Tiristor de apagado de compuerta
 Sección transversal simplificada de un tiristor GTO | |
| Tipo | activo |
|---|---|
| Inventado | General Electric |
| Configuración de pines | ánodo , compuerta , cátodo |
| Símbolo electrónico | |
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Un tiristor de apagado por compuerta (GTO) es un tipo especial de tiristor , que es un dispositivo semiconductor de alta potencia (por ejemplo, 1200 V CA) . Fue inventado por General Electric . [1] Los GTO, a diferencia de los tiristores normales, son interruptores totalmente controlables que se pueden encender y apagar mediante su cable de compuerta.
Descripción del dispositivo
Los tiristores normales ( rectificadores controlados por silicio ) no son interruptores completamente controlables (un interruptor completamente controlable se puede encender y apagar a voluntad). Los tiristores solo se pueden encender usando el cable de compuerta, pero no se pueden apagar usando el cable de compuerta. Los tiristores se encienden mediante una señal de compuerta , pero incluso después de que la señal de compuerta se desactive (elimine, polarice inversamente), el tiristor permanece en el estado encendido hasta que ocurre una condición de apagado (que puede ser la aplicación de un voltaje inverso a los terminales o una disminución de la corriente directa por debajo de un cierto valor umbral conocido como corriente de mantenimiento ). Por lo tanto, un tiristor se comporta como un diodo semiconductor normal después de encenderse o dispararse .
El GTO puede activarse mediante una señal de compuerta y también puede desactivarse mediante una señal de compuerta de polaridad negativa.
El encendido se logra mediante un pulso de corriente positiva entre los terminales de compuerta y cátodo. Como la compuerta-cátodo se comporta como una unión PN , habrá un voltaje relativamente pequeño entre los terminales. Sin embargo, el fenómeno de encendido en GTO no es tan confiable como en un SCR ( tiristor ), y se debe mantener una pequeña corriente de compuerta positiva incluso después del encendido para mejorar la confiabilidad.
El apagado se realiza mediante un pulso de voltaje negativo entre los terminales de compuerta y cátodo. Se roba una parte de la corriente directa (aproximadamente entre un tercio y un quinto) y se utiliza para inducir un voltaje de compuerta en el cátodo, que a su vez hace que la corriente directa caiga y el GTO se apague (pasando al estado de bloqueo ).
Los tiristores GTO sufren de largos tiempos de apagado, por lo que después de que la corriente directa cae, hay un largo tiempo de cola donde la corriente residual continúa fluyendo hasta que se retira toda la carga restante del dispositivo. Esto restringe la frecuencia máxima de conmutación a aproximadamente 1 kHz. Sin embargo, cabe señalar que el tiempo de apagado de un GTO es aproximadamente diez veces más rápido que el de un SCR comparable. [2]
Para ayudar con el proceso de apagado, los tiristores GTO generalmente se construyen a partir de una gran cantidad (cientos o miles) de pequeñas celdas de tiristores conectadas en paralelo.
| Característica | Descripción | Tiristor (1600 V, 350 A) | GTO (1600 V, 350 A) |
|---|---|---|---|
| V T en | Caída de tensión en estado encendido | 1,5 V | 3,4 V |
| t en , yo voy en | Tiempo de encendido, corriente de compuerta | 8 μs, 200 mA | 2 μs, 2 A |
| t apagado | Hora de apagado | 150 microsegundos | 15 microsegundos |
Un tiristor de desactivación por compuerta de búfer distribuida (DB-GTO) es un tiristor con capas PN adicionales en la región de deriva para remodelar el perfil de campo y aumentar el voltaje bloqueado en el estado de desactivación. En comparación con una estructura PNPN típica de un tiristor convencional, el tiristor DB-GTO tiene una estructura PN-PN-PN.
Sesgo inverso
Los tiristores GTO están disponibles con o sin capacidad de bloqueo inverso. La capacidad de bloqueo inverso aumenta la caída de tensión directa debido a la necesidad de tener una región P1 larga y poco dopada.
Los tiristores GTO capaces de bloquear la tensión inversa se conocen como tiristores GTO simétricos, abreviados como S-GTO. Por lo general, la tensión nominal de bloqueo inverso y la tensión nominal de bloqueo directo son las mismas. La aplicación típica de los tiristores GTO simétricos es en el inversor de fuente de corriente.
Los tiristores GTO incapaces de bloquear el voltaje inverso se conocen como tiristores GTO asimétricos, abreviados como A-GTO, y son generalmente más comunes que los tiristores GTO simétricos. Por lo general, tienen una capacidad de ruptura inversa de decenas de voltios. Los tiristores A-GTO se utilizan cuando se aplica un diodo de conducción inversa en paralelo (por ejemplo, en inversores de fuente de voltaje) o cuando nunca se produciría un voltaje inverso (por ejemplo, en fuentes de alimentación conmutadas o choppers de tracción de CC).
Los tiristores GTO se pueden fabricar con un diodo de conducción inversa en el mismo encapsulado. Se conocen como RCGTO, por Reverse Conducting GTO thyristor (tiristor GTO de conducción inversa).
Área de operación segura
A diferencia del transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), el tiristor GTO requiere dispositivos externos ( circuitos amortiguadores ) para dar forma a las corrientes de encendido y apagado para evitar la destrucción del dispositivo.
Durante el encendido, el dispositivo tiene una clasificación máxima de dI/dt que limita el aumento de la corriente. Esto es para permitir que todo el volumen del dispositivo alcance el encendido antes de que se alcance la corriente completa. Si se excede esta clasificación, el área del dispositivo más cercana a los contactos de la compuerta se sobrecalentará y se fundirá debido a la sobrecorriente. La tasa de dI/dt generalmente se controla agregando un reactor saturable (amortiguador de encendido), aunque el dI/dt de encendido es una restricción menos grave con los tiristores GTO que con los tiristores normales, debido a la forma en que el GTO está construido a partir de muchas celdas de tiristores pequeñas en paralelo. El restablecimiento del reactor saturable generalmente impone un requisito de tiempo de apagado mínimo en los circuitos basados en GTO.
Durante el apagado, el voltaje directo del dispositivo debe limitarse hasta que la corriente disminuya. El límite suele ser de alrededor del 20 % del voltaje nominal de bloqueo directo. Si el voltaje aumenta demasiado rápido al apagar, no todo el dispositivo se apagará y el GTO fallará, a menudo de manera explosiva, debido al alto voltaje y la corriente concentrados en una pequeña parte del dispositivo. Se agregan circuitos amortiguadores importantes alrededor del dispositivo para limitar el aumento de voltaje al apagar. Restablecer el circuito amortiguador generalmente impone un requisito de tiempo de encendido mínimo en los circuitos basados en GTO.
El tiempo mínimo de encendido y apagado se maneja en circuitos de chopper de motor de CC mediante el uso de una frecuencia de conmutación variable en el ciclo de trabajo más bajo y más alto. Esto se observa en aplicaciones de tracción donde la frecuencia aumenta gradualmente cuando el motor arranca, luego la frecuencia se mantiene constante en la mayoría de los rangos de velocidad y luego la frecuencia vuelve a caer a cero a máxima velocidad.
Aplicaciones
Las principales aplicaciones son en variadores de velocidad de motores, inversores de alta potencia y tracción . Los GTO están siendo reemplazados cada vez más por tiristores conmutados por compuerta integrada (IGCT), que son un desarrollo evolutivo del GTO, y transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT), que son miembros de la familia de transistores .
También se utilizan en los circuitos de arranque de lámparas fluorescentes .
Referencias
- ^ Hingorani, Narain G; László Gyugi (2011). Comprender los HECHOS . India: IEEE Press. pag. 41.ISBN 978-81-265-3040-3.
- ^ "Interruptor de apagado de puerta". 17 de septiembre de 2009.
- Shah, PB Electronics Letters, vol. 36, pág. 2108, (2000).
- Shah, PB, Geil, BR, Ervin, ME et al. IEEE Trans. Power Elect., vol. 17, pág. 1073, (2002).
Enlaces externos
- Tiristor de apagado por compuerta (GTO) | Aula de electricidad
