Dispositivos de Electrónica de Potencia

Introducción:

Dentro de los dispositivos electrónicos de potencia, podemos citar: los diodos y transistores de potencia, el tiristor, así como otros derivados de éstos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor uniunión o UJT, el transistor uniunión programable o PUT y el diodo Shockley.

Existen tiristores de características especiales como los fototiristores, los tiristores de doble puerta y el tiristor bloqueable por puerta (GTO).

Lo más importante a considerar de estos dispositivos, es la curva característica que nos relaciona la intensidad que los atraviesa con la caída de tensión entre los electrodos principales.

El componente básico del circuito de potencia debe cumplir los siguientes requisitos :

• Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (conducción).

• Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y pequeña potencia.

• Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando está en estado de bloqueo, con pequeñas caídas de tensión entre sus electrodos, cuando está en estado de conducción. Ambas condiciones lo capacitan para controlar grandes potencias.

• Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro.

El último requisito se traduce en que a mayor frecuencia de funcionamiento habrá una mayor disipación de potencia. Por tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia.

Aplicaciones :

• Tracción eléctrica: troceadores y convertidores.

• Industria:

• Control de motores asíncronos.

• Inversores.

• Caldeo inductivo.

• Rectificadores.

• Etc.

A continuación se describen los principales dispositivos de Electrónica de Potencia:

Triac:

El Triac puede ser considerado como la integración de 2 SCR's en forma paralela invertida.

El símbolo eléctrico del TRIAC, así como sus características de Voltaje corriente, se muestran en la figura. Cuando la terminal T1 es positiva con respecto a la terminal T2, y el dispositivo es disparado por una corriente positiva en la terminal “gate” (+ig), éste se enciende. De igual forma, cuando la terminal T2 es positiva con respecto a la terminal T1 y el dispositivo es disparado por una corriente negativa en la terminal “gate” , el dispositivo también se enciende.

Es un componente simétrico en cuanto a conducción y estado de bloqueo se refiere, pues la característica en el cuadrante I de la curva UT2-T1 -T2 es igual a la del cuadrante III. Tiene unas fugas en bloqueo y una caída de tensión en conducción prácticamente iguales a las de un tiristor y el hecho de que entre en conducción, si se supera la tensión de ruptura en cualquier sentido, lo hace inmune a destrucción por sobretensión.

El modo de operación del Triac, se describe a continuación:

El TRIAC puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III mediante la aplicación entre los terminales puerta y T1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una facilidad de empleo grande y simplifica mucho el circuito de disparo. A continuación se verán los fenómenos internos que tienen lugar en los cuatro modos de disparo posibles.

Modo I + : Terminal T2 positiva con respecto a T1.

Intensidad de puerta entrante.

Funcionan las capas P1N1P2N2 como tiristor con emisor en corto circuito, ya que la metalización del terminal del cátodo cortocircuita parcialmente la capa emisora N2 con la P2.
La corriente de puerta circula internamente hasta T1, en parte por la unión P2N2 y en parte a través de la zona P2. Se produce la natural inyección de electrones de N2 a P2 que es favorecida en el área próxima a la puerta por la caída de tensión que produce en P2 la circulación lateral de corriente de puerta. Parte de los electrones inyectados alcanzan por difusión la unión P2N1, que bloquea el potencial exterior, y son acelerados por ella iniciándose la conducción.

Modo I - : Terminal T2 positivo respecto a T1.

Intensidad de puerta saliente.

El disparo es similar al de los tiristores de puerta de unión. Inicialmente conduce la estructura auxiliar P1N1P2N3 y luego la principal.

El disparo de la primera se produce como un tiristor normal actuado T1 de puerta y P de cátodo. Toda la estructura auxiliar se pone a la tensión positiva de T2 y polariza fuertemente la unión P2N2 que inyecta electrones hacia el área de potencial positivo. La unión P2N1 de la estructura principal que soporta la tensión exterior, es invadida por electrones en la vecindad de la estructura auxiliar, entrando en conducción.

Modo III + : Terminal T2 negativo respecto a T1.

Intensidad de puerta entrante.

El disparo tiene lugar por el procedimiento llamado de puerta remota. Entra en conducción la estructura P2N1P1N4.
La inyección de electrones de N2 a P2 es igual a la descrita en el modo I +. Los que alcanzan por difusión la unión P2N1 son absorbidos por su potencial de unión, haciéndose más conductora. El potencial positivo de puerta polariza más positivamente el área de la unión P2N1 próxima a ella que la próxima a T1, provocándose una inyección de huecos desde P2 a N1 que alcanza en parte la unión N1P1 encargada de bloquear la tensión exterior y se produce la entrada en conducción.

Modo III - : Terminal T2 negativo respecto a T1.

Intensidad de puerta saliente.

También se dispara por el procedimiento e puerta remota, conduciendo las capas P2N1P1N4.
La capa N3 inyecta electrones en P2 que hacen más conductora la unión P2N1. La tensión positiva de T1 polariza el área próxima de la unión P2N1 más positivamente que la próxima a la puerta. Esta polarización inyecta huecos de P2 a N1 que alcanzan en parte la unión N1P1 y la hacen pasar a conducción.
Los cuatro modos de disparo descritos tienen diferente sensibilidad. Siendo los modos I + y III - los más sensibles, seguidos de cerca por el I -. El modo III + es el disparo más difícil y debe evitarse su empleo en lo posible.

El Triac es usado frecuentemente en muchas aplicaciones de baja potencia como extractores de jugo, mezcladoras y aspiradora. Es económico y fácil de controlar en comparación de 2 SCR's conectados en forma antiparalela . Sin embargo, el Triac tiene una baja capacidad de dv/dt y un largo tiempo de apagado. No es recomendable su uso en niveles altos de voltaje y corriente.

Diac:

Dispositivo semiconductor de dos terminales de estructura similar a la del transistor que presenta cierto tipo de conductividad biestable en ambos sentidos. Cuando las tensiones presentes en sus terminales son suficientemente altas se utiliza principalmente junto a los triacs que para el control en fase de los circuitos.

Es un tipo de tiristor que puede conducir en los dos sentidos. Es un dispositivo de dos terminales que funciona básicamente como dos diodos Shockley que conducen en sentidos opuestos.

La curva de funcionamiento refleja claramente el comportamiento del diac, que funciona como un diodo Shockley tanto en polarización directa como en inversa.

Cualquiera que sea la polarización del dispositivo, para que cese la conducción hay que hacer disminuir la corriente por debajo de la corriente de mantenimiento IH. Las partes izquierda y derecha de la curva, a pesar de tener una forma análoga, no tienen por qué ser simétricas.

GTO (Gate Turn-off Thyristor)

Un tiristor GTO puede ser encendido por un solo pulso de corriente positiva en la terminal “gate” (como en el tiristor), pero en cambio puede ser apagado por un pulso de corriente negativa en la terminal “gate”. Ambos estados, tanto el estado de encendido como el estado de apagado del dispositivo son controlados por la corriente en la terminal “gate”.

El símbolo para el tiristor GTO usado más frecuente, así como sus características de conmutación se muestran en la figura.

El proceso de encendido es similar al del tiristor. Las características de apagado son un poco diferentes. Cuando un voltaje negativo es aplicado a través de las terminales “gate” y cátodo, la corriente en el gate (ig), crece. Cuando la corriente en el gate alcanza su máximo valor IGR, la corriente de ánodo comienza a caer y el voltaje a través del dispositivo (VAK), comienza a crecer. El tiempo de caída de la corriente de ánodo (IA) es abrupta, típicamente menor a 1 s. Después de esto, la corriente de ánodo varía lentamente y ésta porción de la corriente de ánodo es conocido como corriente de cola.

La razón (IA/IGR) de la corriente de ánodo IA a la máxima corriente negativa en el gate (IGR) requerida para el voltaje es baja, comúnmente entre 3 y 5. Por ejemplo, para un voltaje de 2500 V y una corriente de 1000 A, un GTO normalmente requiere una corriente negativa de pico en el gate de 250 A para el apagado.

La estructura del GTO es esencialmente la misma que un tiristor convencional. Como se muestra en la figura, existen 4 capas de silicón (pnpn), 3 uniones y tres terminales (ánodo, cátodo y gate). La diferencia en la operación, radica en que en que una señal negativa en el gate puede apagar el GTO.

Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista señal en el gate, el dispositivo se bloquea 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 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.

Como el GTO tiene una conducción de corriente unidireccional, y puede ser apagado en cualquier instante, éste se aplica en circuitos chopper (conversiones de dc- dc) y circuitos inversores (conversiones dc -ac) a niveles de potencia en los que los MOSFET's, TBJ's e IGBT's no pueden ser utilizados. A bajos niveles 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 para regular la potencia, como el factor de potencia.

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

El IGBT es un dispositivo semiconductor de potencia híbrido que combina los atributos del TBJ y del MOSFET. Posee una compuerta tipo MOSFET y por consiguiente tiene una alta impedancia de entrada. El gate maneja voltaje como el MOSFET. El símbolo más comúnmente usado se muestra en la figura . Al igual que el MOSFET de potencia, el IGBT no exhibe el fenómeno de ruptura secundario como el TBJ.

La estructura del IGBT es similar al un MOSFET de canal n, una porción de la estructura es la combinación de regiones n+ , p y n- que forman el MOSFET entre el source S y el gate G con la región de flujo n- que es el drain D del MOSFET. Otra parte es la combinación de 3 capas p+ n- p, que crea un transistor de unión bipolar entre el drain D y el source. La región p actúa como colector C, la región n- actúa como la base B y la región p+ actúa como el emisor E de un transistor pnp. Entre el drain y el source existen 4 capas p+n-pn+ que forman un tiristor. Este tiristor es parásito y su efecto es minimizado por el fabricante del IGBT.

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 s, 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.

MCT (MOS- Controlled Thyristor)

El MCT es otro dispositivo semiconductor de potencia híbrido que combina los atributos del MOSFET y el tiristor. Recientemente se puso en disponibilidad en el mercado. El símbolo de éste dispositivo se muestra en la figura. Está integrado por 2 MOSFET's, uno de ellos enciende al tiristor y el otro lo apaga.

Existen diversos tipos de estructuras, pero todas ellas coinciden existe un tiristor pnpn que determina las propiedades de conducción (y de bloqueo). También, todos los MCT's tienen integrados dos dispositivos MOS para controlar las propiedades de conmutación.

Entre el ánodo A y el cátodo K existe una estructura pnpn que como ya se mencionó forma la estructura del tiristor del MCT. La región gate - ánodo está formada por más de 105 celdas. Este largo número de celdas provee superficies cortas de largas secciones transversales para una rápida y uniforme conmutación de corriente. Dentro de la región ánodo - gate existen dos MOSFET's. Uno de ellos es un canal p, tipo pnp que es usado para el encendido y el otro es un canal n, de tipo npn que es usado para el apagado.

Existen otras regiones p-pn+ que producen el encendido y el apagado del MCT.

La estructura descrita aquí es muy general y no muestra que solo el 4 por ciento de las celdas que posee el MOSFET sirven para el encendido.

En su operación, si el cátodo K es positivo con respecto al ánodo, no importando la polarización del gate, el MCT va a caer a un voltaje muy bajo, ésta situación debe ser evitada.

Si el ánodo A es positivo con respecto al cátodo K, y no existe un voltaje en le gate, el MCT permanece en estado de apagado hasta que un voltaje de ruptura es alcanzado cuando una avalancha de ruptura ocurre. En la práctica una pequeña corriente de fuga IA leak existe en el estado de bloqueo hasta que la ruptura suceda y el dispositivo se encienda.

Si el ánodo es positivo con respecto al cátodo y un voltaje negativo es aplicado al gate, el MCT se enciende. La caída de voltaje VMCT (ON) es muy pequeña y varía desde 0. 7 V sin carga hasta 1.1 V a plena carga. La corriente de ánodo es limitada solo por el valor de la impedancia de la carga.

Si el MCT está encendido, la aplicación de un voltaje positivo en el gate, regresa al dispositivo al estado de apagado hasta que un voltaje negativo en el gate es aplicado.

Debido a que el tiempo de apagado del MCT es muy bajo (cerca de 1.5 s) y que posee un elevado di/dt (1000 A/s) y dv/dt ( 5000 V/s), éstas características superiores lo convierten en un dispositivo de conmutación ideal y posee un tremendo potencial para aplicaciones en motores de media y alta potencia, así como en distintas aplicaciones en la electrónica de potencia.