semiconductores unidad 5

5/17/2018 Semiconductores Unidad 5 - slidepdf.com

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ITC DGEST SES SEP

Física de semiconductores.

PROFESOR: M.A. Omar Domínguez

Unidad 5.

Dispositivos especiales.

Alumno.

Ortiz García Josué Oswaldo

Tercer semestreIngeniería en electrónica

H.H. Cuautla Mor. 12 de diciembre de 2011.



12 de diciembre del 2011 Página 2

Tiristor SCR.

El SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio), es undispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones pn con la disposición pnpn. Estáformado por tres terminales, llamados Ánodo, Cátodo y Puerta. La conducción entre ánodo y cátodoes controlada por el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional (sentido de la corriente esúnico), conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez.




Funcionamiento básico del SCR.

El siguiente gráfico muestra un circuito equivalente del SCR paracomprender su funcionamiento.

Al aplicarse una corriente IG al terminal G (base de Q2 ycolector de Q1), se producen dos corrientes: IC2 = IB1.

IB1 es la corriente base del transistor Q1 y causa que exista unacorriente de colector de Q1 (IC1) que a su vez alimenta la basedel transistor Q2 (IB2), este a su vez causa más corriente en IC2,

que es lo mismos que IB1 en la base de Q1, y......

Este proceso regenerativo se repite hasta saturar Q1 y Q2causando el encendido del SCR.

Los parámetros del SCR son:

VRDM: Máximo voltaje inverso de cebado (VG = 0).

VFOM: Máximo voltaje directo sin cebado (VG = 0).

IF: Máxima corriente directa permitida. PG: Máxima disipación de potencia entre compuerta y cátodo.

VGT-IGT: Máximo voltaje o corriente requerida en la compuerta (G) para el cebado.

IH: Mínima corriente de ánodo requerida para mantener cebado el SCR.

dv/dt: Máxima variación de voltaje sin producir cebado.

di/dt: Máxima variación de corriente aceptada antes de destruir el SCR.




Tiristor / SCR y la corriente continua

Activación, el pulso, desactivación, tiristor con carga inductiva

El funcionamiento de un tiristor en corriente continua es fácil de entender.

Normalmente el tiristor trabaja con polarización directa entre ánodo (A) y cátodo (C o K) (lacorriente circula en el sentido de la flecha del tiristor).

Con esta condición, sólo es necesario aplicar un pulso en la compuerta (G) para activarlo. Estepulso debe de tener una amplitud mínima, para que la corriente de compuerta (IG) provoque laconducción.

Activación del tiristor

En el gráfico siguiente se ve una aplicación sencilla del tiristor en corrientecontinua.

El SCR se comporta como un circuito abierto hasta que activa su compuerta(GATE) con un pulso de tensión que causa una pequeña corriente. (se cierramomentáneamente el interruptor S). El tiristor conduce y se mantieneconduciendo, no necesitando de ninguna señal adicional para mantener laconducción.

No es posible desactivar el tiristor (que deje de conducir) con la compuerta.

Características del pulso de disparo

La duración del pulso aplicado a la compuerta G debe ser lo suficientemente largo para asegurar

que la corriente de ánodo se eleve hasta el valor de retención. Otro aspecto importante a tomar encuenta es la amplitud del pulso, que influye en la duración de éste.

Desactivación de un tiristor

El tiristor una vez activado, se mantiene conduciendo, mientras la corriente de ánodo (IA) sea mayorque la corriente de mantenimiento (IH). Normalmente la compuerta (G) no tiene control sobre eltiristor una vez que este está conduciendo.

Opciones para desactivar un tiristor:

1. Se abre el circuitos del ánodo (corriente IA = 0)

2. Se polariza inversamente el circuito ánodo-cátodo (el cátodo tendrá un nivel de tensión mayorque el del ánodo)

3. Se deriva la corriente del ánodo IA , de manera que esta corriente se reduzca y sea menor a lacorriente de mantenimiento IH.

Tiristor / SCR y la corriente alterna




Antes de iniciar la lectura de este tutorial se recomienda leer los tutoriales el tiristor y el tiristor en

corriente continua. Si ya lo hizo o no lo considera conveniente, continúe

Control de fase con tiristor

Se usa principalmente para controlar la potencia que se entrega a una carga. (en el caso de la figura

es un bombillo o foco)

La fuente de voltaje puede ser de 110V c.a., 120V c.a., 240V c.a. , etc. La suministrada a la carga secontrola variando el ángulo de conducción.

El circuito RC produce un corrimiento de la fase entre la tensiónde entrada y la tensión en el condensador que es la quesuministra la a la compuerta del SCR.

Como R es un potenciómetro, el valor resistivo puede variar yasí producir un corrimiento de fase ajustable, que causará que la

entrega de potencia a la carga (el bombillo) también sea variable.

Con ésto se logra que la intensidad de la en el bombillo varíe. El diodo en la compuerta del SCR seusa para bloquear la tensión de compuerta durante el ciclo negativo (de 180° a 360°)

Aplicaciones:

Las aplicaciones de los tiristores se extiende desde la rectificación de corrientes alternas, en lugar delos diodos convencionales hasta la realización de determinadas conmutaciones de baja potencia encircuitos electrónicos, pasando por los onduladores o inversores que transforman la corrientecontinúa en alterna.

La principal ventaja que presentan frente a los diodos cuando se les utiliza como rectificadores esque su entrada en conducción estará controlada por la señal de puerta. De esta forma se podrá variarla tensión continua de salida si se hace variar el momento del disparo ya que se obtendrán diferentesángulos de conducción del ciclo de la tensión o corriente alterna de entrada. Además el tiristor sebloqueará automáticamente al cambiar la alternancia de positiva a negativa ya que en este momentoempezará a recibir tensión inversa.

Rectificación de corriente

carga de baterías

soldadura

generación de potencia a distancia procesos electroquímicos

regulación de fuentes de alimentación

Control de velocidad de motores

máquinas herramientas

vehículos de tracción




Sustitución de dispositivos electromecánicos

relés

protectores de sobre carga

graduadores de iluminación

sistema de encendido de motores de explosión

control de temperatura con termopares

Control de potencia

radar,

laser de impulsos

generadores de ultrasonidos

Circuitos lógicos

multivibradores de potencia

control de tiempo, contadores fines de carrera, detección de niveles

circuitos de alarma

control de alumbrado de emergencia.

En la figura se muestra un circuito simple para la señal de fase de control de la AC y una red resistiva en el gatillo. Durante el medio ciclo positivo de la SCR es en elbloque directo.

En un momento la tensión VAC proporciona un voltaje y, en consecuencia , una corriente en activar lo suficiente como para disparar el SCR. Este momento puede ser controlado por elpotenciómetro R1.




Tiristor TRIAC.

El TRIAC (Triode for Alternative Current) es un dispositivo semiconductor de tresterminales que se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una carga, con la particularidadde que conduce en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir

la corriente por debajo del valor de mantenimiento. El TRIAC puede ser disparadoindependientemente de la polarización de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positivao negativa.

Disparo del tiristor

Un tiristor es encendido haciendo su puerta positiva con el respecto a su cátodo, esto hace quecircule corriente en la compuerta. Cuando el voltaje de puerta alcanza el voltaje de umbral VGT,hace que la corriente de compuerta IGT, llegue al valor umbral dentro de un tiempo muy cortoconocido como “tiempo de encendido, controlado por compuerta”, tgt, la corriente de carga puedefluir desde “a” a “k”. Si la corriente de puerta consiste de un pulso muy estrecho, por ejemplomenos de 1ms, su nivel de pico tendrá que aumentar para anchos de pulso progresivamente másestrechos para garantizar el disparo efectuado de esta manera.

Cuando la corriente de carga aumente, hasta el valor de corriente de enganche (latching) del tiristor,la corriente de carga se mantendrá pareja después de la remoción de la corriente de puerta. Mientrasla corriente adecuada de carga continúa circulando, el tiristor continuará conduciendo, sin lacorriente de puerta. Esto es lo que denominamos tiristor disparado. Nótese que el valor de VGT,IGT e IL de especificaciones dadas en datos están a 25 °C. Estos parámetros aumentarán a

temperaturas más bajas, así también el circuito de disparo debe proveer voltaje adecuado, corrientey duración para la temperatura de funcionamiento mas baja.

1º REGLA. Para disparar un tiristor (o triac), una corriente de compuerta / IGT debe aplicarse hastaque la corriente de carga sea / IL. Esta condición debe encontrarse también al bajar la temperaturade funcionamiento esperada.

El tiristor es de puerta sensible (sensitive gate), tal como el BT150 puede ser proclive a dispararsepor corriente de fuga (ánodo a cátodo), a altas temperaturas. Si la temperatura de juntura TJ esincrementada por encima de Tjmax, en este punto las corrientes de fuga son tales que pueden

alcanzar la corriente de disparo del tiristor o triac. Por lo cual puede ser conveniente su reemplazo obien tener en cuenta este efecto al momento de su utilización.

Para resolver los problemas de los disparos no deseados (espurios o aleatorios) se pueden seguiralgunos de los siguientes métodos:




1- Asegurar que la temperatura no exceda a Tjmax.

2- Utilizar un tiristor con compuerta menos sensible por ejemplo el BT151, o reducir la sensibilidaddel tiristor existente por una resistencia de 1kohm o menor entre el cátodo y la compuerta(resistencia de desensibilización).

3- Si esto no es posible utilizar un tiristor de menor sensibilidad en compuerta, aplicar en lacompuerta una pequeña señal negativa durante los periodos de inactividad del tiristor en cuestión.Esta señal tiene el efecto de incrementar IL Durante la circulación de corriente negativa, debetenerse una particular atención a fin de minimizar la potencia disipada en compuerta.

Apagado (conmutación).

Para apagar al tiristor, la corriente de carga debe reducirse por debajo de la IH (corriente demantenimiento), por el tiempo suficiente para permitir a todos los portadores evacuar la juntura.Esto es logrado por "conmutación forzada" en circuitos CC o al final del hemiciclo de conducciónen circuitos de CA. (La conmutación forzada es cuando la corriente de carga neta del circuito

ocasiona que la misma se haga cero de forma tal, que el tiristor se apague). A este punto, el tiristorhabrá vuelto totalmente a su estado bloqueando.

Si la corriente de carga no es mantenida por debajo de IH por el tiempo suficiente, el tiristor nohabrá vuelto totalmente al estado bloqueando, y cuando la tensión ánodo – cátodo suba nuevamente,el tiristor podrá volver al estado de conducción sin excitación de puerta.

Un triac poder mirarse como un "tiristor bidireccional" debido a que conduce en ambas direcciones.Por el triac estándar, la corriente circula actual en cualquiera de las dos direcciones entre losterminales principales MT1 y MT2. Esto es iniciado por una corriente pequeña de señal aplicadaentre el terminal de puerta y MT1.




Encendido

Distinto de los tiristores, el triac estándar puede ser disparado por circulación de corriente positiva onegativa entre compuerta y MT1. (Las reglas para VGT, IGT e IL son al igual que para el.

2º REGLA. Para apagar (conmutar) un tiristor (o triac), la corriente de carga debe ser < IH por untiempo suficiente para permitir que este retorne al estado de bloqueo. Esta condición tiene que sersatisfecha para alcanzar la mejor operación con la temperatura.

Donde la compuerta debe ser excitada por Corriente Continua o por pulsos unipolares en el crucepor cero de la corriente de carga, corriente negativa de compuerta es la preferida por lassiguientesrazones.

La construcción interna de los triac medios hace que la compuerta este más alejada desde la regiónde portadores mayoritarios cuando opera en el 3º cuadrante. Esto resulta en:

1. IGT más alta, esto implica un pico más alto de IG requerido.

2. Retraso mayor entre IG y el principio de la circulación de corriente principal, esto requiere unamayor duración de IG.

3. Mucha menor capacidad de di/dt esto puede implicar una degradación progresiva de puertacuando controlamos cargas con di/dt iniciales (P.E: filamentos de lámpara incandescente fría).

4. Mayor IL (también cierto para la 1º operación) - > IG más largo, la duración mayor podríanecesitarse para cargas muy pequeñas cuando conduzcan desde el comienzo de un hemiciclo parapermitir la corriente de carga alcanzar el IL.




En controles comunes de ángulo de fase, como por ejemplo atenuadores de luces y controles demotores universales (taladros de mano), la polaridad de la tensión entre compuerta y MT2 sonsiempre las mismas. Esto significa la operación es siempre en el 1º o 3º cuadrante, donde el losparámetros de conmutación del triac son iguales. Esto resulta en un simétrico funcionamiento deconmutación del triac donde la puerta está a su más sensible estado.

3º REGLA. Cuando diseñamos un circuito de disparo para triacs, trataremos de no dispararlo almismo en el 3º cuadrante. (MT2-,G+), cuando esto sea posible.

Métodos alternativos de disparo.

Hay algunas maneras indeseables con las que un triac pueden encenderse. Algún son benignas,mientras otras son potencialmente destructivas.

(a) Señal de ruido en la compuerta.

En ambientes eléctricamente ruidosos, disparos espurios pueden ocurrir si el nivel de ruido excede

la tensión VGT y si suficiente corriente de puerta circula para iniciar acción regenerativa dentro deel triac. La primer línea de defensa es minimizar la ocurrencia del ruido en primer lugar. Uno de losmejores resultados es logrado por realizar las conexiones de puerta tan corta tan sea posible yasegurando que el retorno común desde el circuito de disparo se conecte directamente al terminalMT1 (o cátodo en el caso de un tiristor). (los tiristores y triac de potencia incluyen este terminal ensu dispositivo). En situaciones donde las conexiones de puerta son de conductor macizo, par torcidoo apantallado podría ser necesario minimizar acortarlo.

La inmunidad adicional de ruido puede proveerse agregando un resistor de 1kW o menor entre lapuerta y MT1 para reducir la sensibilidad de puerta. También es posible la utilización de uncapacitor de tipo cerámico o de poliester para filtrar las altas frecuencia o dv/dt.

La Alternativa de usar una serie H de triac (p. ej. BT139-600H). Estos son los tipos insensibles con10 mA min. de IGT. Estos son triac diseñados específicamente para proveer un alto el grado deinmunidad de ruido.

(b) Excediendo el valor permitido de dv/dt

Esta es la mas probable ocurrencia cuando tenemos una carga altamente reactiva, donde existe unconsiderable desfasaje entre la tensión de carga y la corriente de la misma. Cuando el triac conmuta,esto es la corriente se hace cero, la tensión aplicada en los bornes del mismo no es cero, debido aldesfasaje entre ambas magnitudes, como es mostrado en la figura. El triac entonces repentinamente

requerirá bloquear esta tensión. El resultado de esta4º REGLA. Para minimizar el ruido que toma la compuerta, el largo de conexión tiene que ser lomas corto posible. El retorno al terminal MT1 (o cátodo) tiene que retornar en forma directa alterminal propiamente dicho. Colocar una resistencia de no mas de 1 kW, entre los terminales decompuerta y MT1 o cátodo. Una red snubber es aconsejable para la compuerta. La alternativa deutilizar la serie H de triacs, si lo anterior es insuficiente. conmutación puede forzar al triac a volver




al estado de conducción si se excede el valor permitido de dv/dt. Esto es debido a que los portadoresen la juntura no tienen el tiempo suficiente para abandonarla totalmente.

La capacidad para soportar dv/dt es afectada por dos de condiciones:

1. El valor de la caída de corriente en la conmutación esto es la di/dt. Alta di/dt implica una

capacidad de dv/dt.

2. La temperatura de juntura Tj. Siesta temperatura aumenta disminuyela capacidad de soportar dv/dt.

Si el triac es probable que supere lamáxima dv/dt permitida por eldispositivo, es probable también, quesufra falsos disparos. La manera máscomún para mitigar este problema es

con el uso de una red RC deamortiguación. Estas redes se lasconoce como red snubber. Estadeberá estar entre los terminalesMT1-MT2 para limitar el valor decambio de voltaje. Los valorescomunes son: resistencia de 100 W decarbón elegida por su manejo decorriente y un capacitor de 100nF.

Otra alternativa es usar un Hi-Com triac.

(b) Excediendo el valor permitido de di/dt

Altas di/dt son causadas por cargas altamenteinductivas, alta frecuencia de línea o onda nosenoidal de corriente de carga. Una causa bienconocida de corrientes de carga no senoidales yde di/dt un rectificador que alimenta una carainductiva. Esto puede generalmente implicar

una conmutación fallada en un triac común.Como la tensión de alimentación baja mas, elEMF la corriente de la carga y de el triac bajarápidamente a cero.




El efecto de esto se muestra en la figura siguiente.

Durante esta condición de corriente cero de triac, la corriente de carga será informal sobre elcircuito rectificador. Las cargas de esta naturaleza pueden generar di/dt tan altas que el triac no lassoportar una dv/dt suave reaplicada de 50 Hz que sube desde cero Volt. En este caso no trae ningúnbeneficio poner una red snubber, ya que el problema no es la dv/dt. La di/dt tendrá que ser limitadaagregando una inductancia de algunos mH en serie con la carga.

(d) Excediendo el valor permitido de dv/dt

Si un valor muy alto de cambio de voltaje se aplica a través de un triac bloqueado (o el tiristorsensible de puerta en particular) sin exceder su VDRM , por la capacidad interna puede circular lacorriente suficiente para activar al triac, esta condición se ve magnificada por el aumento de latemperatura.

Cuando ocurre este problema, la dv/dt debe ser limitada por una red snubber entre sus terminalesMT1 y MT2 (o ánodo y cátodo, para el caso del tiristor). La utilización de Hi com triacs en estecaso puede ser beneficioso.

(e) Excediendo el valor permitido de

VDRM (Tensión máxima repetitiva de trabajo)

Si el MT2 de voltaje excede VDRM tal como podríaocurrir durante severo y anormal transitorio de línea,

la corriente de fuga entre los terminales MT2 yMT1, podrá hacer que el dispositivo pase al estado de conducción. Esto se ve.

Si la carga permite que un alto incremento de corriente fluya hacia la mima, la densidad de corrientedentro de la pastilla del semiconductor puede hacer que se forme un "punto caliente", estos puntosvan destruyendo las características del triac (o tiristor), hasta su destrucción total del mismo.

Las lámparas incandescentes, cargas capacitivas y protecciones del tipo crowbar son circuitos quefrecuentemente ocasionan estos inconvenientes.

El encendido por sobre pasamiento de VDRM no es necesariamente la amenaza principal a su

supervivencia. Si lo es la di/dt que le sigue, esta si es muy probable que pueda ocasionar el5º REGLA. Cuando altas dvD/dt o dvCOM/dt es probable que causen problemas, una solución esla colocación de una red snubber entre los terminales MT1 y MT2.

Cuando altas diCOM/dt son probables causas del problema, la colocación de un inductor de algunosmH en serie con la carga mitiga el problema.




El uso de Hi-com Triacs es una solución alternativa para ambos casos. Debido al tiempo requeridopara que la conducción sea generalizada en toda la juntura. El valor permitido de di/dt en estascondiciones, es inferior al que se produce si el triac es encendido correctamente por una señal depuerta. Si de alguna manera se puede proteger al triac para que la di/dt en estas condiciones nosobrepase a este valor (dado en los manuales de datos del dispositivo), es muy probable que el Triac

o tiristor en cuestión sobreviva.

Aplicaciones:

Su versatilidad lo hace ideal para el control de corrientes alternas.

Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas ventajas sobre losinterruptores mecánicos convencionales y los relés.

Funciona como interruptor electrónico y también a pila.

Se utilizan Triacs de baja potencia en muchas aplicaciones como atenuadores de luz, controles de

velocidad para motores eléctricos, y en los sistemas de control computarizado de muchos elementoscaseros. No obstante, cuando se utiliza con cargas inductivas como motores eléctricos, se debentomar las precauciones necesarias para asegurarse que el TRIAC se apaga correctamente al final decada semi-ciclo de la onda de Corriente alterna.

El elemento principal de este circuito es el Triac BTA12 que regula el paso de la corrienteen función de su patilla de control que en este caso se gobierna con el Diac DIC3202. Conel potenciómetro P1 ajustaremos la intensidad de la/s bombilla.

El Triac puede ser montado sin disipador para cargas de hasta 100w, pero pasada esapotencia se hace indispensable el uso de uno. El potenciómetro conviene que sea lineal,para que el brillo varíe en forma pareja a lo largo de todo el cursor.




IGBT.

El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor ) esun dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitosde electrónica de potencia.

Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores de efectocampo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar comointerruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET,mientras que las características de conducción son como las del BJT.

Los transistores IGBT han permitido desarrollos que no habían sido viables hasta entonces, enparticular en los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en maquinas eléctricas yconvertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamosparticularmente conscientes de eso: automóvil, tren, metro, autobús, avión, barco, ascensor, electrodoméstico, televisión, domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI (en InglésUPS), etc.

http://es.wikipedia.org/wiki/Idioma_ingl%C3%A9s

http://es.wikipedia.org/wiki/Dispositivo_electr%C3%B3nico

http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor

http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nica_de_potencia

http://es.wikipedia.org/wiki/MOSFET


http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_bipolar

http://es.wikipedia.org/wiki/FET

http://es.wikipedia.org/wiki/Variador_de_frecuencia

http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Autom%C3%B3vil

http://es.wikipedia.org/wiki/Tren

http://es.wikipedia.org/wiki/Metro

http://es.wikipedia.org/wiki/Autob%C3%BAs

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http://es.wikipedia.org/wiki/Barco

http://es.wikipedia.org/wiki/Ascensor

http://es.wikipedia.org/wiki/Electrodom%C3%A9stico

http://es.wikipedia.org/wiki/Televisi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%B3tica

http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_alimentacion_ininterrumpida




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El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 kHz y ha sustituido al BJT enmuchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias, energía como fuente conmutada, control de la tracción en motores y cocina de inducción. Grandes módulos de IGBT consisten enmuchos dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientosde amperios con voltajes de bloqueo de 6.000 voltios.

http://es.wikipedia.org/wiki/KHz

http://es.wikipedia.org/wiki/BJT

http://es.wikipedia.org/wiki/Fuente_conmutada

http://es.wikipedia.org/wiki/Cocina_de_inducci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Amperio

http://es.wikipedia.org/wiki/Voltio


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http://es.wikipedia.org/wiki/Fuente_conmutada

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Se puede concebir el IGBT como un transistor Darlington híbrido. Tiene la capacidad de manejo decorriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de base para mantenerse en conducción. Sinembargo las corrientes transitorias de conmutación de la base pueden ser igualmente altas. Enaplicaciones de electrónica de potencia es intermedio entre los tiristores y los mosfet. Maneja máspotencia que los segundos siendo más lento que ellos y lo inverso respecto a los primeros.

Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de control depuerta es de unos 15 V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando.

Consideremos que el IBGT se encuentra bloqueado inicialmente. Esto significa que no existeningún voltaje aplicado al gate. Si un voltaje VGS es aplicado al gate, el IGBT enciendeinmediatamente, la corriente ID es conducida y el voltaje VDS se va desde el valor de bloqueo hastacero. LA corriente ID persiste para el tiempo ON en el que la señal en el gate es aplicada. Paraencender el IGBT, la terminal drain D debe ser polarizada positivamente con respecto a la terminalS. LA señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado al gate G. Este voltaje, si esaplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15, puede causar que el tiempo de encendidosea menor a 1 s, después de lo cual la corriente de drain iD es igual a la corriente de carga IL

(asumida como constante). Una vez encendido, el dispositivo se mantiene así por una señal devoltaje en el gate. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en el gatees muy baja.

El IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la terminal gate. La transicióndel estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 micro segundos, por lo que lafrecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz.

http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_Darlington

http://es.wikipedia.org/wiki/Tiristor


http://es.wikipedia.org/wiki/Alta_tensi%C3%B3n_el%C3%A9ctrica



http://es.wikipedia.org/wiki/Alta_tensi%C3%B3n_el%C3%A9ctrica


http://es.wikipedia.org/wiki/Tiristor

http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_Darlington




El IGBT requiere un valor límite VGS(TH) para el estado de cambio de encendido a apagado yviceversa. Este es usualmente de 4 V. Arriba de este valor el voltaje VDS cae a un valor bajocercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el gate debe tener unvoltaje arriba de 15 V, y la corriente iD se autolimita.

El IGBT se aplica en controles de motores eléctricos tanto de corriente directa como de corrientealterna, manejados a niveles de potencia que exceden los 50 kW.

APLICACIONES:

Los IGBT acumulan la mayor parte del mercado de componentes de potencia paraaplicaciones de media y alta tensión, no sólo por su capacidad de potencia sino tambiénporque son tan rápidos que la frecuencia de los impulsos que generan son imperceptibles

por el oído humano. Esta particularidad los ha hecho especialmente interesantes para eldesarrollo de los sistemas de aire acondicionado, frigoríficos, lavavajillas, ect., en los quelos consumidores son especialmente sensibles al ruido que emiten. La mayor parte de losruidos de los compresores procede de la utilización de transistores no demasiado rápidos yque sólo se activan y desactivan en frecuencias audibles por las personas.

Pero las aplicaciones de IGBT van mucho más allá del control de motores. Algunosfabricantes de tecnologías de consumo ya los están utilizando para mejorar sus dispositivoso dotarles de nuevas capacidades. Por ejemplo, una de las últimas aplicaciones de estostransistores ha permitido integrarlos en los teléfonos móviles para dotar a sus cámaras de

un flash de xenón realmente potente. Esto ha sido posible gracias a que los IGBT hanreducido enormemente sus dimensiones.

Otro ejemplo curioso de aplicación de esta tecnología es su utilización para activar odesactivar los píxeles en las pantallas táctiles de nueva generación, sistemas de iluminaciónde edificios o centrales de conmutación telefónica. Incluso ya existen algunosdesfibriladores que incorporan IGBTs.




GTO.

Un tiristor GTO es un SCR que puede apagarse por una pulsación suficientemente grandeen su compuerta de entrada, aun si la corriente iD excede IH.

Se usan desde 1960, pero se potencializaron al final de los años setenta. son comunes en lasunidades de control de motores, ya que eliminan componentes externos para apagar losSCR en circuitos de cc.

El disparo se realiza mediante una VGK >0

El bloqueo se realiza con una VGK < 0.

La ventaja del bloqueo por puerta es que no se precisan de los circuitos de bloqueo forzadoque requieren los SCR.

La desventaja es que la corriente de puerta tiene que ser mucho mayor por lo que elgenerador debe estar más dimensionado.




El GTO con respecto al SCR disipa menos potencia.

Funcionamiento del gto.

Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista señal en el gate, el dispositivo sebloquea para cualquier polaridad en el ánodo, pero una corriente de fuga (IA leak) existe.Con un voltaje de bias en directa el GTO se bloquea hasta que un voltaje de ruptura VAK =VB0 es alcanzado. En este punto existe un proceso dinámico de encendido., VAK = 3V y lacorriente IA es determinada por la carga. Cuando el GTO se apaga y con la aplicación de

una voltaje en inversa, solo una pequeña corriente de fuga (IA leak) existe. Unapolarización en inversa VAK puede ser alcanzada cuando ocurra un corte. El valor delvoltaje del voltaje de ruptura inverso depende del método de fabricación para la creación deuna regeneración interna para facilitar el proceso de apagado.

Con un voltaje de polarización directo aplicado al ánodo y un pulso de corriente positiva esaplicada al gate, el GTO se enciende y permanece de esa forma. Para ésta condición,existen 2 formas de apagarlo. Una forma es reduciendo la corriente de ánodo IA por medios

externos hasta un valor menor a la corriente de holding Ih, en la cual, la acción regenerativainterna no es efectiva. La segunda forma de apagarlo es por medio de un pulso en el gate, yeste es el método más recomendable porque proporciona un mejor control.

La ganancia se calcula con la siguiente formula.




Para conseguir cortar el GTO, con una corriente soportable por la puerta, debe ser lo mayorposible, para ello debe ser a2=1 (lo mayor posible) y a1=0 (lo menor posible):

alfa2=1 implica que la base de T2 (capa de control) sea estrecha y poco dopada y que su

emisor (capa catódica) este muy dopado. Estas condiciones también son normales en losSCRs.alfa1=0 implica que la base de T1 (capa de bloqueo) sea ancha y tenga una vida media delos huecos muy corta.

Especificaciones de puerta del gto




FORMA DE ONDA EN EL ENCENDIDO DEL GTO

Para entrar en conducción, se necesita una subida rápida y valor IGM suficientes para poneren conducción todo el cristal. Si solo entra en conducción una parte y circula toda lacorriente se puede dañar. Si solo entra en conducción bajara una parte de la tensión ánodo-cátodo y el resto de celdillas que forma el cristal no podrán entrar en conducción.

Cuando se ha establecido la conducción se deja una corriente IGON de mantenimiento paraasegurar que no se corta espontáneamente (tiene menos ganancia que el SCR).

Forma de onda en el apagado del gto

Para cortar el GTO se aplica una corriente IG =IA/boff muy grande. Ya que boff es del ordende 5 a 10.

Esta corriente negativa debe mantenerse para evitar que el dispositivo entre en conducciónespontáneamente.

Consideraciones en el encendido

Como consecuencia de la geometría de un GTO, considerado como un tiristor convencionalcon un ánodo y muchas islas cátodos, al encenderlo mediante un impulso positivo de puertase inyectan huecos h+ en muchas zonas del mismo. De esta forma, la conducción comenzaráen muchas áreas de la pastilla al mismo tiempo, creciendo la corriente de forma muy rápida,




esto es, la derivada de intensidad di/dt resulta elevada.

Encendido de un GTO

Al igual que ocurre con un tiristor convencional, para llevar a cabo el encendido de un GTO

es necesario aplicar una determinada corriente entrante por la puerta. Sin embargo, en elencendido de un GTO la corriente máxima por la puerta IGM y la velocidad de variación dedicha corriente al principio de la conducción deben ser lo suficientemente grandes como paraasegurar que la corriente circula por todas las islas cátodo. Si esto no fuese así y sólo algunasislas cátodo condujeran, la densidad de corriente en estas islas sería tan elevada que elexcesivo calentamiento en zonas localizadas podría provocar la destrucción del dispositivo.

Intensidad de puerta en el encendido de un GTO.

Del mismo modo, como muestra la figura, se requiere mantener una pequeña corrienteiG durante todo el tiempo que se desee que el GTO conduzca, y evitar así que alguna isla seapague de modo accidental.

Si la corriente de puerta se hace cero una vez que el tiristor ha entrado en conducción y lacorriente que circula desde el ánodo hasta el cátodo (y que depende del circuito exterior)disminuye lo suficiente, algunas islas cátodos podrían dejar de conducir. De igual forma, sipor acción del circuito exterior la corriente de ánodo volviera a aumentar sólo conduciríanaquellas islas cátodo que no se apagaron. La densidad de corriente de estas islas es muy alta yel excesivo calentamiento, localizado en algunos puntos, podrían destruir al GTO.

Consideraciones en el apagado

Al comenzar a circular corriente positiva por la puerta, la corriente de ánodo a cátodo seconcentra en las zonas situadas entre los terminales de puerta, aumentando la densidad decorriente en estas zonas.

De esta forma, el GTO no comienza a apagarse hasta que la corriente de ánodo a cátodo ha




quedado reducida a pequeños filamentos entre los terminales de puerta. Entonces la tensiónvAK, hasta entonces muy pequeña al estar el GTO en funcionamiento, comienza a aumentar.Como la gran densidad de corriente que circula por estos pequeños filamentos podríaocasionar su destrucción, se utiliza un condensador snubber en paralelo con el GTO, queofrece a la corriente un camino alternativo por donde circular. Así, cuando vAK comienza a

aumentar el condensador comienza a cargarse, por lo que parte de la corriente que circulabapor el GTO lo hace ahora por el condensador.

Apagado de un GTO.

Como consecuencia de que al apagar un GTO la corriente que circula desde el ánodo hasta elcátodo se concentra en las zonas entre los terminales de puerta, la corriente de puerta debe

circular lateralmente en la capa P2. Esta circulación lateral de corriente provoca la apariciónde una caída de tensión lateral denominada vL desde la zona de cátodo, donde se concentra lacorriente de ánodo a cátodo, hasta la zona de terminal de puerta.

Si vL se hace lo suficientemente grande (típicamente 10 V), la unión J3 podría entrar enruptura por avalancha. Si ésto ocurriese, un aumento de la corriente de puerta se desplazaráhacia la zona de avalancha de J3, lo que no contribuye al apagado del GTO.Por último, observar que la corriente de puerta negativa que se emplea para apagar un GTOse encuentra limitada por la relación entre IG e IA según βOFF:

Apagado de un GTO

En un GTO, la ganancia de corriente de apagado βOFF es pequeña, oscilando entre los valoresde 3 a 5. Afortunadamente, esta corriente en el circuito de puerta sólo se requiere durante un




tiempo pequeño.

A continuación, se detalla el funcionamiento del circuito de la figura y que representa elapagado de un GTO provisto de snubber. Las formas de onda de la tensión vAK, así como delas intensidades iG e iT se muestran en la figura.

Circuito de GTO con snubber.

El intervalo de tiempo t1 recibe el nombre de tiempo de almacenamiento. En él, la región depuerta se vacía de portadores y al final del mismo la intensidad de ánodo comienza adisminuir.

El intervalo de tiempo t2 recibe el nombre de tiempo de caída y en él la corriente i T comienzaa disminuir. La diferencia entre I0 e iT pasa al condensador. Debido a la inductancia parásita,se observa un pequeño pico en vAK. Al final de este intervalo, el exceso de portadores ha sidoeliminado.

El intervalo de tiempo t3 se define como aquél que transcurre desde que iT se haceprácticamente cero hasta que vAK se estabiliza a su valor. Este tiempo viene determinado porla intensidad de ánodo que se debe bloquear, y depende del valor del condensador, que defineel ritmo de subida de vAK. Este tiempo t3 no debe ser inferior a un cierto valor, debido a queuna disipación prácticamente instantánea puede destruir al dispositivo. Además, durante untiempo continua circulando una pequeña corriente de ánodo denominada corriente de cola,debida a la pequeña carga aún remanente entre las uniones N1 y P2. Si el tiempo durante elcual circula esta corriente es muy grande se origina una gran disipación de potencia.




Formas de onda en el apagado de un GTO con snubber.

GTO con cortocircuito de ánodo

Este tipo de GTO se caracteriza por la introducción de zonas P1 en la capa N1 quese cortocircuitan al terminal de ánodo.

Un GTO con cortocircuito de ánodo posee un tiempo de apagado menor que un GTO normal.Como contrapartida soporta menos tensión inversa (de 20 a 30 V típicamente) debido a lagran densidad de dopaje a ambos lados de la unión J3.

Así, si en el apagado de un GTO convencional se extrae corriente por la puerta, en el de unGTO con cortocircuito de ánodo la propia estructura N2P2N1hace que se pierdan laspropiedades regenerativas de los tiristores PNPN. Por ello, el tiempo de apagado es menor.




GTO con cortocircuito de ánodo.

Por otro lado, al cortocircuitar P1N1, la tensión en la unión J1 vale cero, por lo que al someteral GTO a bloqueo inverso toda la tensión cae en J3.Como esta unión está muy dopada escapaz de bloquear menos tensión inversa que los GTOs convencionales.

APLICACIONES:

Como el GTO tiene una conducción de corriente unidireccional, y puede ser apagado en cualquierinstante, éste se aplica en circuitos chopper (conversiones de dc- dc) y circuitos inversores (conversionesdc -ac) a niveles de potencia en los que los MOSFET's, TBJ's e IGBT's no pueden ser utilizados. A bajosniveles de potencia los semiconductores de conmutación rápida son preferibles. En la conversión de AC -DC, los GTO's, son útiles porque las estrategias de conmutación que posee, pueden ser usadas pararegular la potencia, como el factor de potencia.

a nivel industrial algunos usos son:

Convertidores.

Control de motores asíncronos.

Inversores.

Caldeo inductivo. Rectificadores.

Soldadura al arco.

Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI).

Control de motores.

Tracción eléctrica.




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