electrónica de potencia - jimenez redondo, noemí; pozo ruz, ana_2005.pdf

C APTULO 1 Introduccin a la Electrnica de

Potencia

1.1 Introduccin

En tnninos generales, la tarea de la Electrnica de Potencia consiste en convertir y controlar la energa de la fonna suminisll'ada por una fuente a la fonna requerida por la carga. Habitualmente la fuente primera de energfa es la corriente alterna (monofsica o trifsica a 50 60 Hz) suministrada por la red de energa elctrica. La figura 1.1 muestra el diagrama de bloques de un sistema de Electrnica de Potencia.

FIGURA 1.1 Diagrama de bloques de un sistema de Electrnica de Potencia.

Enltllda

te de Fue.n alil'ne ntacin

r-----------------, 1 1 , 1 Fillro 1~ C IRCUITO DE

-1 Filtto 1 Salida 1 ecntrada POTENCIA salida 1 Carga 1 1 1

~ :2 " 1 " "' -5 s , ] g 1 e E

" ~ ~ ::

~ C " 1 .: " K "' " < 1

1

CIRCUITO V3riables elctricas 1 DE CONTROL 1 Variables mecnicas

L-----------------J Convertidor es11jco

2 Cap. Introduccin a la Electrnica de Potencia

Segn la figura 1.1, los elementos que componen un circuito de Electrnica de Potencia son los siguientes:

Un rcuito de pote11cia, compuesto por semiconductores de potencia. Este circuito de potencia suele emplear filtros a la entrada y a la salida para evitar daos en Ja carga e interferencias electromagnticas con sistemas de comunicacin. Un circuito de co111rol, que procesa Ja informacin recibida del circuito de potencia y genera Ja~ seales de excitacin que activan y desactivan Jos semiconductores del circuito de potencia Si los semiconductores del circuito de pocencia son no controlados (diodos) el circuico de control no existe.

El campo de actuacin de la electrnica de potencia comprende tanto el diseo del aparato para la conversin de energa (circuito de pocencia) como el de los dispositivos de medida y control (circuito de control). As, en ta Electrnica de Potencia se combinan las disciplinas de potencia, control y electrnica: potencia por et equipo empleado en la conversin de energa y por las cargas a las que puede alimentar, co111rol por la necesidad del estudio de las caracterstica~ estticas y dinmica~ de Jos sistemas cu lazo cerrado, y electr11ica por Jos dispositivos semiconductores de Jos circuitos de potencia y control y por la circuitera empleada en el circuito de control. La figura 1.2 ilustra la relacin de la Electrnica de Potencia con las disciplinas de control, potencia y electrnica.

ncuRA u Relacin de la Electrnica de Potencia con las disciplinas de control, electrnica y potencia.

ELECTRNICA DE POTENCIA

CONTROL Analgico I Digital

ELECTRNICA Dispositivos I Circuitos

POTENCIA Carga.<

Sec. lntroducd6n 3

En un circuito de electrnica de potencia, los elementos semiconductores deben soponar grandes tensiones y corrientes. En el proceso de conversin de energa como e l representado en la figura 1.2 es imponanre conseguir que la potencia perdida sea pequea, y por tan10 que la eficiencia enegtica sea alta, por dos motivos: el cos1e de la energa no aprovechada o energa perdida y la dificultad de eliminar el calor generado por la energa disipada (energa perdida). Otr.is consideraciones importantes son la reduccin del tamao, el peso y el coste.

Los objetivos anteriores no se pueden conseguir en la mayora de los sistemas con circuitos li neales donde los semiconduc1ores funcionan en su zona lineal (o regin activa) y por ello la eficiencia energtica es pequea.

Con el objetivo de reducir el calor disipado en la conversin de potencia, los semiconductores que se emplean en Jos circuitos de Electrnica de Potencia funcionan como inierruptores. Por eso. a los convertidores de Electrnica de Po1encia se les llama co11vertidores co11111uuulos o bien co11ve11idores estticos para hacer nfasis en el hecho de que carecen de partes mviles. La ausencia de partes mviles evita la necesidad de llevar a cabo un mantenimiento del circuito. as como la generacin de ruidos, desgastes, etc.

La Electrnica de Potencia tiene sus indicios en el ao J 900. con el empleo de interruptores de vlvulas de mercurio. Hasta la dcada de los 50 se fueron introduciendo nuevos materiales para la fabricacin de interruptores como el ignitrn o el tiratrn. entre otros.

La primera revolucin de la industria de la electrnica de potencia comenz en 1948 con la invencin del transistor de silicio por los laboratorios de la Bel/ Telepho11e por Bardeea, Brattain y Schokley. La mayora de las tecnologas electrnicas ms avanzadas se deben a este descubrimiento. El siguienie paso adelante tambin lo dio la compaa Bel/ Telepho11e en el ao 1956 con la invencin del liris1or o rectificador controlado de silicio (SCR).

La segunda revolucin de la electrnica de potencia tuvo lugar en 1958 con e l desarrollo del tiristor comercial por la compaa General Electric. Este fue el comienzo de la nueva era de la Electrnica de Potencia. Desde entonces se han introducido muchos nuevos tipos de semiconductores y de convertidores de potencia.

En los ltimos aos. la Elec1r6nica de Potencia ha experimen1ado un gran crecimiento debido a la confluencia de varios factores. El conirolador de la figura 1.1 consis1e en la actualidad en circuitos integrados analgicos y/o microcontroladores. Los revolucionarios avances de la microelectrnica han conducido al desarrollo de tales comroladores. Adems, e l desanollo de la industria de fabricacin de serniconduciores ha permitido aumentar de fom1a imponante la capacidad de manejar grandes 1ensiones y corrientes, as como la velocidad de conmutacin de los dispositivos semiconductores que forman pane del circuito de potencia de la figura 1.1.

4 Cap. Introduccin a la ESectrnica de Potencia

De todo sto se deduce una importante peculiaridad de la Electrnica de Potencia y de la Electrnica en general: su constante dinamismo y evolucin. que proporciona de forma continua nuevos avances. conocimientos y creaciones.

La Electrnica de Potencia se encuentra relacionada con un amplio abanico de reas de conocimiento. Esta interdisciplinaridad de la Electrnica de Potencia queda representada en la figura 1.3.

FIGURA 1.J Relacin de la Electrnica de Potencia con otras reas de conocimiento.

Teora de Circuitos Toora de Control

y Si$temns Fsica del

Esiado Slido ~\/ ELECTRNICA ------

Procesruniento de la seilal

Simulati6n

Mquinas Elctricas

DE POTENCIA

1 Sisten1as de

Potencia

.-----

Electrnica

~----Electron1agnetisn10

Se trnta. por tanto, de una materia dotada de grnn dinamismo y evolucin. presente en mltiples aplict1ciones no slo en el mbito industrial. sino tambin en el domstico y con un marcado carcter interdisciplinar.

1.2 Justifcacin del empleo de los semiconductores segn sus caractersticas ideales

En los diseos de electrnica de potencia, resulta extremadarneme importante la eleccin correcta del dispositivo semiconductor. Esta eleccin tendr relacin directa con la propia aplicacin que se va a llevar a cabo. Algunas de las propiedades de los dispositivos y su influencia en el proceso de seleccin son las siguiemes:

Tiempos de conmutacin. Mxima tensin a bloquear y mxima intensidad que circula por el dispositi vo. Cada de tensin en conduccin. Potencia requerida en el circuito de control. Coste del dispositivo.

Sec. Tipos de convertidores 5

En el diseo de un convertidor deben tenerse en cuenta. adems, la frecuencia de funcionamiento, e l nmero de conmutaciones para reducir las prdidas de potencia. etc. Por tanto, la eleccin del dispositivo debe alcanzar un equilibrio entre las posibilidades del mismo y los requerimientos del convertidor.

Estas observaciones ayudan a justificar el empleo de los dispositivos segn sus caractersticas ideales en el anlisis de los convertidores, debido a las siguientes rJ.zOnes:

El coeficiente de eficiencia se desea Jo ms alto posible. por lo que la cada de tensin cuando el dispositivo semiconductor se encuentra en funcionamiento debe ser pequea comparada con la tensin de operacin. Por tanto, puede ignorarse en el anlisis del convertidor. El tiempo empleado en las conmutaciones es pequeo en comparacin con el periodo de operacin. Por ello, puede considerarse que la conmutacin del semiconductor es instantnea.

De forma similar, las otras propiedades se suponen ideales.

La consideracin de las caracterstica~ ideales simplifica el anlisis de los convertidores, aunque no produce prdidas en su precisin. Sin embargo, en el diseo de convertidores los elementos semiconductores deben tr.11arse segn sus caractersticas reales.

1.3 Tipos de convertidores

Atendiendo a las fonnas de energa que conviene, los circuitos de e lectrnica de potencia se clasifican en los siguientes grupos (figura 1.4):

Conver1idores de corriente alterna a corriente alterna (convertidores c.a.-c.a.), que permiten variar el valor eficaz de la seal entregada a la carga por una fuente de corriente alterna, bien variando la frecuencia (cicloconvertidor), o bien sin alterarla (regulador de ahema). Convertidor de corriente continua " corriente con1inut1 (convenidor c.c.c.c.). tambin denominado chopper, que permite suministrar una seal continua a la carga a partir de una alimentacin de corriente continua. Conve11idor de corriente al1e111a a ''Orriente contin11t1 (convertidor c.a ... c.c.) o rectificadores, que pueden ser de tres tipos:

Rectificculores 110 ca111ralados. formados por diodos. No regulan la tensin de salida. que s iempre tiene un valor positivo. Rectificadores semica111rolados. fonnados por diodos y por tiristores. Regulan la tensin de salida en magnitud, pero no en polaridad. La tensin de salida siempre es mayor o igual a cero. Rectificadores co111rolados, que emplean tiristores. Regulan la tensin de salida en magnitud y polruidad controlando el momento de disparo de los tiristores. La tensin de salida puede ser menor. igual o mayor que


cero. Dado que estos convenidores permiten controlar el sendo de la potencia transferida a la carga, pueden funcionar como recficadores o como inversores, y dado que el control se efecta a travs del ngulo de disparo de los tiristores, este po de convenidores recibe el nombre de l'11ve11idores controlados por fase .

Convertidores de corriente continua ti corriente alterna (convertidores c.c.-c.a.) o im,ersores de de frecuencia mriable, que a parr de una alimentacin de corriente connua proporcionan una altema de frecuencia regulable.

nGURA u Tipos de convertidores.

Convertidor c.a.-c.c. 8 Convertidor c.a.-c.a. j Convertido.- c.c.-c.c.

o 4 Converudor c.c.-c.a. 8 Combinando algunos montajes fundamentales pueden conseguirse algunas de las funciones anteriores aunque de menor rendimiento, ya que la potencia se trata ms de una vez. As, por ejemplo, la conversin de c.c.-c.c. puede llevarse a cabo mediante el empleo conjunto de un inversor seguido de un recficador.

1.4 Aplicaciones de la electrnica de potencia

La electrnica de potencia ha encomrado un lugar destacado en la tecnologa moderna, y se emplea en la actuaHdad en gran cantidad y variedad de aplicaciones. Resulta difcil poner lnite a estas aplicaciones, especialmente por los grandes logros que se estn consiguiendo en el desarrollo de dispositivos semiconductores, cada vez de mayores capacidades, fcil control y precio reducido.

La tabla 1.1 muestra varias de esta~ aplicaciones. Estos sistemas cubren un amplio rango de valores de potencias, que abarcan desde unos pocos de vatios hasta varios cientos de megavaos.

Sec. Aplicaciones de la electrnica de potencia 7

TABLA 1.1 Aplicaciones de la electrnica de potencia. Domsticas Eleclrodomsticos.

Calefaccin . Aire acondicionado . Cocinas . Iluminacin . Ordenadores personales, etc .

Comerciales Ascensores . lnsralacioncs de calefaccin y aire acondicionado . Computadores y equipo de oficina . Fuen!cs de alimentacin ininterrumpidas (UPS o

SAI), ere. Industriales Bombas .

Compresores . Mquinas herramientas (robots) . Hornos, ere .

Transporte Control de rraccin de vehculos elctricos. Cargadores de baleras para vehfculos elctricos . Trolebuses . Mcrro, ere .

Sistemas de energa Transporte en corrienre continua de energa elctrica elclrica.

Conrrol de potencia reactiva . Conexin de cenrralcs de energas alrcmativas a la

red de energa elctrica, ere. Aeroespaciales Satli!cs.

Aeronaves, etc . Telecomunicaciones Cargadores de bareras.

Fuemes de alimentacin (e.e. y UPS)

Principalmenre, la gran expansin de la elecrrnica de potencia se debe a su empleo en las siguienres aplicaciones:

Fuentes de alimentacin conmutadas e ininterrumpidas. Los avances en la tecnologa de fabricacin en rnicroclecrrnica ha permitido el desarrollo de computadores, que requieren fuenres de tensin conmuradas, y en muchos casos de fuentes de alimentacin ininterrumpidas. Procesos de conrrol y factoras de automatizacin. Aplicaciones en los sistema~ de energa elctrica.


1.5 Anlisis de los circuitos de potencia

Durante el funcionanento de un circuito de potencia, se ongma una secuencia peridica en las que unos semiconductores entran en conduccin y otros salen de ella. Como se expuso con amterioridad, los semiconductores son considerados interruptores ideales, es decir, cuando conducen se componan como un cortocircuito, y cuando estn bloqueados se comportan como un circuito abierto. Esta simplificacin, sin embargo, no resulta del todo imprecisa y ayuda a un mejor conocimiento del funcionamiento del circuito.

Cada vez que un senconductor cambia de estado, el esquema del circuito equivalente se modifica, dando lugar a un fenmeno transitorio en el sistema. Por tanto, el rgimen permanente de funcionamiento est formado por una sucesin de regmenes transitorios. A los intervalos de tiempo en los que no cambia el circuito equivalente se le denomina intervalos de funcionamiento.

Para el estudio de un circuito de potencia se requiere describir la evolucin de las tensiones y de las intensidades de Jos elementos del circuito durante cada intervalo de funcionamiento. A~f. deben seguirse los siguientes pasos:

Dibujar el circuito equivalente resultante de cortocircuitar los semiconductores que estn en conduccin durante el intervalo de funcionanliento y dejar en circuito abierto aquellos que no conduzcan. Determinar las ecuaciones diferenciales del circuito equivalente correspondiente al intervalo. Resolver las ecuaciones anteriores introduciendo las condiciones de contorno necesarias. Con las expresiones obtenidas, determinar Ja finalizacin del intervalo. Esto ocurrir cuando dejen de cumplirse las condiciones para las que resulta vlido su esquema equivalente. Se procede de igual forma con los siguientes intervalos de funcio1tamiento hasta el final del periodo.

Las condiciones de contorno a introducir en las ecuaciones diferenciales obedecen a que:

Cienas variables no pueden variar bruscamente, por Jo que tendrn el mismo valor al principio de un incervalo de funcionamiento y al final del irunediatamente anterior. Tales variables que no pueden variar de forma drstica son la tensin en un condensador y la intensidad en urta bobina. Debido al carcter peridico del funcionamiento, cada variable tendr el mismo valor al principio y al final del periodo.

Sec. Estructura del libro 9

1.6 Estructura del libro

El propsito de este libro es facilitar el estudio de los convertidores de elecl!nica de potencia y de sus aplicaciones. El libro se encuentra dividido eo cuatro partes.

La primera parte del libro, que comprende este primer capitulo, ofrece una introduccin a la Elecl!nica de Potencia. La segunda parte del libro (Cap. 2- Cap. 3) presenta una descripcin de los distintos semiconductores empleados en la electrnica de potencia.

La tercera parte (Cap. 4- Cap. 8) presenta las diferentes topologfas de convertidores en electrnica de potencia empicados en la mayor parte de las aplicaciones. En ellos, se considera que los diferentes semiconductores (diodos, tiristores, etc.) actan seg6n sus caractersticas ideales, lo cual permite centrar el inters en el funcionamiento del propio convertidor y en sus distinta.~ aplicaciones.

As, el captulo 4 estudia los rectificadores no controlados, esto es, aquellos que emplean diodos como dispositivos semiconductores. El capitulo 5 analiza los convertidores de c.a.-c.c. controlados por fase, esto es, los que emplean tiristores. En e l captulo 6 se detallan las diferentes topologas y modos de funcionamiento de los conertidores c.c.-c.c. o dwppers. El captulo 7 presenta los convertidores de continua a corriente alterna o inversores de frecuencia variable. Por ltimo, el captulo 8 estudia los convertidores de corriente alterna a corriente alterna, tanto los de frecuencia fija (controladores de tensin de alterna), como los de frecuencia variable (cicloconvertidores).

La cuarta parte del libro, que abarca desde el captulo 9 al capitulo t 1, detalla las distintas aplicaciones de la electrnica de potencia. As, el captulo 9 estudia las fuentes de tensin conmutadas, y el capitulo t O las fuentes de tensin ininterrumpida.~. El capflulo t I describe las aplicaciones de la electrnica de potencia en los sistemas de energa elctrica: transporte de energa elctrica en corriente continua, conexin de energas alternativas a la red de energa el.ctrica, etc. El captulo 12 introduce otras aplicaciones de la electrnica de potencia, como son el control en velocidad y posicin de motores, y las aplicaciones domsticas de la elecl!nica de potencia. Cada uno de los captulos comienza con una introduccin al terna, seguido por el desarrollo del mismo en diferentes secciones, y concluyendo con un apartado denominado contenidos principales, que resume los puntos ms relevantes. Al final de cada capitulo se ofrece una relacin de problemas encaminados a la mayor comprensin del texto.

2.1 Introduccin

CAPTULO 2 Semiconductores de potencia (1): diodos e

interruptores controlables

11

En las aplicaciones de electrnica de potencia, los elementos semiconductores trabajan con ni veles muy elevados de tensin y corriente. As, con objeto de reducir al mximo la potencia disipada en los semiconductores, ~stos funcionan a modo de interruptores.

En el anlisis de los convertidores conmutados de potencia se emplearn las caractersticas ideales de los semiconductores. Esta simplificacin tiene como objeto eliminar la descripcin de detalles en el comportamiento del dispositivo semiconductor y centrar el interes en el estudio y comprensin del circuito.

Por ello, este captulo y el sigttiente estudian de fonna detallada las caractersticas ms importantes de los dispositivos semiconductores de potencia, para dejar en los capitulos restantes protagonismo al estudio de los convertidores de potencia.

Atendiendo al grado de controlabilidad, los dispositivos semiconductores de potencia pueden dividirse en tres grupos:

Diodos o interruptores no controlables, cuyo encendido y apagado lo realiza el circuito de potencia, ya que no existe circuito de control. Tiristores o interruptores semicontrolables, que son encendidos por una seal de control y apagados por el circiuto de potencia. Interruptores controlables, donde una seal de control gobierna su encendido y apagado. Entre ellos se encuentran los BJT, MOSFETs y GTO.

12 Cap. SemJconductores de potencia (1): diodos e lnterrup1ores conttolab'9s

En este captulo se analizarn los diodos de potencia, que son Jos semiconductores de potencia ms simples. Se estudiarn tambin los interruptores controlables. Los tiristores o interruptores semicontrables se abordarn en detalle en el captulo siguiente.

2.2 Diodos

Los fenmenos que rigen el funcionamiento de Jos diodos de potencia son Jos mismos que gobiernan Jos de pequea seal. La diferencia fundamental entre ambos reside en que el rea de Ja pastilla del diodo de potencia, as como las intensidades que maneja, son mucho mayores que en el diodo de pequea seal.

El diodo es el dispositivo semiconductor de potencia ms simple. Consisre en una unin PN, y se representa como muestra la figura 2.1.

ncuRA 2.1 Simbolo del diodo. io

---A----1[>>1-1---K io

---A----11 p 1 N >-1 --K

Las caractersticas elctricas deseables en los diodos de potencia son las siguientes: Capacidad para soportar gran intensidad con pequea cada de tensin en el estado de conduccin o de polarizacin directa Capacidad para soportar elevada tensin con una pequea intensidad de fugas en el estado de bloqueo o de polarizacin inversa.

Los semiconductore.< ms empleados en la fabricacin de diodos son el germanio y el silicio. El silicio es, actualmente, el de mayor aplicacin. Sopona grandes cadas de tensin en bloqueo, as como remperaturas de trabajo muy elevadas (200"). El germanio presenta como principal ventaja una pequea cada de tensin en conduccin (0,5 V frente a 1 V en el silicio), pero por contra, su temperatura de trabajo es menor ( 120) y soporta menos tensin en bloqueo o inversa

2.2.1 Tcnicas de construccin y encapsulado de diodos de potencia

Los avances en los dispositivos semiconductores han dado como resultado un alto grado de perfeccin en la construccin de los mismos. Entre las diversas tcnica< de construccin de diodos de potencia, las ms importantes son la de difusin y la de crecimiento epitaxial. La primera de ella< es la m< empleada, mientras que la segunda, aunque ms costosa, permite controlar con mayor exactitud el espesor y el grado de dopado.

Sec. Diodos 13

Tttnlca de construccin del diodo de potencia: difusin

Para la fabricacin de diodos de po!encia por la tcnica de difusin, se parte de un cilindro monocristalino del elemento semiconductor (germanio o silicio) dopado con impurezas N (boro, por ejemplo). Es1e cilindro, que debe 1ener uno o ms centmeltos de ditnelto y varios cenmetros de largo, se cona en discos cuyo grosor es proporcional a la 1cnsin inversa mxima que se desea alcanzar.

El disco se introduce en un horno con atrnsfe.ra inene, en la que previamente se ha inyec1ado panculas aceptadoras (pancula~ P). s1a~ se difunden por una de las caras del disco hasta alcanzar en l una detenninada profundidad y concentracin. Por ltimo, se realiza otro dopado P muy imenso por la misma cara que el an1erior, con obje10 de disminuir la resistencia elctrica de la soldadura al terminal del nodo. La figura 2.2 muestra el proceso de difusin.

FIGURA 2.2 Dopado por difusin y concentracin de impurezas.

-------n ~ "fl

~ PPJ]

p

N p

Antes del d

Tras el dojXldo

Capa andic-a Capa catdica N N ~p p

p

Tcnica de constroccin del diodo de potencia: trecimiento epilaxlal

Para la construccin de un diodo de po1encia medianre la tcnica de crccimien10 epitaXial, se depositan sobre una lmina de cristal de semiconduc1or puro tomos procedentes de una fase gaseosa. Esta aunsfera gaseosa puede estar, a su vez, impurificada de paniculas. Esras partculas susti1uyen a tomos de la red cris1alina, concentrndose en el borde del substralo y creando imperfecciones cristalinas. Por ello, generalmenle los bordes de las pastillas construidas bajo es1a 1cnica se encuentran biscelados, con obje10 de evitar zonas dbiles para soponar la 1ensin inversa. Encapsulado

El encapsulado de un diodo de po!encia debe resolver tres problemas: el aislamien10 de la pastilla con respec10 a la aunsfera para evitar su de1erioro qumico, la conexin elctrica al circui10 y la extraccin del calor generado por las prdidas elc1ricas.


Los dos tipos principales de encapsulados son el de vstago y el pass-preck. El empleo de uno u otro depende de la intensidad nominal del diodo.

En el primero de los encapsulados citados, la pastilla se encuentra soldada por su cara inferior a una base de cobre a travs de un vstago roscado, que permite fijarla a un disipador metlico que asegura su refrigeracin y su conexin al ctodo. Por la cara superior, la pastilla se suelda a un terminal de cobre ms pequeo, que le permite su conexin al nodo. La pastilla se cierra hermticamente en atmsfera inene mediante una cpsula, bien cermica o bien metlica.

Cuando los diodos son de intensidades superiores a 700 A, se suelen encapsular con placas planas de cobre a ambos lados de la pastilla. Estas placas se fijan a unos radiadores para mejorar la disipacin de calor. A este tipo de encapsulado se le denomina pass-preck. Una pastilla con este tipo de encapsulado por ambas caras es capaz de trabajar a un 35% por ciento ms de intendidad que los de vstago, donde slo se disipa el calor por el ctodo.

2.2.2 Caractersticas estticas de los diodos de potencia

Las caractersticas estticas hacen referencia al comportamiento del diodo cuando se encuentra en estado bien de bloqueo o bien de conduccin.

Si se aplica una tensin inversa (v0 v, el diodo comienza a conducir, y la cada de tensin es muy pequea, del orden de 1 V para los diodos de silicio y de 0.5 V para los de germanio (figura 2.3).

Sec. Diodos

FIGURA 2.J Curva caracterstica de un diodo: (a) real, (b) ideal. io

1.ona de bloqueo in\1Ctsa

(a)

io

"

(b)

15

Ntese que en estado de conduccin el diodo no limita la intensidad establecida en el circuito. Esta intensidad depende de Jos elementos a los que se conecte el diodo, esto es, del circuito del potencia Cuanto mayor sea la temperatura de unin, la cada de tensin ser menor y, por tanto, la potencia disipada en Ja pa~tilla disminuye. Este hecho puede considerarse como una autodefensa del diodo contra el calentamiento. Sin embargo, el efecto resulta contrario para intensidades mucho ms altas que Ja nominal, donde aumenta la potencia disipada

En co11ducci11, el circuito equivalente puede representarse de forma muy aproximada por una pila de tensin U0 igual al potencial de unin del semiconductor en cuestin, en serie con una pequea resistencia r igual a Ja pendiente promedio de Ja curva v0 -i0 (figura 2.4).

FIGURA 2. Circuito equivalente de un diodo real.

Las prdidas que se originan en el diodo cuando se encuentra en estado de conduccin directa vienen expresadas por:


J T W = TJo Vo o dt

En un clculo aproximado, puede sustuirse la tensin ndo-ctodo por la de su circuito equivalente, por lo que la expresin 2.1 queda como:

W = f ( (Uo + r io) io de = Uo lo.+ r 10 (2.2) donde In. representa el valor medio de i"' e /0 su valor eficaz. Segn la ecuacin anterior, debido a su dependencia con la intensidad media, la potencia disipada est en funcin de la forma de la onda.

Hasta abora se ha analizado al diodo teniendo en cuenca sus caractcrlscas reales. Sin embargo, y como se ha expuesto anteriormente, dada la escasa corriente de fugas que circula por el diodo cuando est inversamente polarizado en comparacin con la corriente cuando lo est de forma directa, y el gran vollaje que soporta en polarizacin inversa respecto a la pequea cada de tensin en polarizacin directa, la curva caracterlsca v0-i0 del diodo puede considerarse ideal, obtenindose la represenlacin dada por la figura 2.3-b.

As, al analizar las topologas de los convertidores de potencia, se puede suponer que el diodo funciona segn su caracterlsca ideal (figura 2.3-b). Sin embargo, en el diseo real del circuito se debe utilizar su caracterfsca real (figura 2.3-a) para esmar, por ejemplo, el disipador requerido por el diodo en el circuito.

2.2.3 Caractersticas dinmicas de los diodos de potencia

El encendido de un diodo, o paso de bloqueo a conduccin, es muy rpido en comparacin con otros transitorios que se producen en el circuito de potencia. Al ser este empo prccamente inapreciable, durante el encendido puede considerarse al diodo como ideal.

Sin embargo, el apagado de un diodo o paso de conduccin a bloqueo no se efecta de forma instantnea. Si un diodo conduce en sendo directo una determinada intensidad /, la zona central de la unin se encuentra saturada de ponadores, siendo mayor la densidad cuanto mayor sea el valor de /. Si a connuacin el circuito exterior fuerza la anulacin de la corriente para llevar al diodo al es1ado de bloqueo mediante la aplicacin de una tensin inversa, tras el paso por cero de la corriente existir an en la unin una ciena cantidad de ponadores que cambian el sentido del movimiento y origina que el diodo conduzca en sentido contrario. Al cabo de un cieno tiempo esta corriente inversa se hace despreciable y el diodo queda completamente apagado. A este tiempo durante el cual circula corriente inversa se le denomina tiempo de recuperacin inversa (t"), y a la carga desplazada carga de recuperacin (Q,,). La intensidad de pico alcanzada en sendo inverso se llama intensidad de recuperacin Ir La figura 2.5 ilustra los conceptos anteriormente definidos.

Sec. Diodos 17

FIGURA 2.s Apagado de un diodo real.

D

In

V ,

El tiempo de recuperacin inversa de los diodos suele ser del orden de 1 O s, y el de los diodos rpidos oscila en1re 0.5 y 2 s .

La recuperacin inversa es un fenmeno indeseable que causa en ocasiones problemas en circui1os de alta frecuencia, pudiendo originar un calentamiento excesivo del diodo. Asimismo, la circulacin de intensidad en sentido inverso disminuye la eficacia de muchas operaciones de los circuitos electrnicos de potencia.

No obstante, existen otros muchos circuitos en los que la corriente inversa apenas afecta a su funcionamiento, por lo que el diodo puede considerarse como ideal tambin en el apagado.

2.2.4 Tipos de diodos

Dependiendo de las caracter!sticas de la aplicacin, pueden emplearse varios tipos de diodos:

Diodos Scbottky, que presentan una cada de tensin directa muy baja (tpicamente 0.3 V). La cada de tensin inversa que son capaces de aguantar es tambin pequea, y oscila entre los 50 y los 100 V. Diod os de recuperacin rpida. Se utilizan en aplkaciones de alta frecuencia, normalmente en combinacin con otros interruptores controlables, donde se precisan tiempos pequeos de recuperacin inversa. A niveles de potencia de varios cientos de voltios y varios cientos de amperios, estos diodos presentan tiempos de recuperacin inversa de pocos microsegundos . Diodos de frecuencia de lnea. Estos diodos presentan una pequea cruda de tensin directa. Por ellos pueden circular corrientes de varios kiloamperios, y son capaces de aguantar tensione. inversa de varios kilovoltios. Como consecuencia, su tiempo de recuperacin inversa es mayor, aunque resulta aceptable para aplicaciones de frecuencia de Unea (50 60 Hz). Estos diodos pueden conectarse en serie y en paralelo con objeto de satisfacer cualquier especificacin de corriente y tensin.


As, en muchas aplicaciones de alta tension, como puede ser el transpone en corriente continua, el empleo de un t1nico diodo resulta insuficiente para bloquear la 1e1L~in inversa que requiere el circuito. Con objeto de repanir la tensin a bloquear, se emplean varios diodos conectados en serie.

En otras aplicaciones de alta potencia, un diodo puede no ser capaz de permitir que circule una cantidad de corrienre tan grande como la que se origina. Para aumentar la capacidad de transpone de esta~ intensidades tan elevadas, los diodos se conectan en paralelo. A continuacin se mue.~tran las principales caracterstica~ de funcionamiento de los diodos cuando son conectados en serie y en paralelo.

Diodos ('()Q:tttados en serle

La figura 2.6-a muestra un circuito con dos diodos D, y D2 conectados en serie e inversamente polarizados. Al estar conectados en serie, la corriente de fugas i, que circula por ambos diodos es la misma. Si D, y D2 fuesen exactamente iguales, las tensiones inversa~ que soponan deberan ser idnticas. Sin embargo, en la prctica no ocurre a~r ya que, por razones de tolerancias en la fabricacin, las curvas caractersticas de ambos diodos difieren ligeramente (figura 2.6-b). Esro origina un repano desigual de la tensin inversa a bloquear por cada semiconductor.

El rcpano desigual de la tensin a bloquear constituye, precisamente, el principal inconveniente de los montajes en serie de diodos. Una solucin a este problema consiste en aadir otros elementos al circuito que permitan regular la cantidad de tensin a bloquear por los diodos. As, colocando en paralelo con cada diodo resistencias de valores detemlJlados, puede conseguirse igualar los valores de v' y de v0 2. El circuito resultante se muestra en la figura 2.7-a.

f!Gu RA 2.6 Diodos conectados en serie.

(a)

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1

(b)

V

Sec. Diodos 19

r1cuRA z.1 Diodos conectados en serie. Circuito modificado.

I

01 :;~i 01 I R1 I I iR 1 ~ is1 I

-VOi:: \'02.

--==--vi V R,

o, f;+:' 1

-id :/ "----------

-ia s. I R2 is I

(a} (b}

La corriente i, que circula por la pila (figura 2.7-a) se reparte entre la que circula por cada diodo y su resistencia en paralelo. Por tanto:

Vo1 JR.1 = R,

Vo2 R? : R,

(2.31

U.Al

(2.SJ

Si se introducen las expresiones 2.4 y 2.5 en Ja ecuacin dada por 2.3, se obtiene que:

Vo1 is1+R 1

(l.A>j

Como los valores de vDI y v02 resultan conocidos e iguales a la mitad de la tensin de la pila, es decir, v01 = vni = Vs/2, si se sustituyen en las curvas v-i de cada diodo (ver figura 2.7-b) se obtienen is1 e i". Una vez introducidos los valores ya conocidos de is1, iS?, v,,, y v"' en la ecuacin 2.6 se obtiene Ja relacin que deben cumplir las resistencias. De esta forma, fijando el valor de una de ellas, por Ja ecuacin 2.6 se obtiene el de Ja segunda.

Si se eligen R1=R1=R, al ser los diodos ligeramente diferentes tambin Jo sern las cadas de tensin en Jos mismos. Por tanto, para calcular v,,, y v,,, se deber resolver el sistema de ecuacione.~ dado por:


Diodos cooectados en pJU"alelo

J is1 + v~, :: is2 + v~, l Vo1 + Vo2 :: V s (2.7)

La figura 2.8-a muestra un circuito con dos diodos D, y D2 conectados paralelo y polarizados en directa. Este montaje se empica para aumentar la capacidad de transporte de grandes cantidades de corriente. En el caso ideal en que D, y D2 fuesen exactamente iguales, la corriente que circula por cada uno de ellos sera idntica. Pero en la prctica no ocurre as, sino que las curvas caracterfscas de cada diodo difieren ligeramente una de la otra (figura 2.8-b). Esto origina un reparto desigual de la intensidad que circula por cada semiconductor.

FIGURA 2.s Diodos conectados en paralelo.

isi

(u) I

I I

I

/ /

:1 i..? l

1: '

\'Ol : VD~

(b)

V

Si se aaden resistencias conectadas en serie con cada uno de los diodos, puede equilibrase el reparto de la intensidad en cada una de las ran1as del circuito. De esta forma se logra igualar las intensidades que circulan por los diodos. El montaje resultante se muestra en la figura 2.9.

De la figura 2.9 se ex1raen las siguientes ecuaciones:

Cl.8)

donde:

(2.9)

(l..10)

Sec. Interruptores controlables.: caracter1sticas gooe:rafes 21

Si se introducen las expresiones dadas por 2.9 y 2.10 en 2.8 se obtiene que:

(l..11)

r1cuRA :z.9 Circuito resultante.

Sl is1 I I R, R, I

id = b2 . o, 7 + o, + J v. ~ : T vru T vo1 \!DI ~'02 y / /

I (a) I

I I

(b)

Como se desea conseguir un igual reparto de intensidades, los valores de i,1 y de ;., resultan conocidos, esto es, iguales a la mitad de la intensidad /,: i,1 :: ;., :: 1512. As, si se sustituye este valor en las curvas v-i de cada diodo (figura 2.9-b) se obtienen vDI y v02. Una vez introducidos los valores i_.1, i.,. vm y v,,1en la ecuacin 2.11 se obtiene la relacin que deben cumplir las resistencias. De esta forma, fijando el valor de una de ellas, por la ecuacin 2.11 se obtiene el de la segunda.

2.3 Interruptores controlables: caractersticas generales

Existen varios tipos de semiconductores de potencia cuyo encendido y apagado se realiza mediante seales de control. Estos semiconductores, entre los que se encuentran los BJTs, MOSFETs, GTOs e IGBTs, se denominan i111ermptores co11trolub/es.

Los interruptores controlables no permiten la circulacin de corriente cuando estn apagados, y cuando se encuentran encendidos sta lo hace en un solo sentido.

Un interruptor controlable ideal presenta las siguientes caractersticas: Bloquea cualquier tensin directa e inversa, arbitrariamente grande. cuando est apagado. Conduce corrientes arbitrariamente grandes con una cada de tensin nula cuando estn encendidos. Conmuta instantneamente de su estado de encendido al de apagado y viceversa cuando se le introduce la seal o seales de control. La potencia necesaria para controlar el interruptor es muy pequea.

Cap. SemJconductores de potencia (1): diodos e lnterrup1ores controlab'9s

Los interrup1ores controlables reales, a diferencia de los ideales, no presentan las caracteslicas an1eriores y consumen potencia. Si la polencia que disipan alcanza valores elevados, puede originar la dcs1ruccin por sobrecalenuunicn10 del propio dispositivo y de los componentes a l conectados.

Para esiudiar la polencia disipada y los 1iempos de conmu1acin en un inlerruptor controlable real, considrese el circui10 de la figura 2.10, que represen1a una situacin que aparece con frecuencia en la electrnica de polencia. En este circuito, Ja corriente que circula por el in1erruptor controlable Jo hace 1ambin a travs de una o varias induc1ancias que manlienen Ja corriente a un valor prcticamente cons1an1e, de ah que se las represente como una fuen1e de corriente de valor I;- El diodo se considera ideal.

FIGURA 2.10 Circuito para el estudio de un interruptor controlable real.

O

v. + ir.>-----'

+ ~T

Cuando el interrup1or es1 abierto, toda Ja corrien1e 10 fluye a travs del diodo, apareciendo una cada de 1ensin en el in1crrup1or de valor v,. Cuando el interruplor se cierra, circula por l 1oda la corriente 10 y el diodo se encuentra polarizado en inversa. La figura 2.11-a muestra las formas de onda de la in1ensidad y de Ja 1ensin del in1errup1or cuando se aplica una seal de control de frecuencia f,= J/fr donde T, representa el periodo.

A continuacin se analizan Jos distintos intervalos a considerar en la conmutacin peridica del i11terruptor, esto es:

Conmutacin de apagado a encendido. Interruptor encendido. Conmutacin de ence11dido a apagado. Interruptor apagado.

Conmutacin de apagado a encendido

Cuando se le aplica al interruptor la seal de control para provocar su encendido, se requiere un pequeo tiempo td!M denominado tiempo de retraso en el e11ce11dido, para que comience a circular corrien1e por l. Al cabo de un cier10 tiempo t,, (tiempo de subida de corriente o c11rrent rise time) Ja corriente por el interruptor ha alcanzado su


valor mximo lo. dejando de circular corriente por el diodo al quedar sre polarizado en inversa. As, una vez que la corrienre por el in1errup1or vale lo. comienza a disminuir su cada de tensin ha~ra un pequeo valor V~ Al empo que tarda la tensin en el interruptor en caer desde V, basta V~ se le denomina'" (empo de bajada de rensin o voltaje fa// time). Las fonna~ de onda duran!e el encendido del interrup!or quedan representadas en la figura 2.11-a.

FIGURA 2.u Curvas de intensidad, cada de tensin y potencia instantnea en un interruptor controlable.

(a) VT. IT

pr(t) Vd!O

S


Se ha supues10 despreciable la po1encia disipada duranle el tiempo de retraso t.iM, La energa w,,M, se corresponde con el :irea rayada en la figura 2.11-b. Interruptor enttndido

Una vez que el interruptor queda totalmente encendido, su calda de tensin vale V 00 y la corriente que circula por l es lo- El interruptor permanece en este estado durante un tiempo tM, generalmente mucho mayor que los tiempos de co11mu1acin de encendido y apagado. La energa disipada en este tiempo 1,,. vale:

(1.1 .. )

Coruuutacln de eocendldo a apagado

Desde el momenio en que se aplica en el interruplor la seal conveniente para apagarlo hasta que la 1ensi11 en el interruptor comieriza a aumenrar, transcurre un tiempo denominado t4..,,, o tiempo de retraso e11 el apagado.

Durante un tiempo t~ (tiempo de subida de tensin o time rise vollllge) la tensin en el interruptor crece hasta alcanzar su valor mximo de V4 . Una vez que la 1ensin ha llegado a este valor mximo, el diodo entra en polarizacin direc1a y comienza a conducir. Esto origina la disminucin de la corrienie que circula a travs del interruptor, que se hace cero al cabo de un tiempo tfi (tiempo de bajada de corriente o c11rre11t fa// time). As, el tiempo de apagado del interruptor controlable viene dado por:

(l.15)

Durante el tiempo t.,..,,,. que incluye el tiempo de subida de 1ensin t~ y el tiempo de bajada de corriente tfi, aparecen tensiones y corrien1es apreciables en el interrup1or, que pueden originar imponantes prdidas. La energa disipada en el apagado del interruptor, suponiendo lineales Ja subida de tensin y la bajada de corrien1e, se calcula como:

1 W c-(off) -= 2 Vd lo lc-(of f) (l.16)

donde se supone despreciable la prdida de energa durante el tiempo de retraso tdlffl La energfa W


Una vez analizados los distintos intervalos a que da origen la conmutacin peridica del interruptor, se muestra en la figura 2.11-b la potencia instantnea pr=vr ir disipada a lo largo del periodo Tr En ella se observa que los valores mximos de la potencia instantnea se producen en la conmutacin. Como en cada periodo el interruptor se enciende y se apaga/, veces, la potencia media disipada en las conmutaciones (P,) se calcula como:

p _ Wctonl+Wctoff) _ ! V 1 ( ) ~ - Ti - 2 d O l~(on) + l~(ot) (l..17)

De la ecuacin 2.17 se deduce que la potencia perdida en la conmutacin del interruptor vara linealmente con la frecuencia de la seal de control y con el tiempo de conmutacin. De esta forma, si el tiempo de conmutacin es grande, se requiere una frecuencia pequea para evitar grandes prdidas de potencia. Asimismo, si el tiempo que dura la conmutacin es pequeo, podr aumentarse la frecuencia de conmutacin.

Otra contribucin a las prdidas de potencia es la que se origina cuando el interruptor se encuentra activado. Esta potencia media vara linealmente con la tensin V~ como indica la ecuacin siguiente:

(l..1.8)

Por tanto, para minimizar el valor de P M se debe procurar que V M sea lo ms pequeo posible. En resumen, la potencia media P, disipada en un interruptor controlable viene dada por la suma de la producida mientras que est en funcionamiento y la debida a las conmutaciones:

(2.19)

donde, como se apunt con anterioridad, se considera despreciable la poiencia consumida por el interruptor cuando est desactivado.

As, atendiendo a las consideraciones anteriores, las caractersticas deseables de los interruptores controlables son las expuestas a continuacin:

Pequea corriente de fugas cuando estn desactivados. Pequea cada de tensin VM cuando estn activados. Tiempos de encendido y apagado conos, lo cual permitir su empleo a frecuencias altas de conmutacin. Capacidad para bloquear grandes tensiones directas e inversa~. Con ello se elimina la necesidad de conectar en serie varios dispositivos que requiere un sistema de control y proteccin ms complejo. Capacidad de conducir corrientes grandes, evitando as tener que disponer de varios dispositivos conectados en paralelo, con los problemas de repano de corriente que sto supone.


Pequea potencia de control para acvar y desactivar el interruptor, lo que simplifica bastante el circuito de conttol.

A connuacin se lleva a cabo una pequea introduccin de diferentes interruptores conttolables empicados en la electtnica de potencia. Entte ellos, se estudian aqu las caractesticas generales de los BJTs y los MOSFETs, mienttas que los GTOs se ttatarn en el siguiente capitulo.

2.4 Transistores bipolares (BJT)

Los ttansistores bipolares son el resultado de aadir una segunda regin P o N a la unin PN de los diodos, dando lugar a ttansistores PNP o NPN. Estos ttansistores constan de ttes terminales denominados colector, emisor y base.

La figura 2.12-a representa el snbolo de un ttansistor bipolar NPN. Su curva caractesca real v-i viene dada por la figura 2.12-b, y representa la tensin colector-emisor vcc frente a la corriente a ttavs del colector ic para una intensidad de base i8 dada.

En estos ttansistores se disnguen ttes regiones de operacin: regin de corte, activa y de saturaci611. En la regin de cone, la corriente de base es tan pequea que no permite el encendido del ttansistor. En la regin activa, el ttansistor acta como un amplificador, donde la corriente por la base se amplifica por una ganancia y la tensin vcc entte el colector y el emisor disminuye con la corriente de base. En la regin de saturacin, la corriente de base es tan alta que la tensin entte el colector y el emisor es muy pequea. Por tanto, debido a que en electtnica de potencia los ttansistores suelen trabajar a modo de interruptores, esto es, en las regiones de saturacin y cone para los BJT, se emplea generalmente su curva caractesca ideal que aparece en 2. 12-c.

La tensin de saturacin enttc los terminales de colector y emisor vcc,_, en estos ttansisrores se encue111ra, generalmente, en el rango de 1 + 2 V, por lo que las prdidas de potencia en conduccin son muy pequeas.

Para mantener en funcionamiento un ttansitor BIT, esto es, para que fluya corriente por el terminal de colector, se requiere un suministto connuo de corriente en la base. Debido a la dependencia de la corriente de colector con la intensidad de cnttada o de base, la ganancia de corriente depende fuenemenre de la temperatura de la unin.

La ganancia de intensidad en corriente connua de estos ttansisrores /FE varia en el rango de 5 a 1 O si el dispositivo es de alta potencia, por lo que a veces se requiere su conexin en Darlingron o en !tiple Darlingion para incrementar esta ganancia (ver figura 2. 13). Estos montajes, sin embargo, ofrecen cienas desventajas tales como una conmutacin ms lenta, adems de una tensin vcEr-i entte colector y emisor en saturacin ligeramente ms alta.

Sec. Transistores bipolares (BJn 27

Los transistores BJT pueden trabajar con rangos de tensiones por encima de los 1400 V, y con intensidades que alcanzan unos pocos de cientos de amperios.

FIGURA 2.12 Transistor bipolar NPN: (a) sfmbolo, (b) curva iv caracterstica, (c) curva ideal.

ColectOt' e iic ~ +

Base B -+ VBE

E

Enlisor (a)

ic

On

Off

(e)

ic

' in .. > ia1 > ioo /,,..------ ms

1 >- [j_..l~~~~~~- ~

':. /,.:...------- mi 1,f...:;~------ m1 lf-..:...~~~~--:-:::;;-- IBI is=O

VCEt.


fatos transistores constan de tres tenninales: dre11ador, puerta y fue/lle. Como muestra Ja figura 2. 12-b, si Ja tensin entre Jos tenninales de puena y fuente ves es lo suficientemente grande, la intensidad a travs del drenador es muy elevada y el dispositivo siempre se encontrar en funcionamiento. Si, por el contrario, la tensin ves resulta ms pequea que un valor umbral vcsr..,, el transistor MOSFET se encontrar apagado. Las caractersticas ideales de este dispositivo operando bajo las dos condiciones descritas, esto es, funcionando como un interruptor, se muestra en la figuro 2.12-c.

Los transistores MOSFETs requieren para su funcionamiento la aplicacin pennanente de una tensin de magnitud apropiada entre sus terminales de puena y fuente. Por el terminal de puena no fluye corriente alguna, excepto durante las transiciones entre el encendido y apagado y viceversa, en Ja que la capacidad de puena se carga y se descarga. fatos tiempos de conmutacin son muy cortos, comprendidos en el rango de unas pocas decenas de nanosegundos a unos pocos cientos de nanosegundos, dependiendo del dispositivo.

nGURA 2.14 Transistor MOSFET de canal n: (a) smbolo, (b) curva v-i caracterstica, (c) curva ideal.

(a)

io

On

io

VGS. > \ 'GSI

1------------VUSl

~o. 11-------------VGS?

t-------------\'O~H

Off

VDS

(e)

'orr (b)

""'

Sec. Contenidos princpa.Jes 29

Las prdidas originadas en la conmutacin de estos dispositivos son muy pequeas, debido a la rapidez con que stas se producen (ecuacin 2.17). Sin embargo, no ocurre asl con las prdidas en conduccin.

Los transistores MOSFETs pueden empicarse con voltajes que exceden los 1000 V si la corriente que circula por ellos es pequea, y con intensidades por encima de los 100 A si la tensin en tambin pequea. El mximo voltaje entre la puerta y la fuente es de 20 V, aunque su control puede realizarse con tensiones 'as de 5 V.

Los transistores MOSFETs permiten fcilmente su conexin en paralelo, ya que su resistenia en conduccin posee un coeficiente de temperatura posivo. Esto origina un calentamiento en el disposivo que conduce una corriente ms elevada, forzndolo al reparto equitavo de su corriente con otro MOSFETs simado en paralelo.

Los BJTs y Jos MOSFETs poseen caracterlscas que se complementan entre s en muchos aspectos. Asl, los BJTs poseen menores prdidas en conduccin, pero poseen empos de conmutacin mayores, especialmente durante el apagado del dispositivo. Los MOSFETs, sin embargo, pueden encenderse y apagarse ms rpidamente, pero poseen mayores prdidas en conduccin. Adems, la capacidad para bloquear grandes tensiones y conducir grandes intensidades e.< mejor en los BJTs que en Jos MOSFETs.

2.6 Contenidos principales

t. Los diodos de potencia juegan un papel muy importante en los circuitos de electrtca de potencia. Actan como interruptores, y son empleados en mltiples aplicaciones: rectificadores, aislarneoros, etc.

2. Los diodos de potencia pueden considerarse como ideales, aunque en la prcca existen ciertas limitaciones a esta suposicin. Aunque su esrruc1ura consiste, al igual que en Jos diodos ordinarios, en una unin PN, los diodos de potencia son capaces de conducir mayores intensidades y bloquear mayores tensiones que los de pequea seal.

J. Pueden disnguirse varios tipos de diodos, entre ellos Jos diodos Schorlk-y, diodos de recuperacin rpida y diodos de frecuencia de lnea.

. Para el bloqueo de grandes tensiones inversas suelen emplearse varios diodos de potencia conectados en serie. Si. por el contrario, se desea la circulacin de intensidades muy elevadas, se emplea el montaje en paralelo de varios diodos de potencia. Para provocar un reparto equitativo de la tensin a bloquear por los diodos o de la intensidad a conducir, se aaden orros elementos al circuito tales como resistencias.

s. En este caprulo se han analizado las caracterlscas deseables para un interruptor conrrolable, esto es, para aquellos interruptores de potencia en los que el encendido y el apagado de los mismos se realiza mediante seales de control. Tambin se han presentado las caracterlscas principales de dos de ellos. en concreto de los BJTs y de los MOSFETs, dejando el anlisis de los GTOs para un captulo posterior.

6. En aplicaciones en las que prime Ja velocidad en la conmutacin del interruptor


controlable, se empican los transistores MOSFETs. Sin embargo, las prdidas en conduccin que originan son mucho mayores que las que se producen en los transistores bipolares o BJTs y su capacidad para bloquear grandes tensiones y conducir grandes intensidades son tambin menores.

3.1 Introduccin

C APTULO 3 Semiconductores de potencia (11): tiristores

31

Los tiristores son los dispositivos semiconductores de potencia ms antiguos y uno de Jos ms empleados en la acrualidad. En un primer momento se les denomin SCR (Si!111icond1utor Ctmtro//ed Rectifiers) y surgieron a mediados del siglo XX como resultado de las investigaciones llevadas a cabo en Jos laboratorios de investigacin de Ja General Electric.

Los liristores se componan, de forma aproximada, como un diodo rectificador con iniciacin de Ja conduccin controlada por un tercer terminal denominado puerta. Poseen casi todas las ventajas de Jos diodos de silicio, corno son el funcionamiento a temperaturas muy airas, fiabilidad, robustez, etc. Presentan, adem.~. una disipacin pequea y, por tanto, un elevado rendimiento, caracterstica fundamental en todo dispositivo semiconductor de potencia.

La importancia de Jos tiristores en los circuitos de electrnica de potencia reside en su capacidad de bloquear grandes tensiones y conducir grandes corrientes. En este captulo se esrudia su estructura bsica, formas de funcionamiento y circuitos de proteccin de Jos tiristores convencionales SCR. Tambin se analizan en detalle diversas variantes de Jos tiristores, en concreto los denominados GTOs, TRIACs, SCSs y DIACs.

3.2 Estructura bsica de un tiristor de potencia

En un sentido general, recibe el nombre de liristor cualquier dispositivo con una estrucrura PNPN. La figura 3.1 muestra la seccin venical de un tiristor, as como las

32 Cap. Semiconductores de potencia (11): tiristores

dimensiones del ancho de cada capa alternativa tipo P y tipo N y sus correspondientes densidades de dopado.

m;uRA J.1 Seccin vertical de un tiristor. Puerta Ctodo

1

/N2 + J019 c1n.J} \ N2 + 1019 c-rnl \

P2 1017 cnr3

N, - 1013- 5 x 1014 cm3 J 1 r, 1017 c-inl

I ---------------P,+ 1019cm3 . l Anodo

1 JOm

30-100 m

50- 1000 to

30-50m l.

La capa andica P, tiene un espesor rela1ivo moderado y est muy dopada en la superficie exterior para facilitar el contacto elctrico con el terminal metlico del nodo. La capa de bloqueo N1 es la de mayor espesor y tiene una baja concentracin. La capa de control P1 es ms estrecha que las anteriores porque debe permitir fcilmente la llegada a N1 de los elecLrOnes emitidos por N1 en el estado de conduccin. La capa catdica N1 es la ms delgada y se encuentra muy dopada para facilitar la emisin de elecLrOnes y el contacto elctrico con el terminal metlico de ctodo.

En lo referente a las dimensiones laterales, Jos tiristores son de los dispositivos semiconductore.< ms grande.

Sec. CuNa caractertslica de un tiristor de potencia 33

nGu RA u Diferentes disposiciones (layouts) de los terminales de puerta y ctodo en un tiristor.

Ctodo Puerta

Oblea Oblea

Puerta distribuida

rea de Ci!todo

La figura 3.3 muestra el smbolo que representa a un tiristor de potencia. Consta de tres tenninales: nodo, ctodo y puerta. El terminal de puerta es el terminal de contt01. Los sentidos de las corrientes y de las tensiones consideradas como positivas quedan reflejadas de igual forma en la figura 3.3.

ncuRA 3.J Smbolo de un tiristor de potencia. nodo A nodo A

. j+T PuertaG~ t~AK

PuenaG

N1

P, J 1: unin andica

J 2: unin de COtllJ'OI

J 3: unin catdica

C1odo K C1odo K

B~icamente, el funcionamiento de un liristor es el siguiente: con la puerta en circuito abierto o cortocircuitada al ctodo, el liristor es capaz de bloquear tensin directa o inversa aplicada a los terminales de nodo y ctodo basta un cierto valor lnite. Con tensin positiva entre nodo y ctodo, el liristor entra en conduccin si se le aplica a la puerta un impulso de intensidad adecuada, cayendo Ja tensin v,K a un valor muy pequeo (1 V aproitimadamente). fate estado se mantiene an en ausencia de la corriente de puerta gracias a un proceso interno de regeneracin de portadores. Cuando las corrientes que circulan por el tiristor disminuyen por debajo de cierto valor el tiristor pasa a estado de bloqueo.

3.3 Curva caracterstica de un tirlstor de potencia

La figura 3.4 muestra la curva caracterstica de un liristor de potencia, que viene dada en funcin de la corriente i1 que circula desde el nodo al ctodo frente a la tensin nodo-ctodo v.


ncuRA J.4 Curva caracterfstica de un tiristor de potencia. iT

t Zona de bloqueo

inverso

lt IH

Zona de conduccin (estable)

Zona ines(abJe ic > o ic:;1 > ica > ia3

Zona de bloqoeo directo (estable)

YAK

Como se observa en la figura 3.4, un ristor en bloqueo inverso (v,,O. se distinguen dos estados o modos de operacin estables separados por uno inestable, que aparece como una resistencia negativa en la curva v, x-ir. El primer estado esrnble se corresponde con la zona de bloqueo directo, y se caracteriza por un elevado valor de la tensin nodo-c1odo y una pequea intensidad ;,.. El segundo estado estable se corresponde con la zona de conduccin, y en l la cada de tensin nodo-ctodo es muy pequea mientras que la intensidad que lo atraviesa alcanza valores muy elevados. As, en este modo el ristor puede conducir corrientes de hasta 2000 3000 A con una cada de tensin de slo unos pocos de voltios.

En la curva caracterstica de un ristor (figura 3.4), es preciso definir cienos valores caractersticos de intensidad y tensin. As, la intensidad de mantenimiento 111 (holding current) se define como ta mnima corriente que debe circular por el ristor para que se mantenga en estado de conduccin. La tensin correspondiente a esta corriente v11, representa la mnima cada de tensin en estado de conduccin.

En estado de bloqueo directo, se define la tensin de rup!Ura directa v,., de un tiris tor como la tensin a panir de la cual, con una intensidad de puenn nula, el tiristor comienza a conducir. Si se le aplica una intensidad de puena al ristor estando ste polarizado en directa, el tiristor comenzar a conducir con un valor de v,. menor que v80 Como se observa en la figura 3.4, cuanto mayor sea la intensidad de puena ia menor

Sec. caracter1stlcas de k>s tiristores 35

ser la tensin v,K necesaria para que el tiristor entre en conduccin y cunto mayor sea esta tensin externa v,K aplicada al tiristor, menor ser la corriente de puerta ic para dispararlo. En el momento en que el tiristor entra en conduccin y para que quede efectivamente encendido, debe circular por l un corriente mayor que la intensidad de enclavamiento 1, (/atching current). Una vez que el tiristor ha entrado en conduccin, la cada de tensin en l es muy pequea (en tomo a J V) y la elevada corriente que lo atraviesa depende del circuito exterior.

La diferencia bsica entre los estados estables de conduccin y bloqueo en un tiristor es debida a la densidad de corriente. Asf, la intensidad de mantenimiento marca el paso irreversible del estado de conduccin a bloqueo directo. El paso contrario de bloqueo a conduccin consistir en la creacin de las condiciones necesarias para que la densidad de corriente en algn punto de la pastilla alcance un valor suficiente para que se mantenga el proceso regenerativo que garantiza este estado. Esca zona inicial de conduccin se extender inmediatamente a toda la pastilla si el circuito exterior permite la circulacin de intensidad suficiente.

La corriente de puerta que es necesario aplicar para disparar al tiristor no tiene que ser continua, sino que ba~ta con un pulso de corriente (de duracin mnima) para conseguir que el tiristor entre en conduccin, mantenindose este estado gracias al proceso regenerativo. Asf, el circuito de control slo consume potencia durante el proceso de disparo del tiristor y no durante codo el tiempo de conduccin del mismo. Es precisamente la propiedad de los tiristores de ser encendidos mediante pulsos de corriente de puerta la causa de la amplia difusin en el empleo de estos dispositivos.

El apagado de un tiristor se consigue a travs del circuito exterior, que fuerza a que por el dispositivo circule una corriente menor que la intensidad de mantenimiento 111 durante un tiempo mnimo.

Sin embargo, se han desarrollado algunos diseos especiales de tiristores en los que se utiliza el terminal de puerta para el apagado. Estos tiristores especiales se denominan GTO (GPte Thm Off devices).

3.4 Caractersticas de los t lrlstores

A continuacin se exponen las caractersticas de los tiristores cuando entre nodo y ctodo existe tensin positiva o negativa

a) Bloqueo directo: v AK > O.

Si la tensin en el nodo es mayor que la del ctodo, las uniones 11 y J, se encuentran directamente polarizadas (figura 3.3), por lo que la cada de tensin en ellas es prcticamente nula. En cambio, la unin de control 11 se encuentra polarizada en inversa, es decir, toda la tensin v..x aplicada en los terminales del tiristor cae en J2:

(3J)


Si en esta situacin de polarizacin directa la tensin v,. en los tenninales del ristor crece mucho, Ja calda de tensin en 12 tambin aumentar y podra entrar en ruptura por avalancha, provocando la en1rada en conduccin del ristor.

b)Bloqueo inverso: v,"

Sec. FOfmas de disparo de un tiristOf 37

3.S.l Disparo por tensin excesiva

Si ta tensin vK entre nodo y ctodo se acerca al valor de ta tensin de ruptura directa v,.,, parte de los minoritarios que atraviesan ta unin de control adquieren ta energa suficiente para generar por choque con la red cristalina nuevos pares electrn-hueco que pasan a engrosar ta corrieme en tas zonas de bloqueo y de control. Estos nuevos portadores pueden, a su vez, ocasionar ta generacin de otros pares electrn-hueco, que da lugar a un aumento considerable de ta corriente de fugas al entrar ta unin de control J1 en avalancha. Cuando esta corriente de fugas alcanza un valor superior al de enclavamiento, et ristor entra en estado de conduccin y ta tensin nodo-ctodo cae rpidamente al desaparecer la zona de carga espacial en ta unin de control (figura 3.5).

ncuRA 3.5 Disparo por tensin excesiva. iT

"-

IH

veo YAK

Esta forma de disparo raramente se emplea para pasar a un ristor a estado de conduccin de forma intencionada. Sin embargo, sf se da de forma accidental o fortuita debido a sobretensiones anomiates en tos equipos.

3.S.2 Disparo por impulso de puerta

Et procedimiento normalmente empleado para disparar un ristor consiste en aplicar en la puerta un impulso posivo o entrante de intensidad mediante ta conexin de un generador adecuado entre la puerta y el ctodo, a la vez que se manene una tensin positiva entre ambos terminales (vAX>O).

La figura 3.6 representa la parte de ta paslla que alberga el rea intermedia entre los tenninales de puerta y ctodo.

38

n GURA 3.6

Cap. Semiconductores de potencia (11): tiristores

Disparo por impulso de puena: (a) Iniciacin del impulso de puena, (b) Terminacin del impulso de puena.

P, N, Unin de

nodo (J,)

P, N Unin de nodo

(J 1)

+ +

+ +

Tenninal puerta

-e~-+ +

+

Unin de conltOI

(12) (a)

+ + + +

+ + +

+

Unin de COUltO)

02) (b)

Ge

Unin de ctodo

(J3)

Tennin.al ctodo

Ternllnal puerta

Unin de ctodo

O..>

Temtinal ctodo

Al iniciarse el impulso de intensidad de puerta ic (figura 3.6-a), una nube de huecos h parten del terminal de puerta a travs de la capa de control P1 en un recorrido lateral hacia la zona de la unin del ctodo J,. Simultneamente, una nube de electrones se inyecta por la unin de ctodo 11 en la capa de control P1 e inicia su recorrido lateral al encuentro de los huecos. Lo mismo que stos, tienden a acercarse por difusin a la


unin de control 12 Algunos de los electrones son captados por su elevada barrera de tensin y se aceleran hacia la capa de bloqueo N,, arrancando pares electrn-hueco por choque con los tomos de la red cristalina. La velocidad de generacin de los pares eletrn-hueco depende de:

La intensidad de puerta. Cuanto mayor sea la intensidad de puerta, ms huecos sern inyectados en la capa de control P2, originando una mayor atraccin electrosttica que hace que un mayor nmero de electrones cruce la unin de ctodo J, y se generen ms pares electrn-hueco. La tensin v,x aplicada por el circuito exterior. Como la tensin entre nodo y ctodo v,x es aproximadamente igual a la cada de tensin en 12, si vAX aumenta lo har la intensidad de campo it en la capa de control, por lo que la aceleracin con que los electrones cruzan la capa de control 12 ser mayor, creciendo la probabilidad de generacin de pares electrn-hueco. La temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura mayor ser la energa de los electrones para escapar de la red cristalina (mayor movilidad).

Los huecos generados se dirigen hacia la unin de ctodo J, y a su llegada extraen una nube de electrones por atraccin electrosttica, que a su vez se dirigir en parte a la unin de control 12, pudiendo generar nuevos pares electrn-hueco o bien se recombinan en la capa catdica N,. Un proceso anlogo ocune con los electrones que cruzan la unin de control 12 dirigindose hacia la unin de nodo, y pueden generar ms pares electrn-hueco al cruzar J,.

Los huecos generados realizan la misma misin que los huecos inyectados inicialmente por la puerta, es decir, aumentar la corriente, por lo que se crea un rea local de conduccin en la parte de la pastilla cubierta por el terminal de ctodo y vecina al terminal de puerta. Si la densidad de corriente alcanzada es suficiente, esto es, si se ha producido una generacin importante de pares electrn-hueco, la conduccin se mantiene independientemente del impulso de puerta, y el rea de conduccin se extender a toda la pastilla siempre y cuando el circuito exterior permita intensidad suficiente.

Los portadores inyectados por la corriente de puerta siguen teniendo influencia durante cierto tiempo despus de la anulacin de la intensidad de puerta ic hasta que desaparecen por recombinacin (figura 3.6-b).

Si el circuito exterior fuerza un crecimiento muy rpido de la intensidad, puede darse el caso que la densidad de corrieme sea muy elevada en un punto aislado y se destruya el tiristor por temperatura excesiva. De al que el fabricame indique una derivada mxima permitida para la intensidad de nodo al entrar conduccin (di,/ dt).~ y que no debe superarse en la prctica.

Para explicar de forma analtica el funcionamiento de un tiristor cuando se dispara por un impulso de corriente, considrese el modelo de un tiristor representado oomo dos transistores PNP y NPN conectados como indica la figura 3.7.


n cuRA J.7 Representacin del tiristor como dos transistores.

G

A i,_=iA

r - - -----

1 p 1

1 Q, N - N

1 p - p

w ~ 1 1 N L------

-

K

- ..

Q,

_J

Q, (a,) ,.,

A

(a1) y ('1): ganancias de corriente. K

Si la tensin entre nodo y ctodo v,. es lo suficientemente grande, los transistores Q1 y Q2 se encuentran en activa. Si se aplica la ecuacin de Ebers-Moll le = a.!,+ l e80 a ambos lrallsistores, donde leBIJ representa la corriente de fugas entre el colector y la base del iransistor con emisor a circuito abierto y cuyo valor es muy pequeo, se obtiene que:

(l.;I)

(3.5)

De la figura 3. 7, se extrae la expresin de la corriente de nodo como:

(H)

donde sustituyendo las expresiones 3.4 y 3.5 se obtiene que:

(3.7)

Si se aplica por el terminal de puerta G una corriente de disparo de valor:

(3.8)

de donde:

(3.9)

e introduciendo la expresin 3.9 en la dada por 3.7 se obtiene que:

(3.10)


Despejando el valor de' de la ecuacin 3. 10 queda que:

(3.11)

La ganancia de corriente a de cada transistor depende de la corriente del emisor, por lo que:

a, depende de IA (3.12J

a? depende de r. = JA+ IG (3.13)

Por tanto, si aumenta la corriente de puena le, por la frmula 3.11 aumenta la intensidad 1., que a su \ 'CZ provoca un aumento de las ganancia~ a, y a2 (expresiones 3.12 y 3.13), por lo que por la ecuacin 3.11 'aumenta an ms su valor. Es decir, se produce una realimentacin positiva o rcgenerativa. De esta forma, una vez disparado el tiristor por una pequea corriente de puena, la corriente se mantiene por un proceso de realimentacin positiva sin necesidad de mantener dicha corriente de puena.

3.5.3 Disparo por derivada de te.nsin

Si a un tiristor se le aplica un escaln de tensin positivo entre nodo y ctodo con un tiempo de subida muy cono del orden de microsegundos (dv,.ldt muy grande), los ponadorcs sufren un pequefio desplazamiento para poder hacer frente a la tensin exterior aplicada. No hay tiempo para que se organicen las distribuciones de concentracin P y N y adquieran la situacin de bloqueo directo, de forma que permanecen con el mismo perfil que en el caso de no polarizacin pero desplazada


las capacidades de la~ uniones, dada la gran importancia que poseen en el funcionamien10 transitorio del disposivo.

m;uRA J.8 Representacin del tiristor como dos transistores con sus capacidades en las uniones.

A P,bCu Q , ,_N~'----~ 1

112

e,,

G o---+---+---r

CJJ

K

Si el ris1or es1 en bloqueo direc10 (v,.>0) la~ uniones andica y ca16dica se encuenlrall directamen1e polarizadas, en 1.an10 que la unin de control 11 lo es1ar de forma inversa. Por 1an10, prcticamen1e 1oda la cada de tensin en1re nodo y c1odo la sopor1a la unin de control 11. De es1a forma, si se aplica al ris1or una tensin entre nodo y c1odo que crezca de forma muy rpida tambin lo har de igual forma la tensin "n Como la expresin de la in1ensidad i11 que circula por la unin de control 11 viene dada por:

dq,, d i,, = dt = dt(C,,v,,) (3.14)

si dv,,I dt es grande, la corriente de fugas i11 por la unin de control 12 es 1ambin grande, por lo que el 1.iris1or entra en conduccin.

Muchos circuitos some1en a los tiristores a derivadas de 1ensin bruscas en funcionamien10 normal y sera indeseable el disparo en estas condiciones. Para aumen1ar la inmunidad del ris1or a este fenmeno, muchos fabrican1es ulizan una tcnica de construccin consis1ente en cortocircuar parcialmen1e las zonas de control y de ctodo, de fonna que parte del exceso de intensidad de fugas provocado por el escaln de 1ensin se deriva por el cortocircui10 y no provoca la inyeccin de electrones por el ctodo. En los tiris1ores ms pequeos donde la puena tiene bas1an1e influencia en 1oda la pa~tilla, es aconsejable 1arnbin conectar una resis1encia exterior entre la puerta y el c1odo para derivar parte de la corriente de fugas de la unin de control.

De igual forma. valores de derivadas de 1ensiu muy grandes no slo pueden causar un disparo indeseable del tiris1or, sino 1arnbin provocar daos en el mismo. Por ello, el

Sec. ne~ de encendido de un tirist0<

fabricante define el valor mximo de dvu/dt que el tiristor es capaz de aguantar sin que entre en conduccin.

3.5.4 Disparo por luz

Existe un grupo de ristores que se acvan por pulsos de luz guiados por fibra pca hacia una zona especialmente sensible. A este grupo de ristores se le.< denomina tiristores acvados por luz.

En estos ristores, si incide luz de una longitud de onda apropiada, aumenta la generacin de pares electrn-hueco en las uniones, por lo que la corriente de fugas en estado de bloqueo directo alcanza un valor cada vez mayor hasta que origina ta entrada en conduccin del tiristor.

Existen dos tipos de ristores activados por luz: los de alta potencia, que se emplean en aplicaciones de alta tensin tal como es et transporte de energfa elctrica en corriente connua, y tos de baja potencia, que son tos utilizados en los circuitos de control. Un ristor de potencia acvado por luz ene las siguientes carac1erscas:

Aguan1a hasla 4 KV de tensin. Permite la circulacin de hasta 3 KA de corriente. La cada de tensin en conduccin es de 2 V aproximadamente. La potencia de disparo por luz es de 5 mW.

3.6 Tiempos de encendido de un tiristor

En un ristor en bloqueo directo, si se provoca ta inicializacin de ta conduccin por cualquiera de los mtodos que se han expuesto con anterioridad, la intensidad de nodo awnenta y ta tensin entre el nodo y el c1odo disminuye con una velocidad que depende del propio ristor y del circuito exterior. Para esmdiar el empo de encendido o de disparo de un ristor se supondr que la conduccin se ha iniciado con un impulso de puerta potente y rpido.

La figura 3.9 muestra las formas de onda de ta intensidad iG aplicada a la puerta para encender el tiristor y de ta intensidad ;.,. que circula por l. Como puede apreciarse, desde et momenro en que se aplica el impulso de puerta basta que comienza a subir ta intensidad del nodo, transcurre un determinado empo, que se conoce como tiempo de retraso t4 (time de/ay). As, el empo de retraso t4 se define como el intervalo de tiempo que transcurre desde que circula el 10% de la corriente de puerta hasta que circula et 10% de ta corriente final del ristor.

Tra~ et empo 1.,. la corriente por et ristor comienza a subir. Se denomina tiempo de subida 1, (time rise) al empo que transcurre desde que circula el 10% de ta intensidad por et ristor hasta que lo hace et 90% de ta misma.

Cap. Semiconductores de potencia (11): tiristores

La suma de los tiempos 1, y t, se denomina tiempo de disparo del tiristor '~ De esta fonna, el tiempo de disparo de un tiristor tM set el que transcurre desde que circula el 10% de la corriente de puerta hasta el instante en que circula el 90% de la corriente final del tiristor.

A la hora de disear un circuito de disparo deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:

La corriente de puerta al disparar el tiristor debe ser inicialmente grande. De esta fonna, la conduccin comenzar en una zona grande de la pastilla disminuyendo la densidad de corriente. Adems, la potencia de pico disipada ser menor. Una vez que el tiristor ha sido disparado no es necesario que circule corriente por la puerta, debido a que la circulacin de corriente queda asegurada por un proceso de regeneracin positiva. Adems. una circulacin continua de intensidad por la puena producira un aumento de las prdidas.

F1GuRA J.9 Formas de onda de las intensidades ir e iG. ir

IT ----------------_:-.;,.;;..---------0.91T - - - - - - - - - - - - - - -

0.l lr

'

' Ja - - - ;- - - - -.::;-;;.--~----------'

0.1 lo

...

Mientras que el tiristor est inversamente polarizado no debe circular corriente por la puerta, ya que aumentara el nmero de portadores y, por tanto, la corriente de fugas, pudiendo destruir al tiristor. El ancho del impulso de corriente de puerta debe ser mayor que el tiempo necesario para que la corriente de nodo alcance el valor de la corriente de enclavamiento. En la prctica, el ancho del pulso de corriente se hace mayor que el tiempo de disparo del tiristor (1M). Ntese que un mayor tiempo de disparo implica

Sec. caracter1stlcas de puerta 45

un mayor tiempo para que la corriente que atraviesa el tiristor alcance el valor de enclavamiento.

3. 7 Caractersticas de puerta

El circuito puerta-ctodo de un tiristor equivale al diodo P,N1 en serie con la resistencia del camino que los portadores deben recorrer lateralmente por la zona de control. Al contrario de lo que sucede en un diodo normal, la dispersin de la curva "cric de una a otra unidad de un mismo tipo es muy grande, de forma que el fabricante proporciona curvas lmites dentro de las cuales estar situada la caracterstica real del diodo en cuestin. La figura 3.1 O muestra una de estas curvas proporcionadas por un fabricante.

Los valores de la tensin vcx y de la intensidad ic que disparan al tiristor no dependen apenas de la tensin nodo-ctodo para valores de sta suficientemente altos, pero sf varan mucho con la temperatura, necesitndose mayor tensin o inteosidad cunto menor sea aqulla. Esto e. debido a que la alta temperatura es una de las causas de generacin de pares electrn-hueco.

ncuRA J.10 Curva de la caracterstica de puerta de un tiristor. vGK

\ \

\

\

)Gmx. lcmn. SD CD

Caracteristica lnte

Recta de-caq:a

.-Carac1eristica real

P. . ~ Caracterstica max limite

P. mx t00%

Disparo seguro

Gm. G

Como el diseo de un circuito de puerta debe asegurar el disparo con un cierto impulso de puerta y garantizar que no se produzca disparo entre los impulsos, el fabricante facilita para cada tipo de tiristor los valores siguientes (figura 3. l O):


V e mxima SD: es la tensin puena-ctodo mxima sin disparo del tirisor a una determinada temperatura. V"" mlnima CD: es Ja tensin puena-ctodo mlnima con disparo del tiristor a una determinada temperatura. J., mxima SD: es Ja intensidad de paena mxima sin disparo del tiristor a una determinada temperatura. le mnima CD: es Ja intensidad mnima de puena con disparo del tiristor a una determinada temperatura.

De esta forma, y como se aprecia en la figura 3.1 O, estos cuatro parmetros anteriormente definidos dividen la grfica en tres reas: una superior de disparo seguro, una intermedia de disparo incierto y otra inferior de disparo imposible o de no disparo.

El circuito de disparo puede reducirse a su equivalente Tbvenin para determinar Ja recta de carga sobre la curva caracterstica vc,ic. La recta de carga debe pasar por Ja zona de disparo seguro cuando se pretende iniciar Ja conduccin. Cuando el circuito de disparo se haya desactivado, la recta de carga debe pasar por Ja zona de no disparo para asegurar que el tiristor no entra en conduccin.

Existen unos lmites mximos de tensin puena-ctodo y de intensidad de puena que no deben sobrepasarse para evitar el deterioro del tiristor. Asimismo, Ja potencia entregada al circuito puena-ctodo tiene unos lmite.~ que varan con el factor de trabajo (duty rllrio) de un tren de pulsos, e.~ decir, con la relacin entre la duracin de un impulso y el tiempo entre e l comienzo de dos impulsos consecutivos, expresada en tanto por cienro (figura 3.11 ). Se supone una repeticin peridica de pulsos iguales. Cuanto mayor sea el factor de trabajo menos potencia mxima podr consumirse en el circuito de puena-ctodo. Si la poiencia consumida por el circuino de puena-ctodo es muy grande, se alcanza una temperatura muy alta que puede daar al tiristor.

m;u RA 3.11 Factor de trabajo.

- --

Factor de trabajo= a/b -

~ b .1 3.8 Bloqueo de un tirlstor. Tiempo de apagado

Cuando la corriente que circula por un tiristor se hace menor que la corriente de mantenimiento 111, el tiriS!or deja de conducir al no poderse mantener el proceso rcgenerativo y entra en estado de bloqueo. En este proceso, la puena no tiene influencia

Sec. caracter1stlcas de puerta 47

apreciable, siendo el circuito exterior de potencia el que fuerza la disminucin de la intensidad del nodo, ya sea de forma narural o forzada.

En el bloqueo natural, el circuito de potencia provoca la disminucin de la intensidad en el tiristor a un valor inferior a la de mantenimiento en el transcurso normal de funcionamiento. No hace falta ningn circuito especial para provocar el apagado del tiristor.

En el bloqueo forzado, el circuito de potencia no provoca de fonna natural el que la intensidad por el tiristor se haga menor que la de mantenimiento, sino que es obligada mediante componentes especiales. Estos circuitos llamados de conmutacin, estn formados por interruptores controlables, diodos auxiliares, liristores auxiliares. bobinas y condensadores. En una seccin posterior se tratarn estos circuitos de conmutacin con mayor detalle.

A continuacin se exponen los procesos internos que tienen lugar en un tiristor real cuando se procede a su bloqueo.

En el momento en que el circuito exterior fuerza la anulacin de la corriente para apagar el tiristor, existe un exceso de portadores en la unin que hace que comience a circular intensidad en sentido inverso (figura 3.13). Esta corriente inversa circula por el tiristor durante un tiempo t1 Al final de este tiempo los portadores son tan escasos que no puede mantenerse esta intensidad inversa, comenzando a disminuir rpidamente al principio y lentamente despus, despejando la zona de portadores al final de un tiempo denotado como t 2 Al tiempo total durante el cual circula intensidad inversa por el tirislor se le denontina tiempo de recuperacin inversa t" (reverse recovery1 ti111e). y equivale a la suma de los tiempos t 1 y t2 Sin embargo, el apagado de un tiristor requiere un tiempo mayor que t".

De esca forma, el tiempo de apagado de un tiristor tofl es el que transcurre desde que la intensidad pasa por cero para hacerse negativa hasta que de nuevo se aplica una tensin positiva v,K. El tiempo mnimo de apagado, denominado tiempo de desactivacin y que se denota como r,, y debe ser proporcionado por el fabricante para cada dispositivo. As, si antes de que tranSCurra este tiempo se aplica una tensin positiva v,x. aunque haya transcurrido el tiempo '" an existen portadores libres en las uniones que harn entrar al tiristor en conduccin.

Por tanto, para que un tiristor quede realmente apagado:

Debe transcurrir un tiempo mfnimo r, desde que la corriente se anula hasta que de nuevo pueda aplicarse tensin directa. La velocidad de crecimiento dv,,/dt de la tensin directa aplicada debe ser menor que el lmite especificado por el fabricante. Este lfmite es de unos 100 V/s en tiristores de baja frecuencia y de varios miles de voltios por microsegundo en los de alta potencia.

El tiempo de apagado es menor cuanto mayor es la tensin inversa aplicada, y canto mayor cuanto mayor es la derivada de tensin positiva al final del mismo. Aumenta con


la temperatura debido al aumento de pares electrn-hueco generados 1rmicamen1e, as como con la intensidad que circula por el tiristor previa al proceso de bloqueo.

3.9 Circuitos de conmutacin de tlrlstores

Como se expuso en Ja seccin an1crior, existen circuitos de electrnica de potencia que en el transcurso normal de funcionamiento bace que la intensidad que por l circula se haga menor que la de mantenimiento I H pasando el tiristor a estado de bloqueo sin necesidad de aadir elementos adicionales. En tales circuitos se dice que el tiristor funciona con bloqueo natural. El circui10 de la figura 3. 12 consti1uye un ejemplo.

F1GuRA J.u Circuito de bloqueo natural.

Sin embatgo, en otras aplicaciones hacen falta elementos auxiliares en el circuito de potencia para apagar el tiris1or, es decir, para conseguir que la in1ensidad que por l circula se haga menor que la de mantenimien10 /11 Es1e proceso se conoce como bloqueo forzado del tiristor y el circuito auxiliar que lo lleva a cabo recibe el nombre de circuilo de conmutacin.

En un principio, cualquier combinacin de 'tiristor + circuilo de conmutacin" podra sustituirse por un BJT (o un MOSFET), de forma !al que mientras se desee que est en conduccin se maniendra la corrienie en la base del BJT (o tensin en la puerta del MOSFET), y cuando se desee su apagado se anulara dicha corriente de base (o dicha 1ensin de puena).

Sin embargo, estos dispositivos no son capaces de soportar grandes tensiones e intensidades. Por ello, muchos de es1os circuitos emplean tiris1orcs, ya que son los semiconductores que ms potencia son capaces de aguantar.

Pero los tiristores son a la vez los disposivos de potencia que ms tiempo de apagado consumen, por lo que no resulta apropiado su empleo cuando Ja frecuencia de conmuiacin es muy elevada. As(, por razones de cos1e, complejidad y prdidas asociadas a Jos circuitos de conmu1acin, en la actualidad Jos tiristorcs esln siendo sustituidos por dispositivos tales como los BJTs y Jos GTOs, cada vez ms sofisticados y con mayor capacidad de soportar altas potencias.

Sec. arcultos de conmutacin de tiristores 49

nGuRA 1.u Apagado de un tiristor real.

" + t?

VAK( I) -----i---r-------'1-----T----------f---+

' l:


considerarn los dispositivos semiconduc1ores, las bobinas y Jos condensadores como ideales.

3.9.1 Circuitos d e conmutacin por tensin

Los circui1os de conmutacin por 1ensin o por impulso tienen bsicamenle la estructura dada por la figura 3. 14.

f 'tGuRA J.1 Circuito de conmutacin por tensin.

T L i. 0000

V"' Ye 1:0 r:. /'; D

Debido a la accin de un circui10 no mostrado eo Ja figura 3.14, el condensador se encuentra inicialmen1e cargado a una 1ensin negativa, es decir:

vc(l = O) = - Y0 tJ.lS) Antes de cerrar el interruplor el liris1or se encuentra en es1ado de conduccin, por Jo que su cada de 1e11sin es nula, y circula por l una in1ensidad constante de valor 14 El diodo, por el contrario, se encuentra inversamente polarizado, cayendo en l una tensin de valor V,...

En el instante t=O se cierra el interruptor, provocando Ja aparicin irunediata en el tirislor de una fuerte 1ensio inversa de valor V .. El exceso de portadores se elimina muy rpidamente y Ja intensidad pasa a ser nula jus10 en t=O (no ocurriendo as en un liris1or real). As, toda la intensidad que circulaba por el liris1or pasa a circular por el condensador, que se carga linealmente segn la expresin:

1 Vc(C) = C J, t - V o

El diodo sigue sin conducir al estar polarizado en inversa, respondiendo su cruda de tensin a la ecuacin:

(3.17)

En el ins1an1e 14 en que la carga del condensador ha alcanzado el valor V.., el diodo queda polarizado direc1amcnte, y comienza a conducir. La figura 3.15 muestra la

Sec. arcultos de conmutacin de tiristores 51

evolucin de la intensidad en el ristor, as como las caldas de tensin en el condensador, el tiristor y el diodo.

Aunque se ha supuesto para el estudio del circuito de conmutacin que el ristor se comporta segn sus caracters ticas ideales, debe tenerse en cuenta el tiempo que debe transcurrir desde que la intensidad pasa por cero hasta que de nuevo se pueda aplicar una tens in positiva al ristor sin que ste se dispare.

Para el clculo del tiempo de apagado del ristor considrese el tramo de las tensiones v,K y ve comprendido entre t=O y 14 (figura 3.15). En dicho tramo se cumple que:

(J.18)

por lo que sustituyendo en 3.18 la ecuacin dada en 3.16. se obene que:

(J.19)

Como en 1=1. Ja tensin v, x vale cero, segn 3.19:

(J.20)

por lo que:

(3..21)

Para que el ristor no vuelva a entrar en conduccin, el tiempo de apagado t. debe ser mayor que el mnimo 1 especificado por el fabricante. As, Ja capacidad del condensdor y su carga inicial deben ser elegidas de modo que se asegure el completo apagado del tiristor.

En los circuitos de conmutacin por tensin deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:

El condensador debe cargarse a Ja tensin -V0 antes de que el c

electrónica de potencia - jimenez redondo, noemí; pozo ruz, ana_2005.pdf

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