GTO IGCT Transparencias

-1-Sistemas Electrónicos de Potencia

GTO-IGCT


Estructura y símbolo del GTO

A

K

G

A

K

G

El modo de operación de un GTO es básicamente el mismo que el

de un tiristor. Las principales diferencias residen en las modificaciones

realizas sobre la estructura de tiristor para conseguir dotarlo de

capacidad de apagado.

Una consecuencia es que no soporta tensión inversa.


iH

Estado

bloqueo

directo

iG=0

VBOiG>0

Conducción

directa

iA

VAKVH

iL

Curvas característica del GTO

Estado de

bloqueo inverso

-30 V

debido a los

cortocircuitos

de ánodo


p n p

n np

A

K

G

IA

IK

IG

IH

Estado

bloqueo

directo

iG=0

BVFiG>0

Conducción

directa

iA

VAK

A

K

G

J2

J3

J1

Ic2

Q1

Q2

Ic1

Ib1

Ib2

IA

IK

Descripción física de funcionamiento del tiristor

p n- p n

P AI

N KI

J1 J2 J3

Ánodo (A) Cátodo (K)

Puerta (G)

Contacto

metálicos

IG

IA IK

Tal y como se ha hecho el análisis con el modelo de dos

transistores, parece siempre posible apagar el dispositivo si se

aplica un valor suficientemente grande de la corriente de puerta.

Como más adelante se justificará, existe un límite para la corriente

máxima de ánodo que si se supera no permite el apagado del GTO,

debido al flujo lateral de la corriente de huecos por debajo de la

región n2 de cátodo, que no se ha considerado en este estudio.

Un estudio más detallado usando un modelo tridimensional de la

estructura de regiones semiconductoras, y parte adicionalmente

de considerar los transistores completamente saturados,

obtiene para :


OFF 2

2

41 o

OFFP

L

W

Representa la longitud de la región p2 desde el centro de las islas hasta la

conexión de puerta.

Representa la longitud de difusión en el semiconductor p2.

2PW

oL

Puntualización sobre el resultado obtenido.


El GTO MECANISMO DE APAGADO

A

K

G

iG

Ic2

1

ib2

iA

iK

2

Ic1

2 1b A GI I I 2 11( )C AI I

22

2

cb

II

2 1 22 1

2 2

(1 )(1 )c Ab A G

I II I I

1 2

2

( 1)A AG

OFF

I II

AOFF

G

I

I

2

1 2( 1)

AOFF

G

I

I

La condición de apagado implica:

Expresando las relaciones entre las corrientes de la

estructura del GTO:

Definiendo

Para 21

─ se requiere disminuir la anchura de la región de base, región P2, y contar con un alto

dopado de la región de emisor, región n2. Esto es lo mismo que para el transistor

bipolar, y son pasos normalmente usados en un tiristor convencional.

1 2 y 1

grandeOFF

A

K

G

iG

ib2

iA

iK

2

Ic1

Q1

Q2

Rshunt

iR


11

1

1

pnp C

AR

E

I

II

I

pnp

1EI

EFECTO DE LOS CORTOCIRCUITOS DE ÁNODO EN EL VALOR DE 1

Para se usan los cortocircuitos de

ánodo

─ Inserción de regiones n+ entre las zonas p+ de

ánodo.

1


R2

R1

R4

R5

R6

L1

L2

L

R7

Q1 Q2

M1

+20V

-10V

10A2A

Circuito

de control

Snubber de

apagado

Circuito de gobierno del GTO

L1

L2

L

Inductancias

parásitas


Conmutación de encendido del GTO


Conmutación de apagado del GTO

Tiempo mínimo de apagado.

─ El GTO no puede nuevamente recibir una orden de encendido hasta

que ha estado apagado durante un cierto tiempo mínimo a causa de la

posibilidad de un pobre reparto de corriente entre todas las islas de

cátodo.

─ La razón es que fácilmente algún exceso de portadores existirá en

algunas islas respecto a otras. Si nuevamente se da la orden de

encendido sin haber respetado el tiempo mínimo de apagado, las islas

con exceso de portadores tenderán a conducir toda la corriente, pudiendo

ocasionar así la destrucción del GTO.

Tiempo mínimo de apagado.

─ El GTO debe ser mantenido en conducción durante un tiempo mínimo

especificado antes de iniciar el apagado.

─ De nuevo la razón es el pobre reparto de corriente entre las islas de

cátodo.

Por otra parte, el diseñador debe tener presente que para que

funcionen correctamente los snubber de apagado y de encendido,

estos también necesitan unos tiempos mínimos de apagado

(snubber de encendido) y de encendido (snubber de apagado).


Consideraciones adicionales sobre la conmutación del GTO

IGCT (10 kV , 6 kA) mostrando su circuito de gobierno y encapsulado

optimizado para que la inductancia de dispersión del camino de la

corriente de puerta sea <5 nH y también que capaz de soportar

pulsos de corriente iguales a la corriente de ánodo (hasta 6kA) con

duraciones de 5 a 10 µs.


El IGCT (Integrated Gate Controlled Thyristor)


ABB: Recent Advancements in IGCT Technologies for High Power

ElectronicsApplications. EPE 2015, Ginebra, Suiza.

Estructura de distintos tipos de GCT incorporando la región n emisor transparente


Conmutación dura del

IGCT

I) II) III)

Gdi

dt

kA3μs

Para conseguir las ventajas de la

conmuntación dura

La inductancia del circuito de gobierno

de puerta tiene que ser inferior a 5 nH

par que no entre en avalancha la unión

p-n de cátodo

A3nH 3 9V

ns

GGG

diL V

dt


Conmutación de apagado del IGCT


ON

OFF

OFF

ON

CS1

CS2

Caso 1

Icarga>0A

Caso 2Icarga<0A

VD1

VD2

IT1

IT1

IT2

IT2

VD1

VD2

tdead tdead

Li

Rs

Dcl IT1

IT2

VD1

VD2

CclVdc

Conmutación rama inversora con IGCTs

Con snubber de encendido y

enclavamiento de sobretensión

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