IGCT, MCT and ETO

IEGT, MCT y ETO. Comparación. Autor: Alex Jara Salguero MÁSTER EERR, CONTROL Y DISEÑO DE CONVERTIDORES ELÉCTRICOS Escuela de Ingeniería y Arquitectura, Universidad de Zaragoza, 2018 Resumen-- En este artículo se presta especial atención a los principales temas referidos a IGCT (que tienen una conmutación con un pulso de corriente muy alta y muy rápida), MTC (que se pueden encender y apagar con pulsos de tensión, con una alta ganancia de apertura) y ETO (dispositivo con dos gates: uno normal para abertura y uno con serie de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) para cerrar), todos estos desde lo básico de operación, estructura, principio de funcionamiento y características que diferencia el uno del otro. Los 3 dispositivos antes mencionados se caracterizan por tener una mayor corriente de turn-off que se requiere en la actualidad para las diferentes aplicaciones.

I.

I NTRODUCCIÓN

D

ESDE el principio, el desarrollo de los semiconductores de potencia ha estado buscando el interruptor ideal. Todavía en estos días, y gracias a la creciente demandada de sistemas de electrónica de potencia para diferentes aplicaciones (industria y tracción, generación, transmisión y distribución, espacio, medicina, etc.), la búsqueda del interruptor ideal continúa y continuará en el futuro. Los esfuerzos de investigación y desarrollo se han centrado para minimizar las pérdidas por conexión y estado, con el objetivo de ampliar los semiconductores SOA (en ambos direcciones, corriente y voltaje), operar a la frecuencia de conmutación más alta posible, siendo estos circuitos simples y eficientes, se busca también aumentar la capacidad de disipación de potencia, fiabilidad y robustez de los componentes, etc. II. A.

Fig. 1. Símbolo del IGCT

B.

Principio de Funcionamiento

Este dispositivo tiene un diodo inverso integrado indicado por la unión n+ n- p del lado derecho (Fig. 2). La capa de acoplamiento n- distribuye el esfuerzo dieléctrico a través de la capa n-, reduce el espesor de esa capa, disminuye las perdidas por p or conducción en estado de encendido. La capa p del ánodo se fabrica delgada y ligeramente dopada, para permitir una remoción más rápida de cargas del lado del ánodo durante el apagado. Para el Encendido este dispositivo se enciende aplicando la corriente de encendido a su compuerta. En el Apagado el IGCT se apaga con una tarjeta de circuito impreso multicapa de compuerta que aplica un pulso de apagado de subida rápida. Con esta variación de la corriente de compuerta, el transistor npn del lado del cátodo se apaga en su totalidad en menos de aproximadamente de 1μs, y de hecho el transistor pnp del lado del ánodo se deja con una base abierta y se apaga en forma casi inmediata. Debido a la muy corta duración del pulso, se reduce mucho la energía de encendido de compuerta y se reduce al mínimo el consumo de la misma. Al aplicar una corriente de subida rápida y alta corriente en la compuerta en el IGCT se trata en especial de reducir en lo posible la inductancia del circuito de la compuerta. Esta propiedad también es necesaria en los circuitos de compuerta del MTO y del ETO.

TIRISTOR CONTROLADO POR PUERTA I NTEGRADA (IGCT)

Estructura

El tiristor integrado de puerta conmutada (IGCT) es una evolución del tiristor GTO y al igual que el tiristor GTO es un control del interruptor de encendido, consiste en una placa de compuerta integrada y un tiristor conmutado por compuerta (GCT), además consta de un diodo antiparalelo (Fig. 1) que se integra en el reverso conduciendo IGCT. Es un semiconductor avanzado, es un conmutador para aplicaciones de alta frecuencia y alta potencia por encima de 100 kW. Satisface las demandas conflictivas de alta corriente, alta voltaje y apagado rápido a través de la ingeniería de vida útil del operador. Un IGCT es un tipo especial de tiristor similar a una órbita de transferencia geoestacionaria. Se pueden activar o desactivar por una señal de puerta, tiene una menor pérdida de conducción y soportar mayores tasas de aumento de tensión (dv / dt). [1]

Fig. 2. Corte transversal de un IGCT IGCT con diodo inverso

C.

Características

(i) Baja Caída de Voltaje directo durante la conducción. (ii) Un tiempo de activación 0.4 μs y desactivación 1.25 μs. (iii) Bajas perdidas de conmutación. (iv) Es un dispositivo asimétrico. (v) Apagado rápido. El tiristor controlado por puerta integrada (IGCT) es un conmutador semiconductor de potencia diseñado para su uso en aplicaciones de electrónica de potencia de la máxima capacidad. Gracias al diseño heredado del tiristor, puede

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conmutar grandes cantidades de energía eléctrica en un solo componente. Esta capacidad permite que el IGCT se use en motores de media tensión, interconexiones de redes eléctricas, compensadores estáticos (STATCOM), interruptores de estado sólido y choppers El conjunto GCT y driver se denomina IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor). El GCT como componente se comercializa con el circuito de driver integrado.

(iii) Bajas perdidas de conmutación. (iv) Una baja capacidad de bloqueo voltaje inverso. (v) alta impedancia de entrada de compuerta.

III. TIRISTOR CONTROLADO POR MOS (MCT) A.

Estructura

Está integrado por 2 MOSFET (Fig. 5) , uno de ellos enciende al tiristor y el otro lo apaga. Existen diversos tipos de estructuras, pero todas ellas coinciden existe un tiristor pnpn que determina las propiedades de conducción (y de bloqueo). Contiene aproximada 105 celdas que provee superficies cortas de largas secciones transversales para una rápida y uniforme conmutación de corriente. [7] B.

Principio de Funcionamiento

Este dispositivo combina las características de un tiristor regenerativo de 4 capas y una estructura de compuerta MOS (Fig. 3) . Encendido: un MCT de canal, está en estado de bloqueo en sentido directo se puede encender aplicando a su compuerta un pulso negativo. un MCT de canal n se activa con un pulso positivo en su compuerta. Apagado: un MCT de canal p, esta encendido, para apagarlo se suministra un pulso positivo a la compuerta con respecto al ánodo. Cuando un MCT de canal n esta en estado de encendido se puede apagar aplicando a su compuerta un pulso negativo con respecto respecto al cátodo. El MCT puede ser operado como dispositivo controlado por compuerta si su corriente es menor que la corriente controlable pico. Si se trata de apagar el MCT con corrientes mayores que su corriente especificada, se debe conmutar el MCT para apagarlo como un SCR normal. [7]

Fig. 3. Diagrama esquemático esquemático MCT [1]

Fig. 4. Comparación MCT con otros otros dispositivos

MCT se puede comparar con un MOSFET de potencia, un BJT de potencia, y un IGBT de tensiones similares y corrientes. El funcionamiento de los dispositivos se compara con el estado, estado desactivado, y en condiciones transitorias. La comparación es simple y muy completa. La densidad de corriente de un MCT es 70% superior a la de un IGBT con la misma corriente total. Durante su Estado, el MCT tiene una caída de conducción más baja en comparación con otros dispositivos. Esto se atribuye a la reducción de tamaño de las células y la ausencia de cortos emisor presente en el SCR dentro del MCT. La estructura MOS se reparte en toda la superficie del dispositivo, lo que da como resultado el encendido y el apagado rápidos, con pocas perdidas de conmutación. Debido a que el tiempo de apagado del MCT es muy bajo (cerca de 1.5 ms) y que posee un elevado di/dt (1000 A/ms) y dv/dt (5000 V/ms), estas características superiores lo convierten en un dispositivo de conmutación ideal y posee un tremendo potencial para aplicaciones en motores de media y alta potencia, así como en distintas aplicaciones en la electrónica de potencia. [7]



El MCT tiene una serie de propiedades que cubren un amplio rango de aplicaciones. La principal desventaja es que la capacidad de bloqueo inverso del dispositivo será sacrificada en favor de la velocidad de conmutación (Fig. 5).

Fig. 5. Símbolo eléctrico MCT IV. TIRISTOR DE APAGADO DEL EMISOR (ETO) A.

Estructura

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.

PNPN. La tensión positiva aplicada a la puerta 1 apaga el MOSFET conectado al terminal de puerta del tiristor. Principio de Apagado [1]: Cuando se aplica una señal de voltaje negativo de apagado al MOSFET conectado al cátodo, se apaga y transfiere toda la corriente lejos del cátodo (N-emisor del transistor NPN en el tiristor) a la compuerta de la base a través de MOSFET conectado a la puerta del tiristor. Esto detiene el proceso de enganche regenerativo y da como resultado un apagado rápido. Tanto el MOSFET conectado al cátodo como el MOSFET conectado a la puerta del tiristor no están sujetos a tensiones de alta tensión, independientemente de la magnitud de la tensión en el ETO, debido a la estructura interna del tiristor que contiene una unión P-N. El inconveniente de conectar un MOSFET en serie es que tiene que llevar la corriente principal del tiristor y también aumenta la caída total de tensión en aproximadamente 0.3 a 0.5V y sus pérdidas correspondientes. El ETO tiene una cola de corriente de apagado larga al final de la desconexión y el próximo encendido debe esperar hasta que la carga residual en el lado del ánodo se disipe a través del proceso de recombinación.

Fig. 6. Símbolo eléctrico ETO Un ETO tiene dos compuertas: una normal, para encenderlo, y una con un MOSFST en serie, para apagarlo. En la actualidad se han demostrado ETO de alta potencia, con especiﬁcaciones de corriente hasta de 4 kA y de voltaje hasta de 6 kV.

Fig. 8. Estructura ETO C.

Características

(i) Clasificación de alta potencia (hasta 4 kA y 6 kV) (ii) Baja pérdida de conducción (iii) Velocidad de conmutación rápida (hasta 5 kHz) (iv) Capacidad de apagado Snubberless (v) Detección de corriente incorporada (vi) Capaz de operación en paralelo y en serie. [3] V. COMPARACIONES TABLA 1. COMPARACIÓN TENSIÓN , CORRIENTE Y FRECUENCIA [4]

Fig. 7. Circuito equivalente equivalente ETO



TABLA 2. COMPARACIÓN DE PRESTACIONES DE CADA DISPOSITIVO [4]

Como se puede observar en la Tabla 1 y 2 los dispositivos estudiados tienen semejanzas ya que son un desarrollo a partir de requerimientos que dispositivos como el GTO carecían y estos son perdidas de conducción, velocidad de conmutación y control de compuerta de dispositivos como el GTO. Lo que conlleva a que estos sean más utilizados en aplicaciones de electrónica de potencia de la máxima capacidad por su alto rendimiento. VI. R EFERENCES EFERENCES [1] Muhammad H. Rashid, "Electronica de Potencia; Circuitos, dispositivos y aplicaciones," PEARSON, Prentice Hall, Edición 3, ISBN: 970-26-0532-6, 2004. [2] Zhang,Bin. "Development of the Advanced Emitter Turn-Off (ETO) Thyristor" (PDF). [3] Alex Q. Huang, Center for Power Electronics Systems, Virginia Tech; “Emitter Turn-off (ETO) Thyristor Development”, FY2001 Energy Storage Systems Peer Review. [4] Alexander Bueno M, “Dispositivos Electrónicos de Potencia ” Controladores de Potencia, Sep 2011. [5] J.D. Aguilar Peña, “Tiristores” Departamento de Electrónica. Universidad Jaén; Electrónica de Potencias. [6] Bartkl3, “Tiristor IGCT” SlideShare. Feb 2010, https://es.slideshare.net/bartkl3/tiristor-igct [7] EcuRed-Conocimiento con todos y para todos. “ Tiristor controlado por MOS” https://www.ecured.cu/Tiristor_controlado_por_MOS

IGCT, MCT and ETO

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