El GTO o GateTurn-Off Thyristor, como el nombre indica es un Tiristor que puede ser apagado por una señal aplicada a la compuerta. Con aplicaciones importantes en la electrónica de potencia el GTO tiene características adicionales que necesitan ser bien conocidas para que pueda ser utilizado convenientemente. Otro componente de la misma familia es el IGCT o Integrated Gate Controlled Thyristor que también pertenece a la misma familia, y que merece ser analizado. La finalidad de este artículo es mostrar cómo funcionan estos dos dispositivos de la familia de los tiristores y también algunos otros que pueden surgir en los próximos años.
En los últimos años la familia de los tiristores viene creciendo con la inclusión de nuevos dispositivos que presentan características importantes para determinados tipos de aplicaciones. Así, después de los SCR y Triacs encontramos los dispositivos de disparo como los SBS, SUS, SIDACs, DIACs, etc. y ahora nuevos dispositivos de potencia como los GTO y los IGCTs.
Los dos dispositivos de la familia de los tiristores no son tan nuevos así, pero pocos lectores saben utilizarlos en sus proyectos. Así, con el fin de ayudarles a contar con más recursos en sus proyectos vamos a analizarlos.
El GTO
Una de las dificultades que los proyectistas encuentran al utilizar SCRs en sus proyectos es que estos componentes, una vez disparados, así se mantiene incluso después de que la señal de conducción haya desaparecido.
Este comportamiento se debe justamente a su estructura equivalente a dos transistores que se realimentan, como muestra la figura 1.
Como podemos ver, no basta aplicar una corriente negativa en la conducción pues simplemente el transistor equivalente de retroalimentación para impedir que siga conduciendo. El único medio para apagar este circuito es que la corriente principal caiga por debajo del valor de mantenimiento.
En el caso de un GTO, lo que se hace y estructurar el componente de una forma diferente de un SCR común, como muestra la figura 2.
Esta estructura lleva a un componente que presenta las siguientes diferencias con respecto a un SCR común:
• Las interconexiones de las capas de control son más finas, minimizando la distancia entre la puerta y el centro de las regiones catódicas y aumentando así el perímetro de las regiones de la puerta.
• Existen regiones n- que cortocircuite las regiones anódicas para acelerar el cierre.
• La tensión de ruptura inversa es muy baja
El resultado de esto es el GTO, un componente cuyas curvas características se muestran en la figura 3.
Como se trata de un tipo especial de SCR su símbolo es similar, sólo observándose la indicación de que puede ser apagado por una señal aplicada a la compuerta. En la figura 4 mostramos los símbolos adoptados para representar ese componente.
El disparo de un GTO, así como su apagado, deben ser hechos con circuitos y formas de onda apropiadas. En la figura 5 tenemos el circuito usado para ese propósito donde se observa la necesidad de una tensión negativa para el apagado. Así, en los circuitos con GTOs, se deben utilizar circuitos de disparo simétricos.
La figura 6 muestra las formas de onda que deben aplicarse para que tengamos la mejor forma de disparar un GTO.
Ver que, para disparar el GTO es necesario aplicar una señal que tenga una subida rápida, es decir, un di / dt elevado. Si la señal es lenta, sólo una parte del dispositivo entra en conducción, con una distribución desigual de la energía, lo que puede causar la quema del dispositivo.
Una vez que la conducción está establecida, se deja una corriente de control de mantenimiento de la misma, para asegurarse de que el dispositivo no se apague espontáneamente.
Para llevar el GTO al corte, se debe aplicar una corriente Ig elevada, cuya intensidad depende de las características del dispositivo.
Esta corriente se interrumpe tan pronto como el dispositivo se apague. Sin embargo, debe mantenerse por algún tiempo una tensión negativa en la conducción, para evitar que el GTO se conecte de forma espontánea. En la figura 7 tenemos un circuito típico para la aplicación de un GTO, en una carga inductiva.
Observe la existencia de dos circuitos amortiguadores o "snubbers" en esa aplicación. El primero se conecta en paralelo con la carga y tiene por finalidad limitar la velocidad de subida de la corriente anódica al disparo. Los valores muy altos de esta cadena pueden llevar la pastilla a un corto.
El segundo se conecta en paralelo con el GTO y consiste en un amortiguador para el apagado, como ocurre normalmente en las aplicaciones con tiristores.
Su propósito es limitar la velocidad de subida de la tensión anódica cuando se desconecta una carga inductiva. En la figura 8 detallamos las formas de onda que aparecen en un circuito con GTO cuando él y disparado.
Observe que la tasa de crecimiento de la cadena de compás (Ig) está limitada por la presencia de inductancias parásitas en su circuito.
La corriente de ánodo (Ia), por otro lado, tiene su valor limitado por el circuito amortiguador.
Para el apagado, tenemos las formas de onda mostradas en la figura 9.
Observe el efecto de la resonancia del circuito en el apagado.
El IGCT
En la figura 10 tenemos la estructura del IGCT.
Conforme podemos observar el sistema de disparo que está formado por la compuerta (gate) contiene también el cátodo (cat), de ahí la denominación del dispositivo de "Puerta integral".
En este dispositivo, toda la corriente de cátodo se traslada a la conducción rápidamente de modo que la unión catódica se quede casi polarizada en el sentido inverso y el cierre del componente se reduce al corte del transistor npn.
Una de las ventajas de este componente es que no necesita un circuito amortiguador (snubber) para el apagado. Otra ventaja está en el hecho de que la ganancia de comporta es 1, ya que toda la corriente de ánodo se transfiere a la compuesta.
En la integración tenemos aún que el IGCT y el diodo de la misma tensión de ruptura pueden ser integrados sin problemas. En la figura 11 tenemos la curva de operación segura (SOAR) de un IGCT. Observe que es análoga a la de un transistor bipolar de potencia.
En función de lo que vimos es interesante hacer una comparación de las características de estos dos componentes, con los componentes tradicionales de potencia como el MOSFETs de Potencia, IGBT y SCRs, Las curvas de la figura 12 muestran las principales diferencias.
Las ventajas y desventajas de estos componentes son:
GTO
Ventajas:
• Puede operar con tensiones muy altas
• Mayor área de silicio por kVA
Desventajas:
• Circuito de puerta complejo
• Presenta pérdidas de conmutación
• Exige el uso de snubbers
SCR
Ventajas:
• Mayor área de silicio por kVA
• Puede operar con tensiones y corrientes muy altas
Desventajas:
• No se puede desconectar por el comportamiento
IGBT
Ventajas:
• Mayor área de silicio por kVA
• Fácil de controlar
• No necesita snubber
Desventajas:
• Presenta pérdidas de conducción
• Dificultad de funcionamiento por encima de 50 kHz
MOSFET de potencia
Ventajas:
• Fácil de controlar
• Tiene buena velocidad
• Tiene bajo costo
• Presenta salida lineal
Desventajas:
• Alto costo por kVA para tensiones superiores a 300 V
IGCT
Ventajas:
• Puede operar con potencias elevadas
• Tiene buena velocidad
Desventajas:
• Necesita un circuito snubber
Otros Dispositivos
Además de los dispositivos indicados existen otros de la misma familia que empiezan a aparecer en las aplicaciones industriales.
Uno de ellos es el MCT (Tiristor controlado por puerto MOS) cuya estructura y símbolos se muestran en la figura 13.
El transistor de la figura es de canal P. El dispositivo, en realidad, consiste en un SCR con dos transistores MOS que se utilizan para encenderlo y apagarlo.
Este tipo de transistores, a pesar de haber sido desarrollado a partir de 1992 no llegó todavía a un producto práctico. Se considera por lo tanto que se trata de un dispositivo que no ha pasado de la fase experimental.
Entre los obstáculos para llegar a un componente de este tipo de uso práctico destacamos la complejidad de fabricación y la imposibilidad de llegar a un componente final capaz de manejar potencias elevadas.
Un segundo dispositivo que merece destacarse y que se incluye en esta familia es el IEGT o Injection Enhanced Gate Thyristor o Tiristor de Comporta Enriquecida por Inyección. En la figura 14 tenemos la estructura de este dispositivo.
Los IEGT presentan ventajas de conducción en relación con los IGBT por su propia estructura. En el IGBT, la inyección de portadores de la fuente es limitada. En el caso de la IECT se consigue con que la capa de la fuente tenga una eficiencia mayor, a través de la optimización de las geometrías dopadas.
Las curvas de conducción de los dos dispositivos se comparan en la figura 15.
Los IEGTs, por estas características pueden convertirse en los componentes que van a sustituir a los IGBT en aplicaciones futuras.
AGT
Uno de los problemas con los SCRs es que siendo disparados solamente por el cátodo, en el momento en que los deseamos usar en circuitos de corriente alterna la conmutación con dos de ellos en oposición presenta problemas, como muestra la figura 16.
Para solucionar este problema algunos fabricantes de dispositivos de potencia como Microsemi (www.microsemi.com) lanzaron el AGT o Anode Gate Thyristor o Tiristor con Gate en el Anodo.
Con él, como muestra la figura 17, es posible hacer el control de onda completa de una carga de una forma más eficiente.
Los tipos disponibles para este componente pueden controlar corrientes de hasta 50 A con tensiones que alcanzan los 1 200 V.
La gran ventaja del uso de este componente, como podemos percibir por la propia figura en que se muestra el circuito de aplicación (figura 17), un disipador común puede ser usado para los dos componentes ya que el anodo del SCR y el Catodo del AGT están conectados a un punto común.
Conclusión
La presencia de la electrónica en los controles de potencia requiere el empleo de dispositivos cada vez más eficientes. Así, el enriquecimiento de la familia de los tiristores, como la aparición de nuevos componentes, es inevitable.
Lo que hemos visto en este artículo son algunos ejemplos de nuevos componentes que empiezan a ser utilizados y algunos aún en fase de desarrollo pero que seguramente serán comunes en los equipos de los próximos años.
El proyectista debe estar listo para saber trabajar con estos nuevos componentes, conociendo sus características, ventajas y limitaciones. Una breve visión de estos nuevos componentes fue lo que dimos en este artículo.