electrÓnica de potencia - san valero

Ciclo de Grado Superior: Desarrollo de Productos Electrónicos Módulo: Mto. Equipos Electrónicos

Curso 2012/2013

ELECTRÓNICA DE POTENCIA

El Tiristor bidireccional de 3 y 4 cuadrantes

Teoría, circuitos de aplicación y protecciones

El TRIAC. Teoría, circuitos de aplicación y protecciones

M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2012/2013 2

1. Introducción: Recordando el Tiristor 1.1 El Rectificador Controlado de Silicio (SCR) 1.2. Equivalente de transistores

K Cátodo

p

N

N

p

A Ánodo

G Puerta

El SCR, también conocido como Tiristor, es un diodo de cuatro capas al que se le ha añadido un tercer terminal, la puerta, para poder controlar el momento del disparo, y que éste no dependa exclusivamente de alcanzar la tensión de disparo entre sus extremos. Su funcionamiento va a ser en esencia el de un diodo en el cual podemos controlar en directa el momento de entrar en coducción.

K

p

N

N

p

A

G

K

A

G

p

N

p

N

N

p



Como podemos ver, esa estructura se puede estudiar como si dos transistores, uno NPN y otro PNP, se tratase:

Sin tensión de puerta el circuito ánodo-cátodo es un interruptor abierto tanto en polarización inversa como directa. Sin embrago, si ánodo-cátodo está directamente polarizado, y aplicamos una tensión en puerta-cátodo que haga conductor el NPN, se cierra circuito con base-emisor del PNP y entra ánodo y cátodo se establece la conducción. Una vez iniciado el proceso es el colector del PNP el que proporciona la corriente a la base del NPN, y ya no es necesario mantener la tensión de puerta. Por tanto lo que necesita el SCR para conducir es un impulso que active la conducción, y una vez activado ya puede prescindir de él. Descebado del SCR Hay dos métodos de descebado. Debemos tener en cuenta que una vez cebado, la puerta ya no tiene control sobre él, y para volver al estado de interruptor abierto habremos de bajar la tensión y/o corriente ánodo-cátodo por debajo de la de mantenimiento. Otro sistema es aplicar una tensión inversa entre ánodo y cátodo. Éste último es el utilizado en algunos sistemas industriales de control de potencia. Curvas de funcionamiento Podemos notar que a una mayor tensión ánodo-cátodo es necesaria una menor corriente de puerta para el disparo.

Ánodo

Puerta

Cátodo



Zonas de funcionamiento

Zona 1: Zona de ruptura en inversa. Zona 2: Zona de polarización inversa. Zona 3: Zona de bloqueo en directa. Zona 4: Zona inestable. Zona 5: Zona de conducción.

Modos de disparo

a) Por tensión ánodo-cátodo (IG=0). No recomendable. Suele ser un efecto no deseado.

b) Por impulso de puerta. Es el método habitual. c) Por variación brusca de tensión (dV/dt). No recomendable. Suele ser un efecto no

deseado. d) Por temperatura. No recomendable. Suele ser un efecto no deseado. e) Por radiación luminosa. Aplicaciones especiales en optoacoladores.

Símbolo

A

K G

IA

VAK

IH

VH VCebado

VRM

IG=0

IG2

IG2

IG2>IG1

5

4

3 2

1

IL

Corriente de enganche Latching Current

Corriente de mantenimiento Holding Current



2. El Tiristor bidireccional: TRIAC El TRIAC (Triode AC) nace de la necesidad de aplicar las características de conmutación de un Tiristor a la corriente alterna. Para lo cual la solución más generalizada es la que consiste en dos tiristores en antiparalelo. Otra es la de una combinación con el puente rectificador, la cual es conveniente tener presente, aunque no sea para nosotros ahora objeto de estudio. Dos tiristores en antiparalelo

Combinación Puente-Tiristor

Lo que conseguimos de este modo es un semiconductor capaz de actuar como interruptor de corriente en alterna entre dos de sus terminales, denominados T1 y T2, o MT1 y MT2 (Main Terminal); controlado a la conducción por el terminal de puerta (denominado G, como en los tiristores, Gate). También se les ha denominado a ambos terminales principales como A1 y A2 (en referencia al ánodo intercambiable). El componente así construido tiene las siguiente estructura y simbología:

P2

N2 N3

N1

P1 N4



La estructura está formada por seis capas, si bien su funcionamiento no es simultáneo ya que lo que se da es una diferente combinación de cuatro de ellas en cada sentido de circulación de la corriente, como si de dos tiristores en antiparalelo se tratase. Curva característica V/I del TRIAC

MT2

MT1 G

IT2

VT2T1

IH

IL

IH

IL

Cuadrante 1

Cuadrante 4 Cuadrante 3

Cuadrante 2

N4

P1

N1

P2

N3 N2

MT2

MT1

G



Cuadrantes de disparo del TRIAC La designación de los cuadrantes mostrada no corresponde a la clásica de los cuatro cuadrantes en unos ejes cartesianos, porque lo que la denominación presentada hace es referirse con el 1 y el 3 a tales cuadrantes en la curva característica V/I del TRIAC. Siendo el signo el correspondiente a la corriente por la puerta. Sin embargo la denominación clásica de los cuatro cuadrantes para el disparo también es utilizada por algunos autores y la podemos encontrar también en las notas de aplicación de algunas firmas. Mostramos a continuación un cuadro explicativo:

Nomenclaturas de los cuadrantes de disparo de un TRIAC Extensa T2+, G+ T2+, G- T2-, G- T2-, G+ Simplificada 1+ 1- 3- 3+ Clásica 1 (I) 2 (II) 3 (III) 4 (IV)

Cuadrante 1+

Cuadrante 3+ Cuadrante 3-

Cuadrante 1-

MT2

MT1 G

MT2

MT1 G

MT2

MT1 G

MT2

MT1 G

MT2+

G- G+

MT2-



Disparo en cada uno de los cuadrantes Disparo 1+: MT2 es positivo respecto a MT1 y la intensidad de puerta es entrante (según el sentido convencional). Disparo 1-: MT2 es positivo respecto a MT1 y la intensidad de puerta es saliente (según el sentido convencional).

MT2

N4

P1

N1

P2

N3 N2

MT1

G

Estructura auxiliar

N4

P1

N1

P2

N3 N2

MT2

MT1

G



Disparo 3+: MT2 es negativo respecto a MT1 y la intensidad de puerta es entrante (según el sentido convencional). Disparo 3-: MT2 es negativo respecto a MT1 y la intensidad de puerta es saliente (según el sentido convencional).

N4

P1

N1

P2

N3 N2

MT2

MT1

G

N4

P1

N1

P2

N3 N2

MT2

MT1

G



Estos cuatro modos de disparo no son el práctica iguales. Los más sensibles, y por eso mismo de utilización prioritaria, son los de los cuadrantes 1+ y 3-. El 1- también resulta con una sensibilidad aceptable. El que ha de evitarse utilizar es el 3+, ya que es el menos sensible. Algunos encapsulados 3. El control de Tiristores y TRIACs 3.1. Puesta en conducción (Turn-on)

La puesta en conducción de los Tiristores y TRIACs (Turn-on) requiere un conocimiento adecuado del componente así como de la influencia del medio en el que actúa (cargas resistivas, cargas inductivas, temperatura...). Si recordamos el funcionamiento de estos dispositivos debemos tener presentes los valores de VGT, IGT, e IL; y no olvidar que el fabricante los proporciona para 25ºC. De modo que cuando con una tensión VGT adecuada la IGT alcanza su valor de umbral (threshold current), en un tiempo muy breve conocido como gate-controlled-turn-on-time, se produce la conducción entre ánodo y cátodo (o MT2 y MT1 en el TRIAC), y una vez esta alcanza la corriente de enganche IL (Latching current) la corriente principal se mantendrá aún después de haber interrumpido la corriente de puerta . Cuando el disparo se ha de producir mediante un impulso debemos tener en cuenta la

TO-220

TO-65

TO-94

RD-91

TOP-3



información que al respecto nos suministra el fabricante en su data-sheet, ya que al disminuir el tiempo del impulso por debajo de cierto valor será necesario ampliar su nivel de tensión para que sea eficaz. Si que es necesario aclara que cuando se trata de TRIACs que se disparan con corriente continua o impulsos unipolares, el funcionamiento interno del TRIAC hace preferible que el disparo sea con corriente negativa de puerta. Esto es debido al mencionado menos sensible 3+ cuadrante. El origen no es otro que el constructivo (ya visto): Funcionando en ese cuadrante la puerta está más separada de la región por la cual circula la corriente principal. Este hecho físico supone prácticamente, que:

a) Es necesaria una mayor corriente de disparo en puerta. b) Es necesario mantener la corriente durante más tiempo para garantizar el

disparo del TRIAC. c) Una menor capacidad de dI/dt. Lo cual supone un mayor deterioro del

TRIAC cuando se controlan cargas con una elevada dI/dt inicial. d) Una mayor corriente de enganche (IL) (al igual que el cuadrante 1-). Esto

supone que es necesaria una mayor duración cuando se actúa sobre cargas alternas en el comienzo de un ciclo, hasta que se garantice el haber alcanzado esa mayor IL.

3.2. Conmutación (Turn-Off)

Sabemos que para pasar un TRIAC (o Tiristor) al estado de no-conducción es necesario que su corriente principal disminuya por debajo del valor de la corriente de mantenimiento (IH, Holding current) durante el tiempo necesario para que los portadores de carga abandonen la unión. Esto se consigue en aplicaciones de corriente continua mediante dispositivos de conmutación forzada (en el Tiristor) y en corriente alterna en el propio cambio de ciclo. También es importante considerar la temperatura, ya que IH, al igual que IL, se reduce cuando se incrementa la temperatura. 4. Problemas en la conmutación de Tiristores y TRIACs 4.1. Disparo por ruido de puerta (noisy gate signal)

En entornos con abundante ruido electromagnético, como puede ser un entorno industrial, nos podemos encontrar con disparos no deseados si el nivel de ruido en puerta excede VGT (tensión de umbral de puerta) y la corriente por la puerta es la suficiente. Obviamente la primera precaución es evitar y disminuir ese ruido. Cuando eso no es posible la mejor solución inicial es mantener las conexiones de la puerta lo más cortas posibles y que la línea de retorno del circuito de excitación de la puerta (driver) conecte directamente con el pin MT1 del TRIAC o el Cátodo del Tiristor. Cuando la excitación de la puerta esta cableada será necesario trenzar los cables (para la anulación del ruido) o incluso el uso de blindajes. Una forma muy práctica de aumentar la inmunidad al ruido es colocar una resistencia de 1kΩ o menos entre la puerta y MT1 (TRIAC) o Cátodo (Tiristor). Si se utilizase un condensador de desacoplo para altas frecuencias es recomendable incluir una



resistencia en serie entre el condensador y la puerta para minimizar los picos de corriente debidos al condensador y el consiguiente peligro de daño para el semiconductor.

4.2. Superar la máxima velocidad de variación de la tensión (dVCOM/dt) durante la

conmutación (Turn-Off)

Esta situación se puede dar con cargas altamente inductivas donde el desfase entre la tensión y la intensidad es elevado. De este modo nos podemos encontrar en estos casos con que en el momento de la conmutación, porque la corriente ha descendido del valor de IH, el voltaje tiene un valor tal que cuando le pedimos al triac que lo bloquee, lo que puede ocurrir es que a los portadores de carga no se les haya dado tiempo para abandonar la unión y el triac se vea forzado a continuar en conducción. La dVCOM/dt depende de la corriente que es necesario bloquear (dICOM/dt), no olvidemos que el problema es la recombinación de los portadores, de modo que a mayor dICOM/dt menor dVCOM/dt. Y depende también de la temperatura en la unión (Tj), de modo que a mayor Tj menor dVCOM/dt. La solución a este problema es el uso de redes de protección RC (snubber networks) colocadas entre MT1 y MT2 para limitar la velocidad en la variación de tensión en extremos del triac. Valores muy comunes son 100Ω para la resistencia y 100nF para el condensador, si bien lo adecuado y conveniente es estudiar cada caso en particular y atender a las indicaciones de la información técnica que suministra el fabricante. Es muy importante en este tipo de redes no colocar nunca un condensador sin resistencia, porque se podrían dar las circunstancias que hiciesen que en una puesta en conducción del triac (turn-on) el condensador se descargase en él y por un exceso de dIT/dt el semiconductor resultase dañado. 4.3. Superar la máxima velocidad de variación de la corriente (dICOM/dt) durante la

conmutación (Turn-Off)

Esto se produce por una elevada corriente de carga, por una elevada frecuencia de la tensión o cuando la corriente por la carga no es sinusoidal (como es el caso de cargas alimentadas a través de rectificadores). En estos caso una red RC de protección (snubber



network) no soluciona nada porque el problema no es la dVCOM/dt sino la dICOM/dt. La solución será colocar en serie con la carga una bobina de unos pocos mH. 4.4. Superar la velocidad máxima de variación de voltaje entre MT2 y MT1 con el triac

bloqueado (off-state voltage) dVD/dt

Una rápida variación de la tensión entre sus terminales principales puede provocar la entrada en conducción del triac aun cuando no se haya excedido su VDRM. Esto es debido a la capacidad parásita interna. Con el aumento de temperatura el triac se hace más sensible a este disparo. Como de lo que se trata es de limitar la dVD/dt, la solución en una red de protección RC (snubber network).

4.5. Superar el pico repetitivo máximo de tensión con el triac bloqueado VDRM (repetitive

peak off-state voltage)

Situación que se puede dar en algunos transitorios. El problema para el semiconductor vendrá entonces por parte de un alto incremento de la corriente dIT/dt que se puede producir con algunas cargas en esta situación. Lo que provoca un incremento localizado de la densidad de corriente que puede acabar en la destrucción del semiconductor. Una primera solución para este problema sería una bobina de núcleo de aire y pocos µH en serie con la carga. Si esto no es posible habría que pensar en una protección contra la sobretensión, que puede estar formada por filtro y MOV (Metal Oxide Varistor). Si bien es estos últimos a la hora de su selección hay que tener muy presente su coeficiente negativo de temperatura.

4.6. Corriente en la puesta en conducción (Turn-on dIT/dt) Cuando la conducción del triac (o tiristor) se inicia por disparo de puerta, ésta se comienza en el entorno de la puerta antes de extenderse por toda el área de conducción. El hecho de que la conducción inicial se dé no en toda el área sino en una zona limitada hace que un exceso de corriente inicial pueda provocar la destrucción del triac. La peor situación se da en los disparos en el cuadrante 3+, en los cuales un exceso de dIT/dt hará que tras sucesivas aplicaciones el triac deje de poder ser disparado por el deterioro interno que se produce. La dIT/dt que el componente puede soportar en cada situación concreta depende de lo rápido que crezca la corriente de puerta (dIG/dt) y del valor de pico de IG. De modo que con valores elevados de dIG/dt y de IG de pico (siempre por debajo de los valores máximos) conseguimos que el componente soporte una mayor dIT/dt. Una carga típica que requiere una elevada dIT/dt es la lámpara incandescente que tiene en frío un bajo valor de resistencia. La solución a este problema puede venir colocando en serie con la carga una bobina de unos pocos µH (con núcleo de aire para evitar la saturación en los picos de corriente) o incluso una NTC en serie con la carga. Otra solución adecuada es utilizar un circuito de disparo en los cruces por cero (zero voltage turn-on). Este sistema de disparo en cruce por cero de la tensión se ha de aplicar en cargas resistivas; para cargas inductivas lo más seguro sería iniciar la conducción en el cruce por cero de la corriente (zero current switching), para lo cual será necesario un circuito que permita elegir el ángulo adecuado de disparo.



5. Reglas básicas para una correcta aplicación de los Tiristores y TRIACs Teniendo en cuenta todo lo visto en el punto anterior podemos elaborar ocho reglas para el buen diseño con tiristores y triacs:

1) Para poner en conducción un tiristor o un triac, una corriente de puerta mayor que la de umbral (IGT) debe aplicarse hasta que la corriente del componente sea mayor que la de enganche (IL). Esto se debe garantizar para la temperatura más baja de funcionamiento previsible.

2) Para bloquear o conmutar (turn-off) un tiristor (o triac), la corriente de la carga debe

ser inferior a la de mantenimiento (IH) el tiempo suficiente para permitir que este retorne al estado de bloqueo. Esto se debe garantizar para la temperatura más alta de funcionamiento previsible.

3) Al diseñar el circuito de disparo de un triac, hemos de evitar el disparo en el

cuadrante 3+ (MT2-,G+), siempre que sea posible.

4) Para minimizar los efectos negativos que el ruido electromagnético pueda tener sobre la puerta, provocando disparos indeseados, las conexiones (terminales, pistas, cables,...) han de ser lo más cortas posibles. El retorno del circuito de disparo de puerta ha de estar directamente conectado al terminal MT1 (o cátodo). Además es conveniente colocar una resistencia de 1 kΩ, o menos, entre los terminales de puerta y MT1 o cátodo. Una red RC de protección (snubber network) en la puerta es aconsejable en estos casos. Una buena alternativa a todo lo anterior es utilizar triacs de tres cuadrantes.

5) Cuando se tienen elevadas dVD/dt o dVCOM/dt para evitar los problemas que pueden

causar es aconsejable la colocación de una red RC de protección (snubber) entre los terminales MT1 y MT2. Para el caso de una elevada dICOM/dt la colocación de una bobina de algunos mH en serie con la carga ayudará a combatir los problemas que esta puede ocasionar. Una buena alternativa es utilizar triacs de tres cuadrantes.

6) Si la tensión VDRM del triac puede ser sobrepasada debido a picos repetitivos de los

transitorios de línea se pueden adoptar las siguientes medidas: a) Limitar la dI/dt con una bobina no saturable (núcleo de aire) de algunos mH en serie con la carga. b) Usar un MOV (Metal Oxide Varistor) entre los terminales principales del semiconductor en combinación con filtros en la alimentación.

7) Un buen circuito de disparo debe evitar el disparo del triac en el cuadrante 3+. De

este modo se mejora notablemente los valores máximos de dIT/dt admisibles.

8) Si en el disparo del triac puede ser superada la dIT/dt será necesario colocar una bobina de núcleo de aire de algunos mH o un termistor NTC en serie con la carga. En el caso de cargas resistivas el disparo en el cruce por cero de la tensión es una buena alternativa.



6. El Tiristor bidireccional de tres cuadrantes: Alternistor (Teccor), Hi-com (Philips), Snubberless (ST) 6.1. Introducción

Ya hemos visto en puntos anteriores los problemas que se originan en la aplicación real de los triacs. Algunos de ellos se derivan del hecho de que físicamente no estamos en la misma situación cuando tenemos dos tiristores en antiparalelo que cuando tenemos la estructura de un triac con los dos “tiristores” en la misma pieza de silicio. Hecho que da lugar a “interferencias” del uno con el otro. Así cuando uno de los tiristores se bloquea nos podemos encontrar con que la corriente debida a la recombinación de portadores pueda actuar como causa de disparo no deseado del otro tiristor una vez la tensión ha cambiado de semiciclo. Este problema es especialmente importante en cargas inductivas, donde fácilmente se puede exceder el límite de dI/dt y dV/dt, con lo que se hace necesaria una red RC (snubber network) de protección en paralelo con el triac para evitar el exceso de dV/dt. El diseño de esta protección aumenta la complejidad del circuito y su coste. Esto ha provocado que se diseñen triacs de tres cuadrantes que permiten prescindir del circuito snubber y que mejoran también considerablemente sus características de dI/dt en el bloqueo. Abriendo grandes posibilidades de uso con cargas inductivas. Esto tiene un coste, la necesaria modificación de la estructura física hace perder el uso del cuadrante 3+, pero es una pérdida admisible en la mayoría de los diseños que hace mejorar la sencillez y el coste del circuito. 6.2. Denominación técnica

Estos dispositivos han sido desarrollados por diferentes fabricantes y responden a diferentes nombres, nosotros vamos a utilizar como expresión global la de tiristores bidireccionales (o triacs) de tres cuadrantes, pero es necesario conocer la designación de los fabricantes. Una de ellas es Alternistor, esta es la marca comercial registrada de Teccor. En el caso de ST se limita al nombre Snubberless. Y Philips (NXP), por ejemplo, habla, entre otros, de Hi-Com Triacs. 6.3. Ventajas del uso de triacs de tres cuadrantes

a) Soportan elevadas dVCOM/dt sin necesidad de la red RC (snubber network) en la

mayoría de los casos. Haciendo de este componente el ideal del diseñador que ha de controlar cargas inductivas en las que los desfases tensión-corriente son una fuente de problemas. Ya cuando la corriente es cero la conmutación del triac le supone bloquear un elevado nivel de tensión de polaridad inversa por el desfase de la corriente.



b) Soportan elevadas dVD/dt sin necesidad de la red RC (snubber network). Cuando el circuito del triac está expuesto a transitorios con elevados picos de tensión, como es el caso de la conexión y desconexión de otras cargas inductivas, o por los efectos en la red de una tormenta eléctrica, éste puede verse destruido o puede generar disparos no deseados. La solución tradicional es limitar la dVD/dt a la que será sometido el triac mediante una red RC. El uso de triacs de tres cuadrantes elimina esta necesidad.

VT2T1

I carga

t

t

Elevada dVCOM/dt

VT2T1

t

Transitorios que provocan una elevada dVD/dt, pero no disparan ni destruyen el triac



c) Soportan elevadas dICOM/dt sin necesidad de colocar una bobina en serie. Existen muchas aplicaciones en las cuales se quiere que el triac controle una carga inductiva alimentada con corriente continua mediante un puente rectificador. Ejemplos típicos son el control de motores universales y los pequeños pero muy potentes motores de imanes permanentes que se pueden encontrar en electrodomésticos del tipo de las licuadoras de mano. Las rectificaciones aquí empleadas imponen unas condiciones muy duras de funcionamiento al triac. No olvidemos que la red solo proporcionará corriente a la carga cuando la tensión de alimentación supere el valor de la fuerza contraelectromotriz del motor. De este modo cuando la alimentación cae por debajo del valor de la f.c.e.m., esto es, del voltaje generado por el motor, el triac experimenta una elevada dICOM/dt que puede impedir su conmutación (turn-off) incluso para reducidas dVCOM/dt. Los triacs de cuatro cuadrantes evitan este problema mediante la colocación de una bobina en serie. Pero en los de tres cuadrantes ésta no es necesaria, simplificando el circuito y su diseño.

I carga

t

Elevada dICOM/dt

100Ω 100nF 250V

Carga Inductiva

TRIAC de

3 cuadrantes

No es necesaria la red RC, Snubber



Esquema de un circuito con motor (carga inductiva)

alimentado con un rectificador y controlado mediante un triac, en el cual se

produce una elevada dICOM/dt:

7. Drivers para triacs de potencia: El optotriac con y sin detector de cruce por cero En primer lugar aclara que nos encontramos con dos grandes tipos de drivers ópticos para TRIACs:

• Con detector de cruce por cero (zero voltage crossing triac drivers). • Los de disparo aleatorio en cualquier momento de la fase (random phase

crossing triac drivers). La elección entre unos u otros estará en función del tipo de aplicación y de la

naturaleza de la carga.

7.1. ¿Cuándo elegir un optotriac con detector de cruce por cero como driver? La respuesta será en aquellas aplicaciones en las que se aprovechen sus ventajas y se

minimicen sus inconvenientes. Esto se traduce en aplicaciones de interruptor on-off. Esto es, cuando el triac de potencia tenga la misión de actuar como interruptor (0-1) sobre una carga de alterna, ya que este driver solo permite los disparos en el entorno de los cruces por cero, y por tanto sería incompatible con una aplicación que regulase el ángulo de disparo. De todas las aplicaciones on-off será necesario descartar aquellas en las que la conmutación en el entorno del cruce por cero de la tensión puede generar problemas. Y estos se darán con

TRIAC de

3 cuadrantes

2mH

El limitador dICOM/dt no es necesario



cargas altamente inductivas en las que el desfase V/I suponga para el cruce por cero de tensión una elevada corriente. En conclusión, estos drivers con detector de cruce por cero serán de aplicación adecuada en cargas resistivas o poco inductivas.

7.2. ¿Cuándo elegir un optotriac de disparo aleatorio como driver?

Estos drivers serán necesarios siempre que queramos poder disparar el triac de

potencia en cualquier momento entre 0 y 180º (0 - π). Lo que sí es necesario tener en cuenta es que con cargas altamente inductivas será conveniente recurrir a protecciones de redes RC (snubber networks) u optar por un optotriac especialmente desarrollado para soportar elevadas dV/dt (que si es posible será siempre la mejor opción técnica).

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