Transistores de potencia

Se denominan tiristores a todos aquellos componentes semiconductores con dos estados estables cuyo funcionamiento se basa en la realimentación regenerativa de una estructura PNPN. Existen varios tipos dentro de esta familia, de los cuales el más empleado con mucha diferencia es el rectificador controlado de silicio (SCR), por lo que suele aplicársele el nombre genérico de tiristor.

Es un componente con dos terminales principales, ánodo y cátodo y uno auxiliar para disparo o puerta. Se puede decir que se comporta como un diodo rectificador con iniciación de la conducción controlada por la puerta: como rectificador, la conducción no es posible en sentido inverso, pero sí en sentido directo. Sin embargo, a diferencia de los diodos, el tiristor no conduce en sentido directo hasta que no se aplica un pulso de corriente por el terminal de puerta. El instante de conmutación (paso de corte de conducción), puede ser controlado con toda precisión actuando sobre el terminal de puerta, por lo que es posible gobernar a voluntad el paso de intensidades por el elemento, lo que hace que el tiristor sea un componente idóneo en Electrónica de Potencia, ya que es un conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez.

En la siguiente figura se pueden apreciar el símbolo, estructura y esquema equivalente del tiristor de potencia.

Tipos de tiristores

SCR (Silicon-Controlled Rectifier)

Funciona a la frecuencia de línea y se apagan por conmutación natural.

Control de compuerta. Corriente para activación sin control de apagado.

Característica de control. Activación con una señal de pulso apagado con conmutación natural.

Ventajas. Activación sencilla, dispositivo de la ganancia de activación en muy alta. Bajo costo, alto voltaje, alta corriente.

Frecuencia. Baja 60 Hz.

Voltaje. 1.5 kV, 0.1MVA.

BCT (Bidireccional Fhase-Controlled Thyristors)

Es un dispositivo único que combina las ventajas de tener dos tiristores en un encapsulado.

Control de compuerta. Dos compuertas; corriente para activación, sin control de apagado.

Característica de control. Activación con una señal de pulso. Apagado con conmutación natural.

Ventajas. Igual que los SCR controlados por fase, excepto que tienen dos compuertas y la corriente puede pasar en ambas direcciones. Combina dos SCR espalda con espalda en un solo dispositivo.

Desventajas. Similar a los SCR controlados por fase.

Frecuencia. Baja 60 Hz.

Voltaje. 6.5 kV, 1.5 kA, 0.1 MVA.

Corriente. 3 kA, 1.8 kV, 0.1 MVA.

LASCR (Light-Activated Sillicon-Controlled Rectifier)

Enciende por irradiación directa, con luz, de la oblea de silicio.

Control de compuerta. Señal luminosa para activar. Sin control de apagado.

Características de control. Activación con una señal de pulso. Apagado con conmutación natural.

Ventajas. Parecidas a los SCR controlados por fase, excepto que la compuerta está aislada y se puede operar a control remoto.

Desventajas. Parecidos a los SCR controlados por fase.

Frecuencia. Baja 60 Hz.

TRIAC (Tiristores de tríodo bidimensional)

Puede conducir en ambas direcciones y se usa para control por fase.

Control de compuerta. Corriente para activación sin control de apagado.

Característica de control. Activación aplicando un pulso de señal a la compuerta para flujo de corriente en ambas direcciones. Apagado con conmutación natural.

Ventajas. Igual que los SCR (Fase) excepto que la corriente puede pasar en ambas direcciones, tiene una compuerta para activar en ambas direcciones.

Desventajas. Parecidos a los SCR (fase), excepto para aplicaciones de baja potencia.

Frecuencia. Baja 60 Hz.

GTO (Tiristores apagados por compuerta)

Enciente aplicando una señal positiva a la compuerta pero puede abrirse con una señal negativa de compuerta.

Control de compuerta. Corriente para control de activación y apagado.

Características de control. Activación con una señal positiva en la compuerta, apagado con un pulso negativo.

Ventajas. Parecidos a los tiristores de apagado rápido, excepto que se puede apagar con un pulso negativo.

Desventajas. La ganancia en apagado es baja, requiere una gran corriente de compuerta en estado encendido. Hay una larga cola de corriente durante el apagado. Dispositivo de retención que requiere una corriente mínima en la compuerta para mantener un estado de encendido.

Frecuencia. Intermedia 5kHz.

MTO (MOS Turn-Off)

Requiere un circuito de encendido con grandes pulsos de corriente, para la compuerta de baja impedancia.

Control de compuerta. Dos compuertas, control tanto para encendido y apagado. Pulso de corriente para activación, señal de voltaje para apagado.

Características de control. Encendido con un pulso positivo de corriente a la compuerta de encendido. Apagado con un voltaje positivo a la compuerta de apagado de MOS que apaga el dispositivo.

Ventajas. Parecida las de los GTO excepto que se puede encender por la compuerta normal y apagar por la compuerta de MOSFET.

Desventajas. Parecidas a las de los GTO, tiene una larga cola de corriente durante el apagado.

Frecuencia. Intermedia 5 kHz.

Voltaje. 10 kV, 20 MVA, 4.5 kV, 500 A.

Corriente. 4 kA, 20 MVA.

ETO (Emiter Turn-Off)

Dispositivo hibrido de MOS y GTO.

Control de compuerta. Dos compuertas; control tanto de encendido como de apagado.

Características de control. Encendido con pulso positivo de corriente a la compuerta de encendido y un pulso positivo de voltaje a la compuerta de apagado del MOS. Apagado con un pulso negativo de voltaje a la compuerta de apagado del MOS.

Ventajas. Debido al MOS en serie, la corriente de transferencia a la región catódica es rápida y el apagado es rápido, el MOSFET en serie debe conducir las corrientes principal y anódica.

Desventajas. En forma parecida a los GT tiene una larga cola de corriente durante el apagado. El MOSFET en serie debe conducir la corriente principal anódica y aumenta la caída de voltaje en estado encendido en 0.3 - 0.5 V, así como las caídas por conducción.

Frecuencia. Intermedia 5 kHz.

IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor)

Tiristor conmutado por compuerta y un activador por compuerta en tarjeta de circuido impreso multicapa.

Control de compuerta. Dos compuertas; control tanto para activación como para apagado.

Características de control. Se enciende con un pulso positivo de corriente a la compuerta de encendido, se apaga aplicando una corriente negativa de subida rápida de una tarjeta de circuito impreso de varias capas en la compuerta.

Ventajas. Como un GTO de conexión permanente, apagado muy rápido debido al aumento rápido de corriente que es grande en la compuerta de apagado, bajo consumo de compuerta de apagado puede tener un diodo anti paralelo incorporado.

Desventajas. Parecidas a los otros dispositivos GTO, la inductancia de la activación de compuertas y del lazo del cátodo deben tener un valor muy pequeño.

Frecuencia. Intermedia 5kHz.

Voltaje. 5 kV, 400 A.

MCT (MOS Controlled Thyristor)

Se combinan las propiedades de un tiristor regenerativo de 4 capas y una estructura de compuerta de MOS.

Estructura MCT.

Control de compuerta. Dos compuertas; control tanto para encendido como para apagado.

Características de control. Se enciende en el MCT de canal p con un voltaje negativo con respecto al ánodo, y se apaga con un voltaje positivo.

Ventajas. La potencia en encendido y apagado es muy pequeña, el tiempo de retardo es pequeño y como tiristor de retención tiene baja caída de voltaje en estado encendido.

Desventajas. Tiene el potencial de ser un tiristor de apagado casi definitivo, pocas pérdidas en estado encendido y por conmutación y alta velocidad de conmutación para aplicaciones del en convertidores de alta frecuencia.

Frecuencia. Intermedia 5 kHz.

SITH (Static Induction Thyristor)

Control de compuerta. Una compuerta; control tanto para encendido como para apagado.

Característica de control. Se enciende aplicando un voltaje positivo de encendido, y se apaga con un voltaje negativo de compuerta.

Ventajas. Dispositivo de portadores minoritarios. Baja resistencia o caída de voltaje en estado encendido. Velocidades altas de conmutación y capacidades para dv/di di/dt altas.

Desventajas. Controlado por campo, requiere voltaje continuo en la compuerta. Muy sensible al proceso y pequeñas perturbaciones en el proceso de manufactura producen cambios en el dispositivo.

Frecuencia. Alta 100 kHz.

Voltaje. 2500 V.