El documento describe diferentes dispositivos electrónicos de potencia, incluyendo tiristores. Explica que los tiristores son interruptores de corriente eléctrica controlados que pueden estar en estado conductor o no conductor. También describe cómo los tiristores pueden activarse a través de la aplicación de una corriente o voltaje en la puerta, o térmicamente debido a un aumento en la temperatura. Finalmente, modela el funcionamiento interno de un tiristor usando dos transistores bipolares acoplados.

1. DISPOSITIVOS ELECTRONICOS Prof. Mag. De Pasquale Lorenzo Dispositivos Multicapa IRISTORES Y TRIACS T Comisión: Moreno-Báez

2. Introducción a la Electrónica de Potencia Con visión histórica, el concepto de Electrónica diferenciaba dos ramas: La primera estudiaba el procesamiento de señales eléctricas y los dispositivos asociados y la segunda estaba dedicada al estudio del procesamiento de la potencia eléctrica y los dispositivos asociados. En la Electrónica de señal se varía la caída de tensión que un componente activo crea en un circuito habitualmente alimentado en continua. Esta variación permite, a partir de una información de entrada, obtener otra de salida modificada o amplificada. Lo que interesa es la relación entre las señales de entrada y salida, examinando posteriormente la potencia suministrada por la fuente auxiliar que requiere para su funcionamiento. La función de base es la amplificación y la principal característica es la ganancia .

3. Señal entrada Introducción a la Electrónica de Potencia Señal tratada salida Fuente aux. potencia Potencia entrada Pot. modificada salida Señal de disparo Electrónica de señal Electrónica de potencia

4. En la Electrónica de potencia , el concepto principal es el rendimiento . El elemento de base no puede trabajar en régimen de amplificación pues las pérdidas serían elevadas, es necesario trabajar en régimen de conmutación, siendo el componente de base el semiconductor quien trabaja como interruptor. Este componente trabajando en conmutación deberá cumplir las siguientes características: - Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (conducción). - Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y con pequeña potencia de control. - Ser capaz de soportar altas tensiones cuando está bloqueado y grandes intensidades, con pequeñas caídas de tensión entre sus extremos, cuando está en conducción. - Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro. Introducción a la Electrónica de Potencia

5. Introducción a la Electrónica de Potencia La Electrónica de potencia se desarrolla fundamentalmente a partir del nacimiento del tiristor. A partir de esa fecha los conceptos electrotécnicos se convierten en electrónicos. Se desarrollan entre los años 1965 y 1980 gran cantidad de dispositivos multicapa para el procesamiento de la potencia eléctrica basados en este dispositivo. Cabe agrupar los desarrollos en este sentido en convertidores AC/DC (rectificadores controlados), convertidores DC/AC y AC/AC (inversores), y convertidores DC/DC. A partir de los años 1980 se produce un fuerte incremento de la penetración en el mercado de equipos de potencia debido fundamentalmente a la incorporación por parte de estos de otros nuevos elementos de potencia como el transistor, MOSFET, IGBT, que permiten mayores frecuencias de conmutación y consecuentemente la reducción del tamaño de los equipos. El tiristor sigue ocupando a pesar de todo un lugar preferente para las altas potencias (mayores de 500 KW).

6. Dispositivos Multicapa DISPOSITIVOS ELECTRONICOS DE POTENCIA: Dentro de los dispositivos electrónicos de potencia, podemos citar: los diodos y transistores de potencia, el tiristor, así como otros derivados de éstos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor uniunión o UJT, el transistor uniunión programable o PUT y el diodo Shockley. Existen tiristores de características especiales como los fototiristores, los tiristores de doble puerta y el tiristor bloqueable por puerta (GTO).

7. Dispositivos Multicapa Los tiristores son una familia de dispositivos semiconductores que se utilizan en los circuitos conversores de potencia eléctrica controlada. Compiten en algunas aplicaciones, con los transistores de potencia. Actúan como interruptores de corriente eléctrica, con característica “biestable”, que lo hace pasar de un estado “no conductor”, a un estado “conductor”. En comparación con los transistores, desde el punto de vista de su actuación como interruptor de corriente eléctrica, los tiristores tienen menores perdidas por conducción en estado “encendido” y tienen mayores especificaciones para el manejo de la potencia eléctrica a convertir. Los transistores, en cambio, tienen en general, mejor prestación durante la conmutación, por su mayor velocidad y menor perdida de conmutación. Existen una gran variedad de dispositivos semiconductores denominados “tiristores”, con dos, tres y hasta cuatro terminales externos. TIRISTORES

8. Dispositivos Multicapa TIRISTORES Por ejemplo el tiristor convencional, denominado “SCR” (rectificador controlado de silicio) es el tiristor de mayor interés hoy en día. Fue introducido por primera vez en 1956 por los laboratorios de Bell Telephone y son capaces de controlar hasta 10MW con niveles de corriente de hasta 2000 A a 18000 V. Posee tres terminales, dos de los cuales los emplea para conducir la corriente eléctrica a convertir, y el tercer terminal se lo utiliza para “encender” el dispositivo (pasaje al estado conductor). La operación inversa, o sea el bloqueo de la corriente controlada, solo se logra por acción natural (cruce por cero de la corriente por el cambio de polaridad del voltaje), o por acción forzada de circuitos de conmutación auxiliares. El “GTO” es un tiristor que tiene implementada la función de “encendido y apagado” mediante una compuerta que se le aplican pulsos positivos (para encendido) y pulsos negativos (para apagado), respecto al terminal “cátodo”.

9. Dispositivos Multicapa TIRISTORES Estructura y símbolo: Es un semiconductor sólido de silicio formado por cuatros capas P y N alternativamente, dispuestas como se ve en la siguiente figura donde también se representa su símbolo.

10. Dispositivos Multicapa TIRISTORES

11. Dispositivos Multicapa Principio de funcionamiento Siguiendo el grafico se supone que entre ánodo y cátodo no existe tensión alguna así como entre el electrodo de gobierno, o puerta y el cátodo por lo que existen ciertas zonas desprovistas de cargas, bien definidas, en cada una de las uniones PN, y señaladas como J1, J2, J3.

12. Dispositivos Multicapa Polarización directa Al aplicar una tensión positiva entre ánodo y cátodo se puede observar que la unión J1 y J3 se polariza en directa, y la unión J2 se polariza en inversa. En estas condiciones únicamente circula una corriente muy baja (despreciable) y el dispositivo se encuentra cortado.

13. Dispositivos Multicapa Polarización directa Si aumentamos la tensión ánodo-cátodo (vca), la juntura “J2” entra en ruptura por avalancha (vca = VBO), denominado “voltaje de ruptura directo”. Por el tiristor circulara una gran corriente, solo limitada por la carga conectada al circuito. Se dice que el tiristor entro en estado de “conducción directo o activado”. En esta condición, vca≈1 volt. La corriente se mantendrá circulando, solo si esta supera un valor, denominado “corriente de retención o enganche”(IL)-Latching.

14. Dispositivos Multicapa Curva I-V en polarización directa

15. Dispositivos Multicapa Polarización en inversa Cuando se aplica una tensión negativa en el ánodo respecto al cátodo, J1 y J3 se polarizan inversamente, y J2 se polariza directamente. En esta condición, la junturas J1 y J3, se comportan como dos diodos conectados en serie, soportando una tensión inversa, por lo que circulara una pequeña corriente de fuga entre ánodo y cátodo (corriente inversa). Se dice que en esta condición, el tiristor esta en estado de “bloqueo inverso”, similar a un diodo polarizado inversamente.

16. Dispositivos Multicapa Curva I-V del SCR Polarización en inversa

17. Curva I-V de un SCR

18. Dispositivos Multicapa Activación por Corriente de Compuerta La activación de un tiristor, haciendo vca > VBO, lo puede destruir. En la práctica vca < VBO. y para activarlo, se le aplica un voltaje positivo a la compuerta “G”, respecto al cátodo. Una vez activado, puede quedar en esta condición (por un mecanismo de realimentación interna positiva), siempre y cuando la corriente de ánodo supere el valor de la corriente “mínima de retención o enganche” (ia> iL). Dadas estas condiciones, la tensión de compuerta se puede retirar, sin afectar el ultimo estado “conductor” del tiristor . El tiristor, en el estado conductor, se comporta en forma similar a la de un diodo polarizado directamente y ya no hay control sobre el dispositivo. El estado de bloqueo directo se logra, como dijimos, mediante la conmutación natural de la tensión de alimentación a un valor negativo o mediante circuitos especiales de apagado del tiristor; todos ellos actuando sobre la corriente de ánodo para que su valor se haga menor a la de “mínima de mantenimiento” (ia < iH).

19. Curva I-V de un SCR

20. Dispositivos Multicapa Modelo del tiristor con dos transistores bipolares Consiste en separar su estructura física en dos mitades. La mitad izquierda es un transistor PNP y la mitad derecha NPN, resultando el circuito mostrado en la siguiente figura que normalmente es referido como candado.

21. Dispositivos Multicapa Modelo del tiristor con dos transistores bipolares Aplicando una tensión positiva en el electrodo de puerta, vemos que la corriente pasa a través de la unión J3 polarizada en sentido directo, del cátodo hacia la puerta o electrodo de gobierno, tal como ocurriría en un transistor NPN. Las tres regiones inferiores compuestas por los cristales N2, P2 y N1 se pueden considerar como un transistor NPN en el cual P2 constituye la base; N1 el colector, y N2, el emisor. La corriente electrodo de gobierno-cátodo equivale a la corriente emisor-base de un transistor, y por el efecto transistor parte de la corriente de emisor atraviesa la unión J2 y pasa al colector. El flujo de electrones a través de la unión J2 es causa de que la región de agotamiento se estreche y que , por lo tanto, su resistencia se reduzca.

22. Dispositivos Multicapa Modelo del tiristor con dos transistores bipolares Como consecuencia de todo lo expuesto la proporción de la tensión ánodo-cátodo que aparece en la unión J2 disminuye, lo cual permite que aumente la tensión de las uniones J1 y J3. La polarización directa de J1 aumenta y un cierto número de huecos atraviesa la unión, lo cual se ve representado por la flecha blanca.

23. Dispositivos Multicapa Modelo del tiristor con dos transistores bipolares Las regiones P1, N1 y P2 pueden a su vez ser consideradas como un transistor PNP , por lo que , debido al efecto del transistor normal, algunos de los huecos del emisor P1 fluyen hacia el colector P2 a través de la base N1 (flecha blanca). Este último flujo de huecos a través de la unión J2 hace que su anchura se reduzca aún más y, por consiguiente, aumenta el flujo de electrones en el transistor formado por las regiones N2, P2 y N1. Este efecto acumulativo, iniciado por el impulso positivo aplicado entre electrodo de gobierno y cátodo, continúa rápidamente hasta que la unión J2 desaparece del todo, con lo cual la resistencia efectiva ánodo-cátodo del tiristor se hace muy pequeña y puede circular a través de él una corriente directa de gran intensidad.

24. Dispositivos Multicapa Modelo del tiristor con dos transistores bipolares Cada transistor posee una ganancia de corriente: Q1= α 1 ; Q2= α 2 La corriente I C del colector de un transistor se relaciona con la corriente del emisor I E y la corriente de fuga de la unión colector-base I CBO . I C = α I E + I CBO

25. Dispositivos Multicapa Modelo del tiristor con dos transistores bipolares La ganancia de corriente en base común se define como α ≈ I C /I E . Para el transistor Q1 la corriente de emisor es la corriente anódica I A , y la corriente del colector I C1 se puede determinar con la ecuación: I C1 = α 1I A + I CB01 donde α 1 es la ganancia en corriente e I CB01 es la corriente de fuga para Q1 . De igual modo, para el transistor Q2 , la corriente del colector I C2 es I C2 = α 2I k + I CB02 donde α 2 es la ganancia en corriente e I CB02 es la corriente de fuga para Q2 . Se combinan I C1 e I C2 para obtener I A = I C1 + I C2 = α1 I A + I CB01 + α2 I K + I CB02 Si la corriente de disparo es I G , I K = I A + I G, reemplazando en la ecuación anterior y despejando I A se obtiene I A = α 2I G + I CB01 + I CB02 1 – ( α 1 + α 2 )

26. Dispositivos Multicapa Modelo del tiristor con dos transistores bipolares 1) Si en la ecuación anterior hacemos I G = 0 , es decir no hay activación por compuerta, la corriente de ánodo vale: I A = I CB 0 1 + I CB 0 2 En este caso α1 =α2 ≈ 0 dado que I E e I C ≈ 0 2) Si hacemos I G distinto de 0 o sea tenemos activación por la compuerta del transistor npn (corriente de base entrante) comienza a producirse la realimentación interna positiva , dado que aumenta la corriente de colector de Q2 que a su vez es corriente de base de Q1 y por efecto de amplificación aumenta su corriente de emisor (corriente de ánodo del tiristor); de la misma forma aumenta la corriente de colector de Q1 y esta corriente alimenta nuevamente la base de Q2 y así sucesivamente hasta que ambos transistores pasan a la saturación. En la formula el crecimiento de la corriente de ánodo se nota al aumentar las ganancias de corrientes de los transistores por efecto del aumento de las corrientes de emisor de los transistores .

27. Dispositivos Multicapa Diferentes formas de activar un tiristor Térmica : Si la temperatura de un tiristor es alta, hay aumento en la cantidad de pares e- hueco, que aumenta las corrientes de fuga y estas hacen que aumente α1 y α2. Debido a la acción regenerativa α1+α2 puede tender a la unidad y el tiristor se puede activar. Este tipo de activación puede causar avalancha térmica, y por lo tanto se evita. Luz: Al incidir luz en las uniones del tiristor, aumentan los pares e- hueco y el mismo puede activarse. Los que utilizan este método dejan que la luz incida sobre la oblea de silicio. Alto voltaje: Si el voltaje en sentido directo (A-K) es mayor que el V BO (voltaje de ruptura directo) pasa una corriente de fuga suficiente para iniciar la activación regenerativa. Esta activación se debe evitar porque es destructiva. dv/dt: Si la rapidez de aumento del V AK es alta, la corriente de carga de las uniones capacitivas es suficiente para activar el tiristor. Se debe proteger contra una alta tasa de dv/dt. Corriente de compuerta: Si el tiristor esta polarizado en directa, la inyección de corriente de compuerta al aplicar un voltaje (+) entre la compuerta y el cátodo hace que el tiristor conduzca. Al aumentar la corriente de compuerta disminuye el voltaje de bloqueo en sentido directo.

28. Dispositivos Multicapa Desactivación de un tiristor Un tiristor que esta activo puede desactivarse reduciendo la corriente en sentido directo hasta un valor inferior al de la corriente de retención I H . En todas las técnicas de desactivación la corriente anódica se mantiene inferior a la corriente de retención durante un tiempo suficientemente largo para que todo el exceso de portadores en las 4 capas se recombinen. Los tiristores para activarse necesitan un impulso corto, para desactivarse necesitan circuitos especiales de control.

29. Dispositivos Multicapa Tipos de tiristores Se pueden clasificar en 13 categorías: Tiristores controlados por fase (SCR) Tiristores bidireccionales controlados por fase BCT (Bidirectional Phase-Controlled Thyristor) Tiristores de conmutación rápida Rectificadores controlados de silicio foto activados (LASC) Tiristores de tríodo bidireccional TRIACS (Triode Alternating Current Switch) Tiristores de conducción en sentido inverso RCT (reverse-conducting thyristor) Tiristores apagados (desactivado) por compuerta GTO (Gate Turn-Off) Tiristores controlados por FET ( FET-CTH) Tiristores de apagado por MOS (MTO- Mos Turn-Off) Tiristores de apagado (control) por emisor ETO (Emitter Turn-Off) Tiristores conmutados por compuerta integrada IGCT (Integrated Gate-Commutated Thy) Tiristores controlados por MOS (MCT- Mos Contolled Thyristor) Tiristores de inducción estática (SITH- Static inducction Thyristor)

30. Dispositivos Multicapa Aplicaciones de los diferentes dispositivos

31. Dispositivos Multicapa Grafico comparativo frec-I-V

32. Dispositivos Multicapa Tipos de Encapsulado

33. Dispositivos Multicapa TRIACS El TRIAC (TRIode for Alternative Current) Es un dispositivo semiconductor de característica biestable, con la particularidad que puede conducir corriente controlada en ambos sentidos, con tensiones positivas y negativas, aplicadas a sus terminales principales. La activación, se realiza en forma similar a los SCR, aplicándoles una tensión eléctrica, de determinada polaridad, al terminal de compuerta. Como el triac, puede conducir en ambas direcciones, sus terminales principales, se denominan T2 y T1, en reemplazo del cátodo y ánodo de los dispositivos unidireccionales, como el SCR.

34. Dispositivos Multicapa MODOS DE ENCENDIDO

35. Dispositivos Multicapa TRIACS En la práctica las sensibilidades al disparo son diferentes. En el primer cuadrante se logra activar al triac con menor corriente de compuerta, aplicándole un pulso de tensión positiva. Para el tercer cuadrante la mayor sensibilidad, se logra con un pulso de tensión negativa, en la compuerta. Esencialmente el TRIAC no presenta diferencias de funcionamiento con respecto al SCR. Los regimenes máximos que garantiza el fabricante están determinados por la temperatura máxima de funcionamiento. Los valores de tensión de bloqueo están disponibles hasta 1200 V y corrientes máximas de 300 A. La frecuencia máxima de operación es de 400Hz, con tiempos de conmutación de 200 a 400 μseg. Los TRIAC, tienen aplicaciones en los convertidores de ca a ca (modifican el valor eficaz de la tensión alterna) por el método de control por fase. Cuando trabajan con carga inductiva, debido a que la corriente circula mas allá del cruce por cero de la tensión de alimentación, cuando la corriente se hace finalmente cero, el TRIAC se somete a una dv/dt alta debido a que en ese momento la tensión en sus extremos toman el valor de la tensión externa que en ese momento tiene un valor alto.

36. Dispositivos Multicapa TRIACS Por ello es necesario protegerlo con una red pasiva RC, dado que si no se lo hace, se pierde el control de potencia y el TRIAC se reactiva inmediatamente sin pulso de disparo.

37. Dispositivos Multicapa Bibliografía: Electrónica de Potencia. Muhammad H.Rashid. Prentice Hall. Solid State Electronic Devices. Streetman. Prentice Hall. Artículos de internet ( Introd.Sistemas de Potencia Universidad de Valencia-Universidad Nacional de Rosario-UTN Facultad Regional Santa Fe-Varios) AÑO 2007