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Dispositivos electrónicos
de potencia
TIRISTORES
GTO
TRIAC
DIAC
• Los tiristores fueron, durante muchos años, los dispositivos que dominaban la electrónica de potencia
• Son dispositivos bipolares de más de dos uniones
• Por ser bipolares, son lentos, pero capaces de manejar grandes corrientes y tensiones (modulación de la conductividad)
• Los más importantes son:
- El Rectificador Controlado de Silicio (Silicon Controlled Rectifier, SCR), al que se le aplica muchas veces el nombre de Tiristor
- El GTO (Gate Turn-Off thyristor) o Tiristor apagado por puerta
- El TRIAC (Triode AC ) o Triodo para Corriente Alterna
- El DIAC (Diode AC)
• Todos ellos los estudiaremos con menos profundidad que los diodos, los MOSFETs y los IGBTs
Lo
s T
iris
tore
s
Introducción a los Tiristores
Lo
s T
iris
tore
s
La estructura de 3 uniones (4 capas)
E1
B1
C1
E2
B2
C2
• La base de los tiristores es la estructura PNPN
P
N
N
P
P
N
P
N
N
P
Se trata de una estructura realimentada que admite dos
estados estables (es como un “biestable”)
Rg
Vg
Lo
s T
iris
tore
s
R
VCC E1
B1 C1
E2
B2 C2
- + Pol.
inversa
+ - Polarización
directa
Polarización directa + -
La estructura de 4 capas
puede soportar tensión
sin conducir corriente, ya
que una unión queda
polarizada inversamente
La estructura de 3 uniones (4 capas)
R
VCC E1
B1 C1
E2
B2 C2
- +
+ -
+ -
Ahora inyectamos corriente
en la unión B1-E1 desde una
fuente externa Vg
iB1
Ahora circula iB1 = ig
por la unión B1-E1
ig
Lo
s T
iris
tore
s
La estructura de 3 uniones (4 capas)
Rg Vg
R
VCC iB1
• iB1 genera iC1 = b1·iB1
• Pero iC1 = iB2; por tanto:
• iC2 = b2·iB2 = b2·b1·iB1
• La corriente iB1 será ahora:
iB1’ = ig + iC2 = ig + b2·b1·iB1
• Es decir, iB1’ b2·b1·iB1 >> iB1
iC1
iB2
iC2 ig
iB1’
Conclusiones:
- La corriente de base crece hasta saturar a los dos transistores
- Como consecuencia, el dispositivo se comporta como un
cortocircuito
- La corriente ig puede eliminarse y la situación no cambia
b1
b2
- +
Lo
s T
iris
tore
s
R
VCC
La estructura de 3 uniones (4 capas)
+ - 0 V
+ - 0 V
-
+ VCC
iCC = 0 A
R
VCC
+ -
0,7 V
+ - 0,7 V
+ - 0,5 V
iCC VCC/R
0,9 V
+
-
• Por tanto, el mismo circuito puede estar en dos estados,
dependiendo de la “historia” anterior:
- Con la estructura de 4
capas sin conducir - Con la estructura de 4
capas conduciendo
VCC
+
-
Rg
Vg
Lo
s T
iris
tore
s
La estructura de 3 uniones (4 capas)
iCC VCC/R
¿Cómo se puede conseguir que la estructura de 4 capas
conduzca? (I)
- Inyectando corriente en B1
(ya explicado)
0,9 V +
-
R
VCC B1
- Aumentando mucho VCC: las
corrientes inversas de las uniones
base-colector alcanzan valores
suficientes para la saturación
mutua de los transistores
R
VCC
iCC VCC/R
0,9 V +
-
iC1 iC2
Esto sólo ocurre cuando
las b son suficientemente
grandes, lo que se alcanza
cuando las corrientes
inversas también lo son
Lo
s T
iris
tore
s
La estructura de 3 uniones (4 capas)
¿Cómo se puede conseguir que la estructura de 4 capas
conduzca? (II)
- Sometiendo a la estructura a una
fuerte derivada de tensión: la
corriente de carga de la capacidad
parásita colector base pone en
conducción la estructura
iCC VCC/R
0,9 V +
-
iC1 iC2
R
VCC
+
iB2
iB1
- Haciendo incidir radiación
(luz) en la zona B1
iCC VCC/R
iC2
iB2
iB1
0,9 V +
-
R
VCC B1
Luz
Lo
s T
iris
tore
s
El SCR • Es el tiristor “por antonomasia”
• Su símbolo es como el de un diodo con un
terminal más (la puerta)
• Se enciende (dispara) por puerta
• No se puede apagar por puerta
Ánodo
(A)
Cátodo
(K) Puerta
(G)
iA
VAK
+
-
P
N-
N P-
A
K G
Estructura interna
Lo
s T
iris
tore
s
El SCR • Curva característica sin corriente de puerta
-600 V
0
iA [A]
VAK [V]
600 V
Disparo por
sobretensión
ánodo-cátodo
Polarización directa cuando
está ya disparado (como un
diodo en polarización directa)
Polarización inversa
(como un diodo)
Polarización directa a
tensión menor de la
disparo por sobretensión
ánodo-cátodo (como un
diodo en polarización
inversa)
ig = 0 Lo
s T
iris
tore
s
El SCR • Curva característica con corriente de puerta
-600 V
0
iA [A]
VAK [V] 600 V
Polarización directa cuando
está ya disparado (como un
diodo en polarización directa)
ig1 ig2
ig3 ig4
Disparo por
sobretensión
ánodo-cátodo
0 < ig1 < ig2 < ig3 < ig4
Disparo
por puerta
Lo
s T
iris
tore
s
El SCR • Disparo por puerta:
- Es el modo de disparo deseado
0 ig
VGK Unión
fría
Zona de disparo
imposible
Rg
Vg
A
K G
iA
VAK
+
- ig
VGK
+
-
Unión caliente
Límite de disipación
de potencia
En disparo se realiza con poca potencia
(bajos niveles de corriente y tensión)
Vg/Rg
Vg
- Para que se mantenga disparado, la corriente ánodo-cátodo
tiene que ser mayor que el valor llamado “latching current”
Lo
s T
iris
tore
s
El SCR
• Apagado del SCR :
- No se puede hacer por puerta
- Para apagarse, el valor de su corriente ánodo-cátodo
tiene que bajar por debajo de un valor llamado “corriente
de mantenimiento” (holding current)
- Aunque en el pasado los SCRs se usaban en todo tipo de
convertidores, su dificultad para apagarlos los ha relegado
a conversiones con entrada en alterna y a aplicaciones de
altísima potencia
- En aplicaciones de entrada en continua, se usaban
circuitos auxiliares para conseguir el apagado (con
bobinas, condensadores y SRCs auxiliares)
Lo
s T
iris
tore
s
Características de un
ejemplo de SCR
Lo
s T
iris
tore
s
Características de un
ejemplo de SCR
Lo
s T
iris
tore
s
Características de un
ejemplo de SCR
Lo
s T
iris
tore
s
Características de un
ejemplo de SCR
Lo
s T
iris
tore
s
El GTO
• Es un SCR que se puede apagar por puerta
• La corriente de encendido es similar a la de
un SCR
• Se apaga por corriente saliente en puerta,
que llega a ser tan grande como un tercio de la
de ánodo-cátodo
• Su capacidad de soportar tensión directa
cuando no está disparado es alta
• Su capacidad de soportar tensión inversa es
muy limitada (unos 30 V)
• Es un dispositivo lento, pensado para
aplicaciones de muy alta potencia
• La estructura interna es muy compleja
Ánodo
(A)
Cátodo
(K)
Puerta
(G)
Símbolo
Lo
s T
iris
tore
s
El GTO
Estructura interna de un GTO (obtenida del texto "Power Electronics:
Converters, Applications and Design“ de N. Mohan, T. M. Undeland y W.
P. Robbins. Editorial John Wiley and Sons.)
El TRIAC • Es el equivalente a dos SCRs
conectados en antiparalelo
• No se puede apagar por puerta
Lo
s T
iris
tore
s
Símbolo
Terminal 1
(T1)
Puerta
(G)
Terminal 2
(T2)
T1
G
T2
Equivalente Estructura
interna
P
N-
N
P-
T2
T1
N
N
G
El TRIAC L
os T
iris
tore
s
• Curva característica sin corriente de puerta
-600 V
0
iT2 [A]
VT2T1 [V]
600 V
Disparo por
sobretensión
T2-T1
Polarización directa cuando
está ya disparado (como un
diodo en polarización directa)
Polarización inversa: se
comporta como en
polarización directa
Polarización directa a
tensión menor de la
disparo por sobretensión
T2-T1
Lo
s T
iris
tore
s
El TRIAC • Curva característica con corriente de puerta
Disparo
por puerta
ig = 0
ig = 0
ig1 ig2
ig3
Disparo por
sobretensión
T2-T1
Disparo por
sobretensión
T2-T1
ig1 ig2 ig3
-600 V
0
iT2 [A]
VT2T1 [V] 600 V
ig4
ig4
• Las corrientes de
puerta pueden ser
positivas o negativas
• Hay 4 modos posibles:
- Modo I+: VT2T1 > 0 y iG > 0
- Modo I-: VT2T1 > 0 y iG < 0
- Modo III+: VT2T1 < 0 y iG > 0
- Modo III-: VT2T1 < 0 y iG < 0
1
2
3
4
Facilidad
Desaconsejado
Lo
s T
iris
tore
s
• No es un componente de potencia, sino que es un
componente auxiliar para el disparo de TRIACs
• Sólo tiene dos terminales y es simétrico
Curva característica
-30 V
0
iA2 [A]
VA2A1 [V]
30 V
Estructura
interna
P
N
N P
A2
A1
N
El DIAC
A1
iA2
VA2A1
+
-
A2
Símbolo
Cápsula
DO-35
Ejemplo de DIAC