Procesamiento Electrónico de PotenciaLaboratorio de Instrumentación y Control Mejoras en el dI/dt: gate distribuido Además, se utiliza una geometría interdigitada gate-cátodo,

FACULTAD DEINGENIERIAFACULTAD DEINGENIERIA

Universidad Nacional de Mar del PlataFacultad de Ingeniería

Laboratorio de Instrumentación y Control

Procesamiento Electrónico de Potencia

Tiristores - GTO




Tiristores




Características I-V

VRRM , VDRM : tensiones máximas de bloqueoVBO : tensión de rupturaVak(ON): 1-3VIH :corriente de mantenimiento




Dopado




Bloqueo

Vak<0: J1 y J3 en inversa. La capa n-

determina la máxima tensión de bloqueo.Vak>0: J2 en inversa. Nuevamente, la capa n- determina la máxima tensión de bloqueo.




Modelo de funcionamiento




Ecuaciones

( )2 1 2

1 21G CO CO

AI I II α

α α+ +

=− +

VAK >0Como las junturas de los TBJ equivalentes están polarizadas, el transistor está en zona activa.Pueden utilizarse las ecuaciones de Ebers-Molls:

Ci i Ei COiI I Iα= − +

α: factor de transporte de base (Ic/Ie)ICO: corriente de fuga de colector.




Encendido




Proceso de apagadoIA<IH, Vak<0.Si IG<0:




Conmutación en el encendido

td(ON): retardo en el encendido.tr (rise time): tiempo de crecimiento.tps (plasma spreading time).




Limitación de dI/dt




Pulso de gate

Clave: incrementar el área efectiva de conducción del cátodo en el encendido.Corriente elevada de gatedurante td(ON) + tr




Mejoras en el dI/dt: pilot thyristor

Para no elevar los requerimientos de corriente sobre el circuito de driver, se agrega un tiristor auxiliar integrado en la misma pastilla que el tiristor principal.




Mejoras en el dI/dt: gate distribuido

Además, se utiliza una geometría interdigitada gate-cátodo, con el gatedistribuido.Hay varias secciones donde el gate y el cátodo se entremezclan, lo cual hace que la sección gate-cátodo sea comparable a la región de cátodo, favoreciendo el incremento del área de inicio de conducción del tiristor.




Conmutación en el apagado

Irr = f(IA, diR/dt)




Limitación por reaplicación de VF>0

Si se aplica una tensión positiva antes de tq, se produce un pulso de corriente de ánodo a cátodo.Se debe a que todavía quedan portadores en exceso en n1 y p2.El valor máximo de la corriente es proporcional a dVF/dt.El valor de tq es en general varios tiempo de vida media de los portadores en exceso.




Limitación por dVF/dt

( )2 2j jd C VdQidt dt

= =

2

BOF

MAX j

IdVdt C

<

VAK >0La juntura J2 esta inversamente polarizada => se comporta como una capacidad:

2

2

y F F Fj BO

MAX

Fj BO

MAX

dV dV dVi C i Idt dt dt

dVC Idt

≅ = <

<

Suponiendo que la capacidad de la juntura no varía demasiado:




Mejoras en dVF/dt: cathode shorts

Derivación de la corriente a través del corto circuito (RCS).Una parte de la corriente no llega a la juntura gate-cátodo, entonces no inyecta portadores en la capa de gate.Se incrementa la capacidad en dV/dt y VBO.




Protección: dI/dt

Incorporación de una inductancia en serie con el tiristor:




Protección dV/dt: red snubberSe limita dV/dt mediante un capacitor entre ánodo y cátodo.Se agrega una resistencia RS para que cuando el tiristor entre en conducción, el capacitor se descargue con una dada constante de tiempo.




Circuitos de disparo

R2: disminuye ZGK => se incrementa la capacidad en dV/dt.D2:Evita pulsos negativos en el gatecuando se desactiva T1.Para evitar saturación, se debe cumplir:Vcc Ton < Vγ Toff




Circuitos de disparo

Vcc Ton < (Vγ + Vz) Toff




Requerimientos en la señal de gate

Curvas:Máxima potencia en el gate (PGM)Mínima y máxima temperaturaVGD, IGD: mínimo para evitar el disparo [f(T)].VGFM: tensión máxima pico.IGFM: corriente máxima pico.




Ratings

IT(AV) = 180A @ Tc = 80ºC - VTM(ON) = 1.35VITRMS = 285A @80ºCVDRM,VRRM = 1000V.IH = 0.6A, IL = 1A.dI/dt = 300A/µs.td = 1µs, tq = 100µsdV/dt = 500V/µsIak(OFF)(corriente en bloqueo) = 30mA

Case: stud.

Serie 180/181RKI (IR)




RatingsSerie ST1900C/R (IR)

IT(AV) = 1625 A @ TC = 80ºCVT(ON) = 2.1V @TC=25ºC.ITRMS = 3500A @25ºCIL = 0.3A.VRRM /VDRM = 5200V.dI/dt = 150-300A/µs.td = 2.5µs, tq = 500µsdV/dt = 500V/µs, IRRM(corriente en OFF) = 250mACase: hockey puk. Diametro cátodo: 7cm




RatingsSerie T2871N (Infineon)

IT(AV) = 2680 A @ Tc = 85ºC, 3670A @Tc = 60ºC.VT(ON) = 2.5/3V @ iT = 5000A.ITRMS =5760AIL = 3A.IH = 0.35A.VRRM /VDRM = 7500/8000V.dI/dt = 300A/µs.td = 2µs, tq = 550µsdV/dt = 2000V/µs, IRRM(corriente en OFF) = 900mA.IRM = 400A.Case: hockey puk. Diámetro cátodo: 11cmPeso: 4Kg.




RatingsSerie T4003NH (Infineon)

IT(AV) = 3480 A @ Tc = 85ºC, 4980A @ Tc = 60ºC.VT(ON) = 1.7/1.8V @ iT = 6000A.ITRMS =7820AIL = 1A.IH = 0.1A.VRRM /VDRM = 5200V.dI/dt = 5000A/µs.td = 5µs, tq = 500µsdV/dt = 2000V/µs, IRRM(corriente en OFF) = 900mAIRM = 600A.Case: hockey puk. Diámetro cátodo: 11cm Peso: 4KgLight triggered:Minimun gate trigger light power : 40mW




GTO(Gate Turn-OffThyristor)




Estructura




Ganancia de apagado

' AG

OFF

IIβ

=

2

1 2' 1A

OFFG

II

αβα α

= =+ −

Q1 y Q2 saturados.Si Ib2<Ic2sat/β2sat => entra en zona activa => corte.Ib2 = α1IA – IG’ IG’: corriente de gate negativa.

Típicamente : 5OFFβ ≈

Aumenta βOFF => aumenta VAK(ON)




Anode short




Cátodos en islas

InterdigitaciónIG>0ton(min), toff(min)No hay cathode short => RGK pequeña




RGK vs (dV/dt & VDRM)




Conmutación




Conmutación




Ratings

IT(AV) = 1270A - VTM(ON) = 4.4V @ IT = 4000A.ITRMS = 2545AITGQM = 4000A (maxima corriente de apagado pico)VDRM = 4500V.VRRM = 18V.IH = 100A, IL = 100A.LS = 300nHy @ CS = 6µHydI/dt = 500A/µs.td = 2.5µs, td = 5µsts = 25µs, tf = 3µs,dV/dt = 1000V/µsIak(OFF)(corriente en bloqueo) = 100-50mACase: hockey puk.

Serie G4000EC450 (Westcode [IXYS])




Ratings

IT(AV) = 1850A - VTM(ON) = 4V @ IT = 4000A.ITRMS = 1180AVDRM = 4500V.VRRM = 16V.LS = 200nHy @ CS = 3µFdI/dt = 300A/µs.td = 2µs, tr = 6µstGS = 25µs, tGF = 2.5µston (min)= 50µs - toff (min)= 100µsdV/dt = 1000V/µsIak(OFF)(corriente en bloqueo) = 50mAIGQM = 950A @ IT = 3000A, VD = VDRM, CS = 3µF, diG/dt= 40A/µsCase: hockey puk.

Serie DG858BW45 (Dynex)




Referencias

MOHAN, “Power Electronics”.ERICKSON & MAKSIMOVIK, “Fundamentals of Power Electronics”.B.W.WILLIAMS, “Power Electronics:Devices, Drivers and Applications”.RASHID, “Power Electronics Handbook”INTERNATIONAL RECTIFIER (www.vishay.com)WESTCODE (www.westcode.com)INFINEON (www.infineon.com)DYNEX (www.dynex.com)

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