GTO IGCT Transparencias
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-1-Sistemas Electrónicos de Potencia
GTO-IGCT
-2-Sistemas Electrónicos de Potencia
Estructura y símbolo del GTO
A
K
G
A
K
G
El modo de operación de un GTO es básicamente el mismo que el
de un tiristor. Las principales diferencias residen en las modificaciones
realizas sobre la estructura de tiristor para conseguir dotarlo de
capacidad de apagado.
Una consecuencia es que no soporta tensión inversa.
-3-Sistemas Electrónicos de Potencia
iH
Estado
bloqueo
directo
iG=0
VBOiG>0
Conducción
directa
iA
VAKVH
iL
Curvas característica del GTO
Estado de
bloqueo inverso
-30 V
debido a los
cortocircuitos
de ánodo
-4-Sistemas Electrónicos de Potencia
p n p
n np
A
K
G
IA
IK
IG
IH
Estado
bloqueo
directo
iG=0
BVFiG>0
Conducción
directa
iA
VAK
A
K
G
J2
J3
J1
Ic2
Q1
Q2
Ic1
Ib1
Ib2
IA
IK
Descripción física de funcionamiento del tiristor
p n- p n
P AI
N KI
J1 J2 J3
Ánodo (A) Cátodo (K)
Puerta (G)
Contacto
metálicos
IG
IA IK
Tal y como se ha hecho el análisis con el modelo de dos
transistores, parece siempre posible apagar el dispositivo si se
aplica un valor suficientemente grande de la corriente de puerta.
Como más adelante se justificará, existe un límite para la corriente
máxima de ánodo que si se supera no permite el apagado del GTO,
debido al flujo lateral de la corriente de huecos por debajo de la
región n2 de cátodo, que no se ha considerado en este estudio.
Un estudio más detallado usando un modelo tridimensional de la
estructura de regiones semiconductoras, y parte adicionalmente
de considerar los transistores completamente saturados,
obtiene para :
-5-Sistemas Electrónicos de Potencia
OFF 2
2
41 o
OFFP
L
W
Representa la longitud de la región p2 desde el centro de las islas hasta la
conexión de puerta.
Representa la longitud de difusión en el semiconductor p2.
2PW
oL
Puntualización sobre el resultado obtenido.
-6-Sistemas Electrónicos de Potencia
El GTO MECANISMO DE APAGADO
A
K
G
iG
Ic2
1
ib2
iA
iK
2
Ic1
2 1b A GI I I 2 11( )C AI I
22
2
cb
II
2 1 22 1
2 2
(1 )(1 )c Ab A G
I II I I
1 2
2
( 1)A AG
OFF
I II
AOFF
G
I
I
2
1 2( 1)
AOFF
G
I
I
La condición de apagado implica:
Expresando las relaciones entre las corrientes de la
estructura del GTO:
Definiendo
Para 21
─ se requiere disminuir la anchura de la región de base, región P2, y contar con un alto
dopado de la región de emisor, región n2. Esto es lo mismo que para el transistor
bipolar, y son pasos normalmente usados en un tiristor convencional.
1 2 y 1
grandeOFF
A
K
G
iG
ib2
iA
iK
2
Ic1
Q1
Q2
Rshunt
iR
-7-Sistemas Electrónicos de Potencia
11
1
1
pnp C
AR
E
I
II
I
pnp
1EI
EFECTO DE LOS CORTOCIRCUITOS DE ÁNODO EN EL VALOR DE 1
Para se usan los cortocircuitos de
ánodo
─ Inserción de regiones n+ entre las zonas p+ de
ánodo.
1
-8-Sistemas Electrónicos de Potencia
R2
R1
R4
R5
R6
L1
L2
L
R7
Q1 Q2
M1
+20V
-10V
10A2A
Circuito
de control
Snubber de
apagado
Circuito de gobierno del GTO
L1
L2
L
Inductancias
parásitas
-9-Sistemas Electrónicos de Potencia
Conmutación de encendido del GTO
-10-Sistemas Electrónicos de Potencia
Conmutación de apagado del GTO
Tiempo mínimo de apagado.
─ El GTO no puede nuevamente recibir una orden de encendido hasta
que ha estado apagado durante un cierto tiempo mínimo a causa de la
posibilidad de un pobre reparto de corriente entre todas las islas de
cátodo.
─ La razón es que fácilmente algún exceso de portadores existirá en
algunas islas respecto a otras. Si nuevamente se da la orden de
encendido sin haber respetado el tiempo mínimo de apagado, las islas
con exceso de portadores tenderán a conducir toda la corriente, pudiendo
ocasionar así la destrucción del GTO.
Tiempo mínimo de apagado.
─ El GTO debe ser mantenido en conducción durante un tiempo mínimo
especificado antes de iniciar el apagado.
─ De nuevo la razón es el pobre reparto de corriente entre las islas de
cátodo.
Por otra parte, el diseñador debe tener presente que para que
funcionen correctamente los snubber de apagado y de encendido,
estos también necesitan unos tiempos mínimos de apagado
(snubber de encendido) y de encendido (snubber de apagado).
-11-Sistemas Electrónicos de Potencia
Consideraciones adicionales sobre la conmutación del GTO
IGCT (10 kV , 6 kA) mostrando su circuito de gobierno y encapsulado
optimizado para que la inductancia de dispersión del camino de la
corriente de puerta sea <5 nH y también que capaz de soportar
pulsos de corriente iguales a la corriente de ánodo (hasta 6kA) con
duraciones de 5 a 10 µs.
-12-Sistemas Electrónicos de Potencia
El IGCT (Integrated Gate Controlled Thyristor)
-13-Sistemas Electrónicos de Potencia
ABB: Recent Advancements in IGCT Technologies for High Power
ElectronicsApplications. EPE 2015, Ginebra, Suiza.
Estructura de distintos tipos de GCT incorporando la región n emisor transparente
-14-Sistemas Electrónicos de Potencia
Conmutación dura del
IGCT
I) II) III)
Gdi
dt
kA3μs
Para conseguir las ventajas de la
conmuntación dura
La inductancia del circuito de gobierno
de puerta tiene que ser inferior a 5 nH
par que no entre en avalancha la unión
p-n de cátodo
A3nH 3 9V
ns
GGG
diL V
dt
-15-Sistemas Electrónicos de Potencia
Conmutación de apagado del IGCT
-16-Sistemas Electrónicos de Potencia
ON
OFF
OFF
ON
CS1
CS2
Caso 1
Icarga>0A
Caso 2Icarga<0A
VD1
VD2
IT1
IT1
IT2
IT2
VD1
VD2
tdead tdead
Li
Rs
Dcl IT1
IT2
VD1
VD2
CclVdc
Conmutación rama inversora con IGCTs
Con snubber de encendido y
enclavamiento de sobretensión