Tiristor GTO - Nota: 10 PDF

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Formato IEEE Tiristor GTO.
características, tiempos de disparo...

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Universidad de Colima. Facultad de Ingenieria Mecanica y Electrica (FIME)

Tiristor Desactivado por Compuerta (GTO) Angel Emeterio Hernandez Jacobo [email protected]

Jonathan Ricardo Alcalá Ortiz J [email protected] Universidad de Colima- FIME

Resumen.- En este reporte se resumen las principales características de construcción, bloqueo, conducción, disparo y operación de un Tiristor GTO [1]. Se muestran los parámetros y curvas de operación características de los GTO.

Índice

de

Términos

-

En la Figura 1 Se muestra la estructura y la simbología que se utiliza en los diagramas. Tiene cuatro capas, típica de los componentes de la familia de tiristores.

GTO,

construccion, bloqueo, conducción, disparo, .

Fig.1 Simbología y estructura del tiristor GTO

I NTRODUCCIÓN  La electrónica de potencia es una de las ramas de la Ingeniería Eléctrica, en ella se combina la energía, la electrónica y el control. Siempre ha sido un elemento indispensable en el desarrollo de la industria eléctrica en todos sus procesos, generación, distribución y transmisión. Principalmente se emplea en la transmisión de potencia, protecciones, comunicaciones entre otras.

III. FUNCIONAMIENTO El mecanismo de disparo es parecido al del SCR: suponiendo que está directamente polarizado, cuando se le inyecta corriente a la puerta, circula corriente entre puerta y cátodo.

I.

Los dispositivos de electrónica de potencia he han vuelto más versátiles al poder manejar una mayor corriente con un alto grado de estabilidad. lo anterior se ha logrado al poder controlar estos dispositivos en su forma de activarlos (disparo) y en su estado de conducción. Dentro de los dispositivos de electrónica de potencia se encuentra el GTO, el cual es un dispositivo muy versátil. A continuación se resumen las características principales de un GTO. II. CONSTRUCCIÓN DE UN GTO El GTO ( Gate Turn Off thyristor, tiristor apagable por gate) es un tiristor con capacidad externa de bloqueo, que puede ser disparado con un pulso positivo a su terminal gate y bloqueado si se le aplica un impulso negativo a ese mismo terminal.

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Como la capa de la puerta es suficientemente fina, gran parte de los portadores se mueven hasta la capa N adyacente, atravesando la barrera de potencial y siendo atraídos por el potencial del ánodo, dando inicio a la corriente anódica. Si está corriente se mantiene por encima de la corriente de mantenimiento, el dispositivo no necesita de la señal de puerta para mantenerse en conducción. La aplicación de una polarización inversa en la unión puerta-cátodo puede llevar a la abertura o bloqueo del GTO. Portadores libres (agujeros) presentes en las capas centrales del dispositivo son atraídas por la puerta, haciendo que sea posible el restablecimiento de la barrera potencial en la unión J2. Figura 2 una representación del encendido y apagado.

Fig. 2 Vista frontal del tiristor

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A diferencia de un SCR, un GTO puede no tener la capacidad de bloquear tensiones inversas.

IV.

ESTADO DE CONDUCCIÓN El disparo de un GTO es similar al de un SCR, Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista señal en la compuerta, el dispositivo se bloquea para cualquier polaridad en el ánodo, pero una corriente de fuga (IA leak) existe. Con un voltaje de vías en directa el GTO se bloquea hasta que un voltaje de ruptura VAK = VB0 es alcanzado. En este punto existe un proceso dinámico de encendido., VAK = 3V y la corriente IA es determinada por la carga. Cuando el GTO se apaga y con la aplicación de una voltaje en inversa, sólo una pequeña corriente de fuga (IA leak) existe. Una polarización en inversa VAK puede ser alcanzada cuando ocurra un corte. El valor del voltaje del voltaje de ruptura inverso depende del método de fabricación para la creación de reactivación interna para facilitar el proceso de apagado.

V. ESTADO DE BLOQUEO Para analizar el apagado el modelo de dos transistores sigue siendo válido. En esas condiciones se puede considerar que el tiristor se puede apagar mediante una corriente inversa de gate lo suficientemente grande como para que el transistor npn salga de saturación.

polarización debe de durar de 20 a 30 ms. VI. ESTADO DE ENCENDIDO Para que el tiristor pueda ser prendido debe tener una tensión de ánodo cátodo positiva, fig. 2 En esas condiciones la tensión está bloqueada por la juntura J23 , única polarizada en inverso. Por esa juntura circula solamente la corriente de fugas, de huecos y electrones, que en el modelo de los transistores está representada por la suma de las corrientes de fugas ICBOp, del transistor pnp, e ICBOn, del transistor npn. Al aplicar un corriente de gate IG se tiene:

IA = IEpnp

IK = IEnpn

Donde IEnnp es corriente de entrada pnp y IEnpn corriente de entrada de npn. Si se hace circular

corriente de gate entonces: IG + IA = IK Ec. 2

Si la corriente total de fugas del tiristor es de IS = ICBOp +  ICBOn

Ec. 1 Donde IGoof es la corriente del gate apagado, IA la corriente del ánodo, IK la corriente del cátodo, las ganancias αnpn  y αpnp  . En realidad esta es la mínima corriente de gate que saca de saturación al tiristor ideal que responde al modelo de dos tiristores. Teóricamente alcanza con sacar de saturación al transistor npn para que el tiristor se apague. Se efectúa aplicando un impulso negativo a la puerta. El valor de la tensión negativa impuesta al electrodo de control debe estar comprendido entre 6 y 8 volts y no debe sobrepasar los 10 volts. La

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Ec. 3

En esta ecuación, la suma de las ganancias en base común a veces se le llama ‘‘ganancia de lazo’’ (loop gain) G = αnpn + αpnp  Ec. 4. La ecuación expresa la corriente de ánodo en función de la corriente de gate y de las ganancias en base común de los transistores. Para vincularla con el encendido del tiristor se debe tener en cuenta los siguientes factores ●

Las ganancias no son constantes. Dependen de (crecen con) la densidad de corriente en la juntura base-emisor de cada transistor y

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por lo tanto de IK = IA + IG e IA respectivamente. También aumentan algo al aumentar la tensión ánodo-cátodo debido que el ancho efectivo de las bases disminuyen. Las ecuaciones muestran además que IA e IK crecen con la corriente de gate IG . Al aumentar la tensión aumenta además IS que contribuye a la densidad de corriente. ●

El tiristor está encendido cuando la corriente de ánodo no depende de la corriente sino del circuito externo.

En ese contexto, si por cualquiera mecanismos descritos en el primer punto la suma αnpn + αpnp se hace igual a 1 o se aproxima a 1, la ecuación.

Fig. 3a Estructura de un GTO, representación física.

VIII.

El tiristor GTO tiene dos procesos de apagado. Proceso de apagado: I - Tiempo de almacenamiento. al comenzar a circular la corriente de apagado, se comienza a retirar el exceso de portadores de la capa p del transistor npn mientras haya suficientes portadores de la juntura gate-cátodo no se polariza en inverso, su tensión baja pero se mantiene en las proximidades de 0V. El tiempo transcurrido entre la aplicación de IG y la caída IA a un 90% se llama tiempo de storage Ts.

Ec. 5 Indicará que IA se hace infinitamente grande. VII. ESTRUCTURA La estructura básica de un GTO es esencialmente la de un tiristor (4 capas) con cambios que permiten su funcionamiento como llave apagable. Los cambios mayores se concentran en la zona del cátodo-gate y en la estructura del ánodo.La tensión de bloqueo depende, como en todos los dispositivos, del espesor de la capa n. En la Fig 3 se muestra la estructura

Proceso de apagado 2.- Corte de corriente de ánodo luego del tiempo de storge ts, la corriente de ánodo iA(t) cae en un tiempo tf. El tiempo tf se define como el tiempo en el que la corriente de ánodo pasa de 90% a 10% de su valor previo al apagado.

IX. ●

Fig 3. Estructura interna representación gráfica.

de

un

GTO,

● ●

●

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PROCESO DE APAGADO

PROTECCIÓN CONTRA SOBRE CORRIENTE Está diseñado para una corriente operativa con pico permisible menor que la máxima corriente controlable por un factor de seguridad, figura 4. Un sensor debe detectar la sobre corriente La sobre corriente detectada es menor que la máxima corriente controlable el gato se apaga por una corriente de compuerta negativa. La sobrecorriente es mayor que la máxima corriente controlable, intentar apagar el GTO

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por medio de una corriente negativa provoca una falla.

Fig. 4 muestra las corrientes.

● ●

Control de motores. Tracción eléctrica.

CONCLUSIONES En este presente trabajo refleja un resumen del tiristor GTO de potencia. Se muestran las características principales e imágenes que acompañan la breve información para el lector.

Técnica de corto circuito: un tiristor en paralelo con el GTO, se enciende rápidamente, lo que luego quema el fusible. Fig. 5 muestra el circuito de la técnica del corto circuito.

REFERENCIAS

Fig. 5 circuito del corto circuito.

file:///D:/Propietario/Desktop/fime/Electronica/Cap 5_gtoygct%20(1).pdf file:///D:/Propietario/Desktop/fime/Electronica/5ST B%2013N6500_5SYA1035-04Aug%2010.pdf file:///D:/Propietario/Desktop/fime/Electronica/929 20-J0_PowerTransistors>OThyristor_SW_ED2 _PR2_web.pdf file:///D:/Propietario/Desktop/fime/Electronica/Clas e22_apunte.pdf file:///D:/Propietario/Desktop/fime/Electronica/elec tronica-de-potencia-mohan-3ra-edicion.pdf

X.

Gráficas de disparos

Autores Angel H. J. - Ricardo A. O. actualmente estudiante de la licenciatura de la carrera Ingeniero Mecánico Eléctrico en la Facultad FIME, Campus Coquimatlán, en Coquimatlán, Col. [email protected] [email protected]

Fig. 6 gráficas de disparo. XI. ● ● ● ● ●

APLICACIONES

Troceadores y convertidores. Control de Motores asíncronos. Inversores. Rectificadores. Soldadura al arco.

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