TIRISTORES
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9/20/2014 1 TIRISTORES SRC – RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO TRIAC INTRODUCCION Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los dispositivos semiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas aplicaciones se puede suponer que los tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y limitaciones. Pueden soportar altas corrientes en conducción y elevadas tensiones en bloqueo, pero están limitadas en frecuencia a un máximo valor de 20KHz. TIPOS DE TIRISTORES Dependiendo de la construcción física y del comportamiento de activación y desactivación, en general los tiristores pueden clasificarse en ocho categorías: Tiristores de control de fase o de conmutación rápida (SCR). Tiristores de desactivación por compuerta (GTO). Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC). Tiristores de conducción inversa (RTC). Tiristores de inducción estática (SITH). Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR). Tiristores controlados por FET (FET-CTH) Tiristores controlados por MOS (MCT). RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO – SCR. El SCR es un dispositivo de tres terminales que permite el flujo de corriente hacia la carga en un solo sentido. Sus terminales son: Ánodo, Cátodo y Compuerta. La terminal de compuerta permite el control del paso de bloqueo a conducción. Una vez que el SCR es activado, se comporta como un diodo en conducción y ya no hay control sobre el dispositivo. Para el caso de que la polarización sea inversa, el elemento estará siempre bloqueado. Es un elemento unidireccional, conmutador casi ideal y rectificador. CARACTERISTICAS DEL S.C.R. El S.C.R. posee una serie de características que lo hacen apto para su utilización en circuitos de potencia: Interruptor casi ideal. Amplificador eficaz (pequeña señal de puerta produce gran señal A – K). Fácil controlabilidad. Características en función de situaciones pasadas (Memoria). Soporta altas tensiones. Capacidad para controlar grandes potencias. Relativa rapidez. CARACTERISTICAS DEL S.C.R. ESQUEMA DEL SCR Y MODELO CONSTITUTIVO DE 4 CAPAS La acción regenerativa o de enganche debido a la retroalimentación directa se puede demostrar mediante un modelo de tiristor de dos transistores. Un tiristor se puede considerar como dos transistores complementarios, un transistor PNP, Q1, y un transistor NPN, Q2
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ELECTRONICA DE POTENCIA
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9/20/2014
1
TIRISTORESSRC – RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO
TRIAC
INTRODUCCION
Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los dispositivos semiconductores de potencia.
Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia.
Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor.
Para muchas aplicaciones se puede suponer que los tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y limitaciones.
Pueden soportar altas corrientes en conducción y elevadas tensiones en bloqueo, pero están limitadas en frecuencia a un máximo valor de 20KHz.
TIPOS DE TIRISTORES
Dependiendo de la construcción física y del comportamiento de activación y desactivación, en general los tiristores pueden clasificarse en ocho categorías:
Tiristores de control de fase o de conmutación rápida (SCR).
Tiristores de desactivación por compuerta (GTO).
Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC).
Tiristores de conducción inversa (RTC).
Tiristores de inducción estática (SITH).
Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR).
Tiristores controlados por FET (FET-CTH)
Tiristores controlados por MOS (MCT).
RECTIFICADOR CONTROLADO DE
SILICIO – SCR.
El SCR es un dispositivo de tres terminales que permite el flujo de corrientehacia la carga en un solo sentido.
Sus terminales son: Ánodo, Cátodo y Compuerta.
La terminal de compuerta permite el control del paso de bloqueo a
conducción.
Una vez que el SCR es activado, se comporta como un diodo en
conducción y ya no hay control sobre el dispositivo.
Para el caso de que la polarización sea inversa, el elemento estará
siempre bloqueado.
Es un elemento unidireccional, conmutador casi ideal y rectificador.
CARACTERISTICAS DEL S.C.R.
El S.C.R. posee una serie de características que lo hacen apto para
su utilización en circuitos de potencia:
Interruptor casi ideal.
Amplificador eficaz (pequeña señal de puerta produce gran señal A –
K).
Fácil controlabilidad.
Características en función de situaciones pasadas (Memoria).
Soporta altas tensiones.
Capacidad para controlar grandes potencias.
Relativa rapidez.
CARACTERISTICAS DEL S.C.R.
ESQUEMA DEL SCR Y MODELOCONSTITUTIVO DE 4 CAPAS
La acción regenerativa o de enganche
debido a la retroalimentación directa se puede demostrar mediante un modelo de tiristor de dos transistores. Un tiristor se puede considerar como dos transistores complementarios, un transistor PNP, Q1, y un
transistor NPN, Q2
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ESTRUCTURA Y CARACTERISTICA V - I
En la fabricación se emplean técnicas de difusión y
crecimiento epitaxial. El material básico es el Si.
PARAMETROS DEL SCR
CARACTERISTICAS ESTATICAS DEL S.C.R.
Las características estáticas corresponden a la región ánodo -
cátodo y son los valores máximos que colocan al elemento en el
límite de sus posibilidades.
Su análisis permite seleccionar, en una primera aproximación, el
tiristor que mejor se ajusta a las necesidades del problema que se
trata de resolver.
En general, bastará con observar los valores de los siguientes
parámetros de entre los ofrecidos en las hojas de características
del fabricante para seleccionar el elemento: VRWM, VDRM, VT, ITAV,
ITRMS, IR, Tj, IH.
CARACTERISTICAS DE CONTROL
Determinan la naturaleza del circuito de mando que mejor responde a las condiciones de disparo.
Para la región puerta - cátodo los fabricantes definen entre otras las siguientes características: VGFM, VGRM, IGM, PGM, PGAV, VGT, VGNT (VGD), IGT, IGNT
(IGD), VGNT (VGD) e IGNT (IGD) que dan los valores máximos de corriente y de tensión, para los cuales en condiciones normales de temperatura, los
tiristores no corren el riesgo de dispararse de modo indeseado.
Entre los parámetros más importantes cabe destacar los siguientes:
VGT e IGT, que determinan las condiciones de encendido del dispositivo semiconductor.
VGNT e IGNT, muy importantes porque dan los valores máximos de corriente y de tensión, para los cuales en condiciones normales de temperatura, los tiristores no basculan a conducción.
CARACTERISTICAS DE CONTROL
CURVA CARACTERISTICA DE COMPUERTA DE UN SCR.
CARACTERISTICAS DE CONTROL
Observar las curvas y
parámetros de puerta de las
hojas de características adjuntas( SKT10
de Semikron)
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CARACTERISTICAS DE CONMUTACION
Características de
conmutación:
Los SCRs necesitan untiempo para pasar de
bloqueo a conducción yviceversa.
A.- Tiempo de Encendido(tON)
El tiempo de encendido
(paso de corte aconducción) tON, se divide
en dos partes:
A1.- Tiempo de retardo. (td)
A2.- Tiempo de subida. (tr)
CARACTERISTICAS DE CONMUTACION
B.- Tiempo de Apagado (tOFF)
Es el tiempo de paso
conducción a corte
Dividimos el tiempo de apagado en dos:
• Tiempo de recuperación inversa. (trr).
• Tiempo de recuperación de puerta (tgr).
grrroff ttt qt
CARACTERISTICAS DE CONMUTACION
Es aconsejable tratar de identificar los
parámetros de conmutación en las hojas
de características.
CARACTERISTICAS DE CONMUTACION
La extinción del SCR se producirá por dos motivos:
Por reducción de la corriente de ánodo por debajo de
la corriente de mantenimiento
Y por anulación de la corriente de ánodo.
Parámetros que influyen sobre toff:
Corriente en conducción (IT). Tensión inversa (VR). Velocidad de caída de la corriente de ánodo dI/dt. Pendiente de tensión dVD/dt. Temperatura de la unión Tj o del contenedor Tc. Condiciones de puerta.
CONDUCCION DEL S.C.R.
Angulo de Conducción
La corriente y la tensión
media de un tiristor variaránen función del instante en elque se produzca el disparo, es
decir, todo va a dependerdel ángulo de conducción. La
potencia entregada y lapotencia consumida por eldispositivo, también
dependerán de él: cuantomayor sea éste, mayor
potencia tendremos a lasalida del tiristorCuanto mayor es el ángulo
disparo, menor es el deconducción:
180º = Ángulo conducción+ Ángulo disparo
CIRCUITO DE POTENCIA CON S.C.R.
FORMAS DE ONDA PRODUCIDAS EN
TERMINALES DEL SCR Y LA CORRIENTE A TRAVES DEL SRC PARA UN
ANGULO DE DISPARO.
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EJEMPLOS
El circuito de la figura representa un control simple de potencia
con carga resistiva, calcular:
1.- Tensión de pico en la carga.2.- Corriente de pico en la carga.
3.- Tensión media en la carga.4.- Corriente media en la carga.5.- Realizar un estudio mediante PsPice, obteniendo las formas de
onda para un ángulo de conducción = 60º. Comprobar que losapartados calculados en el ejercicio, coinciden con las
simulaciones.
Datos: Ve (RMS) = 120V f = 50Hz = 60º RL = 10
169.7V2VVV e(RMS)máxp(carga)
16.97V10
169.7
R
VI
L
p(carga)
p(carga)
V5.40cos60º12
7.169Vmed
A051.4cos12
II máx
med
FORMAS DE ONDA DE LOS VOLTAJES EN LA CARGA Y EN LAS
TERMINALES ANODO – CATODO DEL SCR PARA α = 60°, SUPONIENDO UNA CARGA
RESISTIVA
METODOS DE DISPARO DEL S.C.R.
Para que, una vez disparado, se mantenga en la zona de conducción deberácircular una corriente mínima de valor IH, marcando el paso del estado de
conducción al estado de bloqueo directo.
Los distintos métodos de disparo de los tiristores son:
• Por puerta.• Por módulo de tensión. (V)
• Por gradiente de tensión (dV/dt)
• Disparo por radiación. • Disparo por temperatura.
El modo más usado es el disparo por puerta. Los disparos por módulo y gradiente de
tensión son modos no deseados.
Para que se produzca el cebado de un SCR, la unión ánodo - cátodo debe estar polarizada en directo y la señal de mando debe permanecer un tiempo
suficientemente largo como para permitir que el SCR alcance un valor de corriente de ánodo mayor que IL, corriente necesaria para permitir que el SCR comience a conducir.
FORMAS DE PROVOCAR EL DISPARO
DEL S.C.R.
DISPARO POR COMPUERTA
Disparo por impulso Disparo por puerta
DISPARO POR GRADIENTE DE VOLTAJE
Disparo indeseado
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PROTECCION DEL SCR (TRIAC) LIMITACIONES DEL S.C.R.
Las más importantes son debidas a:
Frecuencia de funcionamiento.
Sobretensiones y pendiente de tensión (dv/dt).
Pendiente de intensidad (di/dt).
Temperatura.
En circuitos donde el valor de dv/dt sea superior al valor dado por
el fabricante, se pueden utilizar circuitos supresores de transitorios. Se conectan en bornes de la alimentación, en paralelo con el
semiconductor o en paralelo con la carga.
Una solución muy utilizada en la práctica es conectar en paralelo
con el tiristor un circuito RC (Red SNUBBER), para evitar variacionesbruscas de tensión en los extremos del semiconductor:
LIMITACIONES DEL S.C.R. LIMITACIONES DEL S.C.R. - FRECUENCIA
VARIACION BRUSCA DEL VOLTAJE ENTRE ANODO Y CATODO, dv/dt.
EJEMPLO DE CALCULO DE UN CIRCUITO
DE PROTECCION R – C El SCR del circuito de la figura puede soportar una dVAK/dt = 50V/µs. Ladescarga inicial del condensador sobre el SCR debe ser limitada a 3A. En el
momento en que se cierra el interruptor S es conectada la fuente de tensión VS
al circuito.Si en ese momento se aplica un impulso apropiado a la puerta del elemento,
calcular:
1º) Valor del condensador de la red de protección.2º) Valor de la resistencia de protección.
Datos: dV/dt = 50V/µs; R = 20; Imáx = 3A
5.55A120
311V
R
V(0)I
L
máx SC
F311.0s/V50
15.55A
dt
dVCIC
C
100103.63A
311VR
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MÉTODOS PARA EL CÁLCULO DE LOS ELEMENTOS DEPROTECCIÓN:
A.- Método de la constante de tiempo (más utilizado).
B.- Método resonante.
A.- Método de la constante de tiempo
Con éste método tratamos de buscar el valor mínimo de la constante detiempo () de la dv/dt del dispositivo. Para ello, nos basamos en la figura:
min
DRM
dt
dV
V0.63
KII
VR
LTSM
Amáx
K= F de seguridad. (0.4 ... 0.1)
Cdt
dI
VR Amáx
min
La misión de la resistencia calculada es proteger al SCR cuando se produce la descarga instantánea del condensador al inicio de la conducción.
VARIACION BRUSCA DE LA CORRIENTE
DURANTE LA ACTIVACION DEL SCR, di/dt
LIMITACIONES DEL S.C.R.
Limitaciones de la pendiente de intensidad (di/dt)
Una variación rápida de la intensidad puede dar lugar a una
destrucción del tiristor.(creación de puntos calientes)
Un procedimiento posible es añadir una inductancia L para conseguir que la pendientede la intensidad (di/dt) no sobrepase el valor especificado en las características delestado de conmutación.
L
tR
A e1R
VI
máx
A
dt
dI
VL
EJEMPLO DE CALCULO DE R, L y C
Supongamos que el SCR está
colocado según la figura. Calcular
aplicando el método de la cte de
tiempo el circuito de protección
contra dv/dt y di/dt.
Datos: VRMS = 208V; IL = 58A; R = 5;
SCR:VDRM = 500V; ITSM = 250A;di/dt = 13.5 A/µs;dv/dt = 50V/µs
83.3
KII
VR
LTSM
AmáxS
15.4
Cdt
dI
VR Amáx
min
H7.21
dt
dI
VL Amáx
294V2208VAmáx
s3.6
dt
dV
V0.63
min
DRM
F26.1R
C
EXTINCION DEL S.C.R.
Entenderemos por extinción, el proceso mediante el cual,obligaremos al tiristor que estaba en conducción a pasar a corte. En
el momento en que un tiristor empieza a conducir, perdemoscompletamente el control sobre el mismo.
Conmutación Natural
-a.-) Libre-b.-) Asistida
Conmutación Forzada
-a.-) Por contacto mecánico-b.-) Por circuito resonante
-Serie-Paralelo
-c.-) Por carga de condensador-d.-) Por tiristor auxiliar
intensidad por el tiristor
se anula por si misma
Secuencia lógica de la
fuente primaria
TIPOS DE SCRs
DISTINTOS TIPOS DE SCRs
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TRIAC – TRIODO DE A.C.
Es un dispositivo de tres terminales usado para controlar la
corriente que fluye una carga.
Un triac se diferencia de un SCR en que este puede conducir
corriente en cualquier dirección cuando esta en encendido.
CARACTERISTICAS DEL TRIAC
La principal utilidad de los TRIACS es como regulador de
potencia entregada a una carga, en corriente alterna.
El triac conmuta del modo de corte al modo de conducción
cuando se inyecta corriente a la compuerta. Para apagar el
triac la corriente anódica debe reducirse por debajo del valor
de la corriente de retención.
La corriente y la tensión de encendido disminuyen con el
aumento de temperatura y con el aumento de la tensión de
bloqueo.
DISPARO DEL TRIAC
Existe un gran número de posibilidades para realizar en la práctica el disparo del TRIAC.
Varios de ellos, los mismos que los utilizados para disparar al SCR.
Por supuesto, se elige aquella que mas resulte adecuada para la aplicación concreta de que se trate.
Se pueden resumir en dos variantes básicas:
DISPARO DEL TRIAC
DISPARO POR CORRIENTE CONTINUA.
DISPARO POR CORRIENTE ALTERNA.
CORRIENTE CONTINUA CORRIENTE ALTERNA
CURVA CARACTERISTICA DEL TRIAC FORMAS DE ONDA EN UN CIRCUITO DE
POTENCIA CON TRIAC
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DISPARO DEL TRIAC MEDIANTE
DISPOSITIVOS OPTICOS
DISPARO DEL TRIAC MEDIANTE DISPOSITIVOS OPTICOS
DISPARO DEL TRIAC MEDIANTE DISPOSITIVOS OPTICOS
