En este tutorial, aprenderá acerca de un tipo especial de tiristor llamado tiristor de apagado de puerta. Conozca la estructura, los símbolos de los circuitos, las características de los VI, los principios operativos y las aplicaciones comúnmente conocidas de los tiristores de apagado de compuerta.
Tabla de contenido
introducción
Aunque los tiristores se utilizan ampliamente en aplicaciones de alta potencia, siempre han tenido el problema de ser dispositivos semicontrolados. Puedes aplicar una señal de puerta para encenderlo, pero si quieres apagarlo, debes usar un circuito de conmutación para interrumpir la corriente principal.
Para los circuitos de conversión de CC a CC y de CC a CA, esto se convierte en un inconveniente importante de los tiristores, ya que no hay una corriente natural cero (como en los circuitos de CA). Por lo tanto, el desarrollo de tiristores de apagado de puerta (GTO) aborda el principal problema de los tiristores al garantizar el mecanismo de apagado a través del terminal de puerta.
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Fundamentos de los tiristores de apagado de puerta.
Un tiristor de apagado de puerta (GTO) es un dispositivo de conmutación de semiconductores bipolar (portador minoritario controlado por corriente) de tres terminales. De manera similar a un tiristor convencional, los terminales son ánodo, cátodo y compuerta, como se muestra en la siguiente figura. Como sugiere el nombre, tiene una función de cierre.
El circuito de accionamiento de la puerta no sólo enciende la corriente principal, sino que también la apaga. Una pequeña corriente de puerta positiva activa el GTO en modo de conducción, y un pulso negativo en la puerta también puede apagar el GTO. En el siguiente diagrama, observe la doble flecha en la puerta para distinguir entre un GTO y un tiristor normal. Esto indica que la corriente fluye en ambas direcciones a través del terminal de puerta.
La corriente de compuerta necesaria para apagar el GTO es relativamente alta. Por ejemplo, un GTO con capacidad de 4000 V y 3000 A puede requerir una corriente de puerta de -750 A para apagarse. Como resultado, los GTO suelen tener una ganancia de apagado baja, en el rango de 4 a 5. Debido a esta gran corriente negativa, los GTO se utilizan en aplicaciones de baja potencia.
Por otro lado, en estado conductor, el GTO se comporta como un tiristor con una baja caída de voltaje en estado encendido. Los GTO tienen velocidades de conmutación más rápidas que los tiristores y clasificaciones de voltaje y corriente más altas que los transistores de potencia.
Actualmente se encuentran disponibles en el mercado varios tipos de GTO con capacidades de voltaje simétrico y asimétrico. Un GTO con capacidades idénticas de bloqueo hacia adelante y hacia atrás se denomina GTO simétrico (S-GTO). Estos se utilizan en inversores de fuente de corriente, pero son algo más lentos. Los GTO asimétricos (A-GTO) se utilizan principalmente debido a su baja caída de voltaje en estado encendido y sus características de temperatura estable.
Estos GTO asimétricos tienen una importante capacidad de voltaje inverso (normalmente 20-25 V). Se utilizan cuando no hay voltaje inverso a través de ellos o cuando se conecta un diodo conductor inverso a través del circuito. Este artículo solo analiza el GTO asimétrico.
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construcción
Considere la siguiente estructura de un GTO, que es más o menos similar a un tiristor. También es un dispositivo PNPN de 4 capas y 3 uniones, similar a un tiristor estándar. En este caso, la capa n+ en el extremo del cátodo está fuertemente dopada, lo que da como resultado una alta eficiencia del emisor. Como resultado, el voltaje de ruptura en el empalme J3 es bajo, típicamente en el rango de 20 a 40 voltios.
El nivel de dopaje de la puerta tipo p está altamente graduado porque mantener una alta eficiencia del emisor requiere un nivel de dopaje bajo, mientras que las buenas características de apagado requieren un alto dopaje en esta región. Además, la puerta y el cátodo deben estar altamente entrelazados en diferentes geometrías para optimizar la capacidad de corte de corriente.
La unión entre el ánodo P+ y la base N se llama unión anódica. Se requiere una región anódica de P+ altamente dopada para obtener una unión anódica de mayor eficiencia de modo que se consigan buenas propiedades de activación. Sin embargo, la función de apagado se ve afectada en dichos GTO.
Este problema se puede resolver introduciendo capas de N+ fuertemente dopadas en la capa del ánodo de P+ a intervalos regulares, como se muestra en la figura. Por lo tanto, esta capa de N+ está en contacto directo con la capa de N en el cruce J1. Esto permite que los electrones se muevan directamente desde la región base N al contacto metálico del ánodo sin causar inyección de huecos desde el ánodo P+. Esto se denomina estructura GTO de ánodo corto.
Estos cortocircuitos de ánodo reducen la capacidad de bloqueo inverso del GTO al voltaje de ruptura inverso de la unión j3, acelerando el mecanismo de apagado.
Sin embargo, cuando se produce una gran cantidad de cortocircuitos en el ánodo, la eficiencia de la unión del ánodo disminuye, lo que reduce el rendimiento de encendido del GTO. Por lo tanto, se debe considerar cuidadosamente la densidad de estos cortocircuitos de ánodo para obtener un buen rendimiento de encendido y apagado.
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Principio de operación
La operación de encendido del GTO es similar a la de un tiristor convencional. Cuando el terminal del ánodo se vuelve positivo con respecto al cátodo al aplicar una corriente de compuerta positiva, la unión de base p del cátodo se polariza directamente mediante la inyección de corriente de orificio desde la compuerta.
Esto hace que se emitan electrones desde el cátodo hacia el terminal del ánodo. Esto provoca la inyección de orificios desde el terminal del ánodo hasta la región de la base. Esta inyección de huecos y electrones continúa hasta que el GTO se vuelve conductor.
En el caso de un tiristor, la conducción se inicia encendiendo primero la región del cátodo adyacente al terminal de puerta. Luego, a medida que el plasma se propaga, la región restante se vuelve conductora.
A diferencia de un tiristor, un GTO consta de un elemento catódico estrecho que está profundamente acoplado al terminal de compuerta, por lo que el área inicialmente activada es muy grande y la dispersión del plasma es pequeña. Por lo tanto, el GTO se vuelve conductor muy rápidamente.
Para apagar un GTO conductor, invierta la polarización de la puerta haciéndola negativa con respecto al cátodo. Algunos de los huecos de la capa a base de P se extraen a través de la compuerta, que suprime la inyección de electrones desde el cátodo.
En respuesta, la corriente del hueco extraída a través de la puerta aumenta, suprimiendo aún más los electrones del cátodo. Finalmente, la caída de voltaje a través de la unión de la base p polariza inversamente la unión puerta-cátodo, apagando el GTO.
Durante el proceso de extracción de agujeros, la región de base p se agota gradualmente, comprimiendo así la región de conducción. A medida que continúa este proceso, la corriente anódica fluye a través de regiones separadas, formando filamentos de alta densidad de corriente. Esto provoca puntos calientes localizados que pueden dañar su dispositivo si estos filamentos no se apagan inmediatamente.
Cuando se aplica un voltaje de puerta negativo alto, estos filamentos se apagan rápidamente. Debido a la carga almacenada en la región de la base N, la corriente continúa fluyendo desde el ánodo a la puerta incluso cuando la corriente del cátodo se detiene. Esto se llama corriente de cola y decae exponencialmente a medida que el proceso de recombinación reduce el exceso de portadores de carga. Cuando la corriente de cola disminuye hasta el nivel de corriente de fuga, el dispositivo mantiene las características de bloqueo directo.
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Características del VI
Durante el encendido, el GTO se comporta como un tiristor, por lo que sus características del primer cuadrante son similares a las de un tiristor. Cuando el ánodo se vuelve positivo con respecto al cátodo, el dispositivo funciona en modo de bloqueo directo. La aplicación de una señal de puerta positiva convierte el GTO en conducción.
Como se muestra en la figura, GTO tiene una corriente de retención y una corriente de fuga directa mucho más altas que el tiristor. Si la corriente del ánodo excede el nivel de corriente de mantenimiento, se puede quitar el accionamiento de la compuerta.
Sin embargo, se recomienda no quitar el accionamiento positivo de la compuerta durante la conducción y mantenerlo por encima de la corriente crítica máxima de la compuerta. Esto se debe a que el cátodo se subdivide en pequeños elementos de dedo como se explicó anteriormente para ayudar en el proceso de apagado.
Esto hace que la corriente del ánodo caiga temporalmente por debajo del nivel de corriente de mantenimiento, lo que obliga a la corriente alta del ánodo a regresar al GTO a una velocidad alta. Esto puede ser potencialmente destructivo. Por lo tanto, algunos fabricantes recomiendan una señal de puerta continua durante la conducción.
El GTO se puede apagar aplicando una corriente de compuerta inversa impulsada por rampa o escalón. El GTO se puede apagar sin invertir el voltaje del ánodo. La línea discontinua en la figura muestra la trayectoria IV al apagar la carga inductiva. Tenga en cuenta que durante el apagado, el GTO solo puede bloquear el voltaje directo nominal.
Para evitar la activación dv/dt y proteger el dispositivo durante el apagado, se debe conectar una resistencia del valor recomendado entre la puerta y el cátodo, o se debe mantener un pequeño voltaje de polarización inversa (normalmente -2 V) en el terminal de la puerta. Esto evita que la unión cátodo de puerta se polarice directamente y mantiene el GTO incluso en condiciones de apagado.
En la condición de polarización inversa del GTO, la capacidad de bloqueo depende del tipo de GTO. Como se muestra en la figura, el GTO simétrico tiene una alta capacidad de bloqueo inverso, mientras que el GTO asimétrico tiene una pequeña capacidad de bloqueo inverso.
En la condición de polarización inversa, se observa que después de un pequeño voltaje inverso (20–30 V), el GTO comienza a conducir en dirección inversa debido a la estructura de cortocircuito del ánodo. Este modo de funcionamiento no es destructivo para el dispositivo sólo si la puerta está polarizada negativamente y la duración de esta operación es corta.
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Aplicación del tiristor de apagado de puerta.
Los GTO se utilizan sobre tiristores en muchas aplicaciones debido a ventajas como características de conmutación superiores, ausencia de circuitos de conmutación y funcionamiento sin mantenimiento. Se utiliza como dispositivo de control principal para helicópteros e inversores. Algunas de estas aplicaciones son
- unidad de CA
- Unidad de CC o picadora de CC
- Fuente de alimentación estabilizada de CA
- disyuntor de corriente continua
- calentamiento por inducción
- Otras aplicaciones de baja potencia
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