Introduccion a la Electronica de Potencia

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CHIHUAHUA

Materia: ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Profesor: COSME RAÚL ALVARADO MEZA

Trabajo de Unidad #1: INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Alumno: Miguel Alberto Aguilar García 08061110

Fecha de entrega: 14 de Octubre de 2014

1. ANTECEDENTES HISTÓRICOS, DESCRIPCIÓN DE LOS DISPOSITIVOS QUE SE UTILIZABAN ANTES DE 1970 Y QUÉ ELEMENTOS LOS FUERON REEMPLAZANDO

La historia de la electrónica de potencia se inicia en 1900 con la introducción del rectificador de arco de mercurio. Después se introdujeron en forma gradual el rectificador de tanque metálico, el de tubo al vacío controlado por rejilla, el ignitrón, el fanotrón y el tiratrón. Estos dispositivos se aplicaban para el control de potencia hasta 1950. La primera revolución electrónica comenzó 1948, con la invención del transistor de silicio en los Bell Telephone Laboratories, por Barden, Brattain y Schockley. La microelectrónica moderna ha evolucionado a través de los años a partir de los semiconductores de silicio. El siguiente adelanto, en 1956, también fue logrado en los Bell Laboratories, o sea la invención del transistor de disparo PNPN, que se definió como tiristor, o rectificador controlado de silicio (SCR). La segunda revolución de la electrónica empezó en 1958 con el desarrollo del Tiristor comercial por General Electric Company. Ese fue el principio de una nueva era en la electrónica de potencia. Desde entonces se han introducido muchas clases distintas de dispositivos semiconductores de potencia y de técnicas de conversión. La revolución microelectrónica nos permitió tener la capacidad de procesar una gran cantidad de información con una rapidez increíble. Cabe mencionar que la electrónica de potencia vino a cubrir necesidades como la conversión de energía para el control de los motores eléctricos, así como también encargarse de los dispositivos de estado sólido para el procesamiento de señales para lograr los objetivos de control deseados. En la década de 1970 aparecen los circuitos integrados que con esto trajo ciertas ventajas: como el menor tamaño, menor costo, peso y más confiables posteriormente en esa misma década nacen los microprocesadores. Las válvulas diodo de cubeta de mercurio son probablemente las más antiguas formas de válvulas electrónicas se han conocido por años como rectificadores de arco de mercurio, este consiste en una envoltura de vidrio o metálica que contiene una cubeta de mercurio en el fondo de la cámara. La cubeta forma el cátodo del tubo. La estructura envolvente soporta uno o más ánodos de hierro a una distancia apropiada por encima de la superficie de la cubeta. Desde que se desarrolló el primer tiristor de rectificador controlado de silicio (SCR), a fines de 1957, ha habido grandes adelantos en los dispositivos semiconductores de potencia. Hasta 1970, los tiristores convencionales se habían

utilizado en forma exclusiva para el control de la energía en aplicaciones industriales. A partir de 1970, se desarrollaron varios tipos de dispositivos semiconductores de potencia que quedaron disponibles en forma comercial. Éstos se pueden dividir en cinco tipos principales:     

Diodos de potencia Tiristores Transistores bipolares de juntura de potencia (BJT) MOSFET de potencia Transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) y transistores de inducción estáticos (SIT).

Los tiristores se pueden subdividir en ocho tipos:        

Tiristor de conmutación forzada Tiristor conmutado por línea Tiristor desactivado por compuerta (GTO) Tiristor de conducción inversa (RCT) Tiristor de inducción estático (SITH) Tiristor desactivado con asistencia de compuerta (GATT) Rectificador controlado de silicio foto activado (LASCR) Tiristores controlados por MOS (MCT).

Los diodos de potencia son de tres tipos:   

De uso general De alta velocidad (o de recuperación rápida) Schottky.

2. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS VÁLVULAS ELECTRÓNICAS COMO EL TIRATRÓN, FANATRÓN, INGNITRÓN. DESCRIPCIÓN, OPERACIÓN Y CONSTRUCCIÓN

TIRATRÓN. Se llama tiratrón a una válvula gaseosa de tres o cuatro electrodos, provista de cátodo incandescente, ánodo y rejilla, llena de vapor de mercurio o de gas noble. Su conducción se logra aplicando en la rejilla de control un voltaje de cierta polaridad y magnitud. Es una válvula termoiónica parecida a un tríodo, el tríodo es una válvula termoiónica de tres electrodos, ánodo, cátodo y rejilla de control, que está llena de gas. El tiratrón se utiliza para el control de grandes potencias y corrientes, lo que en un dispositivo de vacío es muy difícil debido al número limitado de electrones que puede producir un cátodo termoiónico. Añadiendo un gas inerte que se ioniza, inicialmente por medio de los electrones termoiónicos, se tiene un número mucho mayor de portadores de corriente que en el tríodo.

El tiratrón es un tipo de tubo lleno de gas que se usa como un interruptor eléctrico de alta energía y como rectificador controlado, es básicamente un "rectificador controlado de gas", que puede manejar corrientes mucho mayores que las válvulas de vacío duras similares ya que en la multiplicación de electrones se produce gas ionizado por las colisiones de electrones con átomos de gases, utilizando el fenómeno conocido como una descarga Townsend. La velocidad media de los iones en el gas es mucho menor que la de los electrones, de modo que los iones sólo pueden representar el 10% de la corriente total. Los gases utilizados que se incluyen son el vapor de mercurio, xenón, neón, y el hidrógeno. A diferencia de un tubo de vacío, un tiratrón no se puede utilizar para amplificar las señales linealmente. Construcción y Funcionamiento. El llenado de gas se representa con un punto en su símbolo. La formación de la descarga en el gas depende de la tensión que hay entre la rejilla y el cátodo. Así

que si la tensión negativa de la rejilla con respecto al cátodo es mayor, mayor será la tensión positiva del ánodo, para que se encienda la válvula. Una vez encendida la válvula, la tensión de la rejilla no influye sobre la corriente anódica, y la válvula solo se apaga cuando la tensión anódica desciende por debajo del potencial de retención. Por medio de la tensión de rejilla se puede actuar sobre el encendido del tiratrón.

Aplicaciones. Hace algunos años muchas de las aplicaciones estaban consideradas dentro de los circuitos electrónicos para desempeñar ciertas tareas, por ejemplo realizar la función de relay eléctrico en circuitos de control de tiempo, en los circuitos de barrido interno de los osciloscopios, también para el control y regulación de motores de corriente continua, o el control de luminosidad de lámparas fluorescentes, entre otros. FANATRÓN. Se llama fanatrón a una válvula termoiónica parecida a un diodo de vacío que está llena de gas. Se utiliza para la rectificación de corriente alterna de gran intensidad, lo que en un dispositivo de vacío es muy difícil debido al número limitado de electrones que puede producir un cátodo termoiónico.

Funcionamiento. En el trayecto hacia el ánodo, los electrones emitidos por el cátodo de estas válvulas chocan contra los átomos del gas, lo cual genera iones positivos y electrones libres. Estos electrones se dirigen hacia el ánodo del tubo. Los iones positivos emigran hacia el cátodo. Ello favorece aún más la emisión de cargas negativas. Por tanto se obtienen corrientes de ánodo mucho más intensas que mediante el empleo de válvulas de vacío. Por esta razón los fanotrones resultan particularmente adecuados para rectificación industrial de corrientes alternas. Se fabrican fanotrones capaces de proporcionar intensidades comprendidas entre 0,1 y 100 A y, a la vez, soportar tensiones inversas de pico superiores a 15 kV. Con el fin de limitar la corriente a un valor que no dañe la válvula, los fanatrones deben trabajar siempre en serie, con una resistencia limitadora adecuada.

IGNITRON. Un Ignitrón es un tipo de rectificador controlado, es una válvula electrónica que se utiliza como rectificador de corrientes alternas, como interruptor de conexión en los equipos de soldadura, de disparo para las lámparas alógenas y en general para múltiples aplicaciones en que se requieran corrientes de intensidad elevada. El ignitrón consta de un cátodo de mercurio líquido, de un ánodo de grafito y de un electrodo de encendido llamado ignitor, hecho de material semiconductor. Para que se verifique el encendido es necesario, además de establecer una diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo, que pase por el ignitor un corto impulso de corriente suficientemente elevada. El Ignitor es el elemento del circuito auxiliar del ignitrón y que se utiliza como disparador al emitir un pulso de alta tensión que genera el encendido. Construcción y Funcionamiento. Suele presentarse como un contenedor alargado con una piscina de mercurio en el fondo que actúa como cátodo. Un cilindro de grafito o metal, sujeto sobre la piscina por una conexión eléctrica aislada, actúa como ánodo. A un electrodo de encendido (llamado "ignitor"), hecho de un material semiconductor refractario como el carburo de silicio se le aplica un breve pulso de mucha intensidad para

crear una nube de plasma de mercurio conductor. El plasma llena rápidamente el espacio entre la piscina de mercurio y el ánodo, permitiendo la conducción de electricidad entre los electrodos. En la superficie del mercurio, el calentamiento por el arco resultante libera un gran número de electrones lo que ayuda a mantener el arco eléctrico en el mercurio. La superficie del mercurio sirve por lo tanto de cátodo, y la corriente eléctrica es normalmente en un solo sentido. Una vez encendido, un ignitrón seguirá conduciendo hasta que la corriente se interrumpa externamente o el voltaje entre cátodo y ánodo cambie de sentido.

Aplicaciones. Los Ignitrones se utilizan mucho como rectificadores de alta tensión en las grandes instalaciones industriales y de servicios públicos, donde miles de amperios de corriente AC se deben convertir a CC, como en las fundiciones de aluminio, etc... Los Ignitrones se utilizan también para controlar la corriente en máquinas de soldadura eléctrica, motores eléctricos grandes. De una manera similar a los dispositivos semiconductores modernos tales como rectificadores controlados de silicio y triacs, muchas locomotoras eléctricas utilizan ignitrones en conjunción con los transformadores para convertir corriente alterna de alto voltaje de las líneas aéreas a DC relativamente baja para los motores de tracción. Debido a que son mucho más resistentes a los daños por sobrecorriente o backvoltaje, Los ignitrones todavía se fabrican y se usan en lugar de semiconductores en algunas instalaciones, Por ejemplo, los ignitrones todavía se utilizan en ciertas aplicaciones de potencia pulsada. Estos dispositivos soportan cientos de kiloamperios, los ánodos en estos dispositivos a menudo se fabrican a partir de un metal refractario, usualmente de molibdeno, para manejar la corriente inversa sin daños. A menudo se utilizan para cambiar las baterías de condensadores de alta energía durante el conformado electromagnético, electro-formación, o en caso de emergencia en los cortocircuitos de las fuentes de alimentación de alta tensión.

3. CLASIFICACIÓN DE LOS TIRISTORES O SEMICONDUCTORES DE POTENCIA; NOMBRE, SÍMBOLO, CARACTERÍSTICAS DE V-I, CONSTRUCCIÓN, ESTRUCTURA INTERNA Y APLICACIONES

TIRISTOR SCHOTTKY. Es un tiristor con dos terminales llamadas ánodo y cátodo, está constituido por cuatro capas semiconductoras que forman una estructura pnpn, básicamente actúa como un interruptor abierto hasta que se aplica un voltaje de encendido se cierra el tiristor y permite el flujo de corriente a través de él, permitiendo así mismo la conducción, dicha conducción continúa hasta que la corriente se reduce por debajo del valor específico “IH”. Símbolo.

Característica Voltaje-Corriente.

Estructura interna.

Aplicaciones.

Una de las aplicaciones y empleo de éste tiristor consiste un tiristor Schottky con un voltaje de conducción de 10 V. Por tanto, si el voltaje de la fuente es de 9 V, el tiristor estará abierto y no circulara corriente por él, por lo tanto la lámpara estará apagada. Ahora bien, si el voltaje de la fuente supera los 9V. Debido a una falla en el sistema, el tiristor entrará en saturación y la lámpara encenderá. Es importante señalar que la lámpara permanecerá encendida aunque el voltaje vuelva a 9V, debido a que el tiristor estará cerrado, indicando de esta forma que ha habido una falla. Para apagar nuevamente la lámpara es necesario quitar la alimentación para que el tiristor regrese a su posición original inicialmente (circuito abierto).

TIRISTOR DE CONDUCION INVERSA PUERTA CANAL N CONTROLADO POR ÁNODO (RCT). En muchos circuitos pulsadores e inversores, se conecta un diodo antiparalelo a través de un SCR, con la finalidad de permitir un flujo de corriente inversa debido a una carga inductiva, y para mejorar el requisito de desactivación de un circuito de conmutación. El diodo fija el voltaje de bloqueo inverso del SCR a 1 ó 2v por debajo de las condiciones de régimen permanente. Sin embargo, bajo condiciones transitorias, el voltaje inverso puede elevarse hasta 30v debido al voltaje inducido en la inductancia dispersa del circuito dentro del dispositivo. Un RCT se conoce también como tiristor asimétrico (ASCR), cuenta con tres pines ánodo, cátodo y puerta, el voltaje de bloqueo directo varía de 400 a 2000 volts y la especificación de corriente hasta 500A. El voltaje de bloqueo inverso es típicamente de 30 a 40 Volts. Dada las características de relación entre la corriente directa a través de un tiristor y la corriente inversa del diodo, sus aplicaciones se limitan a diseños de circuitos específicos.

Símbolo.

Estructura Interna.

TIRISTOR DE CONDUCION INVERSA PUERTA CANAL P CONTROLADO POR CÁTODO (RCT). Es igual que el controlado por ánodo, con la diferencia de que éste como su nombre lo dice tiene el gate en el cátodo. Símbolo.

Estructura Interna.

TIRISTOR DE DESCONEXIÓN INVERSA PUERTA CANAL N CONTROLADO POR ÁNODO (GTO). Son semiconductores discretos que actúan como interruptores completamente controlables, los cuales pueden ser encendidos y apagados en cualquier momento con una señal de compuerta positiva o negativa respectivamente. Estos componentes están optimizados para tener muy bajas pérdidas de conducción y diseñados para trabajar en las más demandantes aplicaciones industriales. Estos componentes son altamente utilizados en Convertidores de Alto Voltaje y Alta Potencia para aplicaciones de baja y media frecuencia. Un tiristor GTO tiene la estructura muy similar a un tiristor SRC convencional, como se muestra en la figura I. con sus 4 capas de silicio (PNPN) y tres terminales: ánodo (A), cátodo (K) y puerta (G). Un tiristor GTO, al igual que un SCR puede activarse mediante la aplicación de una señal positiva de compuerta. Sin embargo, se puede desactivar mediante una señal negativa de compuerta. Un GTO es un dispositivo de enganche y se construir con especificaciones de corriente y voltajes similares a las de un SCR. Un GTO se activa aplicando a su compuerta un pulso positivo corto y se desactiva mediante un pulso negativo corto. Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista señal en la compuerta, el dispositivo se bloquea para cualquier polaridad en el ánodo, pero una corriente de fuga (IA leak) existe. Con un voltaje de vías 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 la corriente 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. Una polarización en inversa VAK puede ser alcanzada cuando ocurra un corte. El valor del voltaje del voltaje de ruptura inverso depende del método de fabricación para la creación de una regeneración interna para facilitar el proceso de apagado. Con un voltaje de polarización directo aplicado al ánodo y un pulso de corriente positiva es aplicada 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 regenerativa interna no es efectiva. La segunda forma de apagarlo es por medio de un pulso en el gate, y este es el método más recomendable porque proporciona un mejor control. Ventajas de los GTO en comparación con los SCR. -Eliminación de los componentes auxiliares en la conmutación forzada, que da como resultado una reducción en costo, peso y volumen.

-Eliminación del ruido acústico y electromagnético debido a la eliminación de bobinas de inducción en la conmutación. -Desactivación más rápida, permitiendo frecuencias de conmutación más altas. -Una eficiencia mejorada de los convertidores. Ventajas sobre los transistores bipolares en aplicaciones de baja potencia. -Más alta capacidad de voltaje de bloqueo. -Alta relación de corriente de pico controlable a corriente promedio. -Alta relación de corriente de pulsación pico a corriente promedio, típicamente de 10:1. Alta ganancia en estado activo típicamente de 600 Señal de compuerta pulsada de corta duración. Bajo condiciones de pulsación de carga, un GTO pasa a una saturación más profunda debido a la acción regenerativa. Por otra parte, un transistor bipolar tiende a salirse de saturación. Símbolo.

Caracteristica Voltaje-Corriente

TIRISTOR DE DESCONEXIÓN INVERSA PUERTA CANAL P CONTROLADO POR CÁTODO. Funciona igual que el controlado por ánodo, con la única diferencia de que el gate está sobre el cátodo. Simbolo.

SBS Silicon Bilateral Switch (INTERRUPTOR DE 2 SENTIDOS DE SILICIO). El SBS o Silicon Bidireccional Switch es u dispositivo de baja pote cia si trico para aplicacio es de disparo s vers til que el I . ie e ade s u ter i al adicio al gate o que per ite odificar sus características de disparo co peque os pulsos de corrie te dece as de μ . u reducido coste alta velocidad capacidad para disparar puertas de tiristores co altos valores de corrie te hace que este dispositivo sea u til e uchas aplicacio es. o es sola e te u versi ejorada del diodo de cuatro capas si o que es fabricado como un circuito integrado constituido por transistores, diodos y resistencias. Símbolo.

Característica Voltaje-Corriente

Estructura Interna.

SUS Silicon Unilateral Switch (INTERRUPTOR DE 1 SENTIDO DE SILICIO). Es la combinación de un tiristor con puerta anódica y un diodo Zener entre puerta c todo. e usa para el disparo de tiristores. u pri cipal par etro es V ≈ 6 10 V., Se dispara a una tensión fija, Vzener, y su corriente IS está muy cercana a IH. La Sincronización es mediante impulsos en la puerta del SUS. Símbolo.

Característica Voltaje-Corriente y Estructura Interna

TRIGGER DIAC. Es similar a un transistor bipolar sin conexión de base y con las regiones de colector y emisor iguales y muy dopadas. El dispositivo permanece bloqueado hasta que se alcanza la tensión de avalancha en la unión del colector. Esto inyecta corriente en la base que vuelve el transistor conductor, produciéndose un efecto regenerativo. Al ser un dispositivo simétrico, funciona igual en ambas polaridades, intercambiando el emisor y colector sus funciones. Símbolo.

Característica Voltaje-Corriente.

FOTOTIRISTOR (LASCR). Rectificador controlado de silicio fotoactivo (LASCR). Dispositivo semiconductor de cuatro capas que opera esencialmente como el SCR normal, solamente que es activado por medio de energía luminosa que incide sobre una de las junturas PN. Cuando la luz incidente es suficientemente intensa, el LASCR se dispara y permanece en ese estado aunque desaparezca esa luz. Principio de funcionamiento: Este dispositivo se activa mediante radiación directa de luz sobre el disco de silicio. Los pares electrón-hueco que se crean debido a la radiación producen la corriente de disparo bajo la influencia de un campo eléctrico.

La estructura de compuerta se diseña a fin de proporcionar la suficiente sensibilidad para el disparo, a partir de fuentes luminosas prácticas (por ejemplo, LED y para cumplir con altas capacidades de di/dt y dv/dt). En un circuito puede ser reconocido por la simbología que muestra la figura I. Como se observa cuenta con tres terminales Puerta (G), Ánodo (A), Cátodo (K) y una ventana transparente por donde entra la luz. Aplicaciones. Los LASRC se utilizan en aplicaciones de alto voltaje y corriente por ejemplo, transmisión de cd de alto voltaje (HVDC) y compensación de potencia reactiva estática o de volt-amperes reactivos (VAR). Un LASCR ofrece total aislamiento eléctrico entre la fuente de disparo luminoso y el dispositivo de conmutación de un convertidor de potencia, que flota a un potencial tan alto como unos cuantos cientos de kilovoltios. Símbolo.

Característica Voltaje-Corriente

Estructura Interna.

DITRIAC / QUADRAC. Son un tipo especial de tiristor que combina un " cardíaco "y un" triac "en un solo paquete. El diac es el dispositivo de disparo para el triac. Los tiristores son de cuatro capas (PNPN) semiconductores dispositivos que actúan como interruptores, rectificadores o reguladores de tensión en una variedad de aplicaciones. Cuando se activa, los tiristores se encienden y vuelven de baja resistencia actuales caminos. Siguen siendo así incluso después de retirar el gatillo, y hasta que la corriente se reduce a un cierto nivel (o hasta que se activan apagado). Diacs son bidireccionales diodos que conmutan AC voltajes y triacs gatillo o los rectificadores controlados de silicio (SCR). A excepción de una pequeña corriente de fuga , triacs no llevan a cabo hasta que la tensión de ruptura se alcanza. Triacs son de tres terminales, dispositivos de silicio que funcionan como dos SCR configurados en una inversa, disposición paralela. Ellos proporcionan corriente de carga durante las dos mitades de la tensión de alimentación de CA. Mediante la combinación de las funciones de diacs y triacs, quadracs eliminan la necesidad de comprar y montar las piezas discretas. Quadracs se utilizan en el control de iluminación, control de velocidad, y aplicaciones de control de modulación de la temperatura. Llevan las especificaciones de rendimiento, tales como pico repetitivo fuera de tensión, repetitivo pico de voltaje inverso , raíz cuadrada media (RMS) actual en el estado, y la unión de la temperatura . Tensión de pico repetitiva es el máximo, el valor instantáneo de la tensión fuera del estado que se produce a través de un tiristor, incluyendo todos los voltajes transitorios repetitivos y excluyendo todas las tensiones no transitorias. Pico de tensión inversa repetitiva es la tensión inversa pico máximo que se puede aplicar de forma continua a las principales terminales (ánodo y cátodo) de quadracs. RMS actual en el Estado es la máxima corriente

RMS permitido para la temperatura de casos de uso especificado. Temperatura de la unión para quadracs se expresa como una gama completa requerida. Símbolo.

TRIAC. Es un dispositivo que se comporta como dos SCR conectados en contraposición, con una compuerta de paso común; puede ir en cualquier dirección desde el momento en que el voltaje de ruptura se sobrepasa. El símbolo del TRIAC se ilustra en la figura siguiente. El voltaje de ruptura en un TRIAC disminuye si se aumenta la corriente de compuerta, en la misma forma que lo hace en un SCR, con la diferencia que un TRIAC responde tanto a los impulsos positivos como a los negativos de su compuerta. Una vez encendido, un TRIAC permanece así hasta que su corriente cae por debajo de IH. Símbolo.

Característica Voltaje-Corriente

En la curva característica se indica que para diferentes disparos, es decir, para distintas corrientes aplicadas en gate, el valor de VBO es distinto. En la parte de

polarización positiva, la curva de más a la izquierda es la que presenta un valor de VBO más bajo, y es la que mayor corriente de gate precisa en el disparo. Para que este dispositivo deje de conducir, como en el resto de los casos, hay que hacer bajar la corriente por debajo del valor IH. Estructura Interna.

TRANSISTOR BIPOLAR DE PUERTA AISLADA (IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor). Es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia. Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo 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 como interruptor 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, en particular en los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en máquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso: automóvil, tren, metro, autobús, avión, barco, ascensor, electrodoméstico, televisión, domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI (en Inglés UPS), etc.

Símbolo.

Estructura Interna.

Circuito Equivalente.

Característica Voltaje-Corriente

Funcionamiento. Consideremos que el IBGT se encuentra bloqueado inicialmente. Esto significa que no existe ningún voltaje aplicado al gate. Si un voltaje VGS es aplicado al gate, el IGBT enciende inmediatamente, la corriente ID es conducida y el voltaje VDS se va desde el valor de bloqueo hasta cero. LA corriente ID persiste para el tiempo tON en el que la señal en el gate es aplicada. Para encender el IGBT, la terminal drain D debe ser polarizada positivamente con respecto a la terminal S. LA señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado al gate G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15, puede causar que el tiempo de encendido sea 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 de voltaje en el gate. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en el gate es muy baja. EL IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la terminal gate. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 micro segundos, por lo que la frecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz. EL IGBT requiere un valor límite VGS(TH) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4 V. Arriba de este valor el voltaje VDS cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el gate debe tener un voltaje 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 corriente alterna, manejados a niveles de potencia que exceden los 50 kW.

4. DEFINICIÓN DE LOS PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE LOS DISPOSITIVOS. PARÁMETROS GENERALES. VDRM = Tensión de pico máxima repetitiva en el estado bloqueado en el sentido directo que soporta el tiristor. VRRM = Tensión de pico máxima repetitiva en el sentido bloqueado que soporta el tiristor. IT = Corriente eficaz máxima permanente para una conducción durante una alternancia (180°). Io = Corriente media máxima permanente para una conducción durante una alternancia (180°). Io está generalmente unida a IT por la relación: Io = 2x IT/3 14 π . ITSM = Corriente de pico máxima de sobrecarga accidental. Esta intensidad está definida por una conducción de una alternancia (10 ms). El componente debe haber recuperado el equilibrio térmico antes de ser sometido a una nueva sobre intensidad. IFGM o IGM = Intensidad de puerta directa máxima. Magnitud definida para una duración de impulso máxima. PGFS o PGM = Potencia de pico de puerta. Magnitud definida por una duración de impulso máxima; es superior a PGAV. PGAV = Potencia media disipable por la puerta. Es la potencia media máxima que puede disipar la puerta en el caso de una señal de control continua. VGM = Tensión máxima de puerta. Tstg = Margen de temperaturas de almacenamiento. TJ = Margen de temperaturas de trabajo de la unión. = Velocidad de incremento máxima de la intensidad del ánodo. PARÁMETROS ELECTRICOS. IDRM = Intensidad de ánodo de fuga máxima repetitiva en el estado bloqueado. IRRM = Intensidad de ánodo de fuga máxima repetitiva en el sentido de bloqueo.

IGT = Intensidad de cebado (llamada también de disparo) de puerta. VGT = Tensión de cebado (o de disparo) de puerta. IL = Intensidad de enganche, definida para un valor de IG*IL es siempre superior a IH. IH = Intensidad de mantenimiento, definida para un valor de IT. VTM = Tensión ánodo-cátodo máxima en el estado conductor o disparado, definida para IT = ITM. = Velocidad de incremento máxima de la tensión de ánodo-cátodo en el estado bloqueado. PARÁMETROS DE CONMUTACION. Tgt = Tiempo de puesta en conducción del tiristor. Tq = Tiempo de bloqueo del tiristor. Parámetros Específicos Para el TRIAC IDRM = IRRM para el triac. IGT, VGT e IL están definidos para los cuatro cuadrantes de trabajo del triac. Vcd = Es el valor promedio del voltaje de salida o de carga. Icd = Es el valor promedio de la corriente de salida (de carga). Pcd = Es la salida de potencia en corriente directa, es directamente proporcional al valor promedio de voltaje por el valor promedio de la corriente: Pcd = VcdIcd Vrms = Es el valor medio cuadrático (rms) del voltaje de salida. Irms = Es el valor medio cuadrático (rms) de la corriente de salida. Pca = Es la potencia de salida y corriente alterna la cual es directamente proporcional al valor medio rms de voltaje por el valor medio rms de la corriente: Pca = Vrms Irms F.F = Es el factor de forma, el cual es una medida de la forma de voltaje de salida, y está dada por:

F.F = R.F = Es el valor de la componente ondulatoria, el cual es una medida del contenido de la componente ondulatoria y está dada por: R.F = T.U.F = Es el factor de utilización del transformador y está determinada por: T.U.F = P.I.V = Es el voltaje de bloqueo de pico inverso el cual es igual al voltaje de entrada. F.D = Es el factor de desplazamiento y se encuentra dado por: F.D = Cos P.F = Es el factor de potencia de entrada y se determina por:

5. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Las principales razones técnicas para la utilización de sistemas electrónicos y de potencia son a menudo la gran velocidad y la dinámica de regulación que se asocia a sus dispositivos. La soldadura sin proyección, el tren de levitación magnética, la fabricación de electroerosión y las máquinas de herramientas son buenos ejemplos de ello. Las principales razones económicas son la reducción del peso y volumen y el buen rendimiento de los equipos. La alimentación en modo conmutado en los televisores reduce el costo de producción. En los equipos informáticos, tiene la ventaja de una reducción en la disipación térmica en salas climatizadas. En los medios de transporte, la alimentación en modo conmutado permite obtener más ganancias en peso y volumen, lo que se traduce en la reducción del peso y del consumo de los vehículos. A continuación se presentan algunas ventajas y desventajas de los semiconductores utilizados en la electrónica de potencia. Ventajas. -Menor costo. -Menor tamaño. -Mayor rapidez de conmutación. -Libres de mantenimiento (excepto limpieza exterior). -Capacidad en manejo de altas corrientes. -Operación silenciosa. -No necesitan de sistemas de enfriamiento. -Fuertes resistencias a los choques y aceleraciones. -Ausencia de vibraciones (no hay arco eléctrico). -Insensibilidad a las sobrecargas. Desventajas. -No provee aislamiento eléctrico (los relevadores sí). -Requiere de cuidado en su conexión.

-Les puede afectar la alta temperatura. -Fáciles de destruir si se sobrepasan sus especificaciones. -Requieren voltajes regulables.

6. CIRCUITOS DE APLICACIÓN POR SU FORMA DE CONVERTIR LA ENERGÍA ELÉCTRICA. EJEMPLOS.

Para el control o el acondicionamiento de la potencia eléctrica, es necesaria la conversión de potencia eléctrica de una a otra forma, y que las características de conmutación de los dispositivos de potencia permitan esas conversiones. Los convertidores estáticos de potencia hacen esas funciones de conversiones de potencia. Se puede considerar que un convertidor es una matriz de conmutación. Los circuitos electrónicos de potencia se pueden clasificar en seis tipos: Rectificadores de diodo. Un circuito rectificador de diodo convierte el voltaje de ca en voltaje fijo de cd. El voltaje de entrada vi al rectificador podría ser tanto monofásico como trifásico.

Convertidores de CA-CD. Un convertidor monofásico con dos tiristores conmutados naturales. El valor promedio del voltaje de salida vo se puede controlar variando el tiempo de co ducci de los tiristores o al gulo α de retardo de disparo. a e trada podría ser una fuente monofásica o trifásica. Estos convertidores se llaman también rectificadores controlados.

Convertidores de CA-CA. Se usan para obtener un voltaje variable de ca, vo, con una fuente fija de ca y un convertidor monofásico con un TRIAC. El voltaje de salida se controla variando el tie po de co ducci de u RI o el gulo de retardo de disparo de α. stas clases de convertidores de voltaje también se llaman controladores de voltaje ca.

Convertidor de CD-CD. Se llama también recortador de picos, o regulador de conmutación. El voltaje promedio de salida vo se controla haciendo variar el tiempo de conducción t del transistor Q1. Si T es el periodo de recorte, entonces t1 = A se le llama ciclo de trabajo del recortador.

Convertidores de CD-CA. Se le llama también inversor. Si los transistores M1 y M2 conducen durante medio periodo, y M3 y M4 conducen durante la otra mitad, el voltaje de salida es alterno. El valor del voltaje se puede controlar variando el tiempo de conducción de los transistores.

Interruptores estáticos. Ya que los dispositivos de potencia se pueden hacer trabajar como interruptores estáticos o contactores, el suministro a ellos podría ser de ca o de cd, y los dispositivos se llaman interruptores estáticos de ca o interruptores de cd.

Con frecuencia se pueden conectar en cascada varias etapas de conversión, para producir la salida que se desee. Los suministros 1 abastecen el suministro normal de ca a la carga a través de la derivación estática. El convertidor de ca-cd carga la batería de reserva desde las llegadas 2. El convertidor de cd a ca suministra la energía de emergencia a la carga a través de un transformador desacoplador. Las líneas primarias 1 y 2 se suelen conectar a la misma fuente de cd.

7. CONSTRUCCIÓN DE DIAGRAMAS A BLOQUE EXPLICANDO QUE ELEMENTOS FORMAN UN SISTEMA O EQUIPO ELECTRÓNICO.

Se requieren sistemas electrónicos de potencia, por las siguientes razones:- la forma en que se suministra la energía no coincide con la forma en que se desea consumir, por ejemplo: la alimentación de un ordenador personal.- en determinadas aplicaciones resulta rentable cambiar la forma de la energía por ejemplo para transmitirla.- no se puede hacer de otra forma. Supóngase por ejemplo el sistema de alimentación de un satélite. Este está formado por baterías, las cuales pueden cargarse mediante paneles solares. En este caso es necesario un sistema electrónico que adapte dichas necesidades. Se requieren nuevas prestaciones por parte de los consumidores de energía. Por ejemplo, en caso de la conversión de una tensión alterna CA fija que llega a una industria proveniente directamente de una subestación, es una tensión variable en amplitud y frecuencia, es necesaria para el control de la velocidad y el almacenamiento de los motores de una correa transportadora. La mayor flexibilidad y controlabilidad de los dispositivos electrónicos, hacen que se apliquen para resolver en procesos cada vez más complejos. Un equipo electrónico de potencia consta fundamentalmente de dos partes: 1. Un circuito de potencia, compuesto de semiconductores de potencia y elementos positivos, que liga la fuente primaria de almacenamiento con la carga. En este circuito no se utilizan resistencias debido a su elevada disipación de potencia en forma de calor. 2. Un circuito de mando, que elabora la información proporcionada por el circuito de potencia y genera unas señales de excitación que determina la conducción de los semiconductores controlados con una fase y secuencia conveniente.

DIAGRAMA A BLOQUES DE UN SISTEMA DE POTENCIA.

Ejemplo de un Diagrama a Bloques de un Circuito de Velocidad de un Motor de Continua.

8. EXPLICAR LA OPERACIÓN DE CADA UNO DE LOS TIRISTORES DE LA TABLA. Diodo (Shockley) De Cuatro Capas. El diodo Schokley, también llamado diodo de cuatro capas o diodo tiristor, es un dispositivo bipolar PNPN comparable en todos los aspectos con un tiristor del que solo se dispusiera de los terminales de cátodo y ánodo. En efecto, cuando se aplica entre cátodo y ánodo una tensión creciente, pero inferior a un cierto valor de umbral, VS, su resistencia es elevada y solo pasa una corriente de unos pocos microamperes. Este es su primer estado estable, el de bloqueo. Al alcanzar la tensión el valor VS abordamos la segunda zona, en el cual el diodo presenta una resistencia negativa. Este estado es inestable. La resistencia del diodo cae entonces rápidamente y, a partir del punto IH, no vale más de unos pocos ohm; el diodo es ahora plenamente conductor y permanece así mientras subsista una corriente igual o superior a la de mantenimiento, IH. Ésta es la tercera zona, en la cual es estable de nuevo el elemento; la caída de tensión, en esa zona de trabajo, es del orden de 1 volt para el germanio, y de 1,3 a 1,7 V para el silicio. El bloqueo se efectúa reduciendo la corriente por debajo de su valor de mantenimiento, IH, o disminuyendo la tensión por debajo de VH. Las tensiones de umbral Vs suelen ser del orden de 20 a 100V mientras que IH se sitúa entre 1 y 50 mA. SCR (Rectificador Controlado De Silicio). El SCR: (Silicon Controlled Rectifier) es un tipo de tiristor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. El nombre proviene de la unión de Tiratrón (tyratron) y Transistor. El SCR y la corriente continua. Normalmente el SCR se comporta como un circuito abierto hasta que activa su compuerta (GATE) con una pequeña corriente (se cierra el interruptor S) y así este conduce y se comporta como un diodo en polarización directa Si no existe corriente en la compuerta el tiristor no conduce.

Lo que sucede después de ser activado el SCR, se queda conduciendo y se mantiene así. Si se desea que el tiristor deje de conducir, el voltaje +V debe ser reducido a 0 Voltios.

Si se disminuye lentamente el voltaje (tensión), el tiristor seguirá conduciendo hasta que por el pase una cantidad de corriente menor a la llamada "corriente de mantenimiento o de retención", lo que causará que el SCR deje de conducir aunque la tensión VG (voltaje de la compuerta con respecto a tierra no sea cero). Como se puede ver el SCR, tiene dos estados: 1. Estado de conducción, en donde la resistencia entre ánodo y cátodo es muy baja 2. Estado de corte, donde la resistencia es muy elevada

El SCR y la corriente alterna. 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.

El circuito RC produce un corrimiento de la fase entre la tensión de entrada y la tensión en el condensador que es la que suministra la corriente a la compuerta del SCR. Puede verse que el voltaje en el condensador (en azul) está atrasado con respecto al voltaje de alimentación (en rojo) causando que el tiristor conduzca un poco después de que el tiristor tenga la alimentación necesaria para conducir. Durante el ciclo negativo el tiristor se abre dejando de conducir. Si se modifica el valor de la resistencia, por ejemplo si utilizamos un potenciómetro, se modifica el desfase que hay entre las dos tensiones antes mencionadas ocasionando que el SCR se active en diferentes momentos antes de que se desactive por el ciclo negativo de la señal y deje de conducir. Para que el tiristor entre en conducción, tienen que cumplirse dos condiciones: que este polarizado directamente (tensión ánodo-cátodo positiva, es decir, más tensión en el ánodo que en el cátodo), y aplicar un impulso de tensión positivo o una corriente entrante en la puerta. SCR Con Compuerta Amplificadora. Esta clase de tiristores suele funcionar a la frecuencia de línea, y se apagan por conmutación natural. Un tiristor inicia la conducción en sentido directo, cuando se aplica un pulso de disparo de corriente de la compuerta al cátodo, y se llega y se mantiene con rapidez a la conducción total, con una caída pequeña de voltaje en sentido directo. No puede hacer que su corriente regrese a cero mediante una señal en su compuerta; en lugar de ello, se basa en el comportamiento natural del circuito para que la corriente llegue a cero. El tiempo de apagado Tq es del orden de 50 a 100 µs. Es más adecuado para aplicaciones con conmutación de baja velocidad, y también se llama tiristor convertidor. Es básicamente un dispositivo controlado hecho de silicio, también se le llama rectificador controlado de silicio (SCR). El voltaje VT en estado de encendido varía, desde unos 1.15V para 600V hasta 2.5V para dispositivos de 4000V, y para un tiristor de 1200V, 5500A, ese voltaje suele ser 1.25V. Es un dispositivo de tres terminales usado para controlar corrientes más bien altas para una carga. SCR activado por luz (LASCR). Los fototiristores son como los fototransistores o FET muy similares a sus correspondientes convencionales, excepto en la adición de una ventana o lente para enfocar la luz en un área apropiada. Tienen tres terminales, y por tanto, el umbral del disparo óptico puede controlarse electrónicamente. La ventaja principal del fototiristor es que es un excelente conmutador, con una capacidad de gobernar

potencias muy superiores a otros fotodetectores. Con refrigeración apropiada, algunos fototiristores pueden trabajar a unos cientos de voltios con un ampere.

Con polarización apropiada los fotones entrantes crean pares electrón-hueco en la vecindad de la segunda unión y estos portadores libres son atraídos a través de las uniones produciendo una corriente ánodo-cátodo. A un cierto nivel de radiación, la ganancia neta de corriente del dispositivo excede a la unidad y la corriente ánodo-cátodo sólo viene limitada por la impedancia exterior. En este punto, el SCR ha cambiado de ser un conmutador prácticamente abierto a uno casi en cortocircuito. La salida de un foto-SCR no es proporcional a la radiación incidente como en el caso de los fotodetectores anteriores. El foto-SCR está CORTADO (baja corriente de ánodo) antes que una irradiación adecuada lo dispare y CONDUCE en cuanto se supera el umbral óptico. La corriente de ánodo no varía prácticamente con el nivel de luz. Como los fototiristores se aproximan a los conmutadores, sus aplicaciones principales son para sistemas ópticos lógicos, tales como contadores clasificadores y funcionamiento como relés. La mayoría de las aplicaciones de los foto-SCR requieren una resistencia externa entre la puerta y el cátodo que puentea efectivamente parte de la corriente en la porción npn del dispositivo. De aquí que la resistencia puerta-cátodo (RGK) determine la sensibilidad a la luz y a su vez influye en los efectos de temperatura, respuesta en frecuencia y dv/dt. Aumentando R GK aumenta la sensibilidad a la luz ya la temperatura, pero disminuye la respuesta en el tiempo. Como puede esperarse, el nivel de disparo de un foto-SCR depende de la temperatura de la unión, de la tensión aplicada, etc. Antes que se alcance el umbral óptico, el SCR está CORTADO y solo huye una pequeña corriente de pérdida (unos µA) de ánodo a cátodo, por tanto, la carga no tiene conexión a masa. Cuando la irradiancia alcanza el valor de disparo adecuado el R ON U ≈ 0 9 . o o el foto-SCR no se CORTA al

eliminar la luz, debe emplearse un método de conmutación. C1 es necesario para evitar que el SCR conduzca con un falso disparo si la alimentación se aplica muy rápidamente. Conmutador con control de puerta (CGS). La señal de puerta conmuta CGS lento en corte como en conducción se aplica en conmutadores de cc inversores, troceadores, circuitos lógicos. Conmutador unilateral de silicio (SUS). Destinado esencialmente al disparo de tiristores, el conmutador unilateral de silicio (“silicon unilateral switch” = SUS) está constituido por un tiristor miniatura, con puerta de ánodo, al que asocia, entre puerta y cátodo, un diodo de avalancha de baja tensión.

Algunas de las características típicas de este elemento, tomadas de un D 13 D 1 de General Electric, son las siguientes:       

Tensión de disparo Vs = 6 a 10 V. Corriente en el momento de disparo IS = 0,5 mA máx. Tensión de mantenimiento VH =aproximadamente 0,7 V a 25° C. Corriente de mantenimiento IH = 1,5 mA máx. Caída de tensión directa (para IF = 200 mA ) = 1,75 V. Tensión inversa VR = 30 V. Pico de los impulsos Vo = 3,5 V mín.

El SUS se dispara a una tensión fija, determinada por su diodo de avalancha, y su corriente IS resulta mayor, y muy cercana a IH. Estos datos limitan la frecuencia (tanto alta como baja) de trabajo de elemento. La sincronización se asegura mediante los impulsos aplicados a la puerta del SUS.

Conmutador controlado de silicio (SCS). Su estructura es como la de un tiristor pero tiene además de la terminal puerta conectada a P2, otra terminal puerta conectada a N1. El funcionamiento es similar al del tiristor convencional con la salvedad de que también puede dispararse mediante un circuito conectado entre A y PA que produzca un impulso de intensidad saliente por este terminal. Puede asimismo bloquearse con un impulso entrante en PA.

La sensibilidad de disparo es mucho mayor en la puerta de cátodo que en la de ánodo, pues mientras aquella dispara con intensidades del orden de 2 µA, ésta necesita 2mA. El disparo por puerta de ánodo es un fenómeno simétrico al explicado para disparo por puerta de cátodo, en el que los papeles de electrones y huecos se han intercambiado. El bloqueo por impulso positivo en PA se basa en la polarización inversa a que queda sometida la unión P1N1, que deja automáticamente conducir. El tiempo de apagado es de 1 a 10 µs, mucho menor que el de un tiristor rápido, que necesita de 5 a 30 µs. También es posible el bloqueo mediante un impulso negativo entre PC y C, pero se necesita una resistencia exterior que limite la corriente de ánodo a un calor adecuado. La intensidad de ánodo máxima de estos semiconductores no suele pasar de 1 A. Se emplean en contactores de anillo, multivibradores y generadores de impulsos. DIAC. El DIAC es un elemento simétrico que no posee, por tanto, polaridad. Su nombre proviene de la contracción de “Diode Alternative Current”. Su estructura es muy simple ya que se obtiene por doble difusión de impurezas de tipo opuesto al del sustrato.

La tensión de disparo se suele escoger cercana a los 30 V. Es difícil obtener tensiones sensiblemente más bajas con una resistencia negativa suficiente, mientras que el empleo de valores más elevados reduciría las posibilidades de control.

Los diacs son muy utilizados para realizar variadores de potencia muy simples. Permiten obtener, con condensadores de poco volumen (por ejemplo, 0,1 µF y 35 V) corrientes de disparo de valor elevado. TRIAC.

Es un elemento semiconductor de tres electrodos, uno de los cuales es de mando (la puerta) y los otros dos son los tres principales de conducción. El elemento puede pasar de un estado de bloqueo a un régimen conductor, en los dos sentidos de polarización (cuadrantes I y II) y volver al estado de bloqueo de la tensión o por disminución de la corriente por debajo del valor de mantenimiento, IH.

El triac es, pues, la versión bidireccional del tiristor; en su representación eléctrica se le puede comparar a la asociación en antiparalelo de los tiristores, presentando no obstante dos ventajas fundamentales sobre ese montaje en el que solo se podría gobernar las puertas mediante un transformador de impulsos; el circuito de mando resulta más sencillo al no existir más que un electrodo de disparo; el dispositivo puede bascular al estado conductor independientemente de las polaridades de puerta de ánodo (el disparo se efectúa en los 4 cuadrantes). Conmutador bilateral de silicio (SBS). El conmutador bilateral de silicio (“silicon bilateral switch” = SBS), derivado del SUS, se compone de SUS idénticos en antiparalelo.

Funciona pues en los dos sentidos, como su nombre indica, y se aplica sobre todo al control de triacs. En ese caso, el montaje de principio tiene como única diferencia la tensión de c.c. de ataque que habrá de sustituirse por una tensión alterna.

Las especificaciones del SBS son idénticas a las del SUS; no obstante, la noción de tensión inversa VR pierde todo significado.

9. EXPLICAR LA OPERACIÓN DEL GTO Y DEL IGBT Y CIRCUITOS DE APLICACIÓN. El GTO (Gate Turn-Off Switch). Es un tiristor con posibilidades de ser bloqueado mediante un impulso de corriente negativa en la puerta, sin necesidad de la resistencia limitadora de ánodo descrita para el SCS. Esta posibilidad se basa en una geométrica de la zona de puerta tal que la influencia de esta sobre el resto de la pastilla es mayor que en el tiristor convencional. Para ello se ramifica el cátodo por gran parte de la zona de puerta mediante una técnica de inter-digitación de manera que la polarización negativa de la puerta extrae más fácilmente los portadores que saturan la unión de control casando el proceso regulativo que mantiene el estado de conducción. El GTO ya se construyó en la década en de los sesenta, pero no se consiguieron componentes útiles comercialmente hasta los setenta.

En conducción tiene más caída de tensión que el tiristor convencional (2,5 V frente a 1,5 V). El mecanismo de disparo es muy parecido al del tiristor. No obstante, el fabricante suele recomendar mantener cierto nivel de corriente positiva en la puerta durante todo el periodo de conducción para asegurar que toda el área de la pastilla se halla en conducción. El tiempo de disparo es del orden de 4 µs. El tiempo de bloqueo es de unos 8 µs, necesitándose extraer por puerta de intensidad de un quinto de la que circula por ánodo, aproximadamente. Esta relación depende de la familia usada y de la propia intensidad de ánodo. Como es necesario prever que ésta sobrepase el valor nominal del componente por si hubiera que efectuar el bloqueo durante una sobrecarga, el circuito des excitador de puerta no resulta pequeño. A pesar de ello, el hecho de no necesitar componentes para el bloqueo, hace del GTO un componente apreciado en convertidores de gran potencia donde se busque la seguridad de funcionamiento, como es el caso de las locomotoras eléctricas.

Lo mismo que el tiristor convencional, puede realizarse en variante asimétrica con conducción libre en sentido inverso. La anulación del diodo P1N1 se efectúa de forma similar al tiristor, es decir, introduciendo una zona de alto dopado N1+, que además puede ser distribuida en pequeñas islas. El GTO asimétrico puede mejorar algunas características de conducción directa y bloqueo, pero los fabricantes no suelen caracterizar el diodo interno anti paralelo. Por tanto, debe emplearse normalmente con un diodo anti paralelo o en serie externo. Conviene considerar que aunque el GTO no necesita componentes auxiliares para provocar el bloqueo, como en el caso del tiristor, si necesita una red acicaladora que permita derivar la corriente de ánodo sin provocar sobretensiones que destruirán el componente. En circuitos de gran potencia como los que se construyen con GTO, solo la tercera red suele usarse, pues permite controlar la tensión máxima y la derivada de tensión en el semiconductor (du/dt = IA/C). Cuando la carga es muy inductiva, el límite de la frecuencia de conmutación puede estar marcado por la potencia que es razonable disipar en la red protectora, más que por los tiempos de disparo y bloqueo del GTO. Esta observación es válida para cualquier semiconductor de potencia empleado en un circuito; por tanto, es necesario tener en cuenta que la frecuencia máxima de conmutación de un circuito electrónico de potencia está condicionado por la rapidez del semiconductor disponible y por la propia topología y funcionamiento del circuito. Así, los FET disponibles hoy, enormemente rápidos, han obligado a investigar sobre circuitos resonantes (que conmutan con intensidad baja, disminuyendo las pérdidas de conmutación) para poder elevar la frecuencia de las fuentes conmutadas por encima de los 100 kHz.

En la figura se representan variaciones de las intensidades y tensiones de ánodo y de puerta durante el proceso de bloqueo. Durante el intervalo t1 la región de puerta se vacía de portadores, comenzando a disminuir la intensidad de ánodo al final del mismo. Se llama tiempo de almacenamiento. La intensidad negativa de puerta crece lentamente (en términos relativos) debido a la inductancia parásita en el control. El intervalo t2 o tiempo de caída es el que transcurre desde que la intensidad de ánodo disminuye al 90% de su valor inicial hasta la entrada en funcionamiento efectivo del acicalador. Este retraso se debe a la inductancia parásita Lp asociada a los conductores y componentes de dicha red y al tiempo de recuperación directa del diodo. Debe minimizarse, pues la disipación instantánea es alta debido a la coexistencia de intensidad de ánodo y tensión ánodo-cátodo elevada durante el mismo. Para ello hay que reducir las longitudes de las interconexiones y emplear un diodo rápido y un condensador con baja inductancia serie. El intervalo t3 está determinado por los valores de la intensidad de ánodo a bloquear y de C. No debe ser inferior a cierto valor para que la disipación instantánea en la pastilla no alcance el valor destructivo. Durante el mismo circula un resto de intensidad anódica por la capacidad parasita ánodo-cátodo del GTO no mostrada en el circuito.

IGBT Durante muchos años se ha buscado la forma de crear un dispositivo que fuese lo sufrientemente veloz y que pudiese manejar grandes cargas pero han surgido nuevas ideas con la unión de un MOSFET como dispositivo de disparo y un BJT de dispositivo de potencia y de esta forma se llegó a la invención del IGBT. La sigla IG correspo de a las i iciales de “isolated gate bipolar transistor” es decir, transistor bipolar de puerta de salida. El IGBT es un dispositivo semiconductor de potencia híbrido que combina los atributos del BJT y del MOSFET. Posee una compuerta tipo MOSFET y por consiguiente tiene una alta impedancia de entrada. El gate maneja voltaje como el MOSFET. Al igual que el MOSFET de potencia, el IGBT no exhibe el fenómeno de ruptura secundario como el BJT. El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es un dispositivo electrónico que generalmente se aplica a circuitos de potencia. Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de control de puerta es de

unos 15V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta.

El IGBT de la figura es una conexión integrada de un MOSFET y un BJT. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT. El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 kHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones. Es un componente de tres terminales que se denominan GATE (G) o puerta, COLECTOR (C) y EMISOR (E). COMO FUNCIONA. Consideremos que el IBGT se encuentra bloqueado inicialmente. Esto significa que no existe ningún voltaje aplicado al gate. Si un voltaje VGS es aplicado al gate, el IGBT enciende inmediatamente, la corriente ID es conducida y el voltaje VDS se va desde el valor de bloqueo hasta cero. LA corriente ID persiste para el tiempo TON en el que la señal en el gate es aplicada. Para encender el IGBT, la terminal drain D debe ser polarizada positivamente con respecto a la terminal S. LA señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado al gate G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15, puede causar que el tiempo de encendido sea 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 de voltaje en el gate. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en el gate es muy baja. EL IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la terminal gate. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 micro segundos, por lo que la frecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz.

EL IGBT requiere un valor límite VGS(TH) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4 V. Arriba de este valor el voltaje VDS cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el gate debe tener un voltaje arriba de 15 V, y la corriente ID se auto-limita. El IGBT se aplica en controles de motores eléctricos tanto de corriente directa como de corriente alterna, manejados a niveles de potencia que exceden los 50 kW.

BIBLIOGRAFÍA

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