tema3-2008

ELECTRNICA DE POTENCIA I Nm: 3.1

TEMA: 3 POLOS DE POTENCIA: EL DIODO Y EL TIRISTOR.

NDICE:

3.1 EL POLO DE POTENCIA. 3.2 PANORMICA GENERAL DE LOS DISPOSITIVOS

SEMICONDUCTORES DE POTENCIA. 3.3 SELECCIN DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA. 3.4 EL DIODO DE POTENCIA. 3.5 EL TIRISTOR (SCR).

BIBLIOGRAFA:

[1] RASHID, M.H. Electrnica de potencia: Circuitos, dispositivos y aplicaciones. Ed: Pearson Prentice Hall. 2004. ISBN: 970-26-0532-6. Bibl-EUP: A-8781. Captulos 1, 2 y 7.

[2] UREA UREA, J y Otros. Electrnica de Potencia. Ed: Servicio de publicaciones de la U. de Alcal de Henares. 1999. ISBN: 84-8138-332-5. Bibl-EUP: A-7928, A-7929, A-8702, A-8814. Captulo 3.

[3] LORENZO, S., RUIZ, J.M., MARTN, A. Simulacin, control digital y diseo de convertidores electrnicos de potencia. Dto. Tecnologa Electrnica U. de Valladolid. 1996. Documento Electrnico. Bibl-EUP: E-0091, E-0092, E-0093. Captulo 1.

[4] LORENZO, S., MARTNEZ, P.M. Electrnica Industrial: Dimensionado y proteccin de circuitos de potencia. Seccin de publicaciones de la ETSII U.P. Madrid. 1985. Bibl-ETSII 621.384-LORdim. Captulos 3 y 4.


3.1 EL POLO DE POTENCIA.

El polo de potencia es el elemento de conmutacin de los convertidores de potencia.

3.1.1 EL POLO DE POTENCIA GENRICO. La figura muestra el comportamiento genrico de un interruptor controlado

durante un proceso de conmutacin:


3.1.2 EL POLO DE POTENCIA IDEAL. Las caractersticas de un polo de potencia ideal son:


3.1.3 EL POLO DE POTENCIA REAL. En los convertidores reales, la funcin de polo de potencia la desempea

un dispositivo semiconductor de potencia (diodo, tiristor, transistor, IGBT...), por si slo o asociado con otro.

EJEMPLO: IGBT + Diodo para conseguir corriente bidireccional.

Aunque hay muchos dispositivos semiconductores de potencia, ninguno de ellos tiene las caractersticas ideales.

EJEMPLOS:

DIODO: - La circulacin de corriente es unidireccional. - No se puede controlar ni su apertura ni su cierre

(viene impuesto por el resto del circuito).

TIRISTOR (SCR): - La circulacin de corriente es unidireccional. - Se puede controlar el cierre pero no la apertura.

TRANSISTOR (BJT): - La circulacin de corriente es unidireccional. - Se puede controlar tanto el cierre como la apertura.


3.2 PANORMICA GENERAL DE LOS DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.

La siguiente figura muestra una clasificacin actual (ao 2000) de los dispositivos de potencia que se fabrican.


Dejando a un lado los de carburo de silicio, que an estn en desarrollo, los semiconductores de potencia se pueden agrupar en cuatro clases:

1.- DIODOS DE POTENCIA:

No se tiene control sobre su cierre y apertura (depende del circuito).

Corriente unidireccional. Manejan hasta 6000 V. y 4500 A.

TIPOS:

Diodo de potencia de propsito general: - Manejan corrientes y tensiones mximas, pero son lentos.

Diodo de potencia de alta velocidad (o recuperacin rpida): - Ms rpidos (hasta 20 30 KHz).

Diodo Schottky: - Tiempo de recuperacin muy pequeo (nanosegundos) y

baja cada de tensin en directa. - Su capacidad se limita a 100 V. y 300 A.


2.- TIRISTORES:

Se tiene control sobre el cierre actuando en la puerta, pero no siempre se controla la apertura.

Corriente unidireccional. Son los dispositivos controlados que

ms potencia manejan. Admiten frecuencias de conmutacin

bajas.

TIPOS:

SCR (Rectificador controlado de silicio o, simplemente, tiristor ): - Se utilizan habitualmente a la frecuencia de lnea (50, 60

Hz) para aplicaciones de alta potencia. - Existe la posibilidad de bloqueo forzado mediante circuitos

auxiliares, pero esa posibilidad no se utiliza en la actualidad (sustituidos por los GTO u otros).

GTO (Gate turn-off thyristor): - Se puede controlar tambin su apertura aplicando un

pulso de corriente negativa (de valor muy elevado) a la puerta.

- Gran potencia y baja frecuencia.

Otros tiristores: MCT: (MOS-Controlled Thyristor).

- Combina un GTO y dos MOSFET para reducir su corriente de puerta en la apertura.

IGCT: (Integrated gate-conmutated Thyristor). - Integra un GTO junto con su circuito de activacin (driver). - Reduce la corriente de puerta y mejora la velocidad de

conmutacin.


LASCR: (Light activated SCR). - Tiristor activado por luz. Utilizado en sistemas de alta

tensin (aislamiento). TRIAC:

- Tiristor bidireccional de baja potencia (equivalente a dos SCR en antiparalelo con puerta comn).

3.- TRANSISTORES:

Totalmente controlados (apertura y cierre).

Corriente unidireccional. Potencias menores que los diodos y

los tiristores.

TIPOS:

BJT de potencia: - Poco utilizados. - Potencia y frecuencia media. - Configuracin Darlington para aumentar la ganancia.

MOSFET de potencia: - Baja potencia (1000V, 50 A.) y frecuencia alta (sup. a 100 KHz). - Drivers ms sencillos (no hay corriente de puerta).

IGBT (Insulated-gate bipolar transistor): - Combina la mayor capacidad de potencia de los BJT con la

mayor velocidad de los MOSFET.

4.- MDULOS DE POTENCIA:

Integran 2, 4, 6 7 dispositivos de potencia semejantes.

Pueden incluir circuitos de activacin (drivers), circuitos de proteccin y circuitos de alarma.

Ejemplo: IPM de Mitsubishi


3.3 SELECCIN DE LOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA.

Parmetros de seleccin de los semiconductores de potencia: - Tensiones utilizadas. - Corrientes requeridas. - Velocidad de conmutacin. - Posibilidad de control (activacin, desactivacin). - Potencia disipada.


ENLACES A FABRICANTES DE SEMICONDUCTORES DE POTENCIA:


3.4 DIODOS DE POTENCIA.

3.4.1 INTRODUCCIN. A pesar de no poder controlar directamente su estado de conduccin, el

diodo es utilizado en casi todos los convertidores de potencia:

Como componente principal: - En rectificadores no controlados y semicontrolados.

Como componente auxiliar: - En antiparalelo con el polo principal para dotarle de

bidireccionalidad. - En paralelo con las cargas inductivas para reconducir la energa

reactiva (diodo de libre circulacin).

Como polo gobernado indirectamente: - En convertidores CC/CC (booster, buck, etc.).

Los diodos de potencia son similares a los diodos de seal salvo que:

- Tienen mayor capacidad de manejo de energa (I, V ms elevada). - Son ms lentos.

3.4.2 CARACTERSTICAS ESTTICAS DEL DIODO.

a) ECUACIN DE SCHOCKLEY DEL DIODO.

1II e TDVn

VSD

=

qTKVT =

ID: Corriente a travs del diodo VD: Tensin aplicada al diodo (VAK) IS: Corriente de saturacin trmica n: Constante emprica (entre 1 y 2) (coeficiente de emisin, factor de idealidad) VT: Voltaje trmico (26mV a 300 K) T: Temperatura de la unin (K) K: Constante de Boltzman (86210-5 eV/K) q: Carga del electrn


b) CARACTERSTICA I / V DEL DIODO.

REGIN DE POLARIZACIN DIRECTA: La corriente es limitada por el circuito exterior.

ee TD

T

DVn

VSVn

VSD I 1II

++

=

+

REGIN DE POLARIZACIN INVERSA: Apenas circula la corriente de fugas.

SVnV

SD I 1II e TD

=

REGIN DE RUPTURA: La elevacin de la tensin inversa por encima de un valor (VBR) produce la conduccin abrupta del diodo en inversa pudiendo producir rpidamente su destruccin.


c) ECUACIN APROXIMADA DE UN DIODO DE POTENCIA. Cuando el diodo est conduciendo en directa, su caracterstica I-V puede

aproximarse por una lnea recta de ecuacin:

ONDD RIVV +=

La norma indica que se tomen como referencia para determinar la ecuacin aproximada los puntos de la caracterstica correspondientes a:

15ID(AV)mx, y 05ID(AV)mx,

Aunque en muchas ocasiones el diodo es considerado como un interruptor ideal:

ON: VD = 0; ID depende del circuito; RON = 0.

OFF: VD depende del circuito; ID = 0; ROFF = .

3.4.3 EL DIODO EN CONMUTACIN. Se utiliza como circuito de prueba el mostrado en el siguiente esquema. El

diodo est inserto en un circuito inductivo que limita la velocidad de variacin de la corriente, tanto en la puesta en conduccin (diF/dt) como en se extincin (diR/dt).


La siguiente grfica muestra la evolucin de la tensin [v(t)] y la corriente [i(t)] en un diodo en un proceso de conmutacin completo:


a) TRANSITORIO DE ENCENDIDO (FORWARD RECOVERY).

Es muy poco significativo en el funcionamiento del diodo (muchos fabricantes no lo caracterizan).

El diodo emplea un tiempo tfr en alcanzar los niveles estacionarios de conduccin.

Durante ese tiempo se produce una sobretensin en el diodo que aumenta con diF/dt y con IF despus del encendido.

El sobreimpulso de tensin y la duracin del transitorio influirn en la potencia disipada durante la puesta en conduccin del diodo.

b) TRANSITORIO DE APAGADO (REVERSE RECOVERY).

Es muy importante. Puede provocar cortocircuitos en los dispositivos de potencia, pues durante ese transitorio el diodo conduce en inversa.

t4: Tiempo de almacenamiento (ts). t5: Tiempo de transicin (t

t). trr: Tiempo de recuperacin inversa.

54rr ttt +=

Irr: Valor pico de la corriente inversa durante el apagado. Qrr: Carga evacuada del interior del diodo durante el proceso de apagado.

2tIQ rrrrrr

La corriente inversa durante la conmutacin est formada por: 1. Los portadores minoritarios desplazados de su regin durante la

conduccin directa y que an no se han recombinado (capacidad de difusin). Son evacuados durante t4: Aumenta la corriente inversa mientras la tensin en el diodo se mantiene prcticamente a cero.

2. Los portadores que ocupan las inmediaciones de la unin que ser inmediatamente la zona de deplexin (vaciamiento). Son evacuados durante t5: Contina la circulacin de corriente inversa a medida que se va ensanchando la zona de vaciamiento y consecuentemente aumentando la tensin inversa en el diodo.


DETERMINACIN DE LOS PARMETROS DE RECUPERACIN INVERSA: IRR, Qrr y trr.

A) Mediante curvas suministradas por los fabricantes:

B) Estimacin rpida. De forma aproximada se suelen utilizar la siguientes expresiones:

dtditItt RrrRR4rr

2tIQ rrRRrr

Los diodos rpidos, ultrarrapidos y Schottky poseen reducidos valores de Qrr lo que reduce la duracin de su bloqueo inverso.


3.4.4 PRDIDAS DE POTENCIA EN UN DIODO. Las prdidas de potencia en un diodo, al igual que en cualquier

semiconductor, se pueden clasificar en:

A) PRDIDAS DE CONDUCCIN EN DIRECTA. A partir del modelo de conduccin directa del diodo:

DDOD irVV +=

( ) dtiriVT1dtiV

T1P

T0

2DDDOD

T0 DD +==

2 )D(D)D(OD RMSAV IrIVP +=

Definiendo KF, factor de forma, como:

AV

RMSF I

IK =

2 )D(2FD)D(OD AVAV IKrIVP +=


B) PRDIDAS DE CONDUCCIN EN INVERSA. Son despreciables frente a las anteriores, por lo que no suelen ser tenidas

en cuenta.

C) PRDIDAS DE CONMUTACIN. Dependen, fundamentalmente, de la frecuencia de conmutacin. Tambin

de las caractersticas de conmutacin del diodo (Irr, trr) y del circuito exterior.

Slo pueden estimarse a partir del anlisis del proceso de conmutacin y aplicando la expresin general:

+=+= 5

3

2

1

t

t

t

tdtv(t)i(t)

T1dtv(t)i(t)

T1PPP offononoffCONM

donde: t1, t2, t3 y t5 son los intervalos de tiempo definidos al describir el proceso de conmutacin.

RESUMEN: A modo de resumen, se puede decir respecto a la estimacin de prdidas de potencia en un diodo:

a) A bajas frecuencias (trabajando como rectificadores a frecuencia de red) slo tienen importancia las prdidas de conmutacin en directa.

b) Slo a frecuencias elevadas tendran algn peso las prdidas de conmutacin, aunque en ese caso se deben utilizar diodos ultrarrapidos o Schottky que las reducen significativamente.

c) En general: 2 )D(D)D(ODiodo RMSAV IrIVP +=


3.4.5 TIPOS DE DIODOS DE POTENCIA.

A.- DIODOS DE USO GENERAL: Manejan altos niveles de corriente (hasta 5000 A(AV)) y tensin inversa

(hasta 6000 V(PICO)). Su tiempo de recuperacin en inversa, trr, es elevado (hasta 25 s). Se utilizan en aplicaciones de rectificacin o baja velocidad de

conmutacin, en las cuales, el tiempo de recuperacin no es un parmetro crtico.

B.- DIODOS DE RECUPERACIN RPIDA: Poseen un tiempo de recuperacin reducido. Manejan corrientes menores (hasta 800 A(AV)). Suelen utilizarse para frecuencias de conmutacin medias en

convertidores CC/CC y CC/CA.

C.- DIODOS SCHOTTKY: Son los diodos ms rpidos y los que tienen menores prdidas por

conduccin (VD 03 V.) y conmutacin (Qrr muy pequeo). Tienen valores mximos de tensin inversa reducidos (hasta 200 V.).


3.5 EL TIRISTOR (SCR). 3.5.1 INTRODUCCIN.

Interruptores semicontrolados unidireccionales. Caracterstica ms significativa: Alta capacidad para manejar

potencia.

3.5.2 ESTRUCTURA BSICA. Dispositivo semiconductor de 4 capas (pnpn) y tres terminales: A, K y G.


3.5.3 CARACTERSTICA I-V ESTTICA DEL TIRISTOR.

Modos de funcionamiento:

a) Polarizacin inversa (Tensin nodo-ctodo negativa): Se comporta como un diodo en inversa (Uniones J1 y J3 en inversa).

Circula por l nicamente una corriente de fuga. El aumento de la tensin aplicada en inversa puede producir la

avalancha de las uniones J1 y J3 y el aumento sbito de corriente (ruptura en sentido inverso).

b) Polarizacin directa (Tensin nodo-ctodo positiva): b.1) BLOQUEO DIRECTO:

El tiristor se comporta como un interruptor abierto (tiristor desactivado - OFF). Soporta grandes cadas de tensin en directa con corrientes de fugas muy pequeas (unin J2 en inversa).

Si la tensin directa aplicada supera un cierto umbral, la unin J2 entra en avalancha y el tiristor comienza a conducir (ACTIVACIN del tiristor por tensin directa).

b.2) CONDUCCIN: El tiristor se comporta como un interruptor cerrado (tiristor

activado - ON). Su cada de tensin es muy pequea y la corriente est slo limitada por el circuito externo.

El tiristor en conduccin puede modelarse a partir de una tensin directa, VT, y una resistencia dinmica directa, rD:

Normalmente, la conduccin se inicia aplicando una tensin positiva entre la puerta y el ctodo (disparo del tiristor).

Si la corriente que establece el circuito por el tiristor es superior a IL, corriente de enganche, el estado de conduccin se mantiene aunque desaparezca la tensin positiva en la puerta.

El tiristor slo puede bloquearse por la aplicacin de una tensin nodo-ctodo negativa o por la extincin de la corriente que establece el circuito a travs del tiristor (corriente inferior a IH, corriente de mantenimiento).

Aunque el tiristor puede activarse por una sobretensin directa, no es una forma prctica de hacerlo.


Curva caracterstica:


Parmetros caractersticos:

Tensin de ruptura en sentido inverso (VR): VR(DC) Suponiendo tensin continua. VRRM Valor de pico repetitivo. VRSM Valor de pico no repetitivo (defecto).

Tensin mxima de bloqueo directo (VD): VD(DC) Suponiendo tensin continua. VDRM Valor de pico repetitivo. VDSM Valor de pico no repetitivo (defecto).

Corriente mxima en conduccin (IT): IT(RMS) Valor eficaz. IT (AV) Valor medio. ITSM Valor pico de defecto (no repetitivo). Normalmente durante medio ciclo 10 ms.

Corriente de fuga en inversa (IR): IRRM Valor de pico repetitivo.

Corriente de fuga en bloqueo directo (ID): IDRM Valor de pico repetitivo.

Cada de tensin directa en conduccin (VT): VT(TO) Tensin umbral para el modelo en conduccin. VTM Valor mximo (con la mxima corriente).

Resistencia dinmica en conduccin (r t): Para el modelo en conduccin.

Corriente de mantenimiento (IH Holding current)

Corriente de enganche (IL Latching current)


3.5.4 ANLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS TIRISTORES.

A.- MODELO DE LOS DOS TRANSISTORES.

El tiristor se modela como dos transistores interconectados:

Ecuaciones del modelo:

En general, para un transistor bipolar: CBOEC III +=

Para Q1 y Q2: 1CBOA11C III +=

2CBOK22C III +=

Adems: 2C1CA III +=

GAK III +=

Despejando IA de las dos ecuaciones anteriores:

)(1IIII21

2CBO1CBOG2A

+

++=


B.- ACTIVACIN DE UN TIRISTOR.

En un transistor bipolar, vara con IE en la forma de la figura:

Para los transistores del modelo: 1 aumenta con IA (IEMISOR de Q1) 2 aumenta con IK = IA + IG (IEMISOR de Q2)

Si se aplica un pequeo escaln de IG: Aumenta 2 Al aumentar 2 aumenta IA. Al aumentar IA aumentan 1 y 2 De nuevo, al aumentar (1 + 2) aumenta IA.

CONCLUSIN: Un pequeo pulso en IG provoca un efecto de realimentacin positiva que pone en conduccin el tiristor con una corriente (IA) slo limitada por el circuito externo (DISPARO DEL TIRISTOR).

Una vez disparado el tiristor, no es necesario mantener IG para que siga conduciendo.


CONDICIONES DE IG PARA EL CORRECTO ENCENDIDO DE UN TIRISTOR.

1. Valor adecuado:

Los fabricantes establecen el intervalo de valores de la tensin entre puerta y ctodo (VG) y la corriente por la puerta (IG) para que el tiristor dispare adecuadamente.

En concreto se definen los siguientes parmetros: IGD: Valor mximo de IG para el que NO se produce disparo.

VGD: Valor mximo de VG para el que NO se produce disparo.

IGT: Valor mnimo de IG para el cual el disparo es seguro.

VGT: Valor mnimo de VG para el cual el disparo es seguro. ()VGM: Mximo valor de pico (positivo/negativo) de VG soportado por el tiristor. IGM: Mximo valor de pico de IG soportado por el tiristor. PGM: Mximo valor de pico de la potencia en la puerta soportada por el tiristor. (PG = IG VG) PGM(AV): Mximo valor de potencia media en la puerta.

Habitualmente los fabricantes reflejan los parmetros anteriores en un diagrama: CARACTERSTICAS DE PUERTA.


2. Duracin adecuada: La duracin del pulso de IG debe ser, al menos, suficiente para que la

corriente andica alcance su valor de enganche (IL). No se debe mantener IG despus del disparo pues eso aumentara

las prdidas de potencia.

C.- ACTIVACIN INDESEADA DE UN TIRISTOR.

Se puede producir el disparo accidental del tiristor por alguna de las siguientes causas:

1. Trmica: El aumento de temperatura provoca un exceso de pares electrn-

hueco con lo que aumentan 1 y 2 pudiendo alcanzar la unidad debido a la realimentacin positiva y con ello el disparo del tiristor.

2. Elevada tensin en bloqueo directo: Si la tensin aplicada en directa supera un cierto lmite (VDRM o

VDSM), la corriente de fuga es suficiente para comenzar el proceso regenerativo de activacin.

3. Elevada dVAK/dt (o simplemente dV/dt): El tiristor puede dispararse si se aplica una variacin muy rpida de

tensin en sentido directo (dV/dt elevada). El modelo de 2 transistores para rgimen transitorio es el que se

muestra en la figura:


Una variacin de la tensin VAK aplicada al tiristor provoca la circulacin de una corriente por Cj2 de valor:

dtdV

Ci 2j2j2j = (Suponiendo Cj2 constante)

El efecto de ij2 es el mismo que el de IG pues se aplica en el mismo punto y en el mismo sentido.

Si dV/dt es grande, ij2 puede ser suficiente para disparar el tiristor. Los fabricantes especifican la tasa dV/dt mxima admisible en sus

tiristores.

D.- DESACTIVACIN DE UN TIRISTOR.

Un tiristor conduciendo slo se desactiva cuando su corriente se reduce por debajo de su valor de mantenimiento (IH) durante un tiempo suficiente.

La desactivacin puede conseguirse, entonces, de alguna de estas dos formas:

a) Conmutacin natural: Cuando la corriente que circula por el tiristor procede de una fuente de alterna pasa por cero en algn momento de manera natural.

b) Conmutacin Forzada: Cuando se dispone de un circuito adicional conocido como circuito de conmutacin que fuerza el paso por cero de la corriente directa.

En la actualidad, la conmutacin forzada est en desuso. Cuando se necesita tener control sobre el apagado, se utilizan GTO o IGCT en vez de tiristores SCR.


3.5.5 EL TIRISTOR EN CONMUTACIN.

En la siguiente grfica se muestra la evolucin temporal de un proceso completo de activacin-desactivacin:

a) TRANSITORIO DE ARRANQUE: Limitacin de di/dt.

El transitorio de arranque queda definido por los siguientes parmetros:

tON = td + tr

td: Tiempo de retardo. tr: Tiempo de subida.

tON: Tiempo de disparo (Tur n - on time).


Durante el paso a conduccin, la corriente de nodo se incrementa a una velocidad di/dt fijada por el circuito exterior (inductancias).

Durante los primeros instantes del disparo, la zona de conduccin dentro de la unin es an muy pequea. Si la corriente crece muy rpidamente, se pueden originar densidades de corriente muy elevadas, lo que provocara la perforacin del dispositivo.

Los fabricantes especifican el valor mximo de di/dt admitido por el tiristor.

b) TRANSITORIO DE EXTINCIN.

El proceso de apagado es similar al de extincin en un diodo de potencia.

Cmo en aqul, el proceso de extincin queda caracterizado por los siguientes parmetros:

trr = ts + tf : Tiempo de recuperacin inverso. IRRM : Valor mximo de corriente inversa durante el apagado. Qrr : Carga asociada a la recuperacin inversa.

En los tiristores se define adems un nuevo parmetro: tq (Turn-off time): Tiempo extincin. Durante ese intervalo de tiempo no se puede reaplicar tensin directa al tiristor pues se producira un nuevo encendido.


3.5.6 PRDIDAS DE POTENCIA EN UN TIRISTOR.

La potencia total disipada por un tiristor tiene las siguientes componentes:

a) Prdidas por conduccin. b) Prdidas durante el bloqueo directo o inverso (debidas a las corrientes

de fuga). c) Prdidas en el circuito de puerta (debidas al pulso de control). d) Prdidas durante la conmutacin.

De todas ellas, las nicas significativas son las prdidas por conduccin (los SCR trabajan a frecuencias moderadas y las prdidas de conmutacin no sern importantes).

Como en el caso de los diodos, las prdidas por conduccin pueden estimarse como:

2 )D(D)D(OD RMSAV IrIVP +=

o en funcin del factor de cresta, KF: 2 )D(2FD)D(OD AVAV IKrIVP +=

Los fabricantes suelen incluir algunas grficas de las que se obtiene la potencia disipada por el tiristor en funcin de sus condiciones de trabajo:


3.5.7 CIRCUITO DE DISPARO DE LOS TIRISTORES.

Los circuitos de disparo de los tiristores deben proporcionar pulsos de corriente al circuito puerta-ctodo del tiristor para activarlo.

Las condiciones del pulso de disparo se determinan a partir de la caracterstica de puerta y del circuito en el que se encuentra el tiristor (duracin del pulso).

Las corrientes de disparo pueden llegar a ser de 10 A. para SCR de alta potencia. Para esos casos se utilizan circuitos amplificadores de pulso como el de la figura:


3.5.8 LIMITES DE UTILIZACIN DEL TIRISTOR. PROTECCIONES.

El funcionamiento del tiristor se ve limitado por las siguientes causas:

1. Temperatura: Durante su funcionamiento, no deber superarse la temperatura

mxima que el fabricante establece para la unin semiconductora (TjMX).

Los fabricantes ofrecen grficas en las que relacionan la mxima temperatura admisible para el encapsulado en funcin de las condiciones de trabajo:

2. Elevado di/dt: Como ya se coment, el crecimiento muy rpido de corriente (di/dt

elevada) durante la puesta en conduccin del SCR puede perforar al semiconductor.

La velocidad de crecimiento de corriente se limita colocando una inductancia en serie con el tiristor:

Al entrar en conduccin el tiristor:

dtdiLV SS

SS

INICIO LV

dtdi


Si el convertidor con tiristores est alimentado a partir de un transformador, su inductancia de dispersin suele ser suficiente para limitar la velocidad de crecimiento de la corriente.

3. Elevado dV/dt: Como ya se coment, la aplicacin en directa de una tensin con una

velocidad de variacin muy elevada (dV/dt elevada) puede llevar a la activacin del tiristor debido a las capacidades internas del semiconductor.

Se puede reducir dVAK/dt colocando un condensador en paralelo con el tiristor:

SLS

MXAK

CRV63'0

dtdV


Si se coloca slo un condensador, cuando el tiristor entre en conduccin soportar un elevado pico de corriente debido a la descarga de CS que puede superar su lmite de di/dt. Es necesario colocar una resistencia en serie con el condensador de proteccin:

( ) S2SLSL

MXAK

CRRVR63'0

dtdV

+

Al conjunto de resistencia-condensador utilizado para proteger el transistor contra dV/dt se le denomina snubber.

En el caso de carga inductiva (RL + LL), el crecimiento de tensin corresponder a un sistema de segundo orden con una relacin de amortiguamiento . Se deber elegir RS y CS para mantener entre 05 y 1 y, simultneamente, limitar las corrientes de descarga por el tiristor.

L

SLSLC

2RR +

=

4. Corriente de sobrecarga no repetitiva: Durante el funcionamiento del convertidor se pueden producir

corrientes de defecto de elevada magnitud (por ejemplo: cortocircuitos en la salida, fallo de algn semiconductor, etc.) que el tiristor tendr que soportar hasta que se activen las protecciones.

Los fabricantes especifican la mxima corriente de defecto o sobrecarga que soporta un tiristor, ITSM (surge on-state current), y las condiciones en las que ste valor se ha determinado, que suelen ser: a) Duracin del defecto (Tpicamente, un semiciclo 10 ms) b) Temperatura de la unin antes del defecto (Tpicamente, 125 C). c) Nmero de veces que es aceptable esta corriente durante la vida

til del tiristor (Tipicamente, 100 veces).


5. I2t: Conceptualmente, tambin se refiere a la capacidad de un tiristor de

soportar corrientes de defecto durante un corto periodo de tiempo, pero expresado en la misma forma que se utiliza para caracterizar los fusibles que le sirven de proteccin.

De esta forma es inmediato seleccionar el fusible que lo proteja adecuadamente frente a estas corrientes de defecto.

En caso de defecto, el tiristor admite el paso de una corriente de pico ITSM durante un semiciclo (10 ms).

Si se considera al tiristor conduciendo como una resistencia, r, la energa disipada durante el defecto ser:

=2T

0

2SDEF dt)t(irW

Se define el parmetro [I2t] de un tiristor como:

=2T

0

2S

2 dt)t(itI

Si se supone r = constante, [I2t] es proporcional a la energa disipada durante el defecto que es capaz de absorber el tiristor sin estropearse. Es fcil demostrar a partir de la expresin anterior que:

f2ItI2TSM2

=

Un tiristor estar adecuadamente protegido por un fusible en serie si se cumple:

TIRISTOR2

FUSIBLE2 tItI <

6. I2t: Es un concepto similar al anterior y con la misma aplicacin prctica. Para sobrecorrientes de defecto de pequea duracin (inferior a

10ms), se comprob que [I2t] describe mejor que [I2t] la evolucin de la temperatura de la unin semiconductora durante el defecto.

La relacin con [I2t] es:

.defectodelduracintdonde,ttItI ss

22

==


7. Curva lmite Intensidad-Tiempo: Es una curva que establece la mxima corriente de pico (semionda)

que soporta un tiristor durante un defecto, en funcin de lo que tarde en eliminarse dicho defecto (desde 1ms hasta decenas de ciclos).

Engloba los conceptos de ITSM, [I2t] e [I2t].

EJEMPLO: Si ITSM (10ms) de un tiristor es 7650 A., Cunto vale la mxima corriente admitida por el tiristor si las protecciones actan despus de 10 ciclos (200 ms)? (Temperatura antes del defecto: Tj MX)

De la grfica: MULTIPLICADOR = Kts = 06, luego: ITSM (200 ms) = 06 ITSM (10 ms) = 06 7650 = 4590 A.

Las curvas se construyen asumiendo que dos impulsos sinusoidales de distinta duracin, aplicados a un mismo semiconductor, debern tener el mismo valor de [I2t] (o [I2t] en caso subcclico, menos de 10 ms.) para que produzcan la misma elevacin de temperatura en la unin.

El coeficiente multiplicador puede obtenerse de manera aproximada mediante las siguientes expresiones:

Rgimen subcclico (ts 1 ciclo; I2t):

n

1Kn =

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