Tiristores Contenido:. TIRISTORES (Thyristor) En 1956 se desarrollo el primer Tiristor Bell Telephoned Laboratory. Inicialmente fue llamado Transistor.

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1 Tiristores Contenido:

2 TIRISTORES (Thyristor) En 1956 se desarrollo el primer Tiristor Bell Telephoned Laboratory. Inicialmente fue llamado Transistor PNPN (hoy conocido como SCR) Los tiristores son dispositivos especialmente populares en Electrónica de Potencia. Son sin duda los dispositivos electrónicos que permiten alcanzar potencias mas altas, son dispositivos realmente robustos.

3 Definición y tipos - Dispositivo de 4 capas con estados estables de conducción y bloqueo - Interruptor de potencia muy alta - Potencias y tensión muy altas - Frecuencias de conmutación no superiores a 2kHz SCR (Silicon Controlled Rectifier). Interruptor unidireccional GTO (Gate Turn-off) Interruptor unidireccional. Apagado por puerta TRIAC (Triode AC) Interruptor bidireccional DIAC.(Diode AC) Interruptor bidireccional ( Control de tiristores)

4 p2 n2 n1 p1 G K A J3 J2 J1 I A p2 n2 p1 n1 C A A Estructura Interna y circuito equivalente Característica Símbolo SCR: Silicon Controlled Rectifier Siempre es de Silicio. El SCR es el tiristor por excelencia (Cátodo) (Puerta) C G A (Ánodo) E B C C B E IAIA V AC VBVB IGIG

5 P P N N A C G A C G SCR: Silicon Controlled Rectifier

6 SCR: Un modelo ideal sencillo Podemos decir que es un interruptor unidireccional que se cierra con un pulso de corriente de puerta (disparo) y se abre cuando la corriente pasa por cero G A C MODELO IDEAL DE UN SCR A C G A C G NOTA: El disparo por tensión directa (V B ) se considera indeseable y, como norma general, debe seleccionarse el SCR para que esto no ocurra

7 SCR: Ejemplo de control de fase

8 500 V 24A 1300 V 1800A 500 V 100A TO 200 AF B 20 TO 209 AD B 7 TO 208 Ac B 2 SCR: Algunos ejemplos

9 Unos de los 12 SCR para un “pequeño” rectificador trifásico de 500 MW y 500 KV (Inga-Shaba, ZAIRE) EL SCR es el dispositivo electrónico mas robusto que existe. Puede manejar tensiones y corrientes realmente impresionantes. Algunos ejemplos son realmente espectaculares.

10 Estructura Interna Característica Símbolo TRIAC: Triode AC T2 T1 G ITIT VTVT +V B IGIG -V B IGIG NOTA: Se puede disparar con pulsos positivos o negativos de corriente en puerta

11 TRIAC: Triode AC T2 T1 G T2 T1 G T2 T1 G

12 TRIAC: Un modelo ideal sencillo Podemos decir que es un interruptor bidireccional que se cierra con un pulso de corriente de puerta (disparo) y se abre cuando la corriente pasa por cero. La puerta es ahora bidireccional (2 diodos en anti-serie) G T2 T1 MODELO IDEAL DE UN TRIAC T2 T1 G

13 TRIAC: Ejemplo de control de fase I T (RMS) = 12A V DRM = V RRM = 700 V Disparo Apagado

14 Dispositivo auxiliar (p.e. disparo de tiristores) Soporta picos de corrientes elevados Se debe conocer la Tensión de cebado (p.e. 33V en el DB3) DB3: Diac comercial muy popular DIAC: Diode AC Característica ITIT VTVT +V B -V B A1 A2

15 Estructura Interna P1 P2 N1 N3 T2 T1 N2 DIAC: Diode AC T2 T1 Podemos decir que es un interruptor que se cierra por tensión (Tensión de ruptura) y permanece cerrado hasta que la corriente por el pase por cero (corriente de mantenimiento)

16 DIAC: Algunos elementos similares DESCARGADOR DE GAS VARISTOR Gránulos de óxidos metálicos sinterizadas (Óxido de cinc, etc) Recinto de descarga

17 DIAC: Uso como elemento de protección Equipo a proteger Ve I F TRIAC, VARISTOR, DESCARGADOR,... Sobretensión NOTA: Seguramente el VARISTOR es el elemento mas popular para esta aplicación

18 R1 = 0, máxima potencia R1 = Elevada, mínima potencia Ejemplo: Control de TRIAC con DIAC (Típico regulador de luz de salón) DIAC: Ejemplo de uso Carga R1 R2 R3 C TRIAC controlado por DIAC (Montaje simplificado) A2 A1 G I G

19 GTO: (Gate Turn-off) A C G La especial estructura del dispositivo permite el apagado por puerta (con un pulso negativo). Por lo demás es similar al SCR. Estructura de un GTO simétrico A C G C G Vista desde abajo

20 MCT, tiristor controlado por MOS: Puesta en conducción por tensión negativo en puerta Apagado por tensión positiva en puerta. Ganancia elevada de tensión de control Disponibles hasta 1000V y 100A. Potencias medias bajas Símbolo NOTA: Tiene una funcionalidad similar a la del GTO, pero gobernado con tensión

21 LASCR, Tiristor controlado por luz. Son Tiristores activados por luz Utilizados en Alta tensión Frecuencias de conmutación de hasta 2KHz Tensiones elevadas 6000V y 1500A NOTA: Normalmente disponen de conexiones especiales para ser disparados con fibra óptica. Son interesantes en entornos de corrientes y tensiones elevadas, permitiendo un elevado aislamiento entre el circuito de potencia y el de gobierno.

22 Ejemplo de calculo rápido red RC: El SCR del cto de la figura puede soportar una dV AK /dt = 50V/µs. La descarga inicial del condensador sobre el SCR debe ser limitada a 3A. En el momento en que se cierra el interruptor S es conectada la fuente de tensión V S al circuito. Si en ese momento se aplica un impulso apropiado a la puerta del elemento, calcular: 1º) Valor del condensador de la red de protección. 2º) Valor de la resistencia de protección. Datos: dV/dt = 50V/µs; R = 20  ; I máx = 3A

23 MÉTODOS PARA EL CÁLCULO DE LOS ELEMENTOS DE PROTECCIÓN: Método de la constante de tiempo A.- Método de la constante de tiempo (más utilizado). Método resonante B.- Método resonante. A.- Método de la constante de tiempo  dV/dt Con éste método tratamos de buscar el valor mínimo de la constante de tiempo (  ) de la dV/dt del dispositivo. Para ello, nos basamos en la figura: K K= F de seguridad. (0.4... 0.1) La misión de la resistencia calculada es proteger al SCR cuando se produce la descarga instantánea del condensador al inicio de la conducción.

24 Limitaciones de la pendiente de intensidad (dI/dt) Una variación rápida de la intensidad puede dar lugar a una destrucción del tiristor Una variación rápida de la intensidad puede dar lugar a una destrucción del tiristor.(creación de puntos calientes) Un procedimientoañadir una inductancia L para conseguir que la pendiente de la intensidad (dI/dt) no sobrepase el valor especificado en las características del estado de conmutación Un procedimiento posible es añadir una inductancia L para conseguir que la pendiente de la intensidad (dI/dt) no sobrepase el valor especificado en las características del estado de conmutación.

25 Ejemplo Ckto de Protección Supongamos que el tiristor está colocado según la figura. Calcular aplicando el método de la cte de tiempo el cto de protección contra dV/dt y dI/dt. Datos: V RMS = 208V; I L = 58A;R = 5  ; SCR:V DRM = 500V; I TSM = 250A;dI/dt = 13.5 A/µs;dV/dt = 50V/µs

26 Extinción del tiristor. Tipos de conmutación. extinción conduccióna corte Entenderemos por extinción, el proceso mediante el cual, obligaremos al tiristor que estaba en conducción a pasar a corte. En el momento en que un tiristor empieza a conducir, perdemos completamente el control sobre el mismo. Conmutación Natural Libre -a.-) Libre Asistida -b.-) Asistida Conmutación Forzada Por contacto mecánico -a.-) Por contacto mecánico Por cto resonante -b.-) Por cto resonante -Serie -Paralelo Por carga de condensador -c.-) Por carga de condensador Por tiristor auxiliar -d.-) Por tiristor auxiliar intensidad por el tiristor se anula por si misma Secuencia lógica de la fuente primaria

27 Conmutación forzada. Conmutación forzada. Para provocar la conmutaciónanular la corriente anódica durante un tiempo suficiente t off Para provocar la conmutación del tiristor, será necesario anular la corriente anódica durante un tiempo suficiente para que el tiristor pueda pasar a corte. Este intervalo de tiempo tiene una gran importancia, puesto que si su duración es inferior a un valor determinado por t off (valor intrínseco al tiristor utilizado) no tendrá lugar la conmutación del dispositivo.

28 Conmutación forzada. Sea el circuito de la figura. Para un tiempo de apagado del tiristor de t off = 15µs, determinar si se podrá producir la conmutación óptima del mismo para el valor de capacidad adoptado. Datos: E = 100V;R 0 = 5  ;C = 5  F

29 F undamento de conmutación por cto resonante

30 Conmutación por carga de condensador extinción se consigue con el circuito de la figura La extinción del tiristor se consigue con el circuito de la figura: En el cto anterior podemos distinguir 2 partes: cto de potencia constituido por la fuente E, el tiristor T 1 y la carga R O (resistiva pura); y el cto auxiliar de bloqueo formado por R, C y un tiristor auxiliar T 2. biestable asimétrico de potencia El cto puede se comparado con un biestable asimétrico de potencia, en el que los tiristores conducen de forma alternada.

31 TRIAC GTO ZTO FOTOTIRISTORES SITH ASCR MCT TRIAC dispositivo bidireccional Dispositivo de tres terminales con capacidad de controlar el paso de corriente en ambas direcciones (dispositivo bidireccional), muy utilizado en la regulación de corriente alterna.

32 GTO (Gate - Turn - Off) ventaja pasar de conducción a bloqueo mediante la aplicación de un impulso negativo a la puerta Dispositivo semiconductor de potencia que combina características de un tiristor convencional con las de un transistor bipolar, presentando la ventaja de poder pasar de conducción a bloqueo mediante la aplicación de un impulso negativo a la puerta Es equivalente a una resistencia la cual es incapaz de bloquear voltaje. Para continua el dispositivo no presenta ningún problema, no obstante, si queremos bloquear cualquier voltaje inverso, deberemos conectar en serie con el GTO un diodo. Si deseamos que pase la corriente, deberemos conectar un diodo en antiparalelo con el dispositivo.

33 CKTO DE DISPARO DEL GTO

34 APLICACIÓN DE TIRISTORES: Convertidor de fase monofasico Al igual que un puente rectificador T1 y T2 operan en una alternación mientras que T3 y T4 operan en la otra. Sin embargo Cuando la carga es inductiva y la corriente nunca se hace cero, una pareja sigue conduciendo mas allá de 180 grados hasta que la otra pareja recibe el comando de empezar a conducir. La corriente en la carga es directa mientras que del lado ac es una onda cuadrada. El valor promedio del voltaje aplicado en este caso es positivo como aparece en la figura. 9/24/201834

35 Convertidor de fase monofásico Cuando el ángulo de disparo es mas allá de 90 entonces el promedio del voltaje es negativo. En este caso si aplicamos esta señal a un motor que tenia una energía cinética almacenada, esta operacion se va a comvertir en frenado regenerativo(segundo cuadrante ) 9/24/201835

36 Voltaje de salida del convertidor Para conducción continua el voltaje de salida viene dado por la ecuación: Para conducción discontinua el voltaje de salida viene dado por la ecuación: Para conducción discontinua el voltaje de salida es mas alto que para el de continua: Para conducción discontinua se ha considerado un carga resistiva donde la conducción solo se lograra hasta 180 grados. 9/24/201836

37 Ejemplo: Modo continuo y discontinuo Encuentre el voltaje promedio de un rectificador para V RMS =120V α=30 Para modo continuo y Para modo discontinuo γ+α=π (carga resistiva). 9/24/2018Slide 37

38 Efecto de la impedancia de la fuente Debido a la impedancia de los transformadores o alguna introducida intencionalmente, los tiristores opuestos se encienden (cortocicuitando el DC Bus) haciendo el voltaje aplicado a la carga igual a cero y reduciendo el voltaje efectivo a 9/24/201838 Igualando este voltaje con la caida en la inductancia

39 Convertidor trifásico Cuando se cuenta con aimentación trifásica el convertidor utiliza 6 tiristores. El tiempo de conducción de cada uno se reduce de 180 a 120 grados máximos. durante ese periodo 60 grados trabaja con un tiristor opuesto diferentes. Por lo el controlador tiene que producir 6 señales diferentes( cada 60 grados). Este convertidor produce una salida con mucho menos rizado que el convertidor monofásico. 9/24/201839

40 Formas de onda del convertidor trifásico Para apreciar cada segmento de conmutación se grafican los voltajes de líneas y sus inversos. Es decir Vab y Vba. Estas dos ondas sinusoidales estan defasadas 180 grados. De esta manera solo hay que escoger cual de los voltajes esta en la parte superior. Los tiristores que estan encendido en Vab son T1 y T6 sin embargo en Vba son T3 y T6. Cada transistor permanece encendido 120 grados pero que cada 60 grados se apaga uno y se enciende otro. 9/24/201840

41 Operando el convertidor trifasico en el segundo cuadrante Si queremos aplicar un voltaje negativo promedio a la carga para recuperar parte de la energía almacenada en la carga, hay que disparar los transistores con un valor de alpha mayor 90 grados similar al convertidor monofásico 9/24/201841

42 Curva de transferencia Para determinar el voltaje de salida integramos el voltaje dese 60 grados +alpha hasta 120grados +alpha 9/24/201842

43 Linearizando el voltaje de control El voltaje dc es un función no lineal del angulo de disparo. Para linearizar el contol de comando debemos usar 9/24/201843

44 Algunos fabricantes de tiristores