GTO
A pesar de que el GTO fue inventado en el inicio de la década de los años 60, ha sido
poco empleado debido a sus reducidas prestaciones. Con el avance de la tecnología en el
desarrollo de dispositivos semiconductores, se han encontrado nuevas soluciones para mejorar
tales componentes que hacen que hoy ocupen una franja significa dentro de la electrónica de
potencia, especialmente en aquellas aplicaciones de elevada potencia, con dispositivos que
alcanzan los 5000 V y los 4000 A.
Como se ha visto en los apartados anteriores, uno de los inconvenientes de los
tiristores tipo SCR o TRIAC es que no tenemos control externo por parte del usuario del paso
de conducción a bloqueo. Para aquellas aplicaciones en las que nos interese poder bloquear un
interruptor de potencia en cualquier instante es necesario utilizar otro tipo de semiconductores
diferentes a los SCRs o TRIACs.
El GTO es un tiristor con capacidad externa de bloqueo. La puerta permite controlar
las dos transiciones: paso de bloqueo a conducción y viceversa.
Principio de funcionamiento
El GTO tiene una estructura de 4 capas, típica de los componentes de la familia de los
tiristores. Su característica principal es su capacidad de entrar en conducción y bloquearse a
través de señales adecuadas en el terminal de puerta G.
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.
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 ésta 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 de potencial en la unión J2.
Aparentemente tal comportamiento también sería posible en el SCR. Pero, en realidad, Dispositivos de Electrónica de Potencia
las diferencias están en el nivel de construcción del componente. El funcionamiento como
GTO depende, por ejemplo, de factores como:
• Facilidad de extracción de portadores por el terminal de puerta – esto es posible
debido al uso de impurezas con alta movilidad.
• Rápida desaparición de portadores en las capas centrales – uso de impurezas con bajo
tiempo de recombinación. Esto indica que un GTO tiene una mayor caída de tensión
en conducción, comparado a un SCR de dimensiones iguales.
• Soportar tensión inversa en la unión puerta-cátodo, sin entrar en avalancha – menor
dopado en la región del cátodo.
• Absorción de portadores de toda la superficie conductora – región de puerta-cátodo
con gran área de contacto.
Al contrario del SCR, un GTO puede no tener la capacidad de bloquear tensiones
inversas.
Si la corriente por la puerta es positiva, el semiconductor pasará del estado “OFF” al
estado “ON”. Por el contrario, si la corriente por la puerta es negativa, el semiconductor
dejará de conducir, pasando del estado de “ON” a “OFF”.
Con ello se tiene un control total del estado del semiconductor en cualquier momento.
Nótese que al tratarse de un tiristor, la corriente sólo puede circular de ánodo a cátodo, pero
no en sentido contrario. Evidentemente, este dispositivo es más caro que un SCR y además el
rango de tensiones y corrientes es más pequeño que en el caso de los SCRs. En general se
suelen llegar a potencias entorno a los 500kW como máximo. La tensión ánodo-cátodo en
conducción directa también es más elevada que para los tiristores convencionales.
Transistores
En Electrónica de Potencia, los transistores generalmente son utilizados como
interruptores. Los circuitos de excitación (disparo) de los transistores se diseñan para que
éstos trabajen en la zona de saturación (conducción) o en la zona de corte (bloqueo). Esto
difiere de lo que ocurre con otras aplicaciones de los transistores, como por ejemplo, un
circuito amplificador, en el que el transistor trabaja en la zona activa o lineal.
Los transistores tienen la ventaja de que son totalmente controlados, mientras que, por
ejemplo, el SCR o el TRIAC sólo dispone de control de la puesta en conducción. Los tipos de
transistores utilizados en los circuitos electrónicos de potencia incluyen los transistores BJT,
los MOSFET y dispositivos híbridos, como por ejemplo, los transistores de unión bipolar de
puerta aislada (IGBT). Transistor Bipolar de Potencia (TBP)
Más conocidos como BJTs (“Bipolar Junction Transistors”), básicamente se trata de
interruptores de potencia controlados por corriente. Como el lector recordará existen dos tipos
fundamentales, los “npn” y los “pnp”, si bien en Electrónica de Potencia los más usuales y
utilizados son los primeros.
Principio de funcionamiento y estructura
La operación normal de un transistor se hace con la unión J1 (B-E) directamente polarizada, y
con J2 (B-C) inversamente polarizada.
En el caso de un transistor npn, los electrones son atraídos del emisor por el potencial
positivo de la base. Esta capa central es suficientemente fina para que la mayor parte de los
portadores tenga energía cinética suficiente para atravesarla, llegando a la región de transición
de J2, siendo entonces atraídos por el potencial positivo del colector.
El control de Vbe determina la corriente de base, Ib, que, a su vez, se relaciona con Ic
por la ganancia de corriente del dispositivo.
En la realidad, la estructura interna de los transistores bipolares de potencia (TBP) es
diferente. Para soportar tensiones elevadas, existe una capa intermediaria del colector, con
baja concentración de impurezas (bajo dopado), la cual define la tensión de bloqueo del
componente. Los bordes redondeados de la región de emisor permiten una homogeneización del campo
eléctrico, necesaria para el mantenimiento de polarizaciones inversas débiles entre base y
emisor. El TBP no soporta tensiones en el sentido opuesto porque la elevada concentración de
impurezas (elevado dopado) del emisor provoca la ruptura de J1 en bajas tensiones (5 a 20 V).
Características estáticas
Los transistores bipolares son fáciles de controlar por el terminal de base, aunque el
circuito de control consume más energía que el de los SCR. Su principal ventaja es la baja
caída de tensión en saturación. Como inconvenientes destacaremos su poca ganancia con v/i
grandes, el tiempo de almacenamiento y el fenómeno de avalancha secundaria.
El transistor, fundamentalmente, puede trabajar en tres zonas de funcionamiento bien
diferenciadas, en función de la tensión que soporta y la corriente de base inyectada:
- Corte: no se inyecta corriente a la base del transistor. Éste se comporta como un
interruptor abierto, que no permite la circulación de corriente entre colector y emisor. Por
tanto, en ésta zona de funcionamiento el transistor está desactivado o la corriente de base no
es suficiente para activarlo teniendo ambas uniones en polarización inversa.
- Activa: se inyecta corriente a la base del transistor, y éste soporta una determinada
tensión entre colector y emisor. La corriente de colector es proporcional a la corriente de base,
con una constante de proporcionalidad denominada ganancia del transistor, típicamente
representada por las siglas β F o F h . Por tanto, en la región activa, el transistor actúa como un
amplificador, donde la corriente del colector queda amplificada mediante la ganancia y el
voltaje vCE disminuye con la corriente de base: la unión CB tiene polarización inversa y la BE
directa.
- Saturación: se inyecta suficiente corriente a la base para disminuir la vCE y conseguir que
el transistor se comporte como un interruptor cuasi ideal. La tensión que soporta entre sus
terminales es muy pequeña y depende del transistor. En éste caso ambas uniones están
polarizadas directamente. Se suele hablar de la tensión colector-emisor en saturación.
Características V-I de los transistores bipolares
Características de transferencia en un transistor bipolar
En Electrónica de Potencia, obviamente, interesa trabajar en la zona de corte y en la
zona de saturación, dado que en la zona activa se disipa mucha potencia y en consecuencia el
rendimiento del sistema puede llegar a ser muy pequeño. Además téngase en cuenta que dado
que en Electrónica de Potencia se trabaja con tensiones y corrientes elevadas, esa disipación
de potencia debe evacuarse de algún modo, o de lo contrario podemos llegar a destruir el
semiconductor por una excesiva temperatura en su interior.
MOSFET
Así como podemos decir que el transistor bipolar se controla por corriente, los
MOSFET son transistores controlados por tensión. Ello de debe al aislamiento (óxido de
Silicio) de la puerta respecto al resto del dispositivo. Existen dos tipos básicos de MOSFET,
los de canal n y los de canal p, si bien en Electrónica de Potencia los más comunes son los
primeros, por presentar menores pérdidas y mayor velocidad de conmutación, debido a la
mayor movilidad de los electrones con relación a los agujeros
Símbolos de los transistor MOSFET de canal n y canal p.
Si bien el TBP fue inventado a finales de los años 40, ya en 1925 fue registrada una
patente que se refería a un método y un dispositivo para controlar el flujo de una corriente
eléctrica entre dos terminales de un sólido conductor. Así mismo, tal patente, que se puede
considerar como la precursora de los Transistores de Efecto de Campo, no redundó en un
componente práctico, puesto que entonces no había tecnología que permitiese la construcción
de los dispositivos.
Principio de funcionamiento y estructura
El terminal de puerta G (Gate) está aislado del semiconductor por óxido de silicio
(SiO2). La unión PN define un diodo entre la Fuente S (Source) y el Drenador D (Drain), el
cual conduce cuando VDS < 0. El funcionamiento como transistor ocurre cuando VDS > 0. La
figura 2.22 muestra la estructura básica del transistor.
Cuando una tensión VGS > 0 es aplicada, el potencial positivo en la puerta repele los
agujeros en la región P, dejando una carga negativa, pero sin portadores libres. Cuando esta
tensión alcanza un cierto valor umbral (VT), electrones libres (generados principalmente por
efecto térmico) presentes en la región P son atraídos y forman un canal N dentro de la región
P, por el cual se hace posible la circulación de corriente entre D y S. Aumentando VGS, más
portadores son atraídos, ampliando el canal, reduciendo su resistencia (RDS), permitiendo el
aumento de ID. Este comportamiento caracteriza la llamada “región óhmica”.
De forma análoga a los bipolares, tenemos fundamentalmente tres zonas de trabajo
bien diferenciadas:
- Corte: La tensión entre la puerta y la fuente es más pequeña que una determinada tensión
umbral (VT), con lo que el dispositivo se comporta como un interruptor abierto.
- Óhmica: Si la tensión entre la puerta y la fuente (o surtidor) es suficientemente grande y la
tensión entre el drenador y la fuente es pequeña, el transistor se comporta como un interruptor
cerrado, modelado por una resistencia, denominada RON.
- Saturación: Si el transistor está cerrado pero soporta una tensión drenador-surtidor elevada,
éste se comporta como una fuente de corriente constante, controlada por la tensión entre la
puerta y el surtidor. La disipación de potencia en este caso puede ser elevada dado que el
producto tensión-corriente es alto.
Obviamente, en Electrónica de Potencia nos interesa que un MOSFET trabaje en corte
o en óhmica (interruptor abierto o cerrado). Atención con los nombres de las zonas de trabajo,
que pueda causar confusión al lector cuando se habla de un bipolar y de un MOSFET.
Observar que la zona de saturación de un BJT corresponde a la zona Óhmica del MOSFET y
que la zona de saturación de éste corresponde a la zona activa del BJT.
Para evitar los inconvenientes del MOSFET y del bipolar y aprovechar las ventajas de
ambos, los fabricantes han introducido un dispositivo nuevo, denominado IGBT que se
describe en el siguiente apartado.
IGBT
El transistor IGBT, de las siglas en inglés “Isolated Gate Bipolar Transistor”, es un
dispositivo híbrido, que aprovecha las ventajas de los transistores descritos en los apartados
anteriores, o sea, el IGBT reúne la facilidad de disparo de los MOSFET con las pequeñas
pérdidas en conducción de los BJT de potencia. La puerta está aislada del dispositivo, con lo
que se tiene un control por tensión relativamente sencillo. Entre el colector y el emisor se
tiene un comportamiento tipo bipolar, con lo que el interruptor es muy cercano a lo ideal.
Principio de funcionamiento y estructura
La estructura del IGBT es similar a la del MOSFET, pero con la inclusión de una capa
P+ que forma el colector del IGBT, como se puede ver en la figura 2.25.
Gracias a la estructura interna puede soportar tensiones elevadas, típicamente 1200V
y hasta 2000V (algo impensable en los MOSFETs), con un control sencillo de tensión de
puerta. La velocidad a la que pueden trabajar no es tan elevada como la de los MOSFETs,
pero permite trabajar en rangos de frecuencias medias, controlando potencias bastante
elevadas.
Estructura básica del transistor IGBT
El control del componente es análogo al del MOSFET, o sea, por la aplicación de una
polarización entre puerta y emisor. También para el IGBT el accionamiento o disparo se hace
por tensión.
Símbolo y característica estática del transistor IGBT
El IGBT es inherentemente más rápido que el BJT. Sin embargo, la velocidad de
conmutación del IGBT es inferior a la de los MOSFETs.
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, Dispositivos de Electrónica de Potencia
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.
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 Dispositivos de Electrónica de Potencia
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.
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 su estado de apagado o bloqueo (OFF), puede bloquear una tensión directa y no conducir corriente. Así, si Dispositivos de Electrónica de Potencia
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.
Característica principal de los SCRs
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. Dispositivos de Electrónica de Potencia
Característica I-V de un SCR en función de la corriente de puerta.
Graficas - Curvas SCR´S
Característica I-V de un SCR en función de la corriente de puerta.
Característica principal de los SCR
Curvas con las condiciones para disparo de un SCR a través de control de puerta y
circuito de disparo reducido a su equivalente Thévenin.
.Estructura y esquema equivalente simplificado de un SCR
TRIAC
El TRIAC (“Triode of Alternating Current”) es un tiristor bidireccional de tres
terminales. Permite el paso de corriente del terminal A1 al A2 y vivecersa, y puede ser
disparado con tensiones de puerta de ambos signos.
Cuando se trabaja con corriente alterna, es interesante poder controlar los dos sentidos
de circulación de la corriente. Evidentemente, con un SCR, sólo podemos controlar el paso de
corriente en un sentido. Por tanto uno de los motivos por el cual los fabricantes de
semiconductores han diseñado el TRIAC ha sido para evitar este inconveniente. El primer
TRIAC fue inventado a finales de los años 60. Simplificando su funcionamiento, podemos
decir que un TRIAC se comporta como dos SCR en antiparalelo (tiristor bidireccional). De
esta forma, tenemos control en ambos sentidos de la circulación de corriente. Como se ha mencionado, el TRIAC permite la conducción de corriente de ánodo a cátodo y viceversa, de ahí que los terminales no se
denominen ánodo y cátodo, sino simplemente ánodo 1 (A1) y ánodo 2 (A2). En algunos
textos dichos terminales se denominan MT1 y MT2.
Como en el caso del SCR, tenemos un terminal de control denominado puerta que nos
permite la puesta en conducción del dispositivo en ambos sentidos de circulación. Si bien el
TRIAC tiene varios mecanismos de encendido (con corrientes positivas y negativas), lo más
usual es inyectar corriente por la puerta en un sentido para provocar la puesta en conducción.
Además, la corriente de puerta que fuerza la transición del estado de corte al de conducción puede ser
tanto positiva como negativa. En general, las tensiones y corrientes necesarias para producir la
transición del TRIAC son diferentes según las polaridades de las tensiones aplicadas.
Una de las ventajas de este dispositivo es que es muy compacto, requiriendo
únicamente un único circuito de control, dado que sólo dispone de un terminal de puerta. Sin
embargo, tal y como está fabricado, es un dispositivo con una capacidad de control de
potencia muy reducida. En general está pensado para aplicaciones de pequeña potencia, con
tensiones que no superan los 1000V y corrientes máximas de 15A. Es usual el empleo de
TRIACs en la fabricación de electrodomésticos con control electrónico de velocidad de
motores y aplicaciones de iluminación, con potencias que no superan los 15kW. La frecuencia
máxima a la que pueden trabajar es también reducida, normalmente los 50-60Hz de la red
monofásica.
Graficas - Esquemas
Características I-V del TRIAC
Esquema equivalente de un TRIAC
Símbolo y estructura interna de un TRIAC
