Tiristores

1. DEFINICIÓN.

2. ESTRUCTURA.

3. APPLET CURVA CARACTERÍSTICA Y FUNCIONAMIENTO.

4. CARACTERÍSTICAS GENERALES.

4.1 CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS.

4.2 CARACTERÍSTICAS DE CONTROL.

4.3 CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS.

4.4 CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS.

5. MÉTODOS DE DISPARO.

5.1 DISPARO POR PUERTA.

5.2 DISPARO POR MÓDULO DE TENSIÓN.

5.3 DISPARO POR GRADIENTE DE TENSIÓN (dV/dt).

5.4 DISPARO POR RADIACIÓN.

5.5 DISPARO POR TEMPERATURA.

6. CONDICIONES NECESARIAS PARA EL CONTROL DE UN SCR.

7. LIMITACIONES DEL TIRISTOR.

7.1 LIMITACIONES DE LA FRECUENCIA DE FUNCIONAMIENTO.

7.2 LIMITACIONES DE LA PENDIENTE DE TENSIÓN dV/dt.

7.3 LIMITACIONES DE LA PENDIENTE DE INTENSIDAD dI/dt.

7.4 PROTECCIONES CONTRA dV/dt Y dI/dt.

7.5 LIMITACIONES DE LA TEMPERATURA.

8. EXTINCIÓN DEL TIRISTOR. TIPOS DE CONMUTACIÓN.

9. APLICACIONES DEL SCR.

1. DEFINICIÓN.

El SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio, Figura 1), es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones pn con la disposición pnpn (Figura 2). Está formado por tres terminales, llamados Ánodo, Cátodo y Puerta. La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional (sentido de la corriente es único), conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez.

Figura 1: Símbolo del SCR.

2. ESTRUCTURA.

Figura 2 : Estructura básica del SCR.

3. CURVA CARACTERÍSTICA Y FUNCIONAMIENTO.

La curva característica del SCR es la representada en el siguiente Applet:

En el Applet se muestra la curva característica típica de un tiristor SCR, representándose la corriente de ánodo (Ia) en función de la tensión aplicada entre ánodo y cátodo (Vak). Cuando la tensión Vak es nula, también lo es la intensidad de corriente Ia. Al aumentar dicha tensión en sentido directo, con corriente de puerta nula, si se supera la tensión Vb0, la transición de estado OFF a ON deja de ser controlada. Si se desea que el paso al estado "ON" se realice para tensiones Vak inferiores a Vb0, será necesario dotar al dispositivo de la corriente de puerta (Ig) adecuada para que dicha transición se realice cuando la intensidad de ánodo supere la intensidad de enganche (IL ). Por el contrario, si el dispositivo esta en conducción, la transición al estado "OFF" se produce cuando la corriente de ánodo caiga por debajo de la intensidad de corriente de mantenimiento (Ih).

Tanto para el estado de bloqueo directo, como para el estado de polarización inversa, existen unas pequeñas corrientes de fugas. Cuando se polariza inversamente se observa una débil corriente inversa (de fuga) hasta que alcanza el punto de tensión inversa máxima que provoca la destrucción del mismo.

El SCR es, por tanto, un dispositivo conductor solo en el primer cuadrante, en el cual el disparo se provoca por:

- tensión suficientemente elevada aplicada entre ánodo y cátodo,

- intensidad en la puerta. Se puede controlar así la tensión necesaria entre ánodo y cátodo para la transición OFF  ON, usando la corriente de puerta adecuada.

4. CARACTERÍSTICAS GENERALES.

• Interruptor casi ideal.

• Soporta tensiones altas.

• Amplificador eficaz.

• Es capaz de controlar grandes potencias.

• Fácil controlabilidad.

• Relativa rapidez.

• Características en función de situaciones pasadas (memoria).

4.1 CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS.

Las características estáticas corresponden a la región ánodo - cátodo y son los valores máximos que colocan al elemento en límite de sus posibilidades:

- Tensión inversa de pico de trabajo .............................................: VRWM

- Tensión directa de pico repetitiva ...............................................: VDRM

- Tensión directa ...........................................................................: VT

- Corriente directa media ...............................................................: ITAV

- Corriente directa eficaz ................................................................: ITRMS

- Corriente directa de fugas ............................................................: IDRM

- Corriente inversa de fugas ............................................................: IRRM

- Corriente de mantenimiento ..........................................................: IH

Las características térmicas a tener en cuenta al trabajar con tiristores son:

- Temperatura de la unión ................................................................: Tj

- Temperatura de almacenamiento ...................................................: Tstg

- Resistencia térmica contenedor-disipador ......................................: Rc-d

- Resistencia térmica unión-contenedor ............................................: Rj-c

- Resistencia térmica unión-ambiente.................................................: Rj-a

- Impedancia térmica unión-contenedor.............................................: Zj-c

4.2 CARACTERÍSTICAS DE CONTROL.

Corresponden a la región puerta-cátodo y determinan las propiedades del circuito de mando que responde mejor a las condiciones de disparo. Los fabricantes definen las siguientes características:

-Tensión directa máx. ....................................................................: VGFM

- Tensión inversa máx. ...................................................................: VGRM

- Corriente máxima..........................................................................: IGM

- Potencia máxima ..........................................................................: PGM

- Potencia media .............................................................................: PGAV

- Tensión puerta-cátodo para el encendido......................................: VGT

- Tensión residual máxima que no enciende ningún elemento.............: VGNT

- Corriente de puerta para el encendido ...........................................: IGT

- Corriente residual máxima que no enciende ningún elemento............: IGNT

Entre los anteriores destacan:

- VGT e IGT , que determinan las condiciones de encendido del dispositivo semiconductor.

- VGNT e IGNT, 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.

4.2.1 Área de disparo seguro.

En esta área (Figura 3) se obtienen las condiciones de disparo del SCR. Las tensiones y corrientes admisibles para el disparo se encuentran en el interior de la zona formada por las curvas:

• Curva A y B: límite superior e inferior de la tensión puerta-cátodo en función de la corriente positiva de puerta, para una corriente nula de ánodo.

• Curva C: tensión directa de pico admisible VGF.

• Curva D: hipérbola de la potencia media máxima PGAV que no debemos sobrepasar.

Figura 3. Curva características de puerta del tiristor.

El diodo puerta (G) - cátodo (K) difiere de un diodo de rectificación en los siguientes puntos:

• Una caída de tensión en sentido directo más elevada.

• Mayor dispersión para un mismo tipo de tiristor.

4.3 CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS.

4.3.1 Características dinámicas.

• Tensiones transitorias:

- Valores de la tensión superpuestos a la señal de la fuente de alimentación.

- Son breves y de gran amplitud.

- La tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM) debe estar dentro de esos valores.

• Impulsos de corriente:

- Para cada tiristor se publican curvas que dan la cantidad de ciclos durante los cuales puede tolerarse una corriente de pico dada (Figura 4).

- A mayor valor del impuso de corriente, menor es la cantidad de ciclos.

- El tiempo máximo

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