Electrónica de Potencia - Ana Pozo & Noemí Jiménez

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CAPTULO 1Introduccin a la Electrnica de

Potencia

1.1 Introduccin

En trminos generales, la tarea de la Electrnica de Potencia consiste en convertir ycontrolar la energa de la forma suministrada por una fuente a la forma requerida por lacarga. Habitualmente la fuente primera de energa es la corriente alterna (monofsica otrifsica a 50 60 Hz) suministrada por la red de energa elctrica. La figura 1.1muestra el diagrama de bloques de un sistema de Electrnica de Potencia.

FIGURA 1.1 Diagrama de bloques de un sistema de Electrnica de Potencia.

CIRCUITO DEPOTENCIA

CIRCUITO DE CONTROL

Alim

enta

cin

Info

rmac

in

Sea

les d

eex

cita

cin

Entrada Salida

Fuente dealimentacin

CargaFiltro Filtro

Variables elctricas

Variables mecnicas

Convertidor esttico

entrada salida

2 Cap. Introduccin a la Electrnica de Potencia

Segn la figura 1.1, los elementos que componen un circuito de Electrnica de Potenciason los siguientes:

Un circuito de potencia, compuesto por semiconductores de potencia. Estecircuito de potencia suele emplear filtros a la entrada y a la salida para evitar daosen la carga e interferencias electromagnticas con sistemas de comunicacin. Un circuito de control, que procesa la informacin recibida del circuito depotencia y genera las seales de excitacin que activan y desactivan lossemiconductores del circuito de potencia. Si los semiconductores del circuito depotencia son no controlados (diodos) el circuito de control no existe.

El campo de actuacin de la electrnica de potencia comprende tanto el diseo delaparato para la conversin de energa (circuito de potencia) como el de los dispositivosde medida y control (circuito de control). As, en la Electrnica de Potencia secombinan las disciplinas de potencia, control y electrnica: potencia por el equipoempleado en la conversin de energa y por las cargas a las que puede alimentar,control por la necesidad del estudio de las caractersticas estticas y dinmicas de lossistemas en lazo cerrado, y electrnica por los dispositivos semiconductores de loscircuitos de potencia y control y por la circuitera empleada en el circuito de control. Lafigura 1.2 ilustra la relacin de la Electrnica de Potencia con las disciplinas de control,potencia y electrnica.

FIGURA 1.2 Relacin de la Electrnica de Potencia con las disciplinas decontrol, electrnica y potencia.

ELECTRNICA DEPOTENCIA

CONTROLAnalgico / Digital

ELECTRNICADispositivos / Circuitos

POTENCIACargas

Sec. Introduccin 3

En un circuito de electrnica de potencia, los elementos semiconductores debensoportar grandes tensiones y corrientes. En el proceso de conversin de energa como elrepresentado en la figura 1.2 es importante conseguir que la potencia perdida seapequea, y por tanto que la eficiencia enegtica sea alta, por dos motivos: el coste de laenerga no aprovechada o energa perdida y la dificultad de eliminar el calor generadopor la energa disipada (energa perdida). Otras consideraciones importantes son lareduccin del tamao, el peso y el coste.

Los objetivos anteriores no se pueden conseguir en la mayora de los sistemas concircuitos lineales donde los semiconductores funcionan en su zona lineal (o reginactiva) y por ello la eficiencia energtica es pequea.

Con el objetivo de reducir el calor disipado en la conversin de potencia, lossemiconductores que se emplean en los circuitos de Electrnica de Potencia funcionancomo interruptores. Por eso, a los convertidores de Electrnica de Potencia se les llamaconvertidores conmutados o bien convertidores estticos para hacer nfasis en el hechode que carecen de partes mviles. La ausencia de partes mviles evita la necesidad dellevar a cabo un mantenimiento del circuito, as como la generacin de ruidos,desgastes, etc.

La Electrnica de Potencia tiene sus indicios en el ao 1900, con el empleo deinterruptores de vlvulas de mercurio. Hasta la dcada de los 50 se fueronintroduciendo nuevos materiales para la fabricacin de interruptores como el ignitrn oel tiratrn, entre otros.

La primera revolucin de la industria de la electrnica de potencia comenz en 1948con la invencin del transistor de silicio por los laboratorios de la Bell Telephone porBardeen, Brattain y Schokley. La mayora de las tecnologas electrnicas msavanzadas se deben a este descubrimiento. El siguiente paso adelante tambin lo dio lacompaa Bell Telephone en el ao 1956 con la invencin del tiristor o rectificadorcontrolado de silicio (SCR).

La segunda revolucin de la electrnica de potencia tuvo lugar en 1958 con eldesarrollo del tiristor comercial por la compaa General Electric. ste fue el comienzode la nueva era de la Electrnica de Potencia. Desde entonces se han introducidomuchos nuevos tipos de semiconductores y de convertidores de potencia.

En los ltimos aos, la Electrnica de Potencia ha experimentado un gran crecimientodebido a la confluencia de varios factores. El controlador de la figura 1.1 consiste en laactualidad en circuitos integrados analgicos y/o microcontroladores. Losrevolucionarios avances de la microelectrnica han conducido al desarrollo de talescontroladores. Adems, el desarrollo de la industria de fabricacin de semiconductoresha permitido aumentar de forma importante la capacidad de manejar grandes tensionesy corrientes, as como la velocidad de conmutacin de los dispositivos semiconductoresque forman parte del circuito de potencia de la figura 1.1.


De todo sto se deduce una importante peculiaridad de la Electrnica de Potencia y dela Electrnica en general: su constante dinamismo y evolucin, que proporciona deforma continua nuevos avances, conocimientos y creaciones.

La Electrnica de Potencia se encuentra relacionada con un amplio abanico de reas deconocimiento. Esta interdisciplinaridad de la Electrnica de Potencia quedarepresentada en la figura 1.3.

FIGURA 1.3 Relacin de la Electrnica de Potencia con otras reas deconocimiento.

Se trata, por tanto, de una materia dotada de gran dinamismo y evolucin, presente enmltiples aplicaciones no slo en el mbito industrial, sino tambin en el domstico ycon un marcado carcter interdisciplinar.

1.2 Justificacin del empleo de los semiconductores segn suscaractersticas ideales

En los diseos de electrnica de potencia, resulta extremadamente importante laeleccin correcta del dispositivo semiconductor. Esta eleccin tendr relacin directacon la propia aplicacin que se va a llevar a cabo. Algunas de las propiedades de losdispositivos y su influencia en el proceso de seleccin son las siguientes:

Tiempos de conmutacin. Mxima tensin a bloquear y mxima intensidad que circula por el dispositivo. Cada de tensin en conduccin. Potencia requerida en el circuito de control. Coste del dispositivo.

ELECTRNICA DE POTENCIA

Teora de Circuitos Teora de Control

y Sistemas

Procesamientode la seal

Electrnica

ElectromagnetismoSistemas de

Potencia

Mquinas Elctricas

Simulacin

Fsica delEstado Slido

Sec. Tipos de convertidores 5

En el diseo de un convertidor deben tenerse en cuenta, adems, la frecuencia defuncionamiento, el nmero de conmutaciones para reducir las prdidas de potencia, etc.Por tanto, la eleccin del dispositivo debe alcanzar un equilibrio entre las posibilidadesdel mismo y los requerimientos del convertidor.

Estas observaciones ayudan a justificar el empleo de los dispositivos segn suscaractersticas ideales en el anlisis de los convertidores, debido a las siguientesrazones:

El coeficiente de eficiencia se desea lo ms alto posible, por lo que la cada detensin cuando el dispositivo semiconductor se encuentra en funcionamiento debeser pequea comparada con la tensin de operacin. Por tanto, puede ignorarse enel anlisis del convertidor. El tiempo empleado en las conmutaciones es pequeo en comparacin con elperiodo de operacin. Por ello, puede considerarse que la conmutacin delsemiconductor es instantnea.

De forma similar, las otras propiedades se suponen ideales.

La consideracin de las caractersticas ideales simplifica el anlisis de losconvertidores, aunque no produce prdidas en su precisin. Sin embargo, en el diseode convertidores los elementos semiconductores deben tratarse segn suscaractersticas reales.

1.3 Tipos de convertidores

Atendiendo a las formas de energa que convierte, los circuitos de electrnica depotencia se clasifican en los siguientes grupos (figura 1.4):

Convertidores de corriente alterna a corriente alterna (convertidores c.a.-c.a.),que permiten variar el valor eficaz de la seal entregada a la carga por una fuentede corriente alterna, bien variando la frecuencia (cicloconvertidor), o bien sinalterarla (regulador de alterna). Convertidor de corriente continua a corriente continua (convertidor c.c.-c.c.),tambin denominado chopper, que permite suministrar una seal continua a lacarga a partir de una alimentacin de corriente continua. Convertidor de corriente alterna a corriente continua (convertidor c.a.-c.c.) orectificadores, que pueden ser de tres tipos:

Rectificadores no controlados, formados por diodos. No regulan latensin de salida, que siempre tiene un valor positivo. Rectificadores semicontrolados, formados por diodos y por tiristores.Regulan la tensin de salida en magnitud, pero no en polaridad. Latensin de salida siempre es mayor o igual a cero. Rectificadores controlados, que emplean tiristores. Regulan la tensinde salida en magnitud y polaridad controlando el momento de disparo delos tiristores. La tensin de salida puede ser menor, igual o mayor que


cero. Dado que estos convertidores permiten controlar el sentido de lapotencia transferida a la carga, pueden funcionar como rectificadores ocomo inversores, y dado que el control se efecta a travs del ngulo dedisparo de los tiristores, este tipo de convertidores recibe el nombre deconvertidores controlados por fase.

Convertidores de corriente continua a corriente alterna (convertidores c.c.-c.a.)o inversores de de frecuencia variable, que a partir de una alimentacin decorriente continua proporcionan una alterna de frecuencia regulable.

FIGURA 1.4 Tipos de convertidores.

Combinando algunos montajes fundamentales pueden conseguirse algunas de lasfunciones anteriores aunque de menor rendimiento, ya que la potencia se trata ms deuna vez. As, por ejemplo, la conversin de c.c.-c.c. puede llevarse a cabo mediante elempleo conjunto de un inversor seguido de un rectificador.

1.4 Aplicaciones de la electrnica de potencia

La electrnica de potencia ha encontrado un lugar destacado en la tecnologa moderna,y se emplea en la actualidad en gran cantidad y variedad de aplicaciones. Resulta difcilponer lmite a estas aplicaciones, especialmente por los grandes logros que se estnconsiguiendo en el desarrollo de dispositivos semiconductores, cada vez de mayorescapacidades, fcil control y precio reducido.

La tabla 1.1 muestra varias de estas aplicaciones. Estos sistemas cubren un ampliorango de valores de potencias, que abarcan desde unos pocos de vatios hasta varioscientos de megavatios.

~

~

__

__

Convertidor c.a.-c.a. Convertidor c.c.-c.c.

Convertidor c.a.-c.c.

Convertidor c.c.-c.a.

Sec. Aplicaciones de la electrnica de potencia 7

TABLA 1.1 Aplicaciones de la electrnica de potencia.

Principalmente, la gran expansin de la electrnica de potencia se debe a su empleo enlas siguientes aplicaciones:

Fuentes de alimentacin conmutadas e ininterrumpidas. Los avances en latecnologa de fabricacin en microelectrnica ha permitido el desarrollo decomputadores, que requieren fuentes de tensin conmutadas, y en muchos casos defuentes de alimentacin ininterrumpidas. Procesos de control y factoras de automatizacin. Aplicaciones en los sistemas de energa elctrica.

Domsticas Electrodomsticos. Calefaccin. Aire acondicionado. Cocinas. Iluminacin. Ordenadores personales, etc.

Comerciales Ascensores. Instalaciones de calefaccin y aire acondicionado. Computadores y equipo de oficina. Fuentes de alimentacin ininterrumpidas (UPS o

SAI), etc.Industriales Bombas.

Compresores. Mquinas herramientas (robots). Hornos, etc.

Transporte Control de traccin de vehculos elctricos. Cargadores de bateras para vehculos elctricos. Trolebuses. Metro, etc.

Sistemas de energa elctrica

Transporte en corriente continua de energaelctrica.

Control de potencia reactiva. Conexin de centrales de energas alternativas a la

red de energa elctrica, etc.Aeroespaciales Satlites.

Aeronaves, etc.Telecomunicaciones Cargadores de bateras.

Fuentes de alimentacin (c.c. y UPS)


1.5 Anlisis de los circuitos de potencia

Durante el funcionamiento de un circuito de potencia, se origina una secuenciaperidica en las que unos semiconductores entran en conduccin y otros salen de ella.Como se expuso con amterioridad, los semiconductores son considerados interruptoresideales, es decir, cuando conducen se comportan como un cortocircuito, y cuando estnbloqueados se comportan como un circuito abierto. Esta simplificacin, sin embargo,no resulta del todo imprecisa y ayuda a un mejor conocimiento del funcionamiento delcircuito.

Cada vez que un semiconductor cambia de estado, el esquema del circuito equivalentese modifica, dando lugar a un fenmeno transitorio en el sistema. Por tanto, el rgimenpermanente de funcionamiento est formado por una sucesin de regmenestransitorios. A los intervalos de tiempo en los que no cambia el circuito equivalente sele denomina intervalos de funcionamiento.

Para el estudio de un circuito de potencia se requiere describir la evolucin de lastensiones y de las intensidades de los elementos del circuito durante cada intervalo defuncionamiento. As, deben seguirse los siguientes pasos:

Dibujar el circuito equivalente resultante de cortocircuitar los semiconductoresque estn en conduccin durante el intervalo de funcionamiento y dejar en circuitoabierto aquellos que no conduzcan. Determinar las ecuaciones diferenciales del circuito equivalente correspondienteal intervalo. Resolver las ecuaciones anteriores introduciendo las condiciones de contornonecesarias. Con las expresiones obtenidas, determinar la finalizacin del intervalo. Estoocurrir cuando dejen de cumplirse las condiciones para las que resulta vlido suesquema equivalente. Se procede de igual forma con los siguientes intervalos de funcionamiento hastael final del periodo.

Las condiciones de contorno a introducir en las ecuaciones diferenciales obedecen aque:

Ciertas variables no pueden variar bruscamente, por lo que tendrn el mismovalor al principio de un intervalo de funcionamiento y al final del inmediatamenteanterior. Tales variables que no pueden variar de forma drstica son la tensin enun condensador y la intensidad en una bobina. Debido al carcter peridico del funcionamiento, cada variable tendr el mismovalor al principio y al final del periodo.

Sec. Estructura del libro 9

1.6 Estructura del libro

El propsito de este libro es facilitar el estudio de los convertidores de electrnica depotencia y de sus aplicaciones. El libro se encuentra dividido en cuatro partes.

La primera parte del libro, que comprende este primer captulo, ofrece una introduccina la Electrnica de Potencia.

La segunda parte del libro (Cap. 2- Cap. 3) presenta una descripcin de los distintossemiconductores empleados en la electrnica de potencia.

La tercera parte (Cap. 4- Cap. 8) presenta las diferentes topologas de convertidores enelectrnica de potencia empleados en la mayor parte de las aplicaciones. En ellos, seconsidera que los diferentes semiconductores (diodos, tiristores, etc.) actan segn suscaractersticas ideales, lo cual permite centrar el inters en el funcionamiento del propioconvertidor y en sus distintas aplicaciones.

As, el captulo 4 estudia los rectificadores no controlados, esto es, aquellos queemplean diodos como dispositivos semiconductores. El captulo 5 analiza losconvertidores de c.a.-c.c. controlados por fase, esto es, los que emplean tiristores. En elcaptulo 6 se detallan las diferentes topologas y modos de funcionamiento de losconertidores c.c.-c.c. o choppers. El captulo 7 presenta los convertidores de continua acorriente alterna o inversores de frecuencia variable. Por ltimo, el captulo 8 estudialos convertidores de corriente alterna a corriente alterna, tanto los de frecuencia fija(controladores de tensin de alterna), como los de frecuencia variable(cicloconvertidores).

La cuarta parte del libro, que abarca desde el captulo 9 al capitulo 11, detalla lasdistintas aplicaciones de la electrnica de potencia. As, el captulo 9 estudia las fuentesde tensin conmutadas, y el captulo 10 las fuentes de tensin ininterrumpidas. Elcaptulo 11 describe las aplicaciones de la electrnica de potencia en los sistemas deenerga elctrica: transporte de energa elctrica en corriente continua, conexin deenergas alternativas a la red de energa elctrica, etc. El captulo 12 introduce otrasaplicaciones de la electrnica de potencia, como son el control en velocidad y posicinde motores, y las aplicaciones domsticas de la electrnica de potencia.

Cada uno de los captulos comienza con una introduccin al tema, seguido por eldesarrollo del mismo en diferentes secciones, y concluyendo con un apartadodenominado contenidos principales, que resume los puntos ms relevantes. Al final decada captulo se ofrece una relacin de problemas encaminados a la mayorcomprensin del texto.

11

CAPTULO 2Semiconductores de potencia (I): diodos e

interruptores controlables

2.1 Introduccin

En las aplicaciones de electrnica de potencia, los elementos semiconductores trabajancon niveles muy elevados de tensin y corriente. As, con objeto de reducir al mximola potencia disipada en los semiconductores, stos funcionan a modo de interruptores.

En el anlisis de los convertidores conmutados de potencia se emplearn lascaractersticas ideales de los semiconductores. Esta simplificacin tiene como objetoeliminar la descripcin de detalles en el comportamiento del dispositivo semiconductory centrar el inters en el estudio y comprensin del circuito.

Por ello, este captulo y el siguiente estudian de forma detallada las caractersticas msimportantes de los dispositivos semiconductores de potencia, para dejar en los capitulosrestantes protagonismo al estudio de los convertidores de potencia.

Atendiendo al grado de controlabilidad, los dispositivos semiconductores de potenciapueden dividirse en tres grupos:

Diodos o interruptores no controlables, cuyo encendido y apagado lo realiza elcircuito de potencia, ya que no existe circuito de control. Tiristores o interruptores semicontrolables, que son encendidos por una sealde control y apagados por el circiuto de potencia. Interruptores controlables, donde una seal de control gobierna su encendido yapagado. Entre ellos se encuentran los BJT, MOSFETs y GTO.

12 Cap. Semiconductores de potencia (I): diodos e interruptores controlables

En este captulo se analizarn los diodos de potencia, que son los semiconductores depotencia ms simples. Se estudiarn tambin los interruptores controlables. Lostiristores o interruptores semicontrables se abordarn en detalle en el captulo siguiente.

2.2 Diodos

Los fenmenos que rigen el funcionamiento de los diodos de potencia son los mismosque gobiernan los de pequea seal. La diferencia fundamental entre ambos reside enque el rea de la pastilla del diodo de potencia, as como las intensidades que maneja,son mucho mayores que en el diodo de pequea seal.

El diodo es el dispositivo semiconductor de potencia ms simple. Consiste en una uninPN, y se representa como muestra la figura 2.1.

FIGURA 2.1 Smbolo del diodo.

Las caractersticas elctricas deseables en los diodos de potencia son las siguientes:

Capacidad para soportar gran intensidad con pequea cada de tensin en elestado de conduccin o de polarizacin directa. Capacidad para soportar elevada tensin con una pequea intensidad de fugas enel estado de bloqueo o de polarizacin inversa.

Los semiconductores ms empleados en la fabricacin de diodos son el germanio y elsilicio. El silicio es, actualmente, el de mayor aplicacin. Soporta grandes cadas detensin en bloqueo, as como temperaturas de trabajo muy elevadas (200). El germaniopresenta como principal ventaja una pequea cada de tensin en conduccin (0,5 Vfrente a 1 V en el silicio), pero por contra, su temperatura de trabajo es menor (120) ysoporta menos tensin en bloqueo o inversa.

2.2.1 Tcnicas de construccin y encapsulado de diodos de potencia

Los avances en los dispositivos semiconductores han dado como resultado un altogrado de perfeccin en la construccin de los mismos. Entre las diversas tcnicas deconstruccin de diodos de potencia, las ms importantes son la de difusin y la decrecimiento epitaxial. La primera de ellas es la ms empleada, mientras que la segunda,aunque ms costosa, permite controlar con mayor exactitud el espesor y el grado dedopado.

A K A KP N

iD

vD + -vD

iD

+ -

Sec. Diodos 13

Tcnica de construccin del diodo de potencia: difusin

Para la fabricacin de diodos de potencia por la tcnica de difusin, se parte de uncilindro monocristalino del elemento semiconductor (germanio o silicio) dopado conimpurezas N (boro, por ejemplo). Este cilindro, que debe tener uno o ms centmetrosde dimetro y varios centmetros de largo, se corta en discos cuyo grosor esproporcional a la tensin inversa mxima que se desea alcanzar.

El disco se introduce en un horno con atmsfera inerte, en la que previamente se hainyectado partculas aceptadoras (partculas P). stas se difunden por una de las carasdel disco hasta alcanzar en l una determinada profundidad y concentracin. Porltimo, se realiza otro dopado P muy intenso por la misma cara que el anterior, conobjeto de disminuir la resistencia elctrica de la soldadura al terminal del nodo. Lafigura 2.2 muestra el proceso de difusin.

FIGURA 2.2 Dopado por difusin y concentracin de impurezas.

Tcnica de construccin del diodo de potencia: crecimiento epitaxial

Para la construccin de un diodo de potencia mediante la tcnica de crecimientoepitaxial, se depositan sobre una lmina de cristal de semiconductor puro tomosprocedentes de una fase gaseosa. Esta atmsfera gaseosa puede estar, a su vez,impurificada de particulas. Estas partculas sustituyen a tomos de la red cristalina,concentrndose en el borde del substrato y creando imperfecciones cristalinas. Por ello,generalmente los bordes de las pastillas construidas bajo esta tcnica se encuentranbiscelados, con objeto de evitar zonas dbiles para soportar la tensin inversa.

Encapsulado

El encapsulado de un diodo de potencia debe resolver tres problemas: el aislamiento dela pastilla con respecto a la atmsfera para evitar su deterioro qumico, la conexinelctrica al circuito y la extraccin del calor generado por las prdidas elctricas.

N

P N

P NPP

In

PP

Capa andica

Tras el dopado

Antes del dopado

P

NP

N

InIn

In

Capa catdicaNP


Los dos tipos principales de encapsulados son el de vstago y el pass-preck. El empleode uno u otro depende de la intensidad nominal del diodo.

En el primero de los encapsulados citados, la pastilla se encuentra soldada por su carainferior a una base de cobre a travs de un vstago roscado, que permite fijarla a undisipador metlico que asegura su refrigeracin y su conexin al ctodo. Por la carasuperior, la pastilla se suelda a un terminal de cobre ms pequeo, que le permite suconexin al nodo. La pastilla se cierra hermticamente en atmsfera inerte medianteuna cpsula, bien cermica o bien metlica.

Cuando los diodos son de intensidades superiores a 700 A, se suelen encapsular conplacas planas de cobre a ambos lados de la pastilla. Estas placas se fijan a unosradiadores para mejorar la disipacin de calor. A este tipo de encapsulado se ledenomina pass-preck. Una pastilla con este tipo de encapsulado por ambas caras escapaz de trabajar a un 35% por ciento ms de intendidad que los de vstago, donde slose disipa el calor por el ctodo.

2.2.2 Caractersticas estticas de los diodos de potencia

Las caractersticas estticas hacen referencia al comportamiento del diodo cuando seencuentra en estado bien de bloqueo o bien de conduccin.

Si se aplica una tensin inversa (vDvF el diodo comienza aconducir, y la cada de tensin es muy pequea, del orden de 1 V para los diodos desilicio y de 0.5 V para los de germanio (figura 2.3).

Sec. Diodos 15

FIGURA 2.3 Curva caracterstica de un diodo: (a) real, (b) ideal.

Ntese que en estado de conduccin el diodo no limita la intensidad establecida en elcircuito. Esta intensidad depende de los elementos a los que se conecte el diodo, esto es,del circuito del potencia. Cuanto mayor sea la temperatura de unin, la cada de tensinser menor y, por tanto, la potencia disipada en la pastilla disminuye. Este hecho puedeconsiderarse como una autodefensa del diodo contra el calentamiento. Sin embargo, elefecto resulta contrario para intensidades mucho ms altas que la nominal, dondeaumenta la potencia disipada.

En conduccin, el circuito equivalente puede representarse de forma muy aproximadapor una pila de tensin U0 igual al potencial de unin del semiconductor en cuestin, enserie con una pequea resistencia r igual a la pendiente promedio de la curva vD-iD(figura 2.4).

FIGURA 2.4 Circuito equivalente de un diodo real.

Las prdidas que se originan en el diodo cuando se encuentra en estado de conduccindirecta vienen expresadas por:

iD

iD

vD vDvF

vR

I

Zona de bloqueoinversa

(a) (b)

vD

U0 r

iD + -


(2.1)

En un clculo aproximado, puede sustituirse la tensin ndo-ctodo por la de su circuitoequivalente, por lo que la expresin 2.1 queda como:

(2.2)

donde IDm representa el valor medio de iD, e ID su valor eficaz. Segn la ecuacinanterior, debido a su dependencia con la intensidad media, la potencia disipada est enfuncin de la forma de la onda.

Hasta ahora se ha analizado al diodo teniendo en cuenta sus caractersticas reales. Sinembargo, y como se ha expuesto anteriormente, dada la escasa corriente de fugas quecircula por el diodo cuando est inversamente polarizado en comparacin con lacorriente cuando lo est de forma directa, y el gran voltaje que soporta en polarizacininversa respecto a la pequea cada de tensin en polarizacin directa, la curvacaracterstica vD-iD del diodo puede considerarse ideal, obtenindose la representacindada por la figura 2.3-b.

As, al analizar las topologas de los convertidores de potencia, se puede suponer que eldiodo funciona segn su caracterstica ideal (figura 2.3-b). Sin embargo, en el diseoreal del circuito se debe utilizar su caracterstica real (figura 2.3-a) para estimar, porejemplo, el disipador requerido por el diodo en el circuito.

2.2.3 Caractersticas dinmicas de los diodos de potencia

El encendido de un diodo, o paso de bloqueo a conduccin, es muy rpido encomparacin con otros transitorios que se producen en el circuito de potencia. Al sereste tiempo prcticamente inapreciable, durante el encendido puede considerarse aldiodo como ideal.

Sin embargo, el apagado de un diodo o paso de conduccin a bloqueo no se efecta deforma instantnea. Si un diodo conduce en sentido directo una determinada intensidadI, la zona central de la unin se encuentra saturada de portadores, siendo mayor ladensidad cuanto mayor sea el valor de I. Si a continuacin el circuito exterior fuerza laanulacin de la corriente para llevar al diodo al estado de bloqueo mediante laaplicacin de una tensin inversa, tras el paso por cero de la corriente existir an en launin una cierta cantidad de portadores que cambian el sentido del movimiento yorigina que el diodo conduzca en sentido contrario. Al cabo de un cierto tiempo estacorriente inversa se hace despreciable y el diodo queda completamente apagado. A estetiempo durante el cual circula corriente inversa se le denomina tiempo de recuperacininversa (trr), y a la carga desplazada carga de recuperacin (Qrr). La intensidad de picoalcanzada en sentido inverso se llama intensidad de recuperacin Ir. La figura 2.5 ilustralos conceptos anteriormente definidos.

W 1T--- vD iD td

0

T=

W 1T--- U0 r iD+( ) iD td

0

T U0 IDm r ID+= =

Sec. Diodos 17

FIGURA 2.5 Apagado de un diodo real.

El tiempo de recuperacin inversa de los diodos suele ser del orden de 10 s, y el de losdiodos rpidos oscila entre 0.5 y 2 s.La recuperacin inversa es un fenmeno indeseable que causa en ocasiones problemasen circuitos de alta frecuencia, pudiendo originar un calentamiento excesivo del diodo.Asimismo, la circulacin de intensidad en sentido inverso disminuye la eficacia demuchas operaciones de los circuitos electrnicos de potencia.

No obstante, existen otros muchos circuitos en los que la corriente inversa apenas afectaa su funcionamiento, por lo que el diodo puede considerarse como ideal tambin en elapagado.

2.2.4 Tipos de diodos

Dependiendo de las caractersticas de la aplicacin, pueden emplearse varios tipos dediodos:

Diodos Schottky, que presentan una cada de tensin directa muy baja(tpicamente 0.3 V). La cada de tensin inversa que son capaces de aguantar estambin pequea, y oscila entre los 50 y los 100 V. Diodos de recuperacin rpida. Se utilizan en aplicaciones de alta frecuencias,normalmente en combinacin con otros interruptores controlables, donde seprecisan tiempos pequeos de recuperacin inversa. A niveles de potencia devarios cientos de voltios y varios cientos de amperios, estos diodos presentantiempos de recuperacin inversa de pocos microsegundos. Diodos de frecuencia de lnea. Estos diodos presentan una pequea cada detensin directa. Por ellos pueden circular corrientes de varios kiloamperios, y soncapaces de aguantar tensiones inversas de varios kilovoltios. Como consecuencia,su tiempo de recuperacin inversa es mayor, aunque resulta aceptable paraaplicaciones de frecuencia de lnea (50 60 Hz). Estos diodos pueden conectarseen serie y en paralelo con objeto de satisfacer cualquier especificacin de corrientey tensin.

t

iD

Ir

trr

Qrr


As, en muchas aplicaciones de alta tension, como puede ser el transporte en corrientecontinua, el empleo de un nico diodo resulta insuficiente para bloquear la tensininversa que requiere el circuito. Con objeto de repartir la tensin a bloquear, se empleanvarios diodos conectados en serie.

En otras aplicaciones de alta potencia, un diodo puede no ser capaz de permitir quecircule una cantidad de corriente tan grande como la que se origina. Para aumentar lacapacidad de transporte de estas intensidades tan elevadas, los diodos se conectan enparalelo. A continuacin se muestran las principales caractersticas de funcionamientode los diodos cuando son conectados en serie y en paralelo.

Diodos conectados en serie

La figura 2.6-a muestra un circuito con dos diodos D1 y D2 conectados en serie einversamente polarizados. Al estar conectados en serie, la corriente de fugas is quecircula por ambos diodos es la misma. Si D1 y D2 fuesen exactamente iguales, lastensiones inversas que soportan deberan ser idnticas. Sin embargo, en la prctica noocurre as ya que, por razones de tolerancias en la fabricacin, las curvas caractersticasde ambos diodos difieren ligeramente (figura 2.6-b). Esto origina un reparto desigual dela tensin inversa a bloquear por cada semiconductor.

El reparto desigual de la tensin a bloquear constituye, precisamente, el principalinconveniente de los montajes en serie de diodos. Una solucin a este problemaconsiste en aadir otros elementos al circuito que permitan regular la cantidad detensin a bloquear por los diodos. As, colocando en paralelo con cada diodoresistencias de valores determinados, puede conseguirse igualar los valores de vD1 y devD2. El circuito resultante se muestra en la figura 2.7-a.

FIGURA 2.6 Diodos conectados en serie.

vD1

vD2

isi=

Vs

D1

D2

(a)

i

v

-is

-vD1 -vD2

(b)

Sec. Diodos 19

FIGURA 2.7 Diodos conectados en serie. Circuito modificado.

La corriente is que circula por la pila (figura 2.7-a) se reparte entre la que circula porcada diodo y su resistencia en paralelo. Por tanto:

(2.3)

(2.4)

(2.5)

Si se introducen las expresiones 2.4 y 2.5 en la ecuacin dada por 2.3, se obtiene que:

(2.6)

Como los valores de vD1 y vD2 resultan conocidos e iguales a la mitad de la tensin de lapila, es decir, , si se sustituyen en las curvas v-i de cada diodo (verfigura 2.7-b) se obtienen iS1 e iS2. Una vez introducidos los valores ya conocidos de iS1,iS2, vD1 y vD2 en la ecuacin 2.6 se obtiene la relacin que deben cumplir las resistencias.De esta forma, fijando el valor de una de ellas, por la ecuacin 2.6 se obtiene el de lasegunda.

Si se eligen R1=R2=R, al ser los diodos ligeramente diferentes tambin lo sern lascadas de tensin en los mismos. Por tanto, para calcular vD1 y vD2 se deber resolver elsistema de ecuaciones dado por:

vD1

vD2

Vs

D1

D2

R1

R2

iS1

iS2iS

iR1

iR2(a)

i

v-is1

-v = -vD1 D2

-is2

(b)

iS iS1 iR1+ iS2 iR2+= =

iR1vD1R1-------=

iR2vD2R2-------=

iS1vD1R1-------+ iS2

vD2R2-------+=

vD1 vD2 VS 2= =


(2.7)

Diodos conectados en paralelo

La figura 2.8-a muestra un circuito con dos diodos D1 y D2 conectados paralelo ypolarizados en directa. Este montaje se emplea para aumentar la capacidad detransporte de grandes cantidades de corriente. En el caso ideal en que D1 y D2 fuesenexactamente iguales, la corriente que circula por cada uno de ellos sera idntica. Peroen la prctica no ocurre as, sino que las curvas caractersticas de cada diodo difierenligeramente una de la otra (figura 2.8-b). Esto origina un reparto desigual de laintensidad que circula por cada semiconductor.

FIGURA 2.8 Diodos conectados en paralelo.

Si se aaden resistencias conectadas en serie con cada uno de los diodos, puedeequilibrase el reparto de la intensidad en cada una de las ramas del circuito. De estaforma se logra igualar las intensidades que circulan por los diodos. El montajeresultante se muestra en la figura 2.9.

De la figura 2.9 se extraen las siguientes ecuaciones:

(2.8)

donde:

(2.9)

(2.10)

iS1vD1R

-------+ iS2vD2R

-------+=

vD1 vD2+ VS=

(a)

(b)

vD1vD2 IsD1D2

iS1iS2

i

vv = vD1 D2

is1

is2

vD1 vR1+ vD2 vR2+=

vR1 iS1 R1=

vR2 iS2 R2=

Sec. Interruptores controlables: caractersticas generales 21

Si se introducen las expresiones dadas por 2.9 y 2.10 en 2.8 se obtiene que:

(2.11)

FIGURA 2.9 Circuito resultante.

Como se desea conseguir un igual reparto de intensidades, los valores de is1 y de is2resultan conocidos, esto es, iguales a la mitad de la intensidad Is: .As, si se sustituye este valor en las curvas v-i de cada diodo (figura 2.9-b) se obtienenvD1 y vD2. Una vez introducidos los valores iS1, iS2 , vD1 y vD2 en la ecuacin 2.11 seobtiene la relacin que deben cumplir las resistencias. De esta forma, fijando el valor deuna de ellas, por la ecuacin 2.11 se obtiene el de la segunda.

2.3 Interruptores controlables: caractersticas generales

Existen varios tipos de semiconductores de potencia cuyo encendido y apagado serealiza mediante seales de control. Estos semiconductores, entre los que se encuentranlos BJTs, MOSFETs, GTOs e IGBTs, se denominan interruptores controlables.

Los interruptores controlables no permiten la circulacin de corriente cuando estnapagados, y cuando se encuentran encendidos sta lo hace en un solo sentido.

Un interruptor controlable ideal presenta las siguientes caractersticas:

Bloquea cualquier tensin directa e inversa, arbitrariamente grande, cuando estapagado. Conduce corrientes arbitrariamente grandes con una cada de tensin nula cuandoestn encendidos. Conmuta instantneamente de su estado de encendido al de apagado y viceversacuando se le introduce la seal o seales de control. La potencia necesaria para controlar el interruptor es muy pequea.

vD1 iS1 R1+ vD2 iS2 R2+=

(a)

vD1vD2

VsD1D2

iS1iS2R1R2

iS i

vvD1 vD2

i = is1 s2

(b)

is1 is2 IS 2= =


Los interruptores controlables reales, a diferencia de los ideales, no presentan lascaractersticas anteriores y consumen potencia. Si la potencia que disipan alcanzavalores elevados, puede originar la destruccin por sobrecalentamiento del propiodispositivo y de los componentes a l conectados.

Para estudiar la potencia disipada y los tiempos de conmutacin en un interruptorcontrolable real, considrese el circuito de la figura 2.10, que representa una situacinque aparece con frecuencia en la electrnica de potencia. En este circuito, la corrienteque circula por el interruptor controlable lo hace tambin a travs de una o variasinductancias que mantienen la corriente a un valor prcticamente constante, de ah quese las represente como una fuente de corriente de valor I0. El diodo se considera ideal.

FIGURA 2.10 Circuito para el estudio de un interruptor controlable real.

Cuando el interruptor est abierto, toda la corriente I0 fluye a travs del diodo,apareciendo una cada de tensin en el interruptor de valor Vd. Cuando el interruptor secierra, circula por l toda la corriente I0 y el diodo se encuentra polarizado en inversa.La figura 2.11-a muestra las formas de onda de la intensidad y de la tensin delinterruptor cuando se aplica una seal de control de frecuencia fs=1/Ts. donde Tsrepresenta el periodo.

A continuacin se analizan los distintos intervalos a considerar en la conmutacinperidica del interruptor, esto es:

Conmutacin de apagado a encendido. Interruptor encendido. Conmutacin de encendido a apagado. Interruptor apagado.

Conmutacin de apagado a encendido

Cuando se le aplica al interruptor la seal de control para provocar su encendido, serequiere un pequeo tiempo td(on), denominado tiempo de retraso en el encendido, paraque comience a circular corriente por l. Al cabo de un cierto tiempo tri (tiempo desubida de corriente o current rise time) la corriente por el interruptor ha alcanzado su

+_Vd

vT

iT

I0

D

+_


valor mximo I0, dejando de circular corriente por el diodo al quedar ste polarizado eninversa. As, una vez que la corriente por el interruptor vale I0, comienza a disminuir sucada de tensin hasta un pequeo valor Von. Al tiempo que tarda la tensin en elinterruptor en caer desde Vd hasta Von se le denomina tfv (tiempo de bajada de tensin ovoltaje fall time). Las formas de onda durante el encendido del interruptor quedanrepresentadas en la figura 2.11-a.

FIGURA 2.11 Curvas de intensidad, cada de tensin y potencia instantnea enun interruptor controlable.

El tiempo de encendido viene dado, por tanto, por la suma de td(on), tri y tfv, esto es:

(2.12)

Durante el tiempo tc(on), que incluye el tiempo de subida de corriente tri y el tiempo debajada de tensin tfv, aparecen de forma simultnea corrientes y cadas de tensinapreciables en el interruptor, por lo que la potencia disipada puede alcanzar valoreselevados. As, la energa disipada durante el encendido del interruptor, suponiendolineales la subida de corriente y la bajada de tensin, se calcula como:

(2.13)

ton toffT =1/fs s

Seal decontrol

v , iT TVd Vd

I0

Von

On

Off Offt

ttd(on) tri tfvtc(on)

td(off) trv tfi

tc(off)

W =(V I t )/2c(on) d 0 c(on) W =(V I t )/2c(off) d 0 c(off)

Won

V Id 0

t

p (t)T

(a)

(b)

tencendido td on( ) tri tfv+( )+ td on( ) tc on( )+= =

Wc on( )12--- Vd I0 tc on( )=


Se ha supuesto despreciable la potencia disipada durante el tiempo de retraso td(on). Laenerga Wc(on) se corresponde con el rea rayada en la figura 2.11-b.

Interruptor encendido

Una vez que el interruptor queda totalmente encendido, su cada de tensin vale Von y lacorriente que circula por l es I0. El interruptor permanece en este estado durante untiempo ton, generalmente mucho mayor que los tiempos de conmutacin de encendido yapagado. La energa disipada en este tiempo ton vale:

(2.14)

Conmutacin de encendido a apagado

Desde el momento en que se aplica en el interruptor la seal conveniente para apagarlohasta que la tensin en el interruptor comienza a aumentar, transcurre un tiempodenominado td(off) o tiempo de retraso en el apagado.

Durante un tiempo trv (tiempo de subida de tensin o time rise voltage) la tensin en elinterruptor crece hasta alcanzar su valor mximo de Vd. Una vez que la tensin hallegado a este valor mximo, el diodo entra en polarizacin directa y comienza aconducir. Esto origina la disminucin de la corriente que circula a travs del interruptor,que se hace cero al cabo de un tiempo tfi (tiempo de bajada de corriente o current falltime). As, el tiempo de apagado del interruptor controlable viene dado por:

(2.15)

Durante el tiempo tc(off), que incluye el tiempo de subida de tensin trv y el tiempo debajada de corriente tfi, aparecen tensiones y corrientes apreciables en el interruptor, quepueden originar importantes prdidas. La energa disipada en el apagado delinterruptor, suponiendo lineales la subida de tensin y la bajada de corriente, se calculacomo:

(2.16)

donde se supone despreciable la prdida de energa durante el tiempo de retraso td(off). Laenerga Wc(off) se corresponde con el rea rayada en la figura 2.11-b. Como puedeobservarse, al ser el tiempo de apagado mayor que el de encendido, la energa disipadaser tambin mayor.

Interruptor apagado

La corriente de fugas cuando el interruptor controlable est desactivado es tan pequeaque se puede despreciar. Por ello, cuando el interruptor se encuentra apagado, la energadisipada se considera prcticamente nula.

Won Von Ion ton=

tapagado td off( ) trv tfi+( )+ td off( ) tc off( )+= =

Wc off( )12--- Vd I0 tc off( )=


Una vez analizados los distintos intervalos a que da origen la conmutacin peridica delinterruptor, se muestra en la figura 2.11-b la potencia instantnea pT=vT iT disipada a lolargo del periodo Ts. En ella se observa que los valores mximos de la potenciainstantnea se producen en la conmutacin. Como en cada periodo el interruptor seenciende y se apaga fs veces, la potencia media disipada en las conmutaciones (Ps) secalcula como:

(2.17)

De la ecuacin 2.17 se deduce que la potencia perdida en la conmutacin del interruptorvara linealmente con la frecuencia de la seal de control y con el tiempo deconmutacin. De esta forma, si el tiempo de conmutacin es grande, se requiere unafrecuencia pequea para evitar grandes prdidas de potencia. Asimismo, si el tiempoque dura la conmutacin es pequeo, podr aumentarse la frecuencia de conmutacin.

Otra contribucin a las prdidas de potencia es la que se origina cuando el interruptor seencuentra activado. Esta potencia media vara linealmente con la tensin Von, comoindica la ecuacin siguiente:

(2.18)

Por tanto, para minimizar el valor de Pon se debe procurar que Von sea lo ms pequeoposible. En resumen, la potencia media PT disipada en un interruptor controlable vienedada por la suma de la producida mientras que est en funcionamiento y la debida a lasconmutaciones:

(2.19)

donde, como se apunt con anterioridad, se considera despreciable la potenciaconsumida por el interruptor cuando est desactivado.

As, atendiendo a las consideraciones anteriores, las caractersticas deseables de losinterruptores controlables son las expuestas a continuacin:

Pequea corriente de fugas cuando estn desactivados. Pequea cada de tensin Von cuando estn activados. Tiempos de encendido y apagado cortos, lo cual permitir su empleo afrecuencias altas de conmutacin. Capacidad para bloquear grandes tensiones directas e inversas. Con ello seelimina la necesidad de conectar en serie varios dispositivos que requiere unsistema de control y proteccin ms complejo. Capacidad de conducir corrientes grandes, evitando as tener que disponer devarios dispositivos conectados en paralelo, con los problemas de reparto decorriente que sto supone.

PsWc on( ) Wc off( )+

Ts----------------------------------- 12

--- Vd I0 tc on( ) tc off( )+( )= =

Pon Von I0tonTs-----=

PT Pon Ps+12--- Vd I0 tc on( ) tc off( )+( ) Von I0 tonTs-----+= =


Pequea potencia de control para activar y desactivar el interruptor, lo quesimplifica bastante el circuito de control.

A continuacin se lleva a cabo una pequea introduccin de diferentes interruptorescontrolables empleados en la electrnica de potencia. Entre ellos, se estudian aqu lascaractersticas generales de los BJTs y los MOSFETs, mientras que los GTOs setratarn en el siguiente captulo.

2.4 Transistores bipolares (BJT)

Los transistores bipolares son el resultado de aadir una segunda regin P o N a launin PN de los diodos, dando lugar a transistores PNP o NPN. Estos transistoresconstan de tres terminales denominados colector, emisor y base.

La figura 2.12-a representa el smbolo de un transistor bipolar NPN. Su curvacaracterstica real v-i viene dada por la figura 2.12-b, y representa la tensin colector-emisor vCE frente a la corriente a travs del colector iC para una intensidad de base iBdada.

En estos transistores se distinguen tres regiones de operacin: regin de corte, activa yde saturacin. En la regin de corte, la corriente de base es tan pequea que no permiteel encendido del transistor. En la regin activa, el transistor acta como unamplificador, donde la corriente por la base se amplifica por una ganancia y la tensinvCE entre el colector y el emisor disminuye con la corriente de base. En la regin desaturacin, la corriente de base es tan alta que la tensin entre el colector y el emisor esmuy pequea. Por tanto, debido a que en electrnica de potencia los transistores suelentrabajar a modo de interruptores, esto es, en las regiones de saturacin y corte para losBJT, se emplea generalmente su curva caracterstica ideal que aparece en 2.12-c.

La tensin de saturacin entre los terminales de colector y emisor vCE(sat) en estostransistores se encuentra, generalmente, en el rango de V, por lo que las prdidasde potencia en conduccin son muy pequeas.

Para mantener en funcionamiento un transitor BJT, esto es, para que fluya corriente porel terminal de colector, se requiere un suministro continuo de corriente en la base.Debido a la dependencia de la corriente de colector con la intensidad de entrada o debase, la ganancia de corriente depende fuertemente de la temperatura de la unin.

La ganancia de intensidad en corriente continua de estos transistores hFE vara en elrango de 5 a 10 si el dispositivo es de alta potencia, por lo que a veces se requiere suconexin en Darlington o en triple Darlington para incrementar esta ganancia (verfigura 2.13). Estos montajes, sin embargo, ofrecen ciertas desventajas tales como unaconmutacin ms lenta, adems de una tensin vCE(sat) entre colector y emisor ensaturacin ligeramente ms alta.

1 2

Sec. Transistores bipolares (BJT) 27

Los transistores BJT pueden trabajar con rangos de tensiones por encima de los 1400 V,y con intensidades que alcanzan unos pocos de cientos de amperios.

FIGURA 2.12 Transistor bipolar NPN: (a) smbolo, (b) curva i-v caracterstica, (c)curva ideal.

FIGURA 2.13 Configuraciones Darlington: (a) Darlington, (b) triple Darlington.

2.5 Transistores de efecto de campo (MOSFETs)

La figura 2.12-a muestra el smbolo que representa a un transistor MOSFET de canal n.Su curva caracterstica v-i real queda reflejada en la figura 2.12-b.

iB

B

iCC

vCE

EvBE

+_

+ _

Colector

Base

Emisor

On

Off

iC

vCE

(a)

(b)

(c)

iC

vCE

I

vCE(sat)i =0B

iB1iB2

iB3

iB4

iB5i > i > iBn B1 B0

iB

B

vBE

iC

vCE

E

+

_

+_

iB

B

iC

vBE vCE

E

+

_

+

_

CC

(a)(b)


Estos transistores constan de tres terminales: drenador, puerta y fuente. Como muestrala figura 2.12-b, si la tensin entre los terminales de puerta y fuente vGS es losuficientemente grande, la intensidad a travs del drenador es muy elevada y eldispositivo siempre se encontrar en funcionamiento. Si, por el contrario, la tensin vGSresulta ms pequea que un valor umbral vGS(th), el transistor MOSFET se encontrarapagado. Las caractersticas ideales de este dispositivo operando bajo las doscondiciones descritas, esto es, funcionando como un interruptor, se muestra en la figura2.12-c.

Los transistores MOSFETs requieren para su funcionamiento la aplicacin permanentede una tensin de magnitud apropiada entre sus terminales de puerta y fuente. Por elterminal de puerta no fluye corriente alguna, excepto durante las transiciones entre elencendido y apagado y viceversa, en la que la capacidad de puerta se carga y sedescarga. Estos tiempos de conmutacin son muy cortos, comprendidos en el rango deunas pocas decenas de nanosegundos a unos pocos cientos de nanosegundos,dependiendo del dispositivo.

FIGURA 2.14 Transistor MOSFET de canal n: (a) smbolo, (b) curva v-icaracterstica, (c) curva ideal.

G

D

S

iD

vDS

vGS+ _

+

_

(a)

On

Off

iD

vDS

vGS1

vGS2

vGS3

vGS4v > vGSn GS1

On

Off

iD

vDS

(b)

(c)

Sec. Contenidos principales 29

Las prdidas originadas en la conmutacin de estos dispositivos son muy pequeas,debido a la rapidez con que stas se producen (ecuacin 2.17). Sin embargo, no ocurreas con las prdidas en conduccin.

Los transistores MOSFETs pueden emplearse con voltajes que exceden los 1000 V si lacorriente que circula por ellos es pequea, y con intensidades por encima de los 100 Asi la tensin en tambin pequea. El mximo voltaje entre la puerta y la fuente es de

V, aunque su control puede realizarse con tensiones vGS de 5 V.

Los transistores MOSFETs permiten fcilmente su conexin en paralelo, ya que suresistenia en conduccin posee un coeficiente de temperatura positivo. Esto origina uncalentamiento en el dispositivo que conduce una corriente ms elevada, forzndolo alreparto equitativo de su corriente con otro MOSFETs situado en paralelo.

Los BJTs y los MOSFETs poseen caractersticas que se complementan entre s enmuchos aspectos. As, los BJTs poseen menores prdidas en conduccin, pero poseentiempos de conmutacin mayores, especialmente durante el apagado del dispositivo.Los MOSFETs, sin embargo, pueden encenderse y apagarse ms rpidamente, peroposeen mayores prdidas en conduccin. Adems, la capacidad para bloquear grandestensiones y conducir grandes intensidades es mejor en los BJTs que en los MOSFETs.

2.6 Contenidos principales

1. Los diodos de potencia juegan un papel muy importante en los circuitos deelectrnica de potencia. Actan como interruptores, y son empleados en mltiplesaplicaciones: rectificadores, aislamientos, etc.

2. Los diodos de potencia pueden considerarse como ideales, aunque en la prcticaexisten ciertas limitaciones a esta suposicin. Aunque su estructura consiste, al igualque en los diodos ordinarios, en una unin PN, los diodos de potencia son capaces deconducir mayores intensidades y bloquear mayores tensiones que los de pequeaseal.

3. Pueden distinguirse varios tipos de diodos, entre ellos los diodos Schottky, diodos derecuperacin rpida y diodos de frecuencia de lnea.

4. Para el bloqueo de grandes tensiones inversas suelen emplearse varios diodos depotencia conectados en serie. Si, por el contrario, se desea la circulacin deintensidades muy elevadas, se emplea el montaje en paralelo de varios diodos depotencia. Para provocar un reparto equitativo de la tensin a bloquear por los diodoso de la intensidad a conducir, se aaden otros elementos al circuito tales comoresistencias.

5. En este captulo se han analizado las caractersticas deseables para un interruptorcontrolable, esto es, para aquellos interruptores de potencia en los que el encendido yel apagado de los mismos se realiza mediante seales de control. Tambin se hanpresentado las caractersticas principales de dos de ellos, en concreto de los BJTs yde los MOSFETs, dejando el anlisis de los GTOs para un captulo posterior.

6. En aplicaciones en las que prime la velocidad en la conmutacin del interruptor

20


controlable, se emplean los transistores MOSFETs. Sin embargo, las prdidas enconduccin que originan son mucho mayores que las que se producen en lostransistores bipolares o BJTs y su capacidad para bloquear grandes tensiones yconducir grandes intensidades son tambin menores.

31

CAPTULO 3Semiconductores de potencia (II): tiristores

3.1 Introduccin

Los tiristores son los dispositivos semiconductores de potencia ms antiguos y uno delos ms empleados en la actualidad. En un primer momento se les denomin SCR(Semiconductor Controlled Rectifiers) y surgieron a mediados del siglo XX comoresultado de las investigaciones llevadas a cabo en los laboratorios de investigacin dela General Electric.

Los tiristores se comportan, de forma aproximada, como un diodo rectificador coniniciacin de la conduccin controlada por un tercer terminal denominado puerta.Poseen casi todas las ventajas de los diodos de silicio, como son el funcionamiento atemperaturas muy altas, fiabilidad, robustez, etc. Presentan, adems, una disipacinpequea y, por tanto, un elevado rendimiento, caracterstica fundamental en tododispositivo semiconductor de potencia.

La importancia de los tiristores en los circuitos de electrnica de potencia reside en sucapacidad de bloquear grandes tensiones y conducir grandes corrientes. En este captulose estudia su estructura bsica, formas de funcionamiento y circuitos de proteccin delos tiristores convencionales SCR. Tambin se analizan en detalle diversas variantes delos tiristores, en concreto los denominados GTOs, TRIACs, SCSs y DIACs.

3.2 Estructura bsica de un tiristor de potencia

En un sentido general, recibe el nombre de tiristor cualquier dispositivo con unaestructura PNPN. La figura 3.1 muestra la seccin vertical de un tiristor, as como las

32 Cap. Semiconductores de potencia (II): tiristores

dimensiones del ancho de cada capa alternativa tipo P y tipo N y sus correspondientesdensidades de dopado.

FIGURA 3.1 Seccin vertical de un tiristor.

La capa andica P1 tiene un espesor relativo moderado y est muy dopada en lasuperficie exterior para facilitar el contacto elctrico con el terminal metlico delnodo. La capa de bloqueo N1 es la de mayor espesor y tiene una baja concentracin. Lacapa de control P2 es ms estrecha que las anteriores porque debe permitir fcilmente lallegada a N1 de los electrones emitidos por N2 en el estado de conduccin. La capacatdica N2 es la ms delgada y se encuentra muy dopada para facilitar la emisin deelectrones y el contacto elctrico con el terminal metlico de ctodo.

En lo referente a las dimensiones laterales, los tiristores son de los dispositivossemiconductores ms grandes. As, una oblea de silicio de 10 cm de dimetro puedeemplearse para fabricar un nico tiristor de alta potencia. La figura 3.2 muestra la vistaen planta de dos disposiciones diferentes (layouts) de los terminales de puerta y ctodo.La disposicin con terminal de puerta distribuido se emplea en los tiristores de grandimetro (10 cm), mientras que la disposicin con terminal de puerta localizado en elcentro de la oblea se emplea en tiristores de menor tamao. En general, esta disposicinde los terminales de puerta y ctodo vara de unos tiristores a otros, en funcin de lossiguientes factores:

Dimetro del tiristor. Requerimientos en cuando a di/dt. Velocidad de conmutacin requerida.

N2 +

P2

N1 -

P1+

N2 +

P1

Puerta Ctodo

nodo

J3

J2

J1

1019 cm-3

1017 cm-3

1013- 5 x 1014 cm-3

1019 cm-3

1017 cm-3

1019 cm-3

10 m30-100 m

50-1000 m30-50 m

Sec. Curva caracterstica de un tiristor de potencia 33

FIGURA 3.2 Diferentes disposiciones (layouts) de los terminales de puerta yctodo en un tiristor.

La figura 3.3 muestra el smbolo que representa a un tiristor de potencia. Consta de tresterminales: nodo, ctodo y puerta. El terminal de puerta es el terminal de control. Lossentidos de las corrientes y de las tensiones consideradas como positivas quedanreflejadas de igual forma en la figura 3.3.

FIGURA 3.3 Smbolo de un tiristor de potencia.

Bsicamente, el funcionamiento de un tiristor es el siguiente: con la puerta en circuitoabierto o cortocircuitada al ctodo, el tiristor es capaz de bloquear tensin directa oinversa aplicada a los terminales de nodo y ctodo hasta un cierto valor lmite. Contensin positiva entre nodo y ctodo, el tiristor entra en conduccin si se le aplica a lapuerta un impulso de intensidad adecuada, cayendo la tensin vAK a un valor muypequeo (1 V aproximadamente). Este estado se mantiene an en ausencia de lacorriente de puerta gracias a un proceso interno de regeneracin de portadores. Cuandolas corrientes que circulan por el tiristor disminuyen por debajo de cierto valor el tiristorpasa a estado de bloqueo.

3.3 Curva caracterstica de un tiristor de potencia

La figura 3.4 muestra la curva caracterstica de un tiristor de potencia, que viene dadaen funcin de la corriente iT que circula desde el nodo al ctodo frente a la tensinnodo-ctodo vAK.

CtodoPuerta

rea dectodo

Puerta distribuida

ObleaOblea

Puerta G

nodo A

Ctodo K

vAK+

_

iT

iG

Puerta G

nodo A

Ctodo K

P1

N1

P2

N2

J1: unin andica

J2: unin de control

J3: unin catdica


FIGURA 3.4 Curva caracterstica de un tiristor de potencia.

Como se observa en la figura 3.4, un tiristor en bloqueo inverso (vAK0, se distinguen dosestados o modos de operacin estables separados por uno inestable, que aparece comouna resistencia negativa en la curva vAK-iT. El primer estado estable se corresponde conla zona de bloqueo directo, y se caracteriza por un elevado valor de la tensin nodo-ctodo y una pequea intensidad iT. El segundo estado estable se corresponde con lazona de conduccin, y en l la cada de tensin nodo-ctodo es muy pequea mientrasque la intensidad que lo atraviesa alcanza valores muy elevados. As, en este modo eltiristor puede conducir corrientes de hasta 2000 3000 A con una cada de tensin deslo unos pocos de voltios.

En la curva caracterstica de un tiristor (figura 3.4), es preciso definir ciertos valorescaractersticos de intensidad y tensin. As, la intensidad de mantenimiento IH (holdingcurrent) se define como la mnima corriente que debe circular por el tiristor para que semantenga en estado de conduccin. La tensin correspondiente a esta corriente vH,representa la mnima cada de tensin en estado de conduccin.

En estado de bloqueo directo, se define la tensin de ruptura directa vB0 de un tiristorcomo la tensin a partir de la cual, con una intensidad de puerta nula, el tiristorcomienza a conducir. Si se le aplica una intensidad de puerta al tiristor estando stepolarizado en directa, el tiristor comenzar a conducir con un valor de vAK menor quevB0. Como se observa en la figura 3.4, cuanto mayor sea la intensidad de puerta iG menor

iT

vAK-vRWM

IH

IL

vB0

i =0Gi > 0GZona inestable

Zona de bloqueodirecto (estable)

Zona de conduccin(estable)

Zona de bloqueoinverso

vH

i > i > iG3G2G1

iG3iG2iG1

Sec. Caractersticas de los tiristores 35

ser la tensin vAK necesaria para que el tiristor entre en conduccin y cunto mayor seaesta tensin externa vAK aplicada al tiristor, menor ser la corriente de puerta iG paradispararlo. En el momento en que el tiristor entra en conduccin y para que quedeefectivamente encendido, debe circular por l un corriente mayor que la intensidad deenclavamiento IL (latching current). Una vez que el tiristor ha entrado en conduccin, lacada de tensin en l es muy pequea (en torno a 1 V) y la elevada corriente que loatraviesa depende del circuito exterior.

La diferencia bsica entre los estados estables de conduccin y bloqueo en un tiristor esdebida a la densidad de corriente. As, la intensidad de mantenimiento marca el pasoirreversible del estado de conduccin a bloqueo directo. El paso contrario de bloqueo aconduccin consistir en la creacin de las condiciones necesarias para que la densidadde corriente en algn punto de la pastilla alcance un valor suficiente para que semantenga el proceso regenerativo que garantiza este estado. Esta zona inicial deconduccin se extender inmediatamente a toda la pastilla si el circuito exterior permitela circulacin de intensidad suficiente.

La corriente de puerta que es necesario aplicar para disparar al tiristor no tiene que sercontinua, sino que basta con un pulso de corriente (de duracin mnima) para conseguirque el tiristor entre en conduccin, mantenindose este estado gracias al procesoregenerativo. As, el circuito de control slo consume potencia durante el proceso dedisparo del tiristor y no durante todo el tiempo de conduccin del mismo. Esprecisamente la propiedad de los tiristores de ser encendidos mediante pulsos decorriente de puerta la causa de la amplia difusin en el empleo de estos dispositivos.

El apagado de un tiristor se consigue a travs del circuito exterior, que fuerza a que porel dispositivo circule una corriente menor que la intensidad de mantenimiento IHdurante un tiempo mnimo.

Sin embargo, se han desarrollado algunos diseos especiales de tiristores en los que seutiliza el terminal de puerta para el apagado. Estos tiristores especiales se denominanGTO (Gate Turn Off devices).

3.4 Caractersticas de los tiristores

A continuacin se exponen las caractersticas de los tiristores cuando entre nodo yctodo existe tensin positiva o negativa.

a) Bloqueo directo: vAK > 0.

Si la tensin en el nodo es mayor que la del ctodo, las uniones J1 y J3 se encuentrandirectamente polarizadas (figura 3.3), por lo que la cada de tensin en ellas esprcticamente nula. En cambio, la unin de control J2 se encuentra polarizada eninversa, es decir, toda la tensin vAK aplicada en los terminales del tiristor cae en J2:

(3.1)vAK vJ1 vJ2 vJ3+ + vJ2=


Si en esta situacin de polarizacin directa la tensin vAK en los terminales del tiristorcrece mucho, la cada de tensin en J2 tambin aumentar y podra entrar en ruptura poravalancha, provocando la entrada en conduccin del tiristor.

b)Bloqueo inverso: vAK < 0.

Si la tensin aplicada al nodo es menor que la aplicada al ctodo, la unin de control J2se encuentra directamente polarizada, por lo que su cada de tensin es prcticamentenula. Las uniones J1 y J3 se encuentran inversamente polarizadas, por lo queprcticamente toda la tensin exterior aplicada al tiristor cae en estas uniones, esto es:

(3.2)

La unin catdica o unin J3 se encuentra muy prxima a las zonas ms dopadas, y portanto, con ms portadores que ofrecen una menor resistencia a la conduccin. Sinembargo, la unin andica o unin J1 se encuentra prxima a las regiones menosdopadas con pocos portadores, lo que supondr una mayor resistencia a la conduccin.As, la unin J1 es la que soporta casi toda la tensin inversa exterior aplicada en losterminales de nodo y ctodo del tiristor.

(3.3)

Por tanto, las propiedades del tiristor en bloqueo inverso dependen casi exclusivamentede la unin de nodo J1. De ah que se construyan las capas de nodo (capa P1) y debloqueo (capa N1) de gran espesor y poco dopadas en las proximidades de la unin, conel fin de conferirles una alta resistencia a la conduccin.

3.5 Formas de disparo de un tiristor

Se denomina disparo de un tiristor al paso del estado de bloqueo al de conduccin deforma estable. Ello requiere aumentar la corriente que pasa por el tiristor en estado debloqueo directo. Las cuatro formas de aumentar la intensidad de fugas en el tiristorcuando se encuentra en bloqueo directo dan lugar a cada uno de los procedimientos dedisparo de un tiristor, los cuales se muestran a continuacin:

Disparo por una tensin vAK excesiva. Disparo por impulso de corriente de puerta. Disparo por derivada de tensin. Disparo por luz.

El disparo real de un tiristor est causado muchas veces por la accin combinada de doso ms de los efectos citados y est influenciado por la temperatura de la unin, que si eselevada facilita el disparo debido al enriquecimiento de portadores en las uniones porlos pares generados trmicamente.

vAK vJ1 vJ3+

vAK vJ1

Sec. Formas de disparo de un tiristor 37

3.5.1 Disparo por tensin excesiva

Si la tensin vAK entre nodo y ctodo se acerca al valor de la tensin de ruptura directavB0, parte de los minoritarios que atraviesan la unin de control adquieren la energasuficiente para generar por choque con la red cristalina nuevos pares electrn-huecoque pasan a engrosar la corriente en las zonas de bloqueo y de control. Estos nuevosportadores pueden, a su vez, ocasionar la generacin de otros pares electrn-hueco, queda lugar a un aumento considerable de la corriente de fugas al entrar la unin de controlJ2 en avalancha. Cuando esta corriente de fugas alcanza un valor superior al deenclavamiento, el tiristor entra en estado de conduccin y la tensin nodo-ctodo caerpidamente al desaparecer la zona de carga espacial en la unin de control (figura 3.5).

FIGURA 3.5 Disparo por tensin excesiva.

Esta forma de disparo raramente se emplea para pasar a un tiristor a estado deconduccin de forma intencionada. Sin embargo, s se da de forma accidental o fortuitadebido a sobretensiones anormales en los equipos.

3.5.2 Disparo por impulso de puerta

El procedimiento normalmente empleado para disparar un tiristor consiste en aplicar enla puerta un impulso positivo o entrante de intensidad mediante la conexin de ungenerador adecuado entre la puerta y el ctodo, a la vez que se mantiene una tensinpositiva entre ambos terminales (vAK>0).

La figura 3.6 representa la parte de la pastilla que alberga el rea intermedia entre losterminales de puerta y ctodo.

iT

vAK-vRWM

IH

IL

vB0vH


FIGURA 3.6 Disparo por impulso de puerta: (a) Iniciacin del impulso de puerta,(b) Terminacin del impulso de puerta.

Al iniciarse el impulso de intensidad de puerta iG (figura 3.6-a), una nube de huecos h+parten del terminal de puerta a travs de la capa de control P2 en un recorrido lateralhacia la zona de la unin del ctodo J3. Simultneamente, una nube de electrones seinyecta por la unin de ctodo J3 en la capa de control P2 e inicia su recorrido lateral alencuentro de los huecos. Lo mismo que stos, tienden a acercarse por difusin a la

+

+

_

_

++++

__

___ +

++++

+++

++

--

--

---

--

_

P1 N1 P2 N2Unin de

nodoUnin decontrol

Unin dectodo

Terminal puerta

Terminal ctodo

+_

_ +

++++

+++

++

--

--

---

--P1 N1 P2 N2

Unin denodo

Unin decontrol

Unin dectodo

Terminal puerta

Terminal ctodo_

_

_

_

__

++

++

(J1) (J2) (J3)

(J1) (J2) (J3)

(a)

(b)

E


unin de control J2. Algunos de los electrones son captados por su elevada barrera detensin y se aceleran hacia la capa de bloqueo N1, arrancando pares electrn-hueco porchoque con los tomos de la red cristalina. La velocidad de generacin de los pareseletrn-hueco depende de:

La intensidad de puerta. Cuanto mayor sea la intensidad de puerta, ms huecossern inyectados en la capa de control P2, originando una mayor atraccinelectrosttica que hace que un mayor nmero de electrones cruce la unin dectodo J3 y se generen ms pares electrn-hueco. La tensin vAK aplicada por el circuito exterior. Como la tensin entre nodo yctodo vAK es aproximadamente igual a la cada de tensin en J2, si vAK aumenta lohar la intensidad de campo en la capa de control, por lo que la aceleracin conque los electrones cruzan la capa de control J2 ser mayor, creciendo laprobabilidad de generacin de pares electrn-hueco. La temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura mayor ser la energa de loselectrones para escapar de la red cristalina (mayor movilidad).

Los huecos generados se dirigen hacia la unin de ctodo J3 y a su llegada extraen unanube de electrones por atraccin electrosttica, que a su vez se dirigir en parte a launin de control J2, pudiendo generar nuevos pares electrn-hueco o bien serecombinan en la capa catdica N2. Un proceso anlogo ocurre con los electrones quecruzan la unin de control J2 dirigindose hacia la unin de nodo, y pueden generarms pares electrn-hueco al cruzar J2.

Los huecos generados realizan la misma misin que los huecos inyectados inicialmentepor la puerta, es decir, aumentar la corriente, por lo que se crea un rea local deconduccin en la parte de la pastilla cubierta por el terminal de ctodo y vecina alterminal de puerta. Si la densidad de corriente alcanzada es suficiente, esto es, si se haproducido una generacin importante de pares electrn-hueco, la conduccin semantiene independientemente del impulso de puerta, y el rea de conduccin seextender a toda la pastilla siempre y cuando el circuito exterior permita intensidadsuficiente.

Los portadores inyectados por la corriente de puerta siguen teniendo influencia durantecierto tiempo despus de la anulacin de la intensidad de puerta iG hasta quedesaparecen por recombinacin (figura 3.6-b).

Si el circuito exterior fuerza un crecimiento muy rpido de la intensidad, puede darse elcaso que la densidad de corriente sea muy elevada en un punto aislado y se destruya eltiristor por temperatura excesiva. De ah que el fabricante indique una derivada mximapermitida para la intensidad de nodo al entrar conduccin y que no debesuperarse en la prctica.

Para explicar de forma analtica el funcionamiento de un tiristor cuando se dispara porun impulso de corriente, considrese el modelo de un tiristor representado como dostransistores PNP y NPN conectados como indica la figura 3.7.

E

diA dt( )max


FIGURA 3.7 Representacin del tiristor como dos transistores.

Si la tensin entre nodo y ctodo vAK es lo suficientemente grande, los transistores Q1 yQ2 se encuentran en activa. Si se aplica la ecuacin de Ebers-Moll a ambos transistores, donde ICB0 representa la corriente de fugas entre el colector y labase del transistor con emisor a circuito abierto y cuyo valor es muy pequeo, seobtiene que:

(3.4)

(3.5)

De la figura 3.7, se extrae la expresin de la corriente de nodo como:

(3.6)

donde sustituyendo las expresiones 3.4 y 3.5 se obtiene que:

(3.7)

Si se aplica por el terminal de puerta G una corriente de disparo de valor:

(3.8)

de donde:

(3.9)

e introduciendo la expresin 3.9 en la dada por 3.7 se obtiene que:

(3.10)

P

N

P

N

P

N

A

G

K

Q1

Q2iG

iT=iA

iK

Q1

Q2

(1)

(2)

iA=iE1

iC1

iB1=iC2

iG iB2iE2=iK

A

G

K

(1) y (2): ganancias de corriente.

IC IE ICB0+=

IC1 1 IA ICB01+=IC2 2 IK ICB02+=

IA IC1 IB1+ IC1 IC2+= =

IA 1 IA ICB01 2 IK ICB02+ + +=

IG IK IA=

IK IA IG+=

IA 1 IA ICB01 2 IA 2 IG I+ CB02+ + +=


Despejando el valor de IA de la ecuacin 3.10 queda que:

(3.11)

La ganancia de corriente de cada transistor depende de la corriente del emisor, por loque:

(3.12)

(3.13)

Por tanto, si aumenta la corriente de puerta IG, por la frmula 3.11 aumenta laintensidad IA, que a su vez provoca un aumento de las ganancias 1 y 2 (expresiones3.12 y 3.13), por lo que por la ecuacin 3.11 IA aumenta an ms su valor. Es decir, seproduce una realimentacin positiva o regenerativa. De esta forma, una vez disparadoel tiristor por una pequea corriente de puerta, la corriente se mantiene por un procesode realimentacin positiva sin necesidad de mantener dicha corriente de puerta.

3.5.3 Disparo por derivada de tensin

Si a un tiristor se le aplica un escaln de tensin positivo entre nodo y ctodo con untiempo de subida muy corto del orden de microsegundos ( muy grande), losportadores sufren un pequeo desplazamiento para poder hacer frente a la tensinexterior aplicada. No hay tiempo para que se organicen las distribuciones deconcentracin P y N y adquieran la situacin de bloqueo directo, de forma quepermanecen con el mismo perfil que en el caso de no polarizacin pero desplazadas: lade huecos P hacia la unin catdica J3 y la de electrones N hacia la unin andica J1.Como consecuencia, la unin de control J2 queda vaca de portadores y se ensancha lazona de carga espacial. Aparece en dicha unin una diferencia de potencial elevada quese opone a la tensin exterior, y un campo elctrico que acelera a los minoritarios de lasproximidades. stos atraviesan la unin de control J2 y arrancan por choque con la redcristalina pares electrn-hueco, aumentando la intensidad de fugas. Si la corriente defugas alcanza un valor suficiente como para mantener el proceso regenerativo, el tiristorentrar en conduccin estable y permanecer as aunque el escaln de tensin que lodispar haya pasado. El circuito exterior debe permitir la elevacin de la corriente denodo por encima de la de enclavamiento.

Para producir el disparo de un tiristor por derivada de tensin bastan escalones detensin de un valor final bastante menor que el de la tensin de ruptura por avalancha,con tal de que el tiempo de subida sea lo suficientemente corto. El valor de necesario depende tanto de la tensin final como de la temperatura, siendo menorcunto mayores sean aqullas.

Para explicar de forma analtica el funcionamiento del tiristor ante este tipo de disparo,considrese igualmente el modelo de un tiristor representado como dos transistoresPNP y NPN conectados entre s. Como se observa en la figura 3.8, se han representado

IA2 IG ICB01 ICB02++

1 1 2+( )------------------------------------------------=

1 depende de IA2 depende de IK IA IG+=

dvAK dt

dvAK dt


las capacidades de las uniones, dada la gran importancia que poseen en elfuncionamiento transitorio del dispositivo.

FIGURA 3.8 Representacin del tiristor como dos transistores con suscapacidades en las uniones.

Si el tiristor est en bloqueo directo (vAK>0) las uniones andica y catdica seencuentran directamente polarizadas, en tanto que la unin de control J2 lo estar deforma inversa. Por tanto, prcticamente toda la cada de tensin entre nodo y ctodo lasoporta la unin de control J2. De esta forma, si se aplica al tiristor una tensin entrenodo y ctodo que crezca de forma muy rpida, tambin lo har de igual forma latensin vJ2. Como la expresin de la intensidad iJ2 que circula por la unin de control J2viene dada por:

(3.14)

si es grande, la corriente de fugas iJ2 por la unin de control J2 es tambingrande, por lo que el tiristor entra en conduccin.

Muchos circuitos someten a los tiristores a derivadas de tensin bruscas enfuncionamiento normal y sera indeseable el disparo en estas condiciones. Paraaumentar la inmunidad del tiristor a este fenmeno, muchos fabricantes utilizan unatcnica de construccin consistente en cortocircuitar parcialmente las zonas de controly de ctodo, de forma que parte del exceso de intensidad de fugas provocado por elescaln de tensin se deriva por el cortocircuito y no provoca la inyeccin de electronespor el ctodo. En los tiristores ms pequeos donde la puerta tiene bastante influenciaen toda la pastilla, es aconsejable tambin conectar una resistencia exterior entre lapuerta y el ctodo para derivar parte de la corriente de fugas de la unin de control.

De igual forma, valores de derivadas de tensin muy grandes no slo pueden causar undisparo indeseable del tiristor, sino tambin provocar daos en el mismo. Por ello, el

Q1

Q2

A

G

K

P1

P2

N1

N2

iJ2CJ2

CJ1

CJ3

iJ2dqJ2dt

--------- ddt----- CJ2vJ2( ) vJ2dCJ2dt---------- CJ2

dvJ2dt

---------+= = =

dvJ2 dt

Sec. Tiempos de encendido de un tiristor 43

fabricante define el valor mximo de que el tiristor es capaz de aguantar sinque entre en conduccin.

3.5.4 Disparo por luz

Existe un grupo de tiristores que se activan por pulsos de luz guiados por fibra pticahacia una zona especialmente sensible. A este grupo de tiristores se les denominatiristores activados por luz.

En estos tiristores, si incide luz de una longitud de onda apropiada, aumenta lageneracin de pares electrn-hueco en las uniones, por lo que la corriente de fugas enestado de bloqueo directo alcanza un valor cada vez mayor hasta que origina la entradaen conduccin del tiristor.

Existen dos tipos de tiristores activados por luz: los de alta potencia, que se emplean enaplicaciones de alta tensin tal como es el transporte de energa elctrica en corrientecontinua, y los de baja potencia, que son los utilizados en los circuitos de control.

Un tiristor de potencia activado por luz tiene las siguientes caractersticas:

Aguanta hasta 4 KV de tensin. Permite la circulacin de hasta 3 KA de corriente. La cada de tensin en conduccin es de 2 V aproximadamente. La potencia de disparo por luz es de 5 mW.

3.6 Tiempos de encendido de un tiristor

En un tiristor en bloqueo directo, si se provoca la inicializacin de la conduccin porcualquiera de los mtodos que se han expuesto con anterioridad, la intensidad de nodoaumenta y la tensin entre el nodo y el ctodo disminuye con una velocidad quedepende del propio tiristor y del circuito exterior. Para estudiar el tiempo de encendidoo de disparo de un tiristor se supondr que la conduccin se ha iniciado con un impulsode puerta potente y rpido.

La figura 3.9 muestra las formas de onda de la intensidad iG aplicada a la puerta paraencender el tiristor y de la intensidad iT que circula por l. Como puede apreciarse,desde el momento en que se aplica el impulso de puerta hasta que comienza a subir laintensidad del nodo, transcurre un determinado tiempo, que se conoce como tiempo deretraso td (time delay). As, el tiempo de retraso td se define como el intervalo de tiempoque transcurre desde que circula el 10% de la corriente de puerta hasta que circula el10% de la corriente final del tiristor.

Tras el tiempo td, la corriente por el tiristor comienza a subir. Se denomina tiempo desubida tr (time rise) al tiempo que transcurre desde que circula el 10% de la intensidadpor el tiristor hasta que lo hace el 90% de la misma.

dvAK dt


La suma de los tiempos td y tr se denomina tiempo de disparo del tiristor ton. De estaforma, el tiempo de disparo de un tiristor ton ser el que transcurre desde que circula el10% de la corriente de puerta hasta el instante en que circula el 90% de la corriente finaldel tiristor.

A la hora de disear un circuito de disparo deben tenerse en cuenta las siguientesconsideraciones:

La corriente de puerta al disparar el tiristor debe ser inicialmente grande. De estaforma, la conduccin comenzar en una zona grande de la pastilla disminuyendo ladensidad de corriente. Adems, la potencia de pico disipada ser menor. Una vez que el tiristor ha sido disparado no es necesario que circule corriente porla puerta, debido a que la circulacin de corriente queda asegurada por un procesode regeneracin positiva. Adems, una circulacin continua de intensidad por lapuerta producira un aumento de las prdidas.

FIGURA 3.9 Formas de onda de las intensidades iT e iG.

Mientras que el tiristor est inversamente polarizado no debe circular corrientepor la puerta, ya que aumentara el nmero de portadores y, por tanto, la corrientede fugas, pudiendo destruir al tiristor. El ancho del impulso de corriente de puerta debe ser mayor que el tiemponecesario para que la corriente de nodo alcance el valor de la corriente deenclavamiento. En la prctica, el ancho del pulso de corriente se hace mayor que eltiempo de disparo del tiristor (ton). Ntese que un mayor tiempo de disparo implica

iG

iT

0.9 IT

0.1 IT

t

0.1 IG

IG

IT

td tr

ton

t

Sec. Caractersticas de puerta 45

un mayor tiempo para que la corriente que atraviesa el tiristor alcance el valor deenclavamiento.

3.7 Caractersticas de puerta

El circuito puerta-ctodo de un tiristor equivale al diodo P2N2 en serie con la resistenciadel camino que los portadores deben recorrer lateralmente por la zona de control. Alcontrario de lo que sucede en un diodo normal, la dispersin de la curva vGK-iG de una aotra unidad de un mismo tipo es muy grande, de forma que el fabricante proporcionacurvas lmites dentro de las cuales estar situada la caracterstica real del diodo encuestin. La figura 3.10 muestra una de estas curvas proporcionadas por un fabricante.

Los valores de la tensin vGK y de la intensidad iG que disparan al tiristor no dependenapenas de la tensin nodo-ctodo para valores de sta suficientemente altos, pero svaran mucho con la temperatura, necesitndose mayor tensin o intensidad cuntomenor sea aqulla. Esto es debido a que la alta temperatura es una de las causas degeneracin de pares electrn-hueco.

FIGURA 3.10 Curva de la caracterstica de puerta de un tiristor.

Como el diseo de un circuito de puerta debe asegurar el disparo con un cierto impulsode puerta y garantizar que no se produzca disparo entre los impulsos, el fabricantefacilita para cada tipo de tiristor los valores siguientes (figura 3.10):

Recta de carga

P. mx 100%

P. mx 50%

P. mx20%

Caractersticareal

Caractersticalmite

Caractersticalmite

VGK mx

IG mx iG

vGK

Disparoseguro

Disparoincierto

No disparo

SDmx.I G

CDmn.I G

CDmnV GK

SDmxVGK


VGK mxima SD: es la tensin puerta-ctodo mxima sin disparo del tirisor a unadeterminada temperatura. VGK mnima CD: es la tensin puerta-ctodo mnima con disparo del tiristor a unadeterminada temperatura. IG mxima SD: es la intensidad de puerta mxima sin disparo del tiristor a unadeterminada temperatura. IG mnima CD: es la intensidad mnima de puerta con disparo del tiristor a unadeterminada temperatura.

De esta forma, y como se aprecia en la figura 3.10, estos cuatro parmetrosanteriormente definidos dividen la grfica en tres reas: una superior de disparo seguro,una intermedia de disparo incierto y otra inferior de disparo imposible o de no disparo.

El circuito de disparo puede reducirse a su equivalente Thvenin para determinar larecta de carga sobre la curva caracterstica vGK-iG. La recta de carga debe pasar por lazona de disparo seguro cuando se pretende iniciar la conduccin. Cuando el circuito dedisparo se haya desactivado, la recta de carga debe pasar por la zona de no disparo paraasegurar que el tiristor no entra en conduccin.

Existen unos lmites mximos de tensin puerta-ctodo y de intensidad de puerta queno deben sobrepasarse para evitar el deterioro del tiristor. Asimismo, la potenciaentregada al circuito puerta-ctodo tiene unos lmites que varan con el factor de trabajo(duty ratio) de un tren de pulsos, es decir, con la relacin entre la duracin de unimpulso y el tiempo entre el comienzo de dos impulsos consecutivos, expresada entanto por ciento (figura 3.11). Se supone una repeticin peridica de pulsos iguales.Cuanto mayor sea el factor de trabajo menos potencia mxima podr consumirse en elcircuito de puerta-ctodo. Si la potencia consumida por el circuirto de puerta-ctodo esmuy grande, se alcanza una temperatura muy alta que puede daar al tiristor.

FIGURA 3.11 Factor de trabajo.

3.8 Bloqueo de un tiristor. Tiempo de apagado

Cuando la corriente que circula por un tiristor se hace menor que la corriente demantenimiento IH, el tiristor deja de conducir al no poderse mantener el procesoregenerativo y entra en estado de bloqueo. En este proceso, la puerta no tiene influencia

ab

Factor de trabajo= a/b

Sec. Caractersticas de puerta 47

apreciable, siendo el circuito exterior de potencia el que fuerza la disminucin de laintensidad del nodo, ya sea de forma natural o forzada.

En el bloqueo natural, el circuito de potencia provoca la disminucin de la intensidaden el tiristor a un valor inferior a la de mantenimiento en el transcurso normal defuncionamiento. No hace falta ningn circuito especial para provocar el apagado deltiristor.

En el bloqueo forzado, el circuito de potencia no provoca de forma natural el que laintensidad por el tiristor se haga menor que la de mantenimiento, sino que es obligadamediante componentes especiales. Estos circuitos llamados de conmutacin, estnformados por interruptores controlables, diodos auxiliares, tiristores auxiliares, bobinasy condensadores. En una seccin posterior se tratarn estos circuitos de conmutacincon mayor detalle.

A continuacin se exponen los procesos internos que tienen lugar en un tiristor realcuando se procede a su bloqueo.

En el momento en que el circuito exterior fuerza la anulacin de la corriente paraapagar el tiristor, existe un exceso de portadores en la unin que hace que comience acircular intensidad en sentido inverso (figura 3.13). Esta corriente inversa circula por eltiristor durante un tiempo t1. Al final de este tiempo los portadores son tan escasos queno puede mantenerse esta intensidad inversa, comenzando a disminuir rpidamente alprincipio y lentamente despus, despejando la zona de portadores al final de un tiempodenotado como t2. Al tiempo total durante el cual circula intensidad inversa por eltiristor se le denomina tiempo de recuperacin inversa trr (reverse recovery time), yequivale a la suma de los tiempos t1 y t2. Sin embargo, el apagado de un tiristor requiereun tiempo mayor que trr.

De esta forma, el tiempo de apagado de un tiristor toff es el que tran

Electrónica de Potencia - Ana Pozo & Noemí Jiménez

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