Tiristores

El nombre de Tiristor proviene de una palabra griega que significa “una puerta”. El tiristor engloba una familia de dispositivos semiconductores que trabajan en conmutación, teniendo en común una estructura de cuatro capas semiconductoras en una secuencia P-N-P-N, la cual presenta un funcionamiento biestable (dos estados estables).

La conmutación desde el estado de bloqueo (“OFF”) al estado de conducción (“ON”) se realiza normalmente por una señal de control externa. La conmutación desde el estado “ON” al estado “OFF” se produce cuando la corriente por el tiristor es más pequeña que un determinado valor, denominada corriente de mantenimiento, (“holding current”), específica para cada tiristor.

Dentro de la familia de los tiristores podemos destacar los SCRs (tiristores unidireccionales) y TRIACs (tiristores bidireccionales).

SCR (Rectificador Controlado de Silicio)

De las siglas en inglés “Silicon Controlled Rectifier”, es el miembro más conocido de la familia de los tiristores. En general y por abuso del lenguaje es más frecuente hablar de tiristor que de SCR.

El SCR es uno de los dispositivos más antiguos que se conocen dentro de la Electrónica de Potencia (data de finales de los años 50). Además, continua siendo el dispositivo que tiene mayor capacidad para controlar potencia (es el dispositivo que permite soportar mayores tensiones inversas entre sus terminales y mayor circulación de corriente).

El SCR está formado por cuatro capas semiconductoras, alternadamente P-N-P-N, teniendo 3 terminales: ánodo (A) y cátodo (K), por los cuales circula la corriente principal, y la puerta (G) que, cuando se le inyecta una corriente, hace que se establezca una corriente en sentido ánodo-cátodo. La figura 2.4 ilustra una estructura simplificada del dispositivo.

Si entre ánodo y cátodo tenemos una tensión positiva, las uniones J1 y J3 estarán directamente polarizadas, en cuanto que la unión J2 estará inversamente polarizada. No habrá conducción de corriente hasta que la tensión VAK aumente hasta un valor que provoque la ruptura de la barrera de potencial en J2.

Si hay una tensión VGK positiva, circulará una corriente a través de J3, con portadores negativos yendo del cátodo hacia la puerta. Por la propia construcción, la capa P donde se conecta la puerta es suficientemente estrecha para que parte de los electrones que atraviesen J3 tengan energía cinética suficiente para vencer la barrera de potencial existente en J2, siendo entonces atraídos por el ánodo.

De esta forma, en la unión inversamente polarizada, la diferencia de potencial disminuye y se establece una corriente entre ánodo y cátodo, que podrá persistir aún sin la corriente de puerta.

Cuando la tensión VAK es negativa, J1 y J3 quedarán inversamente polarizadas, en cuanto que J2 quedará directamente polarizada. Teniendo en cuenta que la unión J3 está entre dos regiones altamente dopadas, no es capaz de bloquear tensiones elevadas, de modo que cabe a la unión J1 mantener el estado de bloqueo del componente.

Existe una analogía entre el funcionamiento del tiristor y el de una asociación de dos transistores bipolares, conforme se muestra en la figura 2.5.

Cuando se aplica una corriente de puerta IG positiva, Ic2 e IK aumentarán. Como Ic2 = Ib1, T1 conducirá y tendremos Ib2 = Ic1 + IG, que aumentará Ic2 y así el dispositivo evolucionará hasta la saturación, aunque se elimine la corriente de puerta IG. Tal efecto acumulativo ocurre si las ganancias de los transistores son mayores que 1. El componente se mantendrá en conducción desde que, después del proceso dinámico de entrada en conducción, la corriente del ánodo haya alcanzado un valor superior al límite IL, llamada corriente de enclavamiento “latching current”.

Para que el SCR deje de conducir es necesario que su corriente caiga por debajo del valor mínimo de mantenimiento (IH), permitiendo que se restablezca la barrera de potencial en J2. Para la conmutación del dispositivo no basta con aplicar una tensión negativa entre ánodo y cátodo. Dicha tensión inversa acelera el proceso de desconexión por dislocar en los sentidos adecuados los portadores en la estructura cristalina, pero ella sola no garantiza la desconexión.

Debido a las características constructivas del dispositivo, la aplicación de una polarización inversa del terminal de puerta no permite la conmutación del SCR. Este será un comportamiento de los GTOs, como se verá más adelante.

Características tensión-corriente

En la figura 2.6 podemos ver la característica estática de un SCR. En su estado de apagado o bloqueo (OFF), puede bloquear una tensión directa y no conducir corriente. Así, si no hay señal aplicada a la puerta, permanecerá en bloqueo independientemente del signo de la tensión VAK. El tiristor debe ser disparado o encendido al estado de conducción (ON) aplicando un pulso de corriente positiva en el terminal de puerta, durante un pequeño intervalo de tiempo, posibilitando que pase al estado de bloqueo directo. La caída de tensión directa en el estado de conducción (ON) es de pocos voltios (1-3 V).

Una vez que el SCR empieza a conducir, éste permanece en conducción (estado ON), aunque la corriente de puerta desaparezca, no pudiendo ser bloqueado por pulso de puerta. Únicamente cuando la corriente del ánodo tiende a ser negativa, o inferior a un valor umbral, por la influencia del circuito de potencia, el SCR pasará a estado de bloqueo.

En régimen estático, dependiendo de la tensión aplicada entre ánodo y cátodo podemos distinguir tres regiones de funcionamiento:

1. Zona de bloqueo inverso (vAK < 0): Ésta condición corresponde al estado de no conducción en inversa, comportándose como un diodo.

2. Zona de bloqueo directo (vAK > 0 sin disparo): El SCR se comporta como un circuito abierto hasta alcanzar la tensión de ruptura directa.

3. Zona de conducción (vAK > 0 con disparo): El SCR se comporta como un interruptor cerrado, si una vez ha ocurrido el disparo, por el dispositivo circula una corriente superior a la de enclavamiento. Una vez en conducción, se mantendrá en dicho estado si el valor de la corriente ánodo cátodo es superior a la corriente de mantenimiento.

La figura 2.7 muestra las características corriente-tensión (I-V) del SCR y permite ver claramente cómo, dependiendo de la corriente de puerta (IG), dichas características pueden variar.

Activación o disparo y bloqueo de los SCR

Podemos considerar cinco maneras distintas de hacer que el SCR entre en conducción:

a) Disparo por tensión excesiva

Cuando está polarizado directamente, en el estado de bloqueo, la tensión de polarización se aplica sobre la unión J2 (ver figura 2.4). El aumento de la tensión VAK lleva a una expansión de la región de transición tanto para el interior de la capa de la puerta como para la capa N adyacente. Aún sin corriente de puerta, por efecto térmico, siempre existirán cargas libres que penetren en la región de transición (en este caso, electrones), las cuales son aceleradas por el campo eléctrico presente en J2. Para valores elevados de tensión (y, por tanto, de campo eléctrico), es posible iniciar un proceso de avalancha, en el cual las cargas aceleradas, al chocar con átomos vecinos, provoquen la expulsión de nuevos portadores que reproducen el proceso. Tal fenómeno, desde el punto de vista del comportamiento del flujo de cargas por la unión J2, tiene el efecto similar al de una inyección de corriente por la puerta, de modo que, si al iniciar la circulación de corriente se alcanza el límite IL, el dispositivo se mantendrá en conducción (ver figura 2.7).

b) Disparo por impulso de puerta

Siendo el disparo a través de la corriente de puerta la manera más usual de disparar el SCR, es importante el conocimiento de los límites máximos y mínimos para la tensión VGK y la corriente IG, como se muestra en la figura 2.8.

El valor VGmin indica la mínima tensión de puerta que asegura la conducción de todos los componentes de un tipo determinado, para la mínima temperatura especificada.

El valor VGmax es la máxima tensión de puerta que asegura que ningún componente de un tipo determinado entrará en conducción, para la máxima temperatura de operación.

La corriente IGmin es la mínima corriente necesaria para asegurar la entrada en conducción de cualquier dispositivo de un cierto tipo, a la mínima temperatura. El circuito de disparo puede reducirse a su equivalente Thevenin (ver figura 2.8) para determinar la recta de carga sobre las curvas características vGK-iG. Para el ejemplo de la figura 2.8, la recta de carga cortará los ejes en los puntos 6 V (tensión en vacío de corriente de disparo) y 6 V / 12ohm = 0,5 A (intensidad de cortocircuito). Para asegurar la operación correcta del componente, la recta de carga del circuito debe asegurar que superará los límites vGmin y iGmin, sin exceder los demás límites (tensión, corriente y potencia máxima).

c) Disparo por derivada de tensión

Si a un SCR se le aplica un escalón de tensión positivo entre ánodo y cátodo con tiempo de subida muy corto, del orden de microsegundos, los portadores sufren un desplazamiento infinitesimal para hacer frente a la tensión exterior aplicada.

Como se comentó para el caso de disparo por tensión excesiva, si la intensidad de fugas alcanza el valor suficiente como para mantener el proceso regenerativo, el tiristor entrará en conducción estable y permanecerá así una vez pasado el escalón de tensión que lo disparó.

El valor de la derivada de tensión dv/dt depende de la tensión final y de la temperatura, tanto menor cuanto mayores son éstas.

d) Disparo por temperatura

A altas temperaturas, la corriente de fuga en una unión P-N inversamente polarizada aproximadamente se duplica con el aumento de 8º C. Así, el aumento de temperatura puede llevar a una corriente a través de J2 suficiente para llevar el SCR al estado de conducción.

e) Disparo por luz

La acción combinada de la tensión ánodo-cátodo, temperatura y radiación electromagnética de longitud de onda apropiada puede provocar también la elevación de la corriente de fugas del dispositivo por encima del valor crítico y obligar al disparo.

Los tiristores diseñados para ser disparados por luz o tiristores fotosensibles LASCR (“Light Activated SCR”) suelen ser de pequeña potencia y permiten un aislamiento óptico entre el circuito de control y el circuito de potencia.

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