Contenido
Introducción
Aunque el tiristor se utiliza ampliamente en aplicaciones de alta potencia, siempre sufrió de ser un dispositivo semicontrolado. Aunque podría activarse aplicando una señal de puerta, debe desactivarse interrumpiendo la corriente principal mediante un circuito de conmutación.
En el caso de los circuitos de conversión de CC a CC y de CC a CA, esto se convierte en una deficiencia grave del tiristor tradicional debido a la ausencia de corriente natural cero (como en el caso de los circuitos de CA). Por lo tanto, el desarrollo del tiristor de apertura de puertas (GTO) aborda el problema principal del tiristor asegurando el mecanismo de apagado a través del terminal de puerta.
GTO
Tiristor de desconexión de compuerta
Un Gate Turn off Thyristor o GTO es un dispositivo de conmutación de semiconductor bipolar de tres terminales. Similar al tiristor convencional, los terminales son ánodo, cátodo y compuerta como se muestra en la figura a continuación. Como su nombre indica, tiene la capacidad de desactivar la puerta.
Estos son capaces no solo de encender la corriente principal con un circuito de activación de compuerta, sino también de APAGARLA. Una pequeña corriente de compuerta positiva activa el GTO en el modo de conducción y también mediante un pulso negativo en la compuerta, es capaz de apagarse. Observe en la figura de abajo que la puerta tiene flechas dobles que distinguen al GTO del tiristor normal. Esto indica el flujo de corriente bidireccional a través del terminal de puerta.
La corriente de compuerta requerida para apagar el GTO es relativamente alta. Por ejemplo, un GTO con 4000 V y 3000 A puede necesitar-750 A de corriente de compuerta para apagarlo. Por lo tanto, la ganancia de apagado típica de GTO es baja y está 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, durante el estado de conducción, GTO se comporta como un tiristor con una pequeña caída de voltaje de estado ON. El GTO tiene una velocidad de conmutación más rápida que el tiristor tradicional y tiene mayores rangos de voltaje y corriente que los transistores de potencia.
Diferentes variedades de GTO están disponibles en el mercado actual con capacidades de voltaje asimétricas y simétricas. Los GTO con idénticas capacidades de bloqueo directo e inverso se denominan GTO simétricos (S-GTO). Estos se utilizan en los inversores fuente actuales, pero estos son algo más lentos. La mayoría de los GTO asimétricos (A-GTO) se utilizan debido a su caída de tensión de estado ON más baja y características de temperatura estables.
Estos GTO asimétricos tienen una capacidad de voltaje inverso apreciable (típicamente de 20 a 25 V). Estos se utilizan donde nunca ocurrirá el voltaje inverso a través de él o un diodo conductor inverso se conecta a través del circuito. Este artículo describe solo los GTO asimétricos.
Construcción de un tiristor de apagado de puerta
Considere la siguiente estructura de GTO, que es casi similar al tiristor. También es un dispositivo P-N-P-N de cuatro capas y tres uniones como un tiristor estándar. En esto, la capa n + en el extremo del cátodo está altamente dopada para obtener una alta eficiencia del emisor. Este resultado el voltaje de ruptura de la unión J3 es bajo, que típicamente está en el rango de 20 a 40 voltios.
El nivel de dopaje de la compuerta de tipo p es muy gradual porque el nivel de dopaje debe ser bajo para mantener una alta eficiencia del emisor, mientras que para tener buenas propiedades de apagado, el dopaje de esta región debe ser alto. Además, la puerta y los cátodos deben estar altamente interdigitados con diversas formas geométricas para optimizar la capacidad de desactivación actual.
La unión entre el ánodo P + y la base N se denomina unión de ánodo. Se requiere una región de ánodo P + fuertemente dopado para obtener la unión de ánodo de mayor eficacia, de modo que se consiga una buena activación. Sin embargo, las capacidades de desactivación se ven afectadas con dichos GTO.
Este problema se puede resolver introduciendo capas de N + fuertemente dopadas a intervalos regulares en la capa de ánodo P + como se muestra en la figura. Entonces esta capa N + hace contacto directo con la capa N en la unión J1. Esto hace que los electrones viajen desde la región N base directamente al contacto del metal del ánodo sin causar la inyección del orificio del ánodo P +. Esto se conoce como una estructura GTO con cortocircuito en el ánodo.
Debido a estos cortocircuitos anódicos, la capacidad de bloqueo inverso del GTO se reduce a la tensión de ruptura inversa de la unión j3 y, por lo tanto, acelera el mecanismo de APAGADO.
Sin embargo, con una gran cantidad de cortocircuitos anódicos, la eficiencia de la unión del ánodo se reduce y, por lo tanto, el rendimiento de GTO en el encendido se degrada. Por lo tanto, se deben tener consideraciones cuidadosas sobre la densidad de estos cortos de ánodo para un buen funcionamiento del encendido y apagado.
Principios de funcionamiento del tiristor de desconexión de la compuerta
La operación de activación de GTO es similar a la de un tiristor convencional. Cuando el terminal del ánodo se hace positivo con respecto al cátodo aplicando una corriente de compuerta positiva, la inyección de la corriente del agujero de la compuerta hacia delante polariza la unión de la p-base del cátodo.
Esto da como resultado la emisión de electrones del cátodo hacia la terminal del ánodo. Esto induce la inyección del orificio desde la terminal del ánodo a la región de la base. Esta inyección de agujeros y electrones continúa hasta que el GTO entra en el estado de conducción.
En el caso del tiristor, la conducción comienza inicialmente al encender el área del cátodo adyacente al terminal de la puerta. Y así, mediante la difusión del plasma, el área restante entra en la conducción.
A diferencia de un tiristor, GTO consiste en elementos de cátodo estrechos que están fuertemente interdigitados con el terminal de puerta, por lo que el área inicial ENCENDIDA es muy grande y la dispersión del plasma es pequeña. Por lo tanto, el GTO entra en el estado de conducción muy rápidamente.
Para APAGAR un GTO conductor, se aplica un sesgo inverso en la puerta haciendo que la puerta sea negativa con respecto al cátodo. Una parte de los agujeros de la capa base P se extrae a través de la puerta que suprime la inyección de electrones desde el cátodo.
En respuesta a esto, se extrae más corriente de agujero a través de los resultados de la puerta más supresión de electrones del cátodo. Eventualmente, la caída de voltaje a través de la unión de la base p causa un sesgo inverso de la unión del cátodo de la puerta y, por lo tanto, el GTO se APAGA.
Durante el proceso de extracción de orificios, la región p se agota gradualmente de modo que el área de conducción queda exprimida. Como este proceso es continuo, la corriente del ánodo fluye a través de áreas remotas formando filamentos de alta densidad de corriente. Esto provoca puntos calientes locales que pueden dañar el dispositivo a menos que estos filamentos se extingan rápidamente.
Mediante la aplicación de un voltaje de compuerta negativo alto, estos filamentos se extinguen rápidamente. Debido a la carga almacenada en la región de base N, la corriente de ánodo a compuerta continúa fluyendo incluso aunque cese la corriente de cátodo. Esto se denomina corriente de cola que decae exponencialmente a medida que los portadores de carga en exceso se reducen por el proceso de recombinación. Una vez que la corriente de cola se reduce a un nivel de corriente de fuga, el dispositivo conserva sus características de bloqueo hacia delante.
VI Características del Tiristor GTO
Durante el encendido, GTO es similar al tiristor en su funcionamiento. Por lo tanto, las características del primer cuadrante son similares al tiristor. Cuando el ánodo se hace positivo con respecto al cátodo, el dispositivo funciona en modo de bloqueo hacia adelante. Mediante la aplicación de señal de puerta positiva se activa el GTO en el estado de conducción.
La corriente de enganche y las corrientes de fuga hacia adelante son considerablemente más altas en GTO en comparación con el tiristor, como se muestra en la figura. El accionamiento de la compuerta puede eliminarse si la corriente del ánodo está por encima del nivel de corriente de mantenimiento.
Pero se recomienda no desconectar el accionamiento de compuerta positivo durante la conducción y mantener un valor superior a la corriente crítica máxima de compuerta. Esto se debe a que el cátodo se subdivide en elementos de dedo pequeño como se discutió anteriormente para ayudar al proceso de apagado.
Esto hace que la corriente del ánodo caiga transitoriamente por debajo del nivel de la corriente de retención, lo que fuerza una corriente de ánodo alta a una velocidad alta de vuelta al GTO. Esto puede ser potencialmente destructivo. Por lo tanto, algunos fabricantes recomiendan la señal de compuerta continua durante el estado de conducción.
El GTO se puede APAGAR mediante la aplicación de corriente de compuerta inversa que puede ser de paso o de rampa. El GTO se puede APAGAR sin invertir el voltaje del ánodo. La línea punteada en la figura muestra la trayectoria i-v durante el apagado para una carga inductiva. Se debe tener en cuenta que, durante el apagado, GTO puede bloquear solo un voltaje nominal adelantado.
Para evitar la activación de dv/dt y proteger el dispositivo durante el apagado, se debe conectar un valor recomendado de resistencia entre la puerta y el cátodo o se debe mantener un voltaje de polarización inversa pequeño (típicamente-2 V) el terminal de puerta. Esto evita que la unión del cátodo de la puerta se polarice hacia adelante y, por lo tanto, el GTO se mantiene durante el estado de APAGADO.
En la condición polarizada inversa de GTO, la capacidad de bloqueo depende del tipo de GTO. Un GTO simétrico tiene una alta capacidad de bloqueo inverso mientras que el GTO asimétrico tiene una pequeña capacidad de bloqueo inverso como se muestra en la figura.
Se observa que, durante una condición de polarización inversa, después de una pequeña tensión inversa (20 a 30 V), GTO comienza a conducir en dirección inversa debido a la estructura corta del ánodo. Este modo de operación no destruye el dispositivo siempre que la puerta esté sesgada negativamente y el tiempo de esta operación sea pequeño.
Aplicaciones del tiristor GTO
Debido a las ventajas como excelentes características de conmutación, sin necesidad de circuito de conmutación, operación sin mantenimiento, etc., el uso de GTO predomina sobre el tiristor en muchas aplicaciones. Se utiliza como un dispositivo de control principal en helicópteros e inversores. Algunas de estas aplicaciones son
- Variadores de CA
- Unidades de CC o interruptores de CC
- Fuentes de alimentación estabilizadoras de CA
- Disyuntores de CC
- Calefacción por inducción
- Y otras aplicaciones de baja potencia