Electrónica de Potencia/Tiristor/Estructura y principio de funcionamiento

ESTRUCTURA

El tiristor es un componente electrónico constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación.

La palabra tiristor, procedente del griego, significa puerta. El nombre es fiel reflejo de la función que efectúa este componente: una puerta que permite o impide el paso de la corriente a través de ella. Son dispositivos unidireccionales porque solamente transmiten la corriente en un único sentido. Así como los transistores pueden operar en cualquier punto entre corte y saturación, los tiristores en cambio sólo conmutan entre dos estados: corte y conducción. Los materiales de los que se compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como aislantes o como conductores. Los tiristores constituyen una familia de dispositivos que pueden tomar diferentes nombres y características, pero donde todos los elementos que la componen se basan en el mismo principio de funcionamiento. Se utilizan para controlar grandes cantidades de corriente mediante circuitos electrónicos de bajo consumo de potencia.

El dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde las uniones son de tipo PNPN entre los mismos. Constructivamente son dispositivos de 4 capas semiconductoras N-P-N-P y cuya principal diferencia con otros dispositivos de potencia es que presentan un comportamiento biestable.

Por tanto se puede modelar como 2 transistores típicos PNP y NPN, por eso se dice también que el tiristor funciona con tensión realimentada. Se crean así 3 uniones (denominadas J1, J2, J3 respectivamente), el terminal de puerta está conectado a la unión J2 (unión NP). Algunas fuentes definen como sinónimos al tiristor y al rectificador controlado de silicio (SCR);1 otras definen al SCR como un tipo de tiristor, a la par que los dispositivos DIAC y TRIAC. Este elemento fue desarrollado por ingenieros de General Electric en los años 1960. Aunque un origen más remoto de este dispositivo lo encontramos en el SCR creado por William Shockley (premio Nobel de física en 1956) en 1950, el cual fue defendido y desarrollado en los laboratorios Bell en 1956. Gordon Hall lideró el desarrollo en Morgan Stanley para su posterior comercialización por parte de Frank W. "Bill" Gutzwiller, de General Electric.

FORMAS DE ACTIVAR UN TIRISTOR

• Luz:Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al mismo silicio, el número de pares electrón-hueco aumentará pudiéndose activar el tiristor.

• Corriente de Compuerta: Para un tiristor polarizado en directa, la inyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo entre compuerta y cátodo lo activará. Si aumenta esta corriente de compuerta, disminuirá el voltaje de bloqueo directo, revirtiendo en la activación del dispositivo.

• Térmica: Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del número de pares electrón-hueco, por lo que aumentarán las corrientes de fuga, con lo cual al aumentar la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a la acción regenerativa, esta corriente puede llegar a ser 1, y el tiristor puede activarse. Este tipo de activación podría comprender una fuga térmica, normalmente cuando en un diseño se establece este método como método de activación, esta fuga tiende a evitarse.

• Alto Voltaje: Si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo, se creará una corriente de fuga lo suficientemente grande para que se inicie la activación con retroalimentación. Normalmente este tipo de activación puede dañar el dispositivo, hasta el punto de destruirlo.

• Elevación del voltaje ánodo-cátodo: Si la velocidad en la elevación de este voltaje es lo suficientemente alta, entonces la corriente de las uniones puede ser suficiente para activar el tiristor. Este método también puede dañar el dispositivo.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

La estructura física base de los miembros de la familia de los tiristores está formada por cuatro capas de semiconductores P y N como se ilustra en la figura que aparece a continuación:

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  Figura 1.

Un tiristor, o con mayor precisión, un SCR puede conducir solo cuando su ánodo es positivo respecto al cátodo. Para pasar de la condición de corte a la de conducción, se requiere aplicar un pulso positivo de energía suficiente en el terminal de compuerta. Mientras no se produzca el disparo, el SCR permanece en condiciones de bloqueo, tanto con tensiones ánodo - cátodo positivas como negativas. Con el ánodo positivo respecto al cátodo, el SCR, si bien se encuentra habilitado a cambiar de estado, no conduce y la tensión aplicada es soportada por la unión J2. Cuando el ánodo es negativo respecto del cátodo, el SCR se encuentra en una condición inherente de no conducción y se mantiene así aún excitándolo. La tensión inversa es soportada por las uniones J3 y J1; sin embargo, la tensión de avalancha de J1 es pequeña y consecuentemente es J3 quien soporta la tensión aplicada y limita la corriente inversa de fuga.

Para explicar el funcionamiento del SCR, se recurre a analizar un “símil” resultante de desdoblar a las cuatro uniones de la figura 2 en dos transistores interconectados entre si, en configuración de par complementario, y presentando en consecuencia una realimentación positiva. Este modelo, representado en la figura que aparece a continuación, tiene validez con el SCR bloqueado (antes del disparo) y en el momento del encendido; no vale cuando el SCR se encuentra conduciendo.

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  Figura 2.

Sin excitación, con IGP = IGN = 0, planteando las ecuaciones de los transistores Q1 y Q2:

$I_{C1}=\alpha _{1}.I_{A}+I_{CO1}$

$I_{C2}=\alpha _{2}.I_{A}+I_{CO2}$

$I_{A}=I_{K}=I_{C1}+I_{C2}$

$I_{A}=I_{K}=\alpha _{1}.I_{A}+\alpha _{2}.I_{A}+I_{CO1}+I_{CO2}$

La suma ICO1+ ICO2 es en realidad una sola corriente de saturación inversa ICX que tiene lugar en la unión central J2. Reemplazando y despejando IA se obtiene:

$I_{A}={\frac {1_{CX}}{1-(\alpha _{1}+\alpha _{2})}}$

En estado de bloqueo, el valor de alfa de un transistor es mucho menor que la unidad, en consecuencia ) (α1 + α2) << 1 y en consecuencia, la corriente directa por el tiristor, IA no es más que una corriente inversa de saturación. Para que se establezca el estado de conducción, (α1 + α2) -> 1 y entonces IA -> infinito y solamente es limitada por la carga en serie con el SCR. De igual manera, en términos de la ganancia β se obtiene:

$I_{C1}=\beta _{1}I_{B1}+I_{CO1}=\beta _{1}(I_{C2}+I_{CO1})+I_{CO1}$

$I_{C2}=\beta _{2}I_{B2}+I_{CO2}=\beta _{2}(I_{C1}+I_{CO2})+I_{CO1}$

$I_{A}=I_{C1}+I_{C2}$

Reemplazando se obtiene:

$IA={\frac {(1+\beta _{1})(1+\beta _{2})(I_{CO1}+I_{CO2})}{1-\beta _{1}.\beta _{1}}}$

En la ecuación anterior si se toma en cuenta que:

$\beta ={\frac {\alpha }{1-\alpha }}$

$1+\beta ={\frac {1}{1-\alpha }}$

reemplazando se obtiene la ecuación anterior.

En estado de bloqueo, β<<1 (zona de corte de un transistor de silicio) y en conducción, durante la excitación del tiristor, β es un número mayor que la unidad, pero ya con β1β2 --> 1 el tiristor conduce con IA --> infinito.

Ambas ecuaciones demuestran que el tiristor se puede encontrar en uno de sus dos estados posibles y que para pasar del estado de corte al de conducción, se debe alcanzar la condición de ganancia igual a uno.

Si ahora se supone que ambas compuertas se encuentran excitadas, es decir con circulación de corrientes:

$I_{B2}=I_{C1}+I_{GN}$

$I_{BJ}=I_{C2}+I_{GP}$

$I_{C1}=\alpha _{1}.I_{K}+I_{CO1}$

$I_{C2}=\alpha _{2}.I_{A}+I_{CO2}$

$I_{A}=I_{K}$

ya que es:

$I_{A}+I_{GP}=I_{K}+I_{GN}$

$I_{B1}=I_{K}(1-\alpha {1})-I_{CO1}$

Igualmente:

$I_{B2}=I_{A}(1-\alpha _{2})I_{CO2}$

$I_{C1}+IGN=I_{A}(1-\alpha _{2})$

Reemplazando Ic1

$\alpha _{c1}.I_{K}+I_{CO1}+I_{GN}=I_{A}(1-\alpha _{2})-I_{CO2}$

Despejando $I_{K}$ y reemplazando:

$\alpha _{1}(I_{A}+I_{GP}-I_{GN})+I_{CO1}+I_{GN}=I_{A}(1-\alpha _{2})-I_{CO2}$

de donde:

$I_{A}={\frac {(1-\alpha _{1})I_{GN}+\alpha _{1}I_{GP}+I_{CO1}+I_{CO2}}{1-(\alpha _{1}+\alpha _{2})}}$

La ecuación anterior, cuando no hay excitación de compuerta queda reducida a la ecuación ya deducida cuando esta corriente es nula. La circulación de estas corrientes produce el inicio de la conducción realimentada positivamente, que al alcanzar una ganancia igual a uno, lleva al tiristor a la condición de conducción, aunque desaparezca el pulso inicial.

Un pulso en GP constituye el método más efectivo de encendido, mientras que un pulso en GN necesita de mayor energía para encender al tiristor, debiendo aplicarse un pulso negativo entre dicha puerta y ánodo. Normalmente solo se dispone de acceso a la compuerta vinculada con la capa P1, a excepción de los dispositivos PUT (Programmable Unijuntion Thiristors) que utilizan la compuerta GN

Cabe aclarar, que si bien la inyección de portadores en la unión J1 mediante una corriente positiva en el terminal de compuerta es la forma adecuada de producir el cambio de estado del tiristor, toda otra circunstancia que produzca un aumento de la corriente Icx o de alfa hasta alcanzar la condición de ganancia igual a la unidad, puede también producir la conmutación del tiristor. Estas otras formas, que se analizan mas adelante, son por lo general destructivas y no deben ser utilizadas como procedimiento de encendido, salvo sea explícitamente admitido por el fabricante.  

Véase también

http://potencia.eie.fceia.unr.edu.ar/TIRISTORES%201.pdf

https://es.wikipedia.org/wiki/Tiristor