ELECTRNICA DE POTENCIA (Uso Interno)FIEE UNCP - 2015

SEGUNDA UNIDAD:DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE CONVERTIDORES DE POTENCIACOMPETENCIAComprende, analiza y aplica los conceptos, principios y datos tcnicos del fabricante de Dispositivos Semiconductores de Potencia y hace uso de los procedimientos de las ciencias y la tecnologa para simular y obtener valores mediante programas de aplicacin especfica.

CAPTULO 3DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA: Diodos e interruptores no controlables

3.1. IntroduccinEn las aplicaciones de electrnica de potencia, los elementos semiconductores trabajan con niveles muy elevados de tensin y corriente. As, con objeto de reducir al mximo la potencia disipada en los semiconductores, stos funcionan a modo de interruptores. En el anlisis de los convertidores conmutados de potencia se emplearn las caractersticas ideales de los semiconductores y as centrar el inters en el estudio y comprensin del circuito.Por ello, en este captulo y en el siguiente se estudian las caractersticas ms importantes de los dispositivos semiconductores de potencia. Atendiendo al grado de controlabilidad, los dispositivos semiconductores de potencia pueden dividirse en tres grupos: Diodos o interruptores no controlables, cuyo encendido y apagado lo realiza el circuito de potencia, ya que no existe circuito de control. Tiristores o interruptores semicontrolables, que son encendidos por una seal de control y apagados por el circuito de potencia. Interruptores controlables, donde una seal de control gobierna su encendido y apagado. Entre ellos se encuentran los BJTs, MOSFETs, IGBTs y GTOs.

3.2DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA3.2.1EVOLUCIN TECNOLGICADurante la dcada de 1970, los Tiristores (SCRs), los Tiristores Bloqueables por Puerta (GTOs); y los Transistores Bipolares (BJTs) constituan los dispositivos de potencia primordiales, mientras que los Transistores MOSFETs eran todava demasiado recientes para participar en las aplicaciones de potencia. Los SCRs y los BJTs de entonces slo podan conmutar a frecuencias entre 1 y 2KHz.Durante la dcada de 1980 se tuvieron avances de consideracin, tales como reduccin de la resistencia en conmutacin de los transistores MOSFETs, aumento de la tensin y la corriente permitida en los GTOs, desarrollo de los IGBTs, as como el incremento de las prestaciones de los circuitos integrados de potencia y sus aplicaciones. Figura 3.1: Diagrama de bloques de la evolucin histrica de dispositivos semiconductores en los 90.

En la dcada de 1990 los SCRs van quedando relegados a un segundo plano, siendo sustituidos por los GTOs. Se incrementa la frecuencia de conmutacin en dispositivos MOSFETs e IGBTs, mientras que los BJTs son gradualmente reemplazados por los dispositivos de potencia anteriores. Los C.I. (circuitos integrados) de potencia tienen una gran influencia en varias reas de la electrnica de potencia. Para concluir, decir que tecnolgicamente se tiende a fabricar dispositivos con mayores velocidades de conmutacin, con capacidad para bloquear elevadas tensiones, permitir el paso de grandes corrientes y por ltimo, que tengan cada vez, un control ms sencillo y econmico en consumo de potencia.En la figura 3.1 se pueden observar las limitaciones de los distintos dispositivos semiconductores, en cuanto a potencia controlada y frecuencias de conmutacin. Dispositivos que pueden controlar elevadas potencias, como el Tiristor (104 KVA) estn muy limitados por la frecuencia de conmutacin (orden de KHz), en el lado opuesto los MOSFETs pueden conmutar incluso a frecuencias de hasta 103 KHz pero la potencia apenas alcanza los 10 KVA, en la franja intermedia se encuentran los BJTs (300 KVA y 10 KHz), los GTOs permiten una mayor frecuencia de conmutacin que el Tiristor, 1 KHz con control de potencias de unos 2000 KVA, por ltimo los IGBTs parecen ser los ms ideales para aplicaciones que requieran tanto potencias como frecuencias intermedias.Todas estas consideraciones justifican la bsqueda de nuevos dispositivos y la incesante evolucin desde la aparicin de los semiconductores, siempre buscando el estado ideal; poder controlar la mxima cantidad de potencia, pudiendo hacer que los dispositivos conmuten a la ms alta frecuencia con el consiguiente beneficio en rapidez y en eliminacin de ruidos pues interesa conmutar a velocidades superiores a la frecuencia audible (20 kHz).En la figura 3,2 se pueden apreciar algunas de las principales aplicaciones de los distintos semiconductores, a lo largo de su historia, as como las cotas de potencia y frecuencias de conmutacin alcanzadas y su previsible evolucin futura, Destacar la utilizacin de SCRs en centrales de alta potencia; los GTOs para trenes elctricos; mdulos de Transistores, mdulos de MOSFETS, IGBTs y GTOs para sistemas de alimentacin ininterrumpida, control de motores, robtica (frecuencias y potencias medias, altas); MOSFETs para automocin, fuentes conmutadas, reproductores de video y hornos microondas (bajas potencias y frecuencias medias); y por ltimo mdulos de Transistores para electrodomsticos y aire acondicionado (potencias bajas y frecuencias medias).Potencia (VA)

Frecuencia de operacin (Hz)Figura 3.2: Aplicaciones de los dispositivos de potencia (Rashid2004).

Desde los finales de la dcada del 50 en que se desarroll el tiristor, ha habido desarrollos importantes. Hasta 1970, los tiristores se usaban para el control industrial de potencia. Desde entonces se han desarrollado varios tipos de dispositivos semiconductores de potencia que se emplean en la industria moderna. Los semiconductores de potencia se fabrican tpicamente de silicio, aunque en la actualidad se vienen desarrollando la fbrica de dispositivos de carburo de silicio. Estos dispositivos se pueden clasificar en forma general en tres clases:1) Diodos de potencia,2) Transistores y3) Tiristores.

Figura 3.3: Dispositivos semiconductores de potencia

3.2.2.CARACTERSTICAS DE LOS INTERRUPTORESExisten muchos conmutadores de potencia y varan segn la tecnologa actual de los dispositivos semiconductores. Cada uno de ellos tiene sus propias ventajas y desventajas y por tanto son adecuados para aplicaciones especficas. Como poltica de motivacin en el desarrollo de todo dispositivo nuevo es lograr las caractersticas de un dispositivo ideal (segn Rashid2004 Superdispositivo); por tanto, se deben comparar y evaluar las caractersticas de cualquier dispositivo real con referencia a las caractersticas ideales. Las caractersticas prcticas son suministradas por los fabricantes mediante las hojas de datos que describen los parmetros y las capacidades de cada uno de ellos. Los parmetros ms importantes son:1) capacidades de voltaje,2) capacidades de corriente,3) velocidad o frecuencia de interrupcin,4) capacidad de di/dt (amortiguador en serie),5) capacidad de dv/dt (amortiguador shunt o circuito RC),6) prdidas por conmutacin,7) requisitos de activacin de compuerta,8) rea de operacin segura (SOA),9) I2t para proteccin con fusible,10) Temperaturas y11) Resistencia trmica.3.2.3SELECCIN DE LOS INTERRUPTORESLa seleccin de un dispositivo de potencia para una aplicacin especfica no slo depende de sus caractersticas de tensin y corriente, sino tambin de sus caractersticas de conmutacin. As se tienen que, los transistores y los GTO permiten el control de activacin y desactivacin, los SCR proporcionan el control de activacin pero no de desactivacin, y los diodos no proporcionan ninguno de los dos. Las velocidades de conmutacin y prdidas de potencia son parmetros importantes en los circuitos electrnicos de potencia. El transistor BJT es un dispositivo de portadores minoritarios, mientras que el MOSFET es un dispositivo de portadores mayoritarios que no sufre retrasos de almacenamiento de portadores minoritarios, por lo que el MOSFET es ventajoso en cuanto a velocidad de conmutacin.

3.3Diodos E INTERRUPTORES NO CONTROLADOS3.3.1DIODOSSegn Rashid2004, un diodo de potencia es un dispositivo de potencia ms simple que consiste en una unin pn con dos terminales, siendo que la unin pn se forma, en el caso normal, por aleacin, difusin y crecimiento epitaxial. Las tcnicas modernas de control de procesos de difusin y epitaxiales permiten obtener las caractersticas deseadas en el dispositivo. En la figura 3.4 muestra un corte de una unin pn y su smbolo correspondiente.Las caractersticas elctricas deseables en los diodos de potencia son las siguientes: Capacidad para soportar gran intensidad con pequea cada de tensin en el estado de conduccin o de polarizacin directa. Capacidad para soportar elevada tensin con una pequea intensidad de fugas en el estado de bloqueo o de polarizacin inversa. Los semiconductores ms empleados en la fabricacin de diodos son el germanio y el silicio. El silicio es, actualmente, el de mayor aplicacin. Soporta grandes cadas de tensin en bloqueo, as como temperaturas de trabajo muy elevadas (200o). El germanio presenta como principal ventaja una pequea cada de tensin en conduccin (0,5 V frente a 1 V en el silicio), pero por contra, su temperatura de trabajo es menor (120o) y soporta menos tensin en bloqueo o inversa. Figura 3.4: Diodo de unin pn y su smbolo que lo representa.

Figura 3.5: algunos tipos de diodos de potencia.

La corriente de fuga aumenta al subir la capacidad de voltaje y dichas capacidades estn limitadas a 100 V y 300 A. En un diodo de potencia la cada de voltaje directo vara entre 0,5 y 1,2 V. En la figura 3.5 se muestran algunos tipos de diodos de propsito general. La clasificacin moderna de los semiconductores de potencia es la que se muestra en la figura 3.6.

Semiconductoresde potencia

SILICIOCARBURO DE SILICIO

Diodos Transistores TiristoresDiodosTransistores

Diodo deDiodo de Tiristores para Diodo deMOSFETSchottky unin bipolar control de fase Schottky

DiodoNPN Tiristor rpido Diodo IBSEpitaxialPNP PINSimtrica Diodo PINAsimtrica MOSFETInversaDiodo deConduccindoble difu- AmpliacinSin (PIN) de canal N

ConvencionalGTO

S-FETSimtricaAsimtrica Cool-MOSInversa Conduccin

Ampliacin de canal P IGCT

IGBTAsimtricaInversaConduccin

PT NPT Conven-IGBT de cionalde zanjaMCT

Tipo P

BajaAlta Tipo N VC(sat)velocidadMTO

LEYENDA: Dispositivos de poca importancia en el mercado mundial.

Figura 3.6: Clasificacin de semiconductores de potencia (Rashid2004).

3.3.1.1 Tcnicas de construccin y encapsulado de diodos de potencia Los avances en los dispositivos semiconductores han dado como resultado un alto grado de perfeccin en la construccin de los mismos. Entre las diversas tcnicas de construccin de diodos de potencia, las ms importantes son la de difusin y la de crecimiento 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 de dopado.Tcnica de construccin del diodo de potencia: difusin Para la fabricacin de diodos de potencia por la tcnica de difusin, se parte de un cilindro monocristalino del elemento semiconductor (germanio o silicio) dopado con impurezas N (boro, por ejemplo). Este cilindro, que debe tener uno o ms centmetros de dimetro y varios centmetros de largo, se corta en discos cuyo grosor es proporcional a la tensin inversa mxima que se desea alcanzar. El disco se introduce en un horno con atmsfera inerte, en la que previamente se ha inyectado partculas aceptadoras (partculas P). stas se difunden por una de las caras del disco hasta alcanzar en l una determinada profundidad y concentracin. Por ltimo, se realiza otro dopado P muy intenso por la misma cara que el anterior, con objeto de disminuir la resistencia elctrica de la soldadura al terminal del nodo. La figura 3.7 muestra el proceso de difusin.

FIGURA 3.7: Dopado por difusin y concentracin de impurezas.

Tcnica de construccin del diodo de potencia: crecimiento epitaxialPara la construccin de un diodo de potencia mediante la tcnica de crecimiento epitaxial, se depositan sobre una lmina de cristal de semiconductor puro tomos procedentes 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 encuentran biscelados, 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 de la pastilla con respecto a la atmsfera para evitar su deterioro qumico, la conexin elctrica al circuito y la extraccin del calor generado por las prdidas elctricas. Los dos tipos principales de encapsulados son el de vstago y el pass-preck. El empleo de uno u otro depende de la intensidad nominal del diodo. En el primero de los encapsulados citados, la pastilla se encuentra soldada por su cara inferior a una base de cobre a travs de un vstago roscado, que permite fijarla a un disipador metlico que asegura su refrigeracin y su conexin al ctodo. Por la cara superior, la pastilla se suelda a un terminal de cobre ms pequeo, que le permite su conexin al nodo. La pastilla se cierra hermticamente en atmsfera inerte mediante una cpsula, bien cermica o bien metlica. Cuando los diodos son de intensidades superiores a 700 A, se suelen encapsular con placas planas de cobre a ambos lados de la pastilla. Estas placas se fijan a unos radiadores para mejorar la disipacin de calor. A este tipo de encapsulado se le denomina pass-preck. Una pastilla con este tipo de encapsulado por ambas caras es capaz de trabajar a un 35% por ciento ms de intensidad que los de vstago, donde slo se disipa el calor por el ctodo. 3.3.1.2Caractersticas estticas de los diodos de potenciaLas caractersticas estticas hacen referencia al comportamiento del diodo cuando se encuentra en estado de bloqueo o de conduccin. Las caractersticas i-v que se muestran en la figura 3.8 se pueden expresar por medio de la ecuacin del diodo de Schockley, que para el funcionamiento en estado permanente est dado por:(3.1)

El coeficiente de emisin depende del material y de la construccin fsica del diodo. As, para los diodos de germanio se considera un valor de 1. Para los diodos de silicio, el valor terico es de 2.Si se aplica una tensin inversa (vDvF el diodo comienza a conducir, y la cada de tensin es muy pequea, del orden de 1 V para los diodos de silicio y de 0.5 V para los de germanio (figura 3.8).

FIGURA 3.8: Curva caracterstica de un diodo: (a) real, (b) ideal.

Ntese que en estado de conduccin el diodo no limita la intensidad establecida en el circuito. Esta intensidad depende de los elementos a los que se conecte el diodo, esto es, del circuito de potencia. Cuanto mayor sea la temperatura de unin, la cada de tensin ser menor y, por tanto, la potencia disipada en la pastilla disminuye. Este hecho puede considerarse como una autodefensa del diodo contra el calentamiento. Sin embargo, el efecto resulta contrario para intensidades mucho ms altas que la nominal, donde aumenta la potencia disipada.En conduccin, el circuito equivalente puede representarse de forma muy aproximada por una pila de tensin Vo igual al potencial de unin del semiconductor en cuestin, en serie con una pequea resistencia r igual a la pendiente promedio de la curva vD-iD (figura 3.9).

FIGURA 3.9: Circuito equivalente de un diodo real.

Las prdidas que se originan en el diodo cuando se encuentra en estado de conduccin directa vienen expresadas por:(3.2) En un clculo aproximado, puede sustituirse la tensin nodo-ctodo por la de su circuito equivalente, por lo que la expresin 3.2 queda como:(3.3)Donde IDC representa el valor medio de iD, e ID su valor eficaz. Segn la ecuacin anterior, debido a su dependencia con la intensidad media, la potencia disipada est en funcin de la forma de la onda. Hasta ahora se ha analizado al diodo teniendo en cuenta sus caractersticas reales. Sin embargo, y como se ha expuesto anteriormente, dada la escasa corriente de fugas que circula por el diodo cuando est inversamente polarizado en comparacin con la corriente cuando lo est de forma directa, y el gran voltaje que soporta en polarizacin inversa respecto a la pequea cada de tensin en polarizacin directa, la curva caracterstica vD-iD del diodo puede considerarse ideal, obtenindose la representacin dada por la figura 3.8b.As, al analizar las topologas de los convertidores de potencia, se puede suponer que el diodo funciona segn su caracterstica ideal (figura 3.8b). Sin embargo, en el diseo real del circuito se debe utilizar su caracterstica real (figura 3.8a) para estimar, por ejemplo, el disipador requerido por el diodo en el circuito.3.3.1.3Caractersticas dinmicas de los diodos de potenciaEl encendido de un diodo, o paso de bloqueo a conduccin, es muy rpido en comparacin con otros transitorios que se producen en el circuito de potencia. Al ser este tiempo prcticamente inapreciable, durante el encendido puede considerarse al diodo como ideal.Sin embargo, el apagado de un diodo o paso de conduccin a bloqueo no se efecta de forma instantnea. Si un diodo conduce en sentido directo una determinada intensidad I, la zona central de la unin se encuentra saturada de portadores, siendo mayor la densidad cuanto mayor sea el valor de I. Si a continuacin el circuito exterior fuerza la anulacin de la corriente para llevar al diodo al estado de bloqueo mediante la aplicacin de una tensin inversa, tras el paso por cero de la corriente existir an en la unin una cierta cantidad de portadores que cambian el sentido del movimiento y origina que el diodo conduzca en sentido contrario. Al cabo de un cierto tiempo esta corriente inversa se hace despreciable y el diodo queda completamente apagado. A este tiempo durante el cual circula corriente inversa se le denomina tiempo de recuperacin inversa (trr), y a la carga desplazada carga de recuperacin (Qrr). La intensidad de pico alcanzada en sentido inverso se llama intensidad de recuperacin Ir. La figura 3.10 ilustra los conceptos anteriormente definidos.El tiempo de recuperacin inversa de los diodos suele ser del orden de 10 s, y el de los diodos rpidos oscila entre 0.5 y 2 s. La recuperacin inversa es un fenmeno indeseable que causa en ocasiones problemas en circuitos de alta frecuencia, pudiendo originar un calentamiento excesivo del diodo. Asimismo, la circulacin de intensidad en sentido inverso disminuye la eficacia de muchas operaciones de los circuitos electrnicos de potencia. No obstante, existen otros muchos circuitos en los que la corriente inversa apenas afecta a su funcionamiento, por lo que el diodo puede considerarse como ideal tambin en el apagado.

FIGURA 3.10: Apagado de un diodo real.3.3.1.4Tipos de diodosLos diodos de potencia son de tres tipos y son: de propsito general, de alta velocidad y diodos Schottky. Los diodos de propsito general existen en el mercado hasta para 6000 V y 4500 A. Los diodos de alta velocidad existen de hasta 6000 V y 1100 A. El tiempo de recuperacin inversa vara entre 0,1 y 5 s. Los diodos de alta velocidad son importantes para una conmutacin de alta frecuencia de los convertidores de potencia. Los diodos de Schottky tienen bajo voltaje de estado activo o de conduccin y un tiempo de recuperacin muy pequeo y del orden de nanosegundos. Dependiendo de las caractersticas de la aplicacin, pueden emplearse varios tipos de diodos: 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 es tambin 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 se precisan tiempos pequeos de recuperacin inversa. A niveles de potencia de varios cientos de voltios y varios cientos de amperios, estos diodos presentan tiempos de recuperacin inversa de pocos microsegundos. Diodos de frecuencia de lnea. Estos diodos presentan una pequea cada de tensin directa. Por ellos pueden circular corrientes de varios kiloamperios, y son capaces de aguantar tensiones inversas de varios kilovoltios. Como consecuencia, su tiempo de recuperacin inversa es mayor, aunque resulta aceptable para aplicaciones de frecuencia de lnea (60 Hz). Estos diodos pueden conectarse en serie y en paralelo con objeto de satisfacer cualquier especificacin de corriente y tensin.As, en muchas aplicaciones de alta tensin, como puede ser el transporte en corriente continua, el empleo de un nico diodo resulta insuficiente para bloquear la tensin inversa que requiere el circuito. Con objeto de repartir la tensin a bloquear, se emplean varios diodos conectados en serie.En otras aplicaciones de alta potencia, un diodo puede no ser capaz de permitir que circule una cantidad de corriente tan grande como la que se origina. Para aumentar la capacidad de transporte de estas intensidades tan elevadas, los diodos se conectan en paralelo. A continuacin se muestran las principales caractersticas de funcionamiento de los diodos cuando son conectados en serie y en paralelo.Diodos conectados en serie La figura 3.11a muestra un circuito con dos diodos D1 y D2 conectados en serie e inversamente polarizados. Al estar conectados en serie, la corriente de fugas is que circula por ambos diodos es la misma. Si D1 y D2 fuesen exactamente iguales, las tensiones inversas que soportan deberan ser idnticas. Sin embargo, en la prctica no ocurre as ya que, por razones de tolerancias en la fabricacin, las curvas caractersticas de ambos diodos difieren ligeramente (figura 3.11b). Esto origina un reparto desigual de la tensin inversa a bloquear por cada semiconductor.El reparto desigual de la tensin a bloquear constituye, precisamente, el principal inconveniente de los montajes en serie de diodos. Una solucin a este problema consiste en aadir otros elementos al circuito que permitan regular la cantidad de tensin a bloquear por los diodos. As, colocando en paralelo con cada diodo resistencias de valores determinados, puede conseguirse igualar los valores de vD1 y de vD2. El circuito resultante se muestra en la figura 3.12a.

FIGURA 3.11: Diodos conectados en serie.

FIGURA 3.12: Diodos conectados en serie. Circuito modificado.

La corriente is que circula por la pila (figura 3.12a) se reparte entre la que circula por cada diodo y su resistencia en paralelo. Por tanto:(3.4) (3.5) (3.6) Si se introducen las expresiones 2.4 y 2.5 en la ecuacin dada por 2.3, se obtiene que: (3.7) Como los valores de vD1 y vD2 resultan conocidos e iguales a la mitad de la tensin de la pila, es decir, si se sustituyen en las curvas v-i de cada diodo (ver figura 3.12b) se obtienen iS1 e iS2. Una vez introducidos los valores ya conocidos de iS1, iS2, vD1 y vD2 en la ecuacin 3.7 se obtiene la relacin que deben cumplir las resistencias. De esta forma, fijando el valor de una de ellas, por la ecuacin 3.7 se obtiene el de la segunda. Si se eligen R1=R2=R, al ser los diodos ligeramente diferentes tambin lo sern las cadas de tensin en los mismos. Por tanto, para calcular vD1 y vD2 se deber resolver el sistema de ecuaciones dado por: (3.8) Diodos conectados en paraleloLa figura 3.13a muestra un circuito con dos diodos D1 y D2 conectados paralelo y polarizados en directa. Este montaje se emplea para aumentar la capacidad de transporte de grandes cantidades de corriente. En el caso ideal en que D1 y D2 fuesen exactamente iguales, la corriente que circula por cada uno de ellos sera idntica. Pero en la prctica no ocurre as, sino que las curvas caractersticas de cada diodo difieren ligeramente una de la otra (figura 3.13b). Esto origina un reparto desigual de la intensidad que circula por cada semiconductor.

FIGURA 3.13: Diodos conectados en paralelo.

Si se aaden resistencias conectadas en serie con cada uno de los diodos, puede equilibrase el reparto de la intensidad en cada una de las ramas del circuito. De esta forma se logra igualar las intensidades que circulan por los diodos. El montaje resultante se muestra en la figura 3.14 y de donde se extraen las siguientes ecuaciones:(3.9) Donde: (3.10) (3.11) Si se introducen las expresiones dadas por 3.10 y 3.11 en 3.9 se obtiene que: (3.12)

FIGURA 3.14: Circuito resultante.Como se desea conseguir un igual reparto de intensidades, los valores de is1 y de is2 resultan 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 3.14b) se obtienen vD1 y vD2. Una vez introducidos los valores iS1, iS2, vD1 y vD2 en la ecuacin 3.12 se obtiene la relacin que deben cumplir las resistencias. De esta forma, fijando el valor de una de ellas, por la ecuacin 3.12 se obtiene el de la segunda.

CAPTULO 4DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA: Transistores e interruptores controlables

4.1INTRODUCCINEl funcionamiento y utilizacin de los transistores de potencia es idntico al de los transistores normales, teniendo como caractersticas especiales las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar. Existen tres tipos de transistores de potencia: Bipolar. Unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo). IGBT.

ParmetrosMOSBipolar

Impedancia de entrada Alta (1010 ohmios) Media (104 ohmios)

Ganancia en corriente Alta (107) Media (10-100)

Resistencia ON (saturacin) Media / alta Baja

Resistencia OFF (corte) Alta Alta

Voltaje aplicable Alto (1000 V) Alto (1200 V)

Mxima temperatura de operacin Alta (200C) Media (150C)

Frecuencia de trabajo Alta (100-500 Khz) Baja (10-80 Khz)

Costo Alto Medio

Nos interesa que el transistor se parezca, lo ms posible, a un elemento ideal: Pequeas fugas. Alta potencia. Bajos tiempos de respuesta (ton, toff), para conseguir una alta frecuencia de funcionamiento. Alta concentracin de intensidad por unidad de superficie del semiconductor. Que el efecto avalancha se produzca a un valor elevado (VCE mxima elevada). Que no se produzcan puntos calientes (grandes di/dt). Una limitacin importante de todos los dispositivos de potencia y concretamente de los transistores bipolares, es que el paso de bloqueo a conduccin y viceversa no se hace instantneamente, sino que siempre hay un retardo (ton, toff). Las causas fundamentales de estos retardos son las capacidades asociadas a las uniones colector - base y base - emisor y los tiempos de difusin y recombinacin de los portadores.4.1.1Principios bsicos de funcionamientoLa diferencia entre un transistor bipolar y un transistor unipolar o FET es el modo de actuacin sobre el terminal de control. En el transistor bipolar hay que inyectar una corriente de base para regular la corriente de colector, mientras que en el FET el control se hace mediante la aplicacin de una tensin entre puerta y fuente. Esta diferencia viene determinada por la estructura interna de ambos dispositivos, que son substancialmente distintas. Es una caracterstica comn, sin embargo, el hecho de que la potencia que consume el terminal de control (base o puerta) es siempre ms pequea que la potencia manejada en los otros dos terminales. En resumen se destacan tres cosas fundamentales: En un transistor bipolar IB controla la magnitud de IC. En un FET, la tensin VGS controla la corriente ID. En ambos casos, con una potencia pequea puede controlarse otra bastante mayor. 4.1.2Tiempos de conmutacin

Figura 4.1: Esquema de un tiempo de conmutacin.

Cuando el transistor est en saturacin o en corte las prdidas son despreciables. Pero si tenemos en cuenta los efectos de retardo de conmutacin, al cambiar de un estado a otro se produce un pico de potencia disipada, ya que en esos instantes el producto IC x VCE va a tener un valor apreciable, por lo que la potencia media de prdidas en el transistor va a ser mayor. Estas prdidas aumentan con la frecuencia de trabajo, debido a que al aumentar sta, tambin lo hace el nmero de veces que se produce el paso de un estado a otro. Se puede diferenciar entre tiempo de excitacin o encendido (ton) y tiempo de apagado (toff). A su vez, cada uno de estos tiempos se puede dividir en otros dos.Tiempo de retardo (Delay Time, td): Es el tiempo que transcurre desde el instante en que se aplica la seal de entrada en el dispositivo conmutador, hasta que la seal de salida alcanza el 10% de su valor final.Tiempo de subida (Rise time, tr): Tiempo que emplea la seal de salida en evolucionar entre el 10% y el 90% de su valor final.Tiempo de almacenamiento (Storage time, ts): Tiempo que transcurre desde que se quita la excitacin de entrada y el instante en que la seal de salida baja al 90% de su valor final.Tiempo de cada (Fall time, tf): Tiempo que emplea la seal de salida en evolucionar entre el 90% y el 10% de su valor final.Por tanto, se pueden definir las siguientes relaciones:

Es de hacer notar el hecho de que el tiempo de apagado (toff) ser siempre mayor que el tiempo de encendido (ton). Los tiempos de encendido (ton) y apagado (toff) limitan la frecuencia mxima a la cual puede conmutar el transistor:

Otros parmetros importantes

Figura 4.2: Parmetros de en tiempos de conmutacin.Corriente media: es el valor medio de la corriente que puede circular por un terminal (ej. ICAV, corriente media por el colector). Corriente mxima: es la mxima corriente admisible de colector (ICM) o de drenador (IDM). Con este valor se determina la mxima disipacin de potencia del dispositivo. VCBO: tensin entre los terminales colector y base cuando el emisor est en circuito abierto. VEBO: tensin entre los terminales emisor y base con el colector en circuito abierto. Tensin mxima: es la mxima tensin aplicable entre dos terminales del dispositivo (colector y emisor con la base abierta en los bipolares, drenador y fuente en los FET). Estado de saturacin: queda determinado por una cada de tensin prcticamente constante. VCEsat entre colector y emisor en el bipolar y resistencia de conduccin RDSon en el FET. Este valor, junto con el de corriente mxima, determina la potencia mxima de disipacin en saturacin. Relacin corriente de salida - control de entrada: hFE para el transistor bipolar (ganancia esttica de corriente) y gds para el FET (transconductancia en directa).Modos de trabajoExisten cuatro condiciones de polarizacin posibles. Dependiendo del sentido o signo de los voltajes de polarizacin en cada una de las uniones del transistor pueden ser:

Figura 4.3: modos de trabajo de un transistor.

Regin activa directa: Corresponde a una polarizacin directa de la unin emisor - base y a una polarizacin inversa de la unin colector - base. Esta es la regin de operacin normal del transistor para amplificacin. Regin activa inversa: Corresponde a una polarizacin inversa de la unin emisor - base y a una polarizacin directa de la unin colector - base. Esta regin es usada raramente. Regin de corte: Corresponde a una polarizacin inversa de ambas uniones. La operacin en sta regin corresponde a aplicaciones de conmutacin en el modo apagado, pues el transistor acta como un interruptor abierto (IC=0). Regin de saturacin: Corresponde a una polarizacin directa de ambas uniones. La operacin en esta regin corresponde a aplicaciones de conmutacin en el modo encendido, pues el transistor acta como un interruptor cerrado (VCE=0).Avalancha secundaria. Curvas SOA.

Figura 4.4: Zonas de avalancha.

Si se sobrepasa la mxima tensin permitida entre colector y base con el emisor abierto (VCBO), o la tensin mxima permitida entre colector y emisor con la base abierta (VCEO), la unin colector - base polarizada en inverso entra en un proceso de ruptura similar al de cualquier diodo, denominado avalancha primaria. Sin embargo, puede darse un caso de avalancha cuando estemos trabajando con tensiones por debajo de los lmites anteriores debido a la aparicin de puntos calientes (focalizacin de la intensidad de base), que se produce cuando tenemos polarizada la unin base - emisor en directo. En efecto, con dicha polarizacin se crea un campo magntico transversal en la zona de base que reduce el paso de portadores minoritarios a una pequea zona del dispositivo (anillo circular).La densidad de potencia que se concentra en dicha zona es proporcional al grado de polarizacin de la base, a la corriente de colector y a la VCE, y alcanzando cierto valor, se produce en los puntos calientes un fenmeno degenerativo con el consiguiente aumento de las prdidas y de la temperatura. A este fenmeno, con efectos catastrficos en la mayor parte de los casos, se le conoce con el nombre de avalancha secundaria (o tambin segunda ruptura). El efecto que produce la avalancha secundaria sobre las curvas de salida del transistor es producir unos codos bruscos que desvan la curva de la situacin prevista (ver grfica anterior). El transistor puede funcionar por encima de la zona lmite de la avalancha secundaria durante cortos intervalos de tiempo sin que se destruya. Para ello el fabricante suministra unas curvas lmites en la zona activa con los tiempos lmites de trabajo, conocidas como curvas FBSOA.Se pueden ver que existe una curva para corriente continua y una serie de curvas para corriente pulsante, cada una de las cuales es para un ciclo concreto. Todo lo descrito anteriormente se produce para el ton del dispositivo. Durante el toff, con polarizacin inversa de la unin base - emisor se produce la focalizacin de la corriente en el centro de la pastilla de Si, en un rea ms pequea que en polarizacin directa, por lo que la avalancha puede producirse con niveles ms bajos de energa. Los lmites de IC y VCE durante el toff vienen reflejado en las curvas RBSOA dadas por el fabricante.

Figura 4.5: rea de funcionamiento seguro en rgimen continuo y pulsante.

Efecto producido por carga inductiva. Protecciones.Las cargas inductivas someten a los transistores a las condiciones de trabajo ms desfavorables dentro de la zona activa.

Figura 4.6: a) Circuito con carga inductiva. b) Caractersticas de transferencia para el transistor en conmutacin con carga inductiva.

En el diagrama superior se han representado los diferentes puntos idealizados de funcionamiento del transistor en corte y saturacin. Para una carga resistiva, el transistor pasar de corte a saturacin. Para una carga resistiva, el transistor pasar de corte a saturacin por la recta que va desde A hasta C, y de saturacin a corte desde C a A. Sin embargo, con una carga inductiva como en el circuito anterior el transistor pasa a saturacin recorriendo la curva ABC, mientras que el paso a corte lo hace por el tramo CDA. Puede verse que este ltimo paso lo hace despus de una profunda incursin en la zona activa que podra fcilmente sobrepasar el lmite de avalancha secundaria, con valor VCE muy superior al valor de la fuente (Vcc). Para proteger al transistor y evitar su degradacin se utilizan en la prctica varios circuitos, que se muestran a continuacin:

Figura 4.7: Circuitos de proteccin del transistor.

a) Diodo Zner en paralelo con el transistor (la tensin nominal zner ha de ser superior a la tensin de la fuente Vcc). b) Diodo en antiparalelo con la carga RL. c) Red RC polarizada en paralelo con el transistor (red snubber). Las dos primeras limitan la tensin en el transistor durante el paso de saturacin a corte, proporcionando a travs de los diodos un camino para la circulacin de la intensidad inductiva de la carga. En la tercera proteccin, al cortarse el transistor la intensidad inductiva sigue pasando por el diodo y por el condensador CS, el cual tiende a cargarse a una tensin Vcc. Diseando adecuadamente la red RC se consigue que la tensin en el transistor durante la conmutacin sea inferior a la de la fuente, alejndose su funcionamiento de los lmites por disipacin y por avalancha secundaria. Cuando el transistor pasa a saturacin el condensador se descarga a travs de RS. El efecto producido al incorporar la red snubber es la que se puede apreciar en la figura adjunta, donde vemos que con esta red, el paso de saturacin (punto A) a corte (punto B) se produce de forma ms directa y sin alcanzar valores de VCE superiores a la fuente Vcc.

Figura 4.8: Curvas que muestran el comportamiento de los sistemas de proteccin a los transistores.

Para el clculo de CS podemos suponer, despreciando las prdidas, que la energa almacenada en la bobina L antes del bloqueo debe haberse transferido a CS cuando la intensidad de colector se anule. Por tanto:

de donde :

Para calcular el valor de RS hemos de tener en cuenta que el condensador ha de estar descargado totalmente en el siguiente proceso de bloqueo, por lo que la constante de tiempo de RS y CS ha de ser menor (por ejemplo una quinta parte) que el tiempo que permanece en saturacin el transistor:

Clculo de potencias disipadas en conmutacin con carga resistivaLa grfica superior muestra las seales idealizadas de los tiempos de conmutacin (ton y toff) para el caso de una carga resistiva. Supongamos el momento origen en el comienzo del tiempo de subida (tr) de la corriente de colector. En estas condiciones (00).La figura 5.7 representa la parte de la pastilla que alberga el rea intermedia entre los terminales de puerta y ctodo. FIGURA 5.7: 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 5.7a), una nube de huecos h+ parten del terminal de puerta a travs de la capa de control P2 en un recorrido lateral hacia la zona de la unin del ctodo J3. Simultneamente, una nube de electrones se inyecta por la unin de ctodo J3 en la capa de control P2 e inicia su recorrido lateral al encuentro de los huecos. Lo mismo que stos, tienden a acercarse por difusin a la unin de control J2. Algunos de los electrones son captados por su elevada barrera de tensin y se aceleran hacia la capa de bloqueo N1, arrancando pares electrn-hueco por choque con los tomos de la red cristalina. La velocidad de generacin de los pares electrn-hueco depende de: La intensidad de puerta. Cuanto mayor sea la intensidad de puerta, ms huecos sern inyectados en la capa de control P2, originando una mayor atraccin electrosttica que hace que un mayor nmero de electrones cruce la unin de ctodo J3 y se generen ms pares electrn-hueco. La tensin vAK aplicada por el circuito exterior. Como la tensin entre nodo y ctodo vAK es aproximadamente igual a la cada de tensin en J2, si vAK aumenta lo har la intensidad de campo en la capa de control, por lo que la aceleracin con que los electrones cruzan la capa de control J2 ser mayor, creciendo la probabilidad de generacin de pares electrn-hueco. La temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura mayor ser la energa de los electrones para escapar de la red cristalina (mayor movilidad).Los huecos generados se dirigen hacia la unin de ctodo J3 y a su llegada extraen una nube de electrones por atraccin electrosttica, que a su vez se dirigir en parte a la unin de control J2, pudiendo generar nuevos pares electrn-hueco o bien se recombinan en la capa catdica N2. Un proceso anlogo ocurre con los electrones que cruzan la unin de control J2 dirigindose hacia la unin de nodo, y pueden generar ms pares electrn-hueco al cruzar J2. Los huecos generados realizan la misma misin que los huecos inyectados inicialmente por la puerta, es decir, aumentar la corriente, por lo que se crea un rea local de conduccin en la parte de la pastilla cubierta por el terminal de ctodo y vecina al terminal de puerta. Si la densidad de corriente alcanzada es suficiente, esto es, si se ha producido una generacin importante de pares electrn-hueco, la conduccin se mantiene independientemente del impulso de puerta, y el rea de conduccin se extender a toda la pastilla siempre y cuando el circuito exterior permita intensidad suficiente. Los portadores inyectados por la corriente de puerta siguen teniendo influencia durante cierto tiempo despus de la anulacin de la intensidad de puerta iG hasta que desaparecen por recombinacin (figura 5.7b). Si el circuito exterior fuerza un crecimiento muy rpido de la intensidad, puede darse el caso que la densidad de corriente sea muy elevada en un punto aislado y se destruya el tiristor por temperatura excesiva. De ah que el fabricante indique una derivada mxima permitida para la intensidad de nodo al entrar conduccin y que no debe superarse en la prctica. Para explicar de forma analtica el funcionamiento de un tiristor cuando se dispara por un impulso de corriente, considrese el modelo de un tiristor representado como dos transistores PNP y NPN conectados como indica la figura 5.8.

FIGURA 5.8: Representacin del tiristor como dos transistores.Si la tensin entre nodo y ctodo vAK es lo suficientemente grande, los transistores Q1 y Q2 se encuentran en activa. Si se aplica la ecuacin de Ebers-Moll Ic=IE+ICBO a ambos transistores, donde ICB0 representa la corriente de fugas entre el colector y la base del transistor con emisor a circuito abierto y cuyo valor es muy pequeo, se obtiene que: (5.4) (5.5) De la figura 3.7, se extrae la expresin de la corriente de nodo como: (5.6) donde sustituyendo las expresiones 3.4 y 3.5 se obtiene que: (5.7) Si se aplica por el terminal de puerta G una corriente de disparo de valor: (5.8) de donde: (5.9) e introduciendo la expresin 3.9 en la dada por 3.7 se obtiene que: (5.10)

(1) y (2): ganancias de corriente. Despejando el valor de IA de la ecuacin 5.10 queda que: (5.11) La ganancia de corriente de cada transistor depende de la corriente del emisor, por lo que: (5.12) (5.13) Por tanto, si aumenta la corriente de puerta IG, por la frmula 5.11 aumenta la intensidad IA, que a su vez provoca un aumento de las ganancias 1 y 2 (expresiones 5.12 y 5.13), por lo que por la ecuacin 5.11 IA aumenta an ms su valor. Es decir, se produce una realimentacin positiva o regenerativa. De esta forma, una vez disparado el tiristor por una pequea corriente de puerta, la corriente se mantiene por un proceso de realimentacin positiva sin necesidad de mantener dicha corriente de puerta.5.5.3 Disparo por derivada de tensinSi a un tiristor se le aplica un escaln de tensin positivo entre nodo y ctodo con un tiempo de subida muy corto del orden de microsegundos (muy grande), los portadores sufren un pequeo desplazamiento para poder hacer frente a la tensin exterior aplicada. No hay tiempo para que se organicen las distribuciones de concentracin P y N y adquieran la situacin de bloqueo directo, de forma que permanecen con el mismo perfil que en el caso de no polarizacin pero desplazadas: la de 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 la zona de carga espacial. Aparece en dicha unin una diferencia de potencial elevada que se opone a la tensin exterior, y un campo elctrico que acelera a los minoritarios de las proximidades. stos atraviesan la unin de control J2 y arrancan por choque con la red cristalina pares electrn-hueco, aumentando la intensidad de fugas. Si la corriente de fugas alcanza un valor suficiente como para mantener el proceso regenerativo, el tiristor entrar en conduccin estable y permanecer as aunque el escaln de tensin que lo dispar haya pasado. El circuito exterior debe permitir la elevacin de la corriente de nodo por encima de la de enclavamiento. Para producir el disparo de un tiristor por derivada de tensin bastan escalones de tensin 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 menor cuanto 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 transistores PNP y NPN conectados entre s. Como se observa en la figura 5.9, se han representado las capacidades de las uniones, dada la gran importancia que poseen en el funcionamiento transitorio del dispositivo.Si el tiristor est en bloqueo directo (vAK>0) las uniones andica y catdica se encuentran directamente polarizadas, en tanto que la unin de control J2 lo estar de forma inversa. Por tanto, prcticamente toda la cada de tensin entre nodo y ctodo la soporta la unin de control J2. De esta forma, si se aplica al tiristor una tensin entre nodo y ctodo que crezca de forma muy rpida, tambin lo har de igual forma la tensin vJ2. Como la expresin de la intensidad iJ2 que circula por la unin de control J2 viene dada por: (5.14) Si dVJ2/di es grande, la corriente de fugas iJ2 por la unin de control J2 es tambin grande, por lo que el tiristor entra en conduccin.

FIGURA 5.9: Representacin del tiristor como dos transistores con sus capacidades en las uniones.

Muchos circuitos someten a los tiristores a derivadas de tensin bruscas en funcionamiento normal y sera indeseable el disparo en estas condiciones. Para aumentar la inmunidad del tiristor a este fenmeno, muchos fabricantes utilizan una tcnica de construccin consistente en cortocircuitar parcialmente las zonas de control y de ctodo, de forma que parte del exceso de intensidad de fugas provocado por el escaln de tensin se deriva por el cortocircuito y no provoca la inyeccin de electrones por el ctodo. En los tiristores ms pequeos donde la puerta tiene bastante influencia en toda la pastilla, es aconsejable tambin conectar una resistencia exterior entre la puerta 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 un disparo indeseable del tiristor, sino tambin provocar daos en el mismo. Por ello, el fabricante define el valor mximo de que el tiristor es capaz de aguantar sin que entre en conduccin. 5.5.4 Disparo por luz Existe un grupo de tiristores que se activan por pulsos de luz guiados por fibra ptica hacia una zona especialmente sensible. A este grupo de tiristores se les denomina tiristores activados por luz.En estos tiristores, si incide luz de una longitud de onda apropiada, aumenta la generacin de pares electrn-hueco en las uniones, por lo que la corriente de fugas en estado de bloqueo directo alcanza un valor cada vez mayor hasta que origina la entrada en conduccin del tiristor. Existen dos tipos de tiristores activados por luz: los de alta potencia, que se emplean en aplicaciones de alta tensin tal como es el transporte de energa elctrica en corriente continua, 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. 5.6Tiempos de encendido de un tiristor En un tiristor en bloqueo directo, si se provoca la inicializacin de la conduccin por cualquiera de los mtodos que se han expuesto con anterioridad, la intensidad de nodo aumenta y la tensin entre el nodo y el ctodo disminuye con una velocidad que depende del propio tiristor y del circuito exterior. Para estudiar el tiempo de encendido o de disparo de un tiristor se supondr que la conduccin se ha iniciado con un impulso de puerta potente y rpido.La figura 5.10 muestra las formas de onda de la intensidad iG aplicada a la puerta para encender 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 la intensidad del nodo, transcurre un determinado tiempo, que se conoce como tiempo de retraso td (time delay). As, el tiempo de retraso td se define como el intervalo de tiempo que transcurre desde que circula el 10% de la corriente de puerta hasta que circula el 10% de la corriente final del tiristor. Tras el tiempo td, la corriente por el tiristor comienza a subir. Se denomina tiempo de subida tr (time rise) al tiempo que transcurre desde que circula el 10% de la intensidad por el tiristor hasta que lo hace el 90% de la misma.La suma de los tiempos td y tr se denomina tiempo de disparo del tiristor ton. De esta forma, el tiempo de disparo de un tiristor ton ser el que transcurre desde que circula el 10% de la corriente de puerta hasta el instante en que circula el 90% de la corriente final del tiristor. A la hora de disear un circuito de disparo deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones: La corriente de puerta al disparar el tiristor debe ser inicialmente grande. De esta forma, la conduccin comenzar en una zona grande de la pastilla disminuyendo la densidad de corriente. Adems, la potencia de pico disipada ser menor. Una vez que el tiristor ha sido disparado no es necesario que circule corriente por la puerta, debido a que la circulacin de corriente queda asegurada por un proceso de regeneracin positiva. Adems, una circulacin continua de intensidad por la puerta producira un aumento de las prdidas.

FIGURA 5.10: Formas de onda de las intensidades iT e iG. Mientras que el tiristor est inversamente polarizado no debe circular corriente por la puerta, ya que aumentara el nmero de portadores y, por tanto, la corriente de fugas, pudiendo destruir al tiristor. El ancho del impulso de corriente de puerta debe ser mayor que el tiempo necesario para que la corriente de nodo alcance el valor de la corriente de enclavamiento. En la prctica, el ancho del pulso de corriente se hace mayor que el tiempo de disparo del tiristor (ton). Ntese que un mayor tiempo de disparo implica un mayor tiempo para que la corriente que atraviesa el tiristor alcance el valor de enclavamiento. 5.7Caractersticas de puertaEl circuito puerta-ctodo de un tiristor equivale al diodo P2N2 en serie con la resistencia del camino que los portadores deben recorrer lateralmente por la zona de control. Al contrario de lo que sucede en un diodo normal, la dispersin de la curva vGK-iG de una a otra unidad de un mismo tipo es muy grande, de forma que el fabricante proporciona curvas lmites dentro de las cuales estar situada la caracterstica real del diodo en cuestin. La figura 5.11 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 dependen apenas de la tensin nodo-ctodo para valores de sta suficientemente altos, pero s varan mucho con la temperatura, necesitndose mayor tensin o intensidad cuanto menor sea aqulla. Esto es debido a que la alta temperatura es una de las causas de generacin de pares electrn-hueco.Como el diseo de un circuito de puerta debe asegurar el disparo con un cierto impulso de puerta y garantizar que no se produzca disparo entre los impulsos, el fabricante facilita para cada tipo de tiristor los valores siguientes (figura 5.11):

FIGURA 5.11: Curva de la caracterstica de puerta de un tiristor.

VGK mxima SD: es la tensin puerta-ctodo mxima sin disparo del tirisor a una determinada temperatura. VGK mnima CD: es la tensin puerta-ctodo mnima con disparo del tiristor a una determinada temperatura. IG mxima SD: es la intensidad de puerta mxima sin disparo del tiristor a una determinada temperatura. IG mnima CD: es la intensidad mnima de puerta con disparo del tiristor a una determinada temperatura. De esta forma, y como se aprecia en la figura 5.11, estos cuatro parmetros anteriormente 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 la recta de carga sobre la curva caracterstica vGK-iG. La recta de carga debe pasar por la zona de disparo seguro cuando se pretende iniciar la conduccin. Cuando el circuito de disparo se haya desactivado, la recta de carga debe pasar por la zona de no disparo para asegurar que el tiristor no entra en conduccin. Existen unos lmites mximos de tensin puerta-ctodo y de intensidad de puerta que no deben sobrepasarse para evitar el deterioro del tiristor. Asimismo, la potencia entregada 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 un impulso y el tiempo entre el comienzo de dos impulsos consecutivos, expresada en tanto por ciento (figura 5.12). Se supone una repeticin peridica de pulsos iguales. Cuanto mayor sea el factor de trabajo menos potencia mxima podr consumirse en el circuito de puerta-ctodo. Si la potencia consumida por el circuito de puerta-ctodo es muy grande, se alcanza una temperatura muy alta que puede daar al tiristor.

FIGURA 5.12: Factor de trabajo.

5.8Bloqueo de un tiristor. Tiempo de apagadoCuando la corriente que circula por un tiristor se hace menor que la corriente de mantenimiento IH, el tiristor deja de conducir al no poderse mantener el proceso regenerativo y entra en estado de bloqueo. En este proceso, la puerta no tiene influencia apreciable, siendo el circuito exterior de potencia el que fuerza la disminucin de la intensidad del nodo, ya sea de forma natural o forzada. En el bloqueo natural, el circuito de potencia provoca la disminucin de la intensidad en el tiristor a un valor inferior a la de mantenimiento en el transcurso normal de funcionamiento. No hace falta ningn circuito especial para provocar el apagado del tiristor. En el bloqueo forzado, el circuito de potencia no provoca de forma natural el que la intensidad por el tiristor se haga menor que la de mantenimiento, sino que es obligada mediante componentes especiales. Estos circuitos llamados de conmutacin, estn formados por interruptores controlables, diodos auxiliares, tiristores auxiliares, bobinas y condensadores. En una seccin posterior se tratarn estos circuitos de conmutacin con mayor detalle. A continuacin se exponen los procesos internos que tienen lugar en un tiristor real cuando se procede a su bloqueo. En el momento en que el circuito exterior fuerza la anulacin de la corriente para apagar el tiristor, existe un exceso de portadores en la unin que hace que comience a circular intensidad en sentido inverso (figura 5.14). Esta corriente inversa circula por el tiristor durante un tiempo t1. Al final de este tiempo los portadores son tan escasos que no puede mantenerse esta intensidad inversa, comenzando a disminuir rpidamente al principio y lentamente despus, despejando la zona de portadores al final de un tiempo denotado como t2. Al tiempo total durante el cual circula intensidad inversa por el tiristor se le denomina tiempo de recuperacin inversa trr (reverse recovery time), y equivale a la suma de los tiempos t1 y t2. Sin embargo, el apagado de un tiristor requiere un tiempo mayor que trr. De esta forma, el tiempo de apagado de un tiristor toff es el que transcurre desde que la intensidad pasa por cero para hacerse negativa hasta que de nuevo se aplica una tensin positiva vAK. El tiempo mnimo de apagado, denominado tiempo de desactivacin y que se denota como tq, y debe ser proporcionado por el fabricante para cada dispositivo. As, si antes de que transcurra este tiempo se aplica una tensin positiva vAK, aunque haya transcurrido el tiempo trr an existen portadores libres en las uniones que harn entrar al tiristor en conduccin. Por tanto, para que un tiristor quede realmente apagado: Debe transcurrir un tiempo mnimo tq desde que la corriente se anula hasta que de nuevo pueda aplicarse tensin directa. La velocidad de crecimiento dvAK/dt de la tensin directa aplicada debe ser menor que el lmite especificado por el fabricante. Este lmite es de unos 100 V/s en tiristores de baja frecuencia y de varios miles de voltios por microsegundo en los de alta potencia. El tiempo de apagado es menor cuanto mayor es la tensin inversa aplicada, y tanto mayor cuanto mayor es la derivada de tensin positiva al final del mismo. Aumenta con la temperatura debido al aumento de pares electrn-hueco generados trmicamente, as como con la intensidad que circula por el tiristor previa al proceso de bloqueo.5.9Circuitos de conmutacin de tiristores Como se expuso en la seccin anterior, existen circuitos de electrnica de potencia que en el transcurso normal de funcionamiento hace que la intensidad que por l circula se haga menor que la de mantenimiento IH, pasando el tiristor a estado de bloqueo sin necesidad de aadir elementos adicionales. En tales circuitos se dice que el tiristor funciona con bloqueo natural. El circuito de la figura 5.13 constituye un ejemplo.

FIGURA 5.13: Circuito de bloqueo natural.Sin embargo, en otras aplicaciones hacen falta elementos auxiliares en el circuito de potencia para apagar el tiristor, es decir, para conseguir que la intensidad que por l circula se haga menor que la de mantenimiento IH. Este proceso se conoce como bloqueo forzado del tiristor y el circuito auxiliar que lo lleva a cabo recibe el nombre de circuito de conmutacin. En un principio, cualquier combinacin de tiristor + circuito de conmutacin podra sustituirse por un BJT (o un MOSFET), de forma tal que mientras se desee que est en conduccin se mantendra la corriente en la base del BJT (o tensin en la puerta del MOSFET), y cuando se desee su apagado se anulara dicha corriente de base (o dicha tensin de puerta). Sin embargo, estos dispositivos no son capaces de soportar grandes tensiones e intensidades. Por ello, muchos de estos circuitos emplean tiristores, ya que son los semiconductores que ms potencia son capaces de aguantar. Pero los tiristores son a la vez los dispositivos de potencia que ms tiempo de apagado consumen, por lo que no resulta apropiado su empleo cuando la frecuencia de conmutacin es muy elevada. As, por razones de coste, complejidad y prdidas asociadas a los circuitos de conmutacin, en la actualidad los tiristores estn siendo sustituidos por dispositivos tales como los BJTs y los GTOs, cada vez ms sofisticados y con mayor capacidad de soportar altas potencias.

FIGURA 5.14: Apagado de un tiristor real.Un circuito de conmutacin presenta dos funciones principales: Forzar a que la corriente que circula por el tiristor se anule. Asegurar que el tiristor permanezca inversamente polarizado (vAK