se aplica un pulso de disparo de corriente de la compuerta al cátodo, y se llega y se mantiene con rapidez ra pidez a la conducción total, con una caída pequeña de voltaje en sentido directo [1]. ”

2) Tiristores bidireccionales controlados por fase (BCT, de bidirectional phase-controlled thyristors). “El BCT es un concepto nuevo para control por fase con alta potencia. Su símbolo se ve en la

figura 1 .Es un dispositivo único que combina las ventajas de tener dos tiristores en un encapsulado, permitiendo diseñar equipos más compactos, simplificando el sistema de enfriamiento y aumentando la fiabilidad del sistema. Los BCT permiten a los diseñadores cumplir con mayores demandas de tamaño, tamaño, integración, fiabilidad y costo del producto final [1].” “Son adecuados en aplicaciones tales como co mpensadores estáticos de volt-amperes reactivos (VAR), interruptores estáticos, arrancad arrancad ores suaves y controles de motor [1] [2] ”.

Fig1. Símbolo del BCT [1].

Encendido y apagado: “Un BCT tiene dos compuertas: una para encender e iniciar el flujo de la

corriente en sentido directo, y una para corriente en sentido inverso. Este tiristor enciende con un pulso de corriente a una de sus compuertas. Se desactiva desactiva si la corriente anódica baja del valor de la corriente de detención, por el comportamiento natural del voltaje o la corriente [1]”. 3) Tiristores de conmutación rápida (o SCR). “Se usan en aplicaciones de conmutación de alta velocidad, con conmutación forzada. Tienen un

tiempo corto de apagado, por lo general de 5 a 50 µS µ S dependiendo del intervalo del voltaje. Estos tiristores tienen alta tasa dv/dt, normalmente de 1000 V/µs, y tasa di/dt de 1000 A/µs. El a pagado rápido y la alta di/dt son muy importantes para reducir el tamaño ta maño y el peso de los componentes de conmutación o del circuito reactivo. El voltaje en estado de encendido, de un tiristor de 1800 V-


2,200 A suele ser de 1.7 V. Los tiristores inversores, con posibilidades muy limitadas li mitadas de bloqueo en sentido inverso, normalmente de 10 V, Y que tienen un tiempo de apagado muy corto, de 3 a 5 us, se llaman tiristores asimétricos (ASCRS). En la figura 2 se ven tiristores de conmutación rápida, de varios tamaños [1]”.

Fig2. Tiristores de conmutación rápida.(Cortesía de Powerex, Inc.) [1].

4) Rectificadores controlados de silicio fotoactivados (LASCR, light-activated silicon-controlled rectifier): “Este

dispositivo enciende por irradiación directa, con luz, de la oblea de silicio. Los pares electrón-hueco que crea la radiación producen la corriente de disparo, bajo la influencia del campo eléctrico. La estructura de la compuerta se diseña para proporcionar la sensibilidad suficiente para hacer la activación con fuentes luminosas normales (por ejemplo, diodo emisor de luz, LED), y para obtener grandes capacidades capacidades de las tasas di/dt y dv/dt [1] ”. “Los LASCR se usan en aplicaciones de alto voltaje y gran corriente, por ejemplo HVDC,

transmisión y compensación de potencia o VAR re activos. Un LASCR ofrece un aislamiento eléctrico completo entre la fuente luminosa de activación y el dispositivo de conmutación de un convertidor de potencia, que flota a un potencial hasta de algunos pocos kilo volts. La especificación de voltaje de un LASCR podría llegar a 4 kV a 1500 A, con potencia de la luz [1]”. 5) Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC). “Un

TRIAC puede conducir en ambas direcciones, y se usa normalmente para control por fase. Como un TRIAC es un dispositivo bidireccional, no se puede decir que sus terminales sean ánodo y cátodo. Si la terminal MT2 es positiva con respecto a la terminal MT1, el TRIAC se puede encender aplicando una señal positiva entre la compuerta G y la terminal MTl. Si la terminal MT2 es negativa con respecto a la terminal MT}, se enciende aplicando una señal negativa entre la compuerta G y la terminal MTl. No es necesario tener las dos polaridades de señal de compuerta, y un TRIAC se puede encender con una señal de compuerta que puede ser positiva o negativa [1]”.


Fig3. Equivalente de TRIAC TRIAC [1].

6) Tiristores de conducción en sentido inverso (RCT, de reverse-conducting thyristor). “En

muchos circuitos de convertidor e inversor se conecta un diodo anti paralelo a través de un SCR para permitir un flujo de corriente en sentido inverso, causada por carga inductiva, y para mejorar los requisitos de apagado del circuito de conmutación. El diodo fija el voltaje de bloqueo en sentido inverso del SCR en 1 o 2 V bajo condiciones de estado estable. Sin embargo, bajo condiciones transitorias el voltaje puede subir hasta 30 V debido a voltaje inducido en la inductancia parásita del circuito, en el interior del dispositivo [1]”.

Fig 4. Trisistor en Conducción inversa inversa [1].

7) Tiristores apagados por compuerta (GTO). “Como un SCR, un GTO se puede encender aplicando una señal positiva a la compuerta. Sin

embargo, el GTO puede abrirse con una señal negativa de compuerta. Los GTO tienen las siguientes ventajas sobre los SCR: 1) eliminación de componentes de conmutación, en la conmutación forzada, que dan como resultado una reducción de costo, peso y volumen; 2) reducción de ruido acústico y electromagnético, por la eliminación de reactores de conmutación; 3) apagado más rápido que permite altas frecuencias de conmutación, y 4) mejor eficiencia de convertidores [1]”.

Fig 5. Símbolo del GTO [1].


“Encendido. El OTO tiene una estructura muy digital, sin compuerta regenerativa, como se verá

después en la figura 7.19. En consecuencia, se requiere un pulso grande inicial de disparo, para activarlo [1]”. “Estado de encendido. Una vez que el GTO se activa, debe continuar la corriente en sentido

directo de la compuerta durante todo el periodo de conducción, para asegurar que el dispositivo permanezca en conducción. En caso contrario, no puede permanecer en conducción durante el periodo en estado estado de encendido encendido [1]”. “Apagado. El funcionamiento de un GTO en el apagado está influido por las características del

circuito de apagado de compuerta. En consecuencia, estas últimas características deben coincidir con los requisitos de apagado. El proceso de apagado implica extracción de la carga de la compuerta, el periodo de avalancha en la compuerta y la disminución de la corriente anódica. La cantidad de extracción de carga es un parámetro del dispositivo, y su valor no se afecta en forma importante por las condiciones del circuito externo [1]”. 8) Tiristores controlados por FET (FET-CTH, de FET-controlled thyristor). “Un

dispositivo FET-CTH combina en paralelo a un MOSFET y un tiristor, como se ve en la figura 6. Si se aplica el voltaje suficiente a la compuerta del MOSFET, normalmente 3 V, se genera internamente una corriente de disparo para el tiristor. t iristor. Tiene alta velocidad de conmutación, altas tasas di/dt dv/dt. Este dispositivo puede encenderse como los tiristores convencionales, pero no puede apagarse mediante control de compuerta. Esto tiene aplicaciones cuando se debe usar disparo óptico para dar aislamiento eléctrico entre la señal de entrada o de control, y el dispositivo de conmutación del convertidor de potencia [1] ”.

Fig 6. Trasnsitor controlador por FET [1].

9) Tiristores de apagado por MOS (MTO, de MOS turn-off). “El MTO fue desarrollado por Silicon Power Company (SPCO). Es una combinación de un GTO

y un MOSFET, que juntos superan las limitaciones de capacidad de apagado del GTO. El inconveniente principal de los GTO es que requieren un circuito de encendido con grandes pulsos de corriente, para la compuerta de baja impedancia. i mpedancia. El circuito de la compuerta debe proporcionar la corriente de apagado de compuerta, cuya amplitud pico típica es 35% de la corriente que se va a controlar [1]”. “Encendido. Como un GTO, el MTO enciende aplicando un pulso de corriente a la compuerta de

encendido. Este pulso enciende el transistor npn Q1, que entonces a su vez enciende al transistor pnp Q2 y retiene al MTO [1]”. [1]”. “Apagado. Para apagar el MTO se aplica un pulso de voltaje en la compuerta del MOSFET.

Al encenderse el MOSFET, se ponen en corto el emisor y la base del transistor npn Q1, deteniendo así el proceso de retención. En contraste, un GTO se apaga extrayendo la corriente suficiente de la base del emisor del transistor npn con un pulso negativo grande, para detener la acción de retención regenerativa [1][3]”.

10) Tiristores de apagado (control) por emisor (ETO, de emitter turn-off).


“El

ETO es un dispositivo híbrido de MOS y GTO en el que se combinan las ventajas del GTO y del MOSFET. El ETO fue inventado en el Virginia Power Electronics Center, en colaboración con SPCO .Un ETO tiene dos compuertas: una normal, para encenderlo, y una con un MOSFST en serie, para apagarlo. Se han demostrado ETO de alta potencia , con especificaciones de corriente hasta de 4 kA Y de voltaje hasta de 6 kV.[1][4][5][6] “Activación. Un ETO se enciende aplicando voltajes positivos a las compuertas 1 y 2. Con un voltaje positivo en la compuerta 2 el cátodo QE de MOSFET se enciende y apaga la compuerta QG del MOSFET. Una inyección de corriente a la compuerta del GTO (a través de la compuerta 1) enciende al ETO, debido a la existencia del GTo [1]”. “Apagado. Cuando se aplica una señal de apagado, con voltaje negativo, al cátodo QE del MOSFET, se apaga y toda la corriente se desvía del cátodo (emisor n del transistor npn del GTO) hacia la base a través de la compuerta QG del MOSFET. Esto detiene el proceso de retención regenerativo y el resultado es una apagado rápido [1]”.

11) Tiristores conmutados por compuerta integrada (IGCT, de integrated gate-commutated thyristors). p or compuerta (GCT) y un activador de compuerta “En el IGCT se integran un tiristor conmutado por en tarjeta de circuito impreso multicapa. El CGT es un GTO de conmutación permanente, con un pulso de corriente de compuerta muy rápido y grande, tan grande como la corriente total especificada, que toma toda la corriente del cátodo y la lleva a la l a compuerta aproximadamente en 1 µs , para asegurar un apagado rápido.[1][7][8]”. rápido.[1][7][8]”. “Encendido. Como un GTO, el IGCT se enciende aplicando la corriente de encendido a su

compuerta. Apagado. El IGCT se apaga con una tarjeta de circuito impreso multicapa de compuerta que aplica un pulso de apagado de subida rápida; por ejemplo, una corriente de compuerta de 4 kA/µs, sólo con un voltaje de 20 V de compuerta a cátodo [1]”.

12) Tiristores controlados por MOS (MCT, de MOS-controlled thyristor). “En un MCT se combinan las propiedades de un tiristor regenerativo de cuatro capas, y una

estructura de compuerta de MOS. Como el IGBT, combina las ventajas de las estructuras bipolares de unión con las de efecto de campo, y es una mejoría respecto a un tiristor con un par de MOSFET que lo enciendan y apaguen [1]”. “Encendido. Cuando un MCT de canal p está en el estado de bloqueo en sentido directo, se puede

encender aplicando a su compuerta un pulso negativo con respecto al ánodo. Cuando un MCT de canal n está en el estado de bloqueo en sentido directo, se puede encender aplicando a su compuerta un pulso positivo con respecto al cátodo [1]”. “Apagado. Cuando un MCT de canal p está en estado de encendido, se puede apagar aplicando a

su compuerta un pulso positivo con respecto al ánodo. Cuando un MCT de canal n está en estado de encendido, se puede apagar aplicando a su compuerta un pulso negativo con respecto al cátodo [1]”.

13) Tiristores de inducción estática (SITR, de static induction thyristor). “El

SITH, llamado también diodo controlado-limado (FCD, de filed-controlled dio de) fue introducido por Teszner en la década de 1960. Un SITH es un dispositivo de portadores minoritarios. En consecuencia, tiene baja resistencia o caída de voltaje en estado activo, y se puede fabricar con con mayores especificaciones de voltaje y corriente. corriente. Tiene grandes velocidades de conmutación y mayores capacidades de las tasas dv/dt y di/dt. El tiempo de conmutación es del orden de 1 a 6 µs. La especificación de voltaje puede llegar hasta a 2500 V, Y la de corriente se limita a 500 A. Este dispositivo tiene una sensibilidad extremadamente alta al proceso, y pequeñas perturbaciones en su manufactura manufactura producen producen grandes cambios cambios en sus sus características características [9][10][11]”. [9][10][11]”.


Protección Contra DI/DT “Un tiristor requiere un tiempo mínimo para repartir por igual la conducción de la corriente en las

uniones. Si la rapidez de aumento de la corriente anódica es muy alta, en comparación con la velocidad de repartición de un proceso de activación, puede presentarse un calentamiento localizado, o "punto caliente" debido a alta densidad de corriente, y el dispositivo puede fallar como resultado de una temperatura excesiva. Se deben proteger los dispositivos prácticos contra una alta tasa di/dt. Por ejemplo, veamos el circuito de la figura 7. Bajo operación de estado permanente, Dm conduce cuando el tiristor TI está apagado. Si se dispara TI cuando Dm todavía está conduciendo, la tasa di/dt puede ser muy alta, y sólo la limita la inductancia parásita del circuito. En la práctica, la tasa di/dt se limita agregando un inductor L, en serie, como se ve en la figura 7. La tasa di/dt en sentido directo es

 = 

Donde L, es la inductancia en serie, que incluye cualquier inductancia parásita [1]”.

Fig. 7. Circuito de Conmutación para tiristor, con inductores inductores limitadores limitadores de la tasa di/dt [1]”. [1]”.

Protección Contra DV/DT “Si se cierra el interruptor SI en la figura 8 cuando t = O, se puede aplicar un escalón de voltaje a

través del tiristor TI, y puede ser que la tasa dv/dt sea suficientemente alta como para encender el dispositivo. Se puede limitar la tasa dv/dt conectando el capacitor C, como se ve en la figura 8a. Cuando el tiristor TI se activa, la corriente de descarga del capacitor se limita con el resistor R, como se ve en la figura 8b. Con un circuito RC, llamado circuito amortiguador, el voltaje en el tiristor aumenta en forma exponencial, como se ve en la figura 8c, y la tasa dv/dt del circuito se puede determinar en forma aproximada aproximada con

 = 0.632 0. 6 32 =   .1 [1]

El valor de la constante de tiempo del amortiguador, T = RsCs, se puede determinar con esta ecuación, para un valor conocido de la tasa dv/dt. El valor de R, se determina a partir de la corriente de descarga ITD.

=  =  .2 [1]

Es posible usar más de un resistor para la tasa dv/dt y descargar, como se ve en la figura 8d. La tasa dv/dt se limita con R, y Cs. La suma (Rl + R2) limita la corriente de descarga, de tal modo que


 .3[1] = 1+2

Fig. 8. Circuito de Protección contra la tasa dv/dt [1].

La carga puede formar un circuito en serie con la red amortiguadora, como se ve en la figura fi gura 8e. La relación de amortiguamiento δ de una ecuación de segundo orden es

 √  = ∝ = + 2 + .3 [1]

Donde L, es la inductancia parásita y L y R son la inductancia y la resistencia de la carga, respectivamente respectivamente [1]”. Operación de Tiristor en Serie “Para aplicaciones en alto voltaje se pueden conectar dos o más tiristores en serie, para alcanzar

la especificación de voltaje. Sin embargo, debido a las variaciones en la producción, no son idénticas las características de los tiristores. La figura 9 muestra las características de estado de apagado de dos tiristores. Para la misma corriente de estado de apagado, son distintos sus voltajes de estado de apagado [1]”. “En el caso de los diodos sólo deben compartirse los voltajes de bloqueo en sentido inverso,

mientras que en el caso de los tiristores se requieren redes de voltaje de bloqueo compartido, para las condiciones de bloqueo inverso y de estado de apagado [1]”.


Fig. 9. Características de dos tiristores en estado apagado [1].

“Si I1 es la corriente a través del resistor R en paralelo con TI, y las corrientes por otros resistores

son iguales, de tal modo que I2 I2 = i3 = In, el intervalo de corriente en estado de apagado apagado es

Es igual a

∆=2−1=−2−+1=1−2 . 4 [1] 2=1−∆ .5 [1]

Fig. 10. Tres tiristores conectados en serie [1].

)  + (−1) −1 2 ( () ) = +  .6. 6 [1][1]  =1−  ( (max) max) .6[1]

Se define el voltaje de estado permanente

Se define un factor de decaimiento decaimiento DRF (de derantig factor) [1]”.

Operación de Tiristores en Paralelo

“Cuando se conectan los t iristores en paralelo, la corriente de la carga no se comparte por igual,

por diferencias en e n sus características. Si un tiristor conduce más corriente que la que pasa por otros, aumenta su disipación de potencia y con ello aumenta la temperatura de la unión y disminuye la resistencia interna. Esto último, a su vez, hace aumentar la corriente compartida y puede dañar dañar al tiristor [1] ”. “Se puede conectar una pequeña resistencia, resi stencia, como se ve en la figura 11 a, en serie con cada tiristor, tir istor,

para forzar forzar la división igual de la corriente, pero puede puede haber una pérdida pérdida considerable considerable de potencia en las resistencias en serie. Un método frecuente para compartir corriente de tiristores es usar inductores acoplados magnéticamente, como los que se ven en la figura 11 b. Si aumenta la corriente por el tiristor TI, se puede inducir un voltaje de la polaridad contraria en los devanados del tiristor Tb y se puede reducir la impedancia a través de la trayectoria por T2 aumentando así el flujo de corriente por T2 [1]”.

Fig. 11. Corriente compartida entre tiristores [1].


REFRENCIAS BIBLIOGRAFICAS. BIBLIOGRAFICAS. [1] Muhammad H. Rashid, "Electrónica Rashid, "Electrónica de Potencia", 3 ed, 1995 [2] Bi-directional control thyristor,ABB Semiconductors, Lenzburg, Suiza, febrero de 1999.www.abbsemi.com [3] D. E. Piccone, R. W. DeDoncker, 1.A. Barrow y W. H. Tobin, "The MTO thyristor - A new high power bipolar MOS thyristor," IEEE Industrial Applications Society Conference Record, octubre de 1996, Págs. 1472-1473. [4] "MTO data-sheets," Silicon Power Corporation (SPCO), Exton, PA. www.siliconpower.com [5] Y. Li, A. Q. Huang y F. C. Lee, "Introducing the emitter turn-off thyristor," IEEE Industrial Applications Society Conference Record, 1998, Págs. 860-864. [6] Y. Li. Y A. Q. Huang, "The emitter turn-off thyristor - A new MOS-bipolar high power device," Proc. 1997 Virginia Polytechnic Power Electronics Center Seminar, 28 a 30 de septiembre de 1997, Págs. 179-183. [7] P.K. Steimer, H. E. Gruning, 1.Werninger, E. Carrol, S. Klaka y S. Linder, "IGCT - a new emerging technology for high power, low cost inverters," IEEE Industry Applications Society Conference Record, 5 a 9 de octubre de 1997, New Orleans, LA, Págs. 1592-1599. [8] H. E. Gruning y B. Odegard, "High performance low cost MVA inverters realized with integrated gate commutated thyristors (IGCT)," European Power Electronics Conference, 1997, Págs. 2060-2065. [9] 1. Nishizawa, K. Muraoka, T. Tamamushi y Y. Kawamura, "Low-loss high-speed switching devices, 2300- V, 150 A static induction thyristor," IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-32, No. 4, 1985, Págs. 822-830. 822-830. [10] Y. akamura, H. Tadano, M. Takigawa, 1. Igarashi y 1. ishizawa, "Very high speed sta tic induction thyristor,' IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA22, 0.6,1986, Págs. 1000-1006. [11] R. Singh, K. Irvine y 1.Palmour, "4H-SiC buried gate field controlled thyristor,' Annual Device Research Conference Digest, 1997, Págs. 34-35.

Ensayo Final Tiristores

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