Fundamentos del Tiristor y Circuitos de Protección en Electrónica de Potencia

El Tiristor (SCR): Principios de Funcionamiento

• Es un semiconductor con dos estados de funcionamiento, dependientes de una realimentación regenerativa.
• Se comporta como un diodo con inicialización de la conducción controlada por puerta (G). [Figura 1: Símbolo del Tiristor]
• La caída de tensión en conducción es aproximadamente 2V.
• Ventajas:
  • Funciona a altas frecuencias.
  • Gran robustez.
  • Gran fiabilidad.

Estados de Bloqueo del Tiristor

Bloqueo Directo

[Figura 2: Tiristor en Bloqueo Directo]

• El tiristor, polarizado en directa, permanece en bloqueo hasta que recibe la señal de disparo en la puerta (G).
• En estas condiciones, existen pequeñas corrientes de fugas entre ánodo y cátodo (A-K), y el tiristor se comporta como un circuito abierto.
• Si la temperatura (Tª) aumenta lo suficiente como para que la corriente de fugas supere la corriente de enclavamiento (I_L), el tiristor pasa a estar en conducción.
• También ocurrirá si la tensión supera la tensión de ruptura directa (V_BO).

Bloqueo Inverso

[Figura 3: Tiristor en Bloqueo Inverso]

• Con una tensión V_AK inversa, el tiristor se comporta como un circuito abierto.
• Las propiedades de bloqueo inverso dependerán de la estructura del ánodo.

[Fórmula 1: Ecuación de Bloqueo Inverso]

Estados de Conducción del Tiristor

• La tensión V_AK en conducción es aproximadamente 2V.
• Este estado de conducción se mantendrá hasta que la intensidad del ánodo (I_A) no esté por debajo de la intensidad de mantenimiento (I_H), momento en el que ocurre el descebado.
• El proceso de paso a conducción también se denomina encendido o cebado.
• Se realiza estando el tiristor en bloqueo directo y aplicando una señal de disparo que provoca una mayor intensidad por la puerta (I_G) y una caída de tensión entre 1.3-2V.
• Para que la conducción se establezca, la intensidad del ánodo debe sobrepasar la intensidad de enclavamiento (I_L).

[Figura 4: Curva Característica I-V del Tiristor (A-K)]

Características de Puerta del Tiristor

La unión entre la puerta (G) y el cátodo (K) de un tiristor se comporta como un diodo convencional, con la única diferencia de que estos poseen una mayor zona de dispersión.

[Figura 5: Curva Característica de Puerta del Tiristor]

Se pueden identificar tres zonas principales en la curva de características de puerta:

1. Zona de Disparo Imposible: Por debajo de ciertos valores de tensión (V_GD) y corriente (I_GD), ningún elemento conduce.
2. Zona de Disparo Posible: Región donde el disparo puede ocurrir, pero no está garantizado para todos los dispositivos de un lote.
3. Zona de Disparo Cierto: Por encima de la tensión de disparo de puerta (V_GT) y la corriente de disparo de puerta (I_GT), todos los elementos de un fabricante se disparan.

Características Dinámicas de los Tiristores

En los SCR (Silicon Controlled Rectifier), el paso de un estado a otro no se produce de forma instantánea, sino que tanto del estado de conducción al de bloqueo como viceversa, se requiere un cierto tiempo.

Tiempo de Paso a Conducción (Turn-on Time)

[Figura 6: Curva de Tiempo de Paso a Conducción]

Este tiempo incluye el retardo de encendido y el tiempo de subida de la corriente.

Tiempo de Paso al Bloqueo (Turn-off Time)

Cuando el SCR está conduciendo y pasa a polarización inversa, no deja de conducir automáticamente, sino que hay que esperar a la eliminación de los portadores de carga minoritarios mediante procesos de difusión y recombinación.

• T_rr: Tiempo de recuperación inversa.
• T_gr: Tiempo de recuperación de la unión de puerta.
• T_q: Tiempo de paso al estado de bloqueo (turn-off time).

Circuitos de Protección contra Sobrecargas para Transistores Bipolares con Carga Inductiva

Las cargas inductivas producen condiciones de trabajo críticas, especialmente relacionadas con las variaciones de dI/dt (cambio de corriente por unidad de tiempo) y dV/dt (cambio de tensión por unidad de tiempo), por lo que es imprescindible emplear circuitos de protección.

Protección con Diodo de Libre Circulación (Flyback Diode)

Cuando la corriente de colector (I_C) del transistor pasa a través de la bobina, se produce una caída de tensión (+-), la cual polariza correctamente el transistor.

En un ciclo negativo o al cortar la alimentación, la inductancia tiende a descargarse de forma inversa (+-), polarizando el transistor inversamente. Esta tensión inversa puede llegar a dañar el transistor.

La solución es colocar un diodo de libre circulación (o diodo flyback) en paralelo con la carga inductiva. Esto conseguirá que la corriente inversa producida por la inductancia pase a través del diodo y no afecte al transistor, protegiéndolo.

[Figura 7: Protección con Diodo de Libre Circulación]

Protección con Red Snubber (Condensador)

Otra solución es utilizar un condensador (parte de una red snubber) para estabilizar la tensión del transistor y mitigar los picos de tensión.

1. En el ciclo negativo o al corte de la alimentación, el condensador se carga con la tensión de descarga de la inductancia.
2. En el siguiente corte, este descargará la corriente acumulada en la red, evitando picos de tensión en el transistor.

[Figura 8: Protección con Red Snubber (Condensador)] [Figura 9: Ejemplo de Red Snubber Completa]