La necesidad de dispositivos semiconductores cada vez más potentes y robustos ha llevado a la aparición de diversos dispositivos importantes para las aplicaciones industriales. Todos conocen componentes como el IGBT, MOSFETs de potencia, SCR, etc, pero todavía hay algunos componentes menos comunes que ocupan espacios importantes en aplicaciones específicas. Es el caso del IGCT del que tratamos en este artículo.
Un componente de alta potencia utilizado en el control de altas tensiones y altas corrientes con potencias que llegan a los millones de vatios es el IGCT.
IGCT significa Integrated Gate-Comutated Thyristor o Tiristor conmutado por Comporta Integrada.
Al lado de los diversos dispositivos utilizados hoy en las aplicaciones industriales, el IGCT ocupa una banda especial de aplicaciones, en las que potencias extremadamente elevadas deben ser conmutadas.
La siguiente tabla muestra que los principales dispositivos semiconductores de conmutación utilizados en la industria se dividen en dos grandes grupos:
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Tiristores |
Transistores |
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GTO – Gate Turn-Off Thyristor |
Transistor Bipolar |
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MCT – MOS-Controlled Thyristor |
MOSFET de Potência |
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MTO -MOS Turn-Off Thyristor |
Transistor Darlington Bipolar |
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FCT -Field-Controlled Thyristor |
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor |
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EST – Emitter-Switched Thyristor |
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IGT – Insulated Gate Thyristor |
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IGTT – Insulated Gate Turn-Off Thyristor |
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GCT – Gate-Commutated Thyristor |
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IGCT – Integrated Gate-Commutated Thyristor |
Qué dispositivo utilizar dependen mucho de los usos.
En el pasado, los transistores tenían características muy diferentes de los tiristores lo que llevaba al proyectista a tener pocas opciones de opciones según las aplicaciones.
Sin embargo, hoy en día es posible fabricar tiristores y transistores con características optimizadas muy próximas.
Así, las desventajas que llevaban a elegir uno u otro en una aplicación disminuyeron y con eso en muchos casos tanto hacemos uno u otro.
Sin embargo, los tiristores, cuando se trata del control de potencias muy altas tiene algunas ventajas importantes y en ese punto entra en acción el IGCT.
Se trata de un dispositivo semiconductor de muy alta potencia que presenta características que lo hace ideal para la conmutación. Sus principales características son:
• Puede operar con tensiones muy altas
• Puede controlar corrientes muy intensas
• Tiene una conmutación muy rápida
• Presenta pérdidas muy bajas
• Tiene alta velocidad de conmutación
• Es altamente confiable
• Tiene una construcción compacta
Como funciona
Para entender mejor cómo funciona el IGCT vamos a partir inicialmente de su "primo" de la generación anterior de componentes, el GCT.
Cuando el GCT está en el estado de conducción, funciona exactamente como un SCR, donde tenemos una estructura regenerativa equivalente a dos transistores, un NPN y un PNP, como muestra la figura 1.
Sin embargo, en el estado de no conducción (bloqueo) la unión comporta-cátodo se polariza en el sentido inverso y esto hace que el dispositivo deje de conducir, como muestra la figura 2.
Es importante observar que mientras el GCT puede pasar del estado de conducción para no conducir instantáneamente, otros componentes como el GTO, deben pasar por un estado intermedio que se muestra en la figura 3.
Este estado intermedio exige el empleo de circuitos snubbers eficientes para minimizar la tensión reaplicada al dispositivo, es decir, disminuir la tasa de crecimiento de la tensión dV / dt., Para los cuales son muy sensibles.
La idea básica en la tecnología del IGCT es tener una estructura que elimine en la característica del componente la zona en que se comporta como un GTO.
Esto se logra conmutando la corriente de ánodo antes de que la carga de conducción se quita de la base n del ánodo.
En otras palabras, teniendo en cuenta la estructura equivalente de transistores, esto se hace antes de que el transistor PNP perciba que el transistor NPN ha dejado de conducir.
En la figura 4 mostramos lo que ocurre entonces con las características del componente en este caso.
Por supuesto, esto es importante porque permite que el dispositivo cambie rápidamente sin necesidad de snubbers. Esta característica lo hace mucho mejor que componentes como el MOSFETs de potencia y los IGBT.
Un punto importante en la tecnología que lleva a este dispositivo es garantizar que el circuito de conducción de conducto debe ser capaz de manejar toda la corriente de ánodo y esto muy rápidamente, antes de que el transistor de ánodo "perciba" el proceso de conmutación.
Para este propósito es fundamental que el circuito de gate tenga una inductancia muy baja, tan baja que en algunos casos, la construcción exige no sólo el empleo de una estructura coaxial como también el montaje en placas multi-capas.
Diversas empresas fabrican estos dispositivos con corrientes y tensiones que permiten el control de potencias del orden de cientos de kilowatts o incluso megawatts.
Aplicación práctica
Las topologías de los circuitos en los que se utilizan los componentes semiconductores de potencia varían en función de sus características.
Así, en la figura 5 tenemos una comparación de circuitos de aplicación que utilizan GTOs, IGBT e IGCTs.
Observe que el IGCT ofrece la solución que emplea menos componentes externos, lo que es muy importante tanto en términos de costo como de confiabilidad de la aplicación.
Un punto importante a considerar cuando se habla de confiabilidad de un dispositivo no es sólo el número de componentes externos que la aplicación necesita para ser implementada.
Así, es común que se especifique en una aplicación el número de fallas en un intervalo de tiempo Failure in Time, abreviadamente FIT.
Este número aumenta cuando se utilizan más dispositivos, ya que deben considerarse no sólo los componentes, sino el número de juntas soldadas, el número de chips, las conexiones, etc.
Así, para una aplicación que tenga un FIT igual a 10 (10 fallas en 100 millones de horas de aplicación del dispositivo) si consideramos los componentes periféricos y el montaje en sí el número FIT puede subir a 500.
Se debe considerar que los IGBT, en realidad son dispositivos multi-chips, o sea, en un único IGBT tenemos varias pastillas conectadas en paralelo lo que aumenta el FIT de ese componente.
En el caso del IGCT tenemos una gran ventaja cuando se considera esa confiabilidad.
No sólo el número de componentes externos es pequeño, así como el montaje del propio dispositivo, independientemente de la corriente, es monolítica.
Un gráfico interesante es el mostrado en la figura 6 que compara la potencia a ser controlada en un inversor trifásico con el número de componentes externos y chips para las tres tecnologías actualmente usadas.
En el caso de los IGBT, dada la necesidad de conectar módulos en paralelo en el control de potencias elevadas el número de componentes externos (y por lo tanto sujetos a fallas) crece casi exponencialmente, lo que no ocurre con los GTO y mucho menos con los GCT.
Clamps y Snubbers
En la conmutación de cargas inductivas de potencias muy altas, las tensiones generadas pueden fácilmente dañar los dispositivos semiconductores usados.
De la misma forma, las corrientes intensas que circulan en el momento de la conmutación también pueden ser peligrosas.
Para proteger los circuitos se utilizan diversas configuraciones, denominadas comúnmente "snubbers" y "clamps".
Snubber viene de una palabra inglesa "snubba" que significa "limitar el crecimiento" mientras que clamp significa "parar el movimiento de algo".
Así, los circuitos snubbers se utilizan para limitar la tasa de crecimiento de una tensión o corriente no debiendo ser confundidos con los circuitos clamp que limitan la intensidad de la corriente, evitando que sobrepase determinados límites, como muestra la figura 7.
Un circuito conmutador ideal no necesita snubbers o clamps pudiendo operar a cualquier velocidad con cualquier tensión o corriente.
Pero, esto no ocurre en la práctica, principalmente cuando conmutamos cargas inductivas.
Lo que determina básicamente qué tipo de snubber y clamp debe ser utilizado en una aplicación es la característica de conmutación del dispositivo y la inductancia de la carga conmutada.
Para dispositivos como los SCR, IGBT, y otros el uso del snubber es obligatorio con cualquier carga inductiva.
Sin embargo, las características de los IGCTs permiten que estos circuitos sean reducidos y hasta eliminados en algunos casos.
Así, los snubbers que limitan la tasa de crecimiento de la corriente (di / dt) son esenciales en los circuitos con IGCTs pero no son obligatorios los snubber que limitan la tasa de crecimiento de la tensión (dV / dt).
Estos snubbers son importantes para mantener el dispositivo dentro del área de operación segura como muestra el ejemplo dado en la figura 8.
Evidentemente, esta característica depende del dispositivo considerado.
Circuitos de Disparo y Pérdidas
Como los IGCTs son muy rápidos prácticamente no hay tiempos de turn-on y off-off, pero tan sólo pequeños minutos min-on y min-off a ser considerados, lo que no ocurre con GTOs y tiristores, los cuales, son responsables de las pérdidas.
Así, las pérdidas permitidas son básicamente determinadas por la capacidad de refrigeración del dispositivo.
Cuando se comparan a los IGBT, las pérdidas de los IGCT son de dos a tres veces menores, lo que les permite operar en frecuencias mucho más altas.
Los IGCT actualmente disponibles operan con tensiones de 3 a 8 kV y corrientes de 200 a 4000 A típicamente. La banda de frecuencias depende de la tensión, pudiendo llegar a 1 kHz con tipos de menores tensiones a 3 kHz con los tipos para mayores tensiones.
En cuanto a los circuitos de disparo, los IGCTs necesitan circuitos más pequeños, ya que requieren menos potencia.
Conclusión
Los IGCT son el resultado del perfeccionamiento de diversas tecnologías para el control de altas potencias.
Con ellos, los proyectos de circuitos de controles para medianas y altas potencias, llegando a la banda de los Megawatts se pueden realizar con facilidad.
Los equipos de control y transmisión de energía se pueden ahora fácilmente implementados con el uso de estos nuevos dispositivos.