electronica de potencia - 05 tiristores y circuitos de disparo
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TIRISTORES Y CIRCUITOS DE DISPARO
Ing. Humberto José López Torres
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Contenido
• Tiristores y circuitos de disparo• Switch ideal y selección del switch
• Diodos de potencia
• Transistores BJT, Darlington y MOSFET
• SCR (Silicon Controlled Rectifier)
• TRIAC (Triode AC Semiconductor Switch)
• IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
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Tiristores y circuitos de disparoSwitch ideal y selección del switch
El switch ideal debe cumplir:
• Cero resistencia o voltaje directo cuando se encuentre
en su estado encendido (ON).
• Resistencia infinita cuando se encuentre apagado
(OFF).
• Velocidad infinita.
• Que no necesite ninguna potencia de entrada para
hacerlo conmutar.
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Tiristores y circuitos de disparoSwitch ideal y selección del switch
Para escoger el switch hay que tener en cuenta:
• Voltaje
• Corriente
• Velocidad de conmutación
• Circuito de disparo
• Carga
• Efectos de la temperatura
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Tiristores y circuitos de disparoSwitch ideal y selección del switch
Las características más deseadas del switch
son:
• Velocidad de conmutación.
• Mínimas pérdidas de conducción.
• Circuito de disparo sencillo.
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Tiristores y circuitos de disparoDiodos de potencia
• Los diodos de potencia aparecen en la década de los50
• Los diodos rectificadores se utilizan generalmente paraconversión AC/DC. Sus pérdidas de conducción sonmuy bajas pero tienen pocas prestaciones enconmutación.
• Los diodos rápidos tienen capacidad para desactivarseen tiempos muy cortos, pero generalmente presentanmayores pérdidas en conducción.
• Cuando se tienen convertidores con alimentación DC ycarga inductiva, los interruptores requieren diodos“volantes” para manejar la potencia reactiva. En estoscasos resultan indicados los diodos rápidos
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Tiristores y circuitos de disparoDiodos de potencia (tipos)
Recuperación estándar• Los tiempos de recuperación no son específicos.
Recuperación rápida y recuperación ultrarápida• Destinado a aplicaciones de convertidores.
• Carga de recuperación especificas y tiempos derecuperación revertidos.
Diodos schottky• No tiene carga de recuperación.
• Restricciones en bajo voltaje.
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Tiristores y circuitos de disparoDiodos de potencia
Características
• Bloqueo de voltaje inverso del orden de 9000V.
• Capacidad de voltaje del orden de 5000V.
• Capacidad de corriente del orden de 9000A.
• Aplicaciones de baja velocidad (menos de 1 kHz).
• Voltaje de conducción pequeño y constante.
• Tiempos de recuperación inversa relativamente altos.
Típico: 25 µsec
• Convertidores conmutados en línea.
• Unidireccional
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Tiristores y circuitos de disparoDiodo de potencia (schottky)
Características
• Voltaje máximo menor a 100 V y corrientes entre 1 y
300 A.
• Tiempos de recuperación inversa relativamente bajos.
Típico: menor a 0.5 µsec.
• Corrientes de fuga altas.
• Minimiza el problema de almacenamiento de carga
mediante la unión de un semiconductor con un metal.
• Aplicaciones en fuentes de alimentación de alta
corriente y bajo voltaje en DC.
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Tiristores y circuitos de disparoRecuperación inversa de un diodo
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Tiristores y circuitos de disparoCircuito rectificador monofásico
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Tiristores y circuitos de disparoRectificador de puente Trifásico
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Tiristores y circuitos de disparoRectificador de puente Trifásico
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Tiristores y circuitos de disparoTransistor BJT, Darlington y MOSFET
• Uno de los principales inconvenientes de los
transistores BJT es el control por corriente de base
debido al bajo valor de su ganancia de corriente,
típicamente del orden de 10.
• Los transistores de potencia se utilizan en rangos
entre unos pocos y cientos de kilovatios y con
frecuencias hasta cerca de 15KHz.
• Los Darlington ofrecen mayor ganancia de corriente
(generalmente superior a 70) a costa de un mayor
voltaje de conducción y de una disminución en la
frecuencia de conmutación, que de todas maneras
resulta mayor que la de los GTOs.
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Tiristores y circuitos de disparoTransistor BJT, Darlington y MOSFET
Características BJT básicas:
• Bloqueo de voltaje directo del orden de 1500V.
• No bloquea voltaje inverso.
• Capacidad de corriente del orden de 500A.
• Voltaje de conducción pequeño y prácticamenteconstante.
• Control por corriente de valor relativamente elevado.
• Unidireccional.
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Tiristores y circuitos de disparoTransistor BJT, Darlington y MOSFET
Conexión Darlington BJT
• Aumento de la ganancia de corriente,
para aplicaciones de alto voltaje.
• En un dispositivo darlington monolítico,
los transistores Q1 y Q2 están
integrados en la misma oblea de silicio.
• El diodo D1 acelera el proceso de
desconexión, permitiendo al accionado
de base eliminar activamente la carga
almacenada tanto de Q1 como de Q2
durante la transición de desactivación.
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Tiristores y circuitos de disparoTransistor BJT, Darlington y MOSFET
Conclusiones
• Los BJT son reemplazados por los MOSFET enaplicaciones de bajo voltaje (<500V)
• En aplicaciones por encima de 500V los BJT sonreemplazados por los IGBT.
• Un dispositivo de portador minoritario: en comparacióncon el MOSFET, el BJT presenta una conmutaciónmás lenta, pero una menor resistencia a altastensiones.
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Tiristores y circuitos de disparoTransistor BJT, Darlington y MOSFET
• Los MOSFETs aparecen en la década de los 70. Sus
dos ventajas principales son la sencillez del circuito de
control por medio de voltaje y no de corriente y la
elevada velocidad de frecuencia de operación,
típicamente superior a 300KHz.
• Para aplicaciones de bajo voltaje los MOSFETs
presentan una resistencia de conducción
extremadamente baja, pero en aplicaciones de alto
voltaje el valor de resistencia aumenta, incrementando
las pérdidas y disminuyendo la eficiencia.
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Tiristores y circuitos de disparoTransistor BJT, Darlington y MOSFET
Características básicas MOSFET:
• Bloqueo de voltaje directo del orden de 1000V.
• Capacidad de corriente del orden de 500A.
• Voltaje de conducción pequeño pero dependiente de lacorriente.
• Control por voltaje de bajo valor.
• No bloquea voltaje inverso.
• Unidireccional.
• Resultan muy indicados para aplicaciones de bajovoltaje (menor que 100V) y de elevada frecuencia deoperación (superior a 150KHz).
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Tiristores y circuitos de disparoTransistor BJT, Darlington y MOSFET
Conclusiones
• Un dispositivo de portador Mayoritario: altasfrecuencias de conmutación
• Frecuencias de conmutación: decenas y cientos deKHz
• La resistencia activa aumenta rápidamente con latensión de bloqueo nominal
• Facil conducción
• Dispositivos varios de elección para el bloqueo devoltajes menores que 500V
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Tiristores y circuitos de disparoTransistor BJT, Darlington y MOSFET
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Tiristores y circuitos de disparoSCR (Silicon Controlled Rectifier)
• Se activa aplicando un pulso de poca duración entre
puerta y cátodo; una vez en conducción, la puerta
pierde todo control sobre el dispositivo. Para
bloquearlo es necesario aplicar un voltaje inverso entre
ánodo y cátodo (commutación forzada) o disminuir la
corriente por debajo del valor de retención
(commutación natural).
• Las pérdidas de conducción de los SCRs son muy
bajas, lo que los hace muy atractivos para el control de
potencias superiores a 500MW con frecuencia de red
(50/60Hz), tales como cicloconvertidores, hornos de
fusión por arco, sistemas de transmisión HVDC, etc
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Tiristores y circuitos de disparoSCR (Silicon Controlled Rectifier)
Símbolo
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Tiristores y circuitos de disparoSCR (Silicon Controlled Rectifier)
Características básicas del SCR:
• Bloqueo de voltaje inverso o directo del orden de9000V
• Capacidad de corriente del orden de 9500A
• Voltaje de conducción muy pequeño y prácticamenteconstante
• Control por corriente de muy bajo valor
• Desactivación por ánodo
• Unidireccional
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Tiristores y circuitos de disparoSCR (Silicon Controlled Rectifier)
Curva característica
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Tiristores y circuitos de disparoSCR (Silicon Controlled Rectifier)
Modelo del tiristor con dos transistores
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Tiristores y circuitos de disparoTRIAC (Triode AC Semiconductor Switch)
• El TRIAC (Triode for Alternative Current) es undispositivo semiconductor de tres terminales que seusa para controlar el flujo de corriente promedio a unacarga, con la particularidad de que conduce en ambossentidos y puede ser bloqueado por inversión de latensión o al disminuir la corriente por debajo del valorde mantenimiento.
• El TRIAC puede ser disparado independientemente dela polarización de puerta, es decir, mediante unacorriente de puerta positiva o negativa.
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Tiristores y circuitos de disparoTRIAC (Triode AC Semiconductor Switch)
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Tiristores y circuitos de disparoTRIAC (Triode AC Semiconductor Switch)
Características
• El TRIAC conmuta del modo de corte al modo deconducción cuando se inyecta corriente a lacompuerta. Después del disparo la compuerta noposee control sobre el estado del TRIAC. Para apagarel TRIAC la corriente anódica debe reducirse pordebajo del valor de la corriente de retención.
• La corriente y la tensión de encendido disminuyen conel aumento de temperatura y con el aumento de latensión de bloqueo.
• La aplicación de los TRIACS, a diferencia de losTiristores, se encuentra básicamente en corrientealterna.
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Tiristores y circuitos de disparoTRIAC (Triode AC Semiconductor Switch)
• Su curva característica refleja un funcionamiento muyparecido al del tiristor apareciendo en el primer y tercercuadrante del sistema de ejes.
• La principal utilidad de los TRIACS es como reguladorde potencia entregada a una carga, en corrientealterna.
• Bidireccionalidad.
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Tiristores y circuitos de disparoTRIAC (Triode AC Semiconductor Switch)
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Tiristores y circuitos de disparoIGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
• El IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) aparece en
la década de los 80. La potencia para el control por
puerta es muy baja, típicamente del orden de 1 a 2
vatios. Los IGBTs pueden conectarse en paralelo sin
necesidad de circuito suavizadores.
• “Una característica única del IGBT es su capacidad
para soportar cortocircuitos. Cuando hay corto la
corriente a través del dispositivo queda limitada a un
nivel dado por el diseño del mismo siendo posible
bloquearlo mediante la señal de puerta, en un tiempo
de 10 microsegundos, sin ocasionar daño
permanente”. (ABB)
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Tiristores y circuitos de disparoIGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Características básicas del IGBT:
• Bloquea voltajes directos o inversos del orden de3500V.
• Capacidad de corriente del orden de 3500A.
• Voltaje de conducción pequeño y prácticamenteconstante.
• Control por voltaje de bajo valor.
• Unidireccional.
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Tiristores y circuitos de disparoIGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Características
• Las pérdidas de conducción de IGBT son algomayores que las de los GTOs, pero las pérdidas deconmutación son menores, por lo que su frecuencia deoperación puede ser mayor.
• El IGBT presenta la elevada impedancia de entrada ylas características de alta velocidad de un MOSFETcon la característica de bajo voltaje de saturación deun BJT.
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Tiristores y circuitos de disparoIGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
• Los IGBTs rápidamente substituyeron a los BJT enaplicaciones industriales de baja potencia. y cada díaes más frecuente su uso, en reemplazo de losMOSFETs, en aplicaciones de baja potencia y altafrecuencia.
• Puede ser utilizado sin redes de protección (snubbers),lo que simplifica la topología de los circuitos,particularmente los montajes en paralelo. El precio deesto es que la mayor cantidad de las pérdidas sedisipan en el silicio reduciendo por lo tanto lacapacidad de potencia.
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Tiristores y circuitos de disparoIGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
• La alta capacidad de voltaje, la baja resistencia de
conducción, la facilidad del control y la relativamente
alta velocidad de operación hacen del IGBT una muy
buena opción para aplicaciones de alto voltaje y
moderada velocidad.
• El tiempo de desactivación restringe la frecuencia de
operación a valores moderados (menos de 50KHz),
ofreciendo una atractiva solución mejor que BJT, SCR
o MOSFET. Un SCR tiene un voltaje de conducción
ligeramente menor que el IGBT pero mayor capacidad
de transientes.
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Tiristores y circuitos de disparoIGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
• El IGBT ha demostrado ventajas con respecto alMOSFET con excepción de la velocidad deconmutación. Sin embargo, están reemplazando losMOSFETs en aplicaciones de baja potencia y altafrecuencia, donde las pérdidas de conducción debenmantenerse en valores muy bajos. Con técnicas ZCS oconmutación resonante el IGBT puede trabajar en elrango de los kilohertz.
• Circuito IGBT Modulación de ancho de pulso
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Tiristores y circuitos de disparoIGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Circuito IGBT Modulación de ancho de pulso
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Tiristores y circuitos de disparoIGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Conclusiones
• Son dispositivos que trabajan en aplicaciones de 500Va 1700V, con niveles de potencia de 1- 1000kW
• Coeficiente de temperaturas positivas a altascorrientes, sencillez en construcción de módulosparalelos
• Facil manejo, similar al MOSFET
• Mas lentos que los MOSFET, pero mas rápido queGTO, SCR
• Frecuencias de conmutación típicas de 3 a 30KHz
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Tiristores y circuitos de disparoClasificación
1. Tiristores de control de fase (SCR)
2. Tiristores de conmutación rápida (SCR)
3. Tiristores de desactivación por compuerta (GTO)
4. Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC)
5. Tiristores de conducción inversa (RCT)
6. Tiristores de inducción estática (SITH)
7. Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR)
8. Tiristores controlados por FET (FET-CTH)
9. Tiristores controlados por MOS (MCT)
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