Procesamiento Electrónico de PotenciaLaboratorio de Instrumentación y Control Mejoras en el dI/dt:...
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Procesamiento Electrónico de Potencia
Tiristores - GTO
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Tiristores
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Características I-V
VRRM , VDRM : tensiones máximas de bloqueoVBO : tensión de rupturaVak(ON): 1-3VIH :corriente de mantenimiento
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Dopado
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Bloqueo
Vak<0: J1 y J3 en inversa. La capa n-
determina la máxima tensión de bloqueo.Vak>0: J2 en inversa. Nuevamente, la capa n- determina la máxima tensión de bloqueo.
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Modelo de funcionamiento
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Ecuaciones
( )2 1 2
1 21G CO CO
AI I II α
α α+ +
=− +
VAK >0Como las junturas de los TBJ equivalentes están polarizadas, el transistor está en zona activa.Pueden utilizarse las ecuaciones de Ebers-Molls:
Ci i Ei COiI I Iα= − +
α: factor de transporte de base (Ic/Ie)ICO: corriente de fuga de colector.
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Encendido
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Proceso de apagadoIA<IH, Vak<0.Si IG<0:
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Conmutación en el encendido
td(ON): retardo en el encendido.tr (rise time): tiempo de crecimiento.tps (plasma spreading time).
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Limitación de dI/dt
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Pulso de gate
Clave: incrementar el área efectiva de conducción del cátodo en el encendido.Corriente elevada de gatedurante td(ON) + tr
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Mejoras en el dI/dt: pilot thyristor
Para no elevar los requerimientos de corriente sobre el circuito de driver, se agrega un tiristor auxiliar integrado en la misma pastilla que el tiristor principal.
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Mejoras en el dI/dt: gate distribuido
Además, se utiliza una geometría interdigitada gate-cátodo, con el gatedistribuido.Hay varias secciones donde el gate y el cátodo se entremezclan, lo cual hace que la sección gate-cátodo sea comparable a la región de cátodo, favoreciendo el incremento del área de inicio de conducción del tiristor.
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Conmutación en el apagado
Irr = f(IA, diR/dt)
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Limitación por reaplicación de VF>0
Si se aplica una tensión positiva antes de tq, se produce un pulso de corriente de ánodo a cátodo.Se debe a que todavía quedan portadores en exceso en n1 y p2.El valor máximo de la corriente es proporcional a dVF/dt.El valor de tq es en general varios tiempo de vida media de los portadores en exceso.
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Limitación por dVF/dt
( )2 2j jd C VdQidt dt
= =
2
BOF
MAX j
IdVdt C
<
VAK >0La juntura J2 esta inversamente polarizada => se comporta como una capacidad:
2
2
y F F Fj BO
MAX
Fj BO
MAX
dV dV dVi C i Idt dt dt
dVC Idt
≅ = <
<
Suponiendo que la capacidad de la juntura no varía demasiado:
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Mejoras en dVF/dt: cathode shorts
Derivación de la corriente a través del corto circuito (RCS).Una parte de la corriente no llega a la juntura gate-cátodo, entonces no inyecta portadores en la capa de gate.Se incrementa la capacidad en dV/dt y VBO.
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Protección: dI/dt
Incorporación de una inductancia en serie con el tiristor:
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Protección dV/dt: red snubberSe limita dV/dt mediante un capacitor entre ánodo y cátodo.Se agrega una resistencia RS para que cuando el tiristor entre en conducción, el capacitor se descargue con una dada constante de tiempo.
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Circuitos de disparo
R2: disminuye ZGK => se incrementa la capacidad en dV/dt.D2:Evita pulsos negativos en el gatecuando se desactiva T1.Para evitar saturación, se debe cumplir:Vcc Ton < Vγ Toff
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Circuitos de disparo
Vcc Ton < (Vγ + Vz) Toff
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Requerimientos en la señal de gate
Curvas:Máxima potencia en el gate (PGM)Mínima y máxima temperaturaVGD, IGD: mínimo para evitar el disparo [f(T)].VGFM: tensión máxima pico.IGFM: corriente máxima pico.
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Ratings
IT(AV) = 180A @ Tc = 80ºC - VTM(ON) = 1.35VITRMS = 285A @80ºCVDRM,VRRM = 1000V.IH = 0.6A, IL = 1A.dI/dt = 300A/µs.td = 1µs, tq = 100µsdV/dt = 500V/µsIak(OFF)(corriente en bloqueo) = 30mA
Case: stud.
Serie 180/181RKI (IR)
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RatingsSerie ST1900C/R (IR)
IT(AV) = 1625 A @ TC = 80ºCVT(ON) = 2.1V @TC=25ºC.ITRMS = 3500A @25ºCIL = 0.3A.VRRM /VDRM = 5200V.dI/dt = 150-300A/µs.td = 2.5µs, tq = 500µsdV/dt = 500V/µs, IRRM(corriente en OFF) = 250mACase: hockey puk. Diametro cátodo: 7cm
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RatingsSerie T2871N (Infineon)
IT(AV) = 2680 A @ Tc = 85ºC, 3670A @Tc = 60ºC.VT(ON) = 2.5/3V @ iT = 5000A.ITRMS =5760AIL = 3A.IH = 0.35A.VRRM /VDRM = 7500/8000V.dI/dt = 300A/µs.td = 2µs, tq = 550µsdV/dt = 2000V/µs, IRRM(corriente en OFF) = 900mA.IRM = 400A.Case: hockey puk. Diámetro cátodo: 11cmPeso: 4Kg.
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RatingsSerie T4003NH (Infineon)
IT(AV) = 3480 A @ Tc = 85ºC, 4980A @ Tc = 60ºC.VT(ON) = 1.7/1.8V @ iT = 6000A.ITRMS =7820AIL = 1A.IH = 0.1A.VRRM /VDRM = 5200V.dI/dt = 5000A/µs.td = 5µs, tq = 500µsdV/dt = 2000V/µs, IRRM(corriente en OFF) = 900mAIRM = 600A.Case: hockey puk. Diámetro cátodo: 11cm Peso: 4KgLight triggered:Minimun gate trigger light power : 40mW
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GTO(Gate Turn-OffThyristor)
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Estructura
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Ganancia de apagado
' AG
OFF
IIβ
=
2
1 2' 1A
OFFG
II
αβα α
= =+ −
Q1 y Q2 saturados.Si Ib2<Ic2sat/β2sat => entra en zona activa => corte.Ib2 = α1IA – IG’ IG’: corriente de gate negativa.
Típicamente : 5OFFβ ≈
Aumenta βOFF => aumenta VAK(ON)
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Anode short
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Cátodos en islas
InterdigitaciónIG>0ton(min), toff(min)No hay cathode short => RGK pequeña
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RGK vs (dV/dt & VDRM)
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Conmutación
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Conmutación
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Ratings
IT(AV) = 1270A - VTM(ON) = 4.4V @ IT = 4000A.ITRMS = 2545AITGQM = 4000A (maxima corriente de apagado pico)VDRM = 4500V.VRRM = 18V.IH = 100A, IL = 100A.LS = 300nHy @ CS = 6µHydI/dt = 500A/µs.td = 2.5µs, td = 5µsts = 25µs, tf = 3µs,dV/dt = 1000V/µsIak(OFF)(corriente en bloqueo) = 100-50mACase: hockey puk.
Serie G4000EC450 (Westcode [IXYS])
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Ratings
IT(AV) = 1850A - VTM(ON) = 4V @ IT = 4000A.ITRMS = 1180AVDRM = 4500V.VRRM = 16V.LS = 200nHy @ CS = 3µFdI/dt = 300A/µs.td = 2µs, tr = 6µstGS = 25µs, tGF = 2.5µston (min)= 50µs - toff (min)= 100µsdV/dt = 1000V/µsIak(OFF)(corriente en bloqueo) = 50mAIGQM = 950A @ IT = 3000A, VD = VDRM, CS = 3µF, diG/dt= 40A/µsCase: hockey puk.
Serie DG858BW45 (Dynex)
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Referencias
MOHAN, “Power Electronics”.ERICKSON & MAKSIMOVIK, “Fundamentals of Power Electronics”.B.W.WILLIAMS, “Power Electronics:Devices, Drivers and Applications”.RASHID, “Power Electronics Handbook”INTERNATIONAL RECTIFIER (www.vishay.com)WESTCODE (www.westcode.com)INFINEON (www.infineon.com)DYNEX (www.dynex.com)