JOSE ALED TARQUINO IBAÑEZ
MEI 177062
2011

IGCT

Un Tiristor Controlado por Puerta Integrada o simplemente Tiristor IGCT (del inglésIntegrated Gate-Commutated Thyristor) es un dispositivo semiconductor empleado en electrónica de potencia para conmutar corriente eléctrica en equipos industriales. Es la evolución del Tiristor GTO (del inglés Gate Turn-Off). Al igual que el GTO, el IGCT es un interruptor controlable, permitiendo además de activarlo, también desactivarlo desde el terminal de control Puerta o G (del inglés Gate). La electrónica de control de la puerta está integrada en el propio tiristor.

es, en principio, un tiristor de apagado (GTO) conaltos parámetros dinámicos en el encendido y el modo dedesvío. Apagado la velocidad del proceso Es sobre todo un factor por el cual GTO y los dispositivos IGCT se diferencian entre sí otros.

El dispositivo está compuesto IGCT de dos partes elementales, GCT tiristor estructura que se coloca en un caso de disco similar a la GTO dispositivo y una unidad de puerta a la quela caja del disco con TCG se adjunta lo más ajustado posible. los mismos viene el nombre de Inglés de este nuevo tipo de dispositivo que se deriva de el hecho de que la unidad de la puerta es, literalmente, integrado con el tiristor GCT. Es así porque la tasa de aumento de puerta de desvío actual debe ser muy altopara la función a causa de la GCT y por lo tanto autoinducción (inductancia espurio) de la puerta conducir la unidad como debe ser minimizado.

COMPARACION DE VOLTAJE Y CORRIENTE Y FORMA DE ONDA DEL IGCT EN DESVIO

REFERENCIAS

Tiristores IGCT producido por Polovodiče, a.s. se utilizan enpulso convertidores de tipos en 6070 y los inversores del tipo6051.Ambos convertidores están principalmente destinados a la tracción.Se utilizan en los trolebuses producido por la empresa Škoda desde 2002. Tiristores IGCT también son los principal escomponente de la unidad de cercanías modernizada unidades dela serie 560, operado por la compañía de ferrocarriles de CD(Ferrocarriles Checos).

MOSFET

MOSFET son las siglas de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Consiste en un transistor de efecto de campo basado en la estructura MOS. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica. Prácticamente la totalidad de los procesadores comerciales están basados en transistores MOSFET.

HISTORIA

Fue ideado teóricamente por el austrohúngaro Julius von Edgar Lilienfeld en 1930, aunque debido a problemas de carácter tecnológico y el desconocimiento acerca de cómo se comportan los electrones sobre la superficie del semiconductor no se pudieron fabricar hasta décadas más tarde. En concreto, para que este tipo de dispositivos pueda funcionar correctamente, la intercara entre el sustrato dopado y el aislante debe ser perfectamente lisa y lo más libre de defectos posible. Esto es algo que sólo se pudo conseguir más tarde, con el desarrollo de la tecnología del silicio.

Funcionamiento

• 
  El transistor MOSFET tiene tres estados de funcionamiento:Tipo pMOS: Sustrato de tipo n y difusiones de tipo p.
• Tipo pMOS: Sustrato de tipo n y difusiones de tipo p.

Las áreas de difusión se denominan fuente(source) y drenador(drain), y el conductor entre ellos es la puerta(gate).

Estado de corte

Cuando la tensión de la puerta es idéntica a la del sustrato, el MOSFET está en estado de no conducción: ninguna corriente fluye entre fuente y drenador. También se llama mosfet a los aislados por juntura de dos componentes.

Conducción lineal

Al polarizarse la puerta con una tensión negativa (pMOS) o positiva (nMOS), se crea una región de deplexión en la región que separa la fuente y el drenador. Si esta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadores minoritarios (electrones en pMOS, huecos en nMOS) en la región de deplexión que darán lugar a un canal de conducción. El transistor pasa entonces a estado de conducción, de modo que una diferencia de potencial entre fuente y drenador dará lugar a una corriente. El transistor se comporta como una resistencia controlada por la tensión de puerta.

Saturación

Cuando la tensión entre drenador y fuente supera cierto límite, el canal de conducción bajo la puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del drenador y desaparece. La corriente entre fuente y drenador no se interrumpe, ya que es debido al campo eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales.

Modelos matemáticos

• Para un MOSFET de canal inducido tipo n en su región lineal:

donde en la que b es el ancho del canal, μ_n la movilidad de los electrones,  es la permitividad eléctrica de la capa de óxido, L la longitud del canal y W el espesor de capa de óxido.

• Cuando el transistor opera en la región de saturación, la fórmula pasa a ser la siguiente:

Estas fórmulas son un modelo sencillo de funcionamiento de los transistores MOSFET, pero no tienen en cuenta un buen número de efectos de segundo orden, como por ejemplo:

• Saturación de velocidad: La relación entre la tensión de puerta y la corriente de drenador no crece cuadráticamente en transistores de canal corto.
• Efecto cuerpo o efecto sustrato: La tensión entre fuente y sustrato modifica la tensión umbral que da lugar al canal de conducción
• Modulación de longitud de canal.

Aplicaciones

La forma más habitual de emplear transistores MOSFET es en circuitos de tipo CMOS, consistentes en el uso de transistores pMOS y nMOS complementarios.

Las aplicaciones de MOSFET discretos más comunes son:

• Resistencia controlada por tensión.
• Circuitos de conmutación de potencia (HEXFET, FREDFET, etc).
• Mezcladores de frecuencia, con MOSFET de doble puerta.

Ventajas

La principal aplicación de los MOSFET está en los circuitos integrados, p-mos, n-mos y c-mos, debido a varias ventajas sobre los transistores bipolares:

• Consumo en modo estático muy bajo.
• Tamaño muy inferior al transistor bipolar (actualmente del orden de media micra).
• Gran capacidad de integración debido a su reducido tamaño.
• Funcionamiento por tensión, son controlados por voltaje por lo que tienen una impedencia de entrada muy alta. La intensidad que circula por la puerta es del orden de los nanoamperios.
• Los circuitos digitales realizados con MOSFET no necesitan resistencias, con el ahorro de superficie que conlleva.
• La velocidad de conmutación es muy alta, siendo del orden de los nanosegundos.
• Cada vez se encuentran más en aplicaciones en los convertidores de alta frecuencias y baja potencia.

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

IGBT                        

TRANSISTOR IGBT INTRODUCCION: Durante muchos años se a buscado la forma de crear un dispositivo que fuese lo sufientemente veloz y que pudiese amnejar grandes cargas pero han surgido nuevas ideas con la union de un mosfet como dispositivo de disparo y un tbj de deispositivo de potoncia y de esta forma se llego a la invencion del igbt el cual sera expuesto en el siguiente documento QUE ES EL IGBT: La sigla IGBT corresponde a las iniciales de isolated gate bipolar transistor o sea transistor bipolar de puerta de salida El IGBT es un dispositivo semiconductor de potencia híbrido que combina los atributos del TBJ y del MOSFET. Posee una compuerta tipo MOSFET y por consiguiente tiene una alta impedancia de entrada. El gate maneja voltaje como el MOSFET. El símbolo más comúnmente usado se muestra en la figura . Al igual que el MOSFET de potencia, el IGBT no exhibe el fenómeno de ruptura secundario como el TBJ. El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es un dispositivo electrónico que generalmente se aplica a circuitos de potencia. Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de control de puerta es de unos 15V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta. El IGBT de la figura es una conexión integrada de un MOSFET y un BJT. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT. El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 KHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones SIMBOLOGIA: Es un componente de tres terminales que se denominan GATE (G) o puerta, COLECTOR (C) y EMISOR (E) y su símbolo corresponde al dibujo de la figura siguiente.

Su estructura microelectrónica es bastante compleja es por ello que lo describimos en base a su esquema equivalente.

CURVA CARACTERISTICA IGBT:

COMO FUNCIONA: Consideremos que el IBGT se encuentra bloqueado inicialmente. Esto significa que no existe ningún voltaje aplicado al gate. Si un voltaje VGS es aplicado al gate, el IGBT enciende inmediatamente, la corriente ID es conducida y el voltaje VDS se va desde el valor de bloqueo hasta cero. LA corriente ID persiste para el tiempo tON en el que la señal en el gate es aplicada. Para encender el IGBT, la terminal drain D debe ser polarizada positivamente con respecto a la terminal S. LA señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado al gate G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15, puede causar que el tiempo de encendido sea menor a 1 s, después de lo cual la corriente de drain iD es igual a la corriente de carga IL (asumida como constante). Una vez encendido, el dispositivo se mantiene así por una señal de voltaje en el gate. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en el gate es muy baja. EL IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la terminal gate. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 micro segundos, por lo que la frecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz. EL IGBT requiere un valor límite VGS(TH) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4 V. Arriba de este valor el voltaje VDS cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el gate debe tener un voltaje arriba de 15 V, y la corriente iD se autolimita. El IGBT se aplica en controles de motores eléctricos tanto de corriente directa como de corriente alterna, manejados a niveles de potencia que exceden los 50 kW.  CARACTERISTICAS A TENER EN CUENTA EN UN IGBT: • IDmax Limitada por efecto Latch-up. • VGSmax Limitada por el espesor del óxido de silicio. • Se diseña para que cuando VGS = VGSmax la corriente de cortocircuito sea entre 4 a 10 veces la nominal (zona activa con VDS=Vmax) y pueda soportarla durante unos 5 a 10 μs. y pueda actuar una protección electrónica cortando desde puerta. • VDSmax es la tensión de ruptura del transistor pnp. Como α es muy baja, será VDSmax=BVCB0 Existen en el mercado IGBTs con valores de 600, 1.200, 1.700, 2.100 y 3.300 voltios. (anunciados de 6.5 kV). • La temperatura máxima de la unión suele ser de 150ºC (con SiC se esperan valores mayores) • Existen en el mercado IGBTs encapsulados que soportan hasta 400 o 600 Amp. • La tensión VDS apenas varía con la temperatura ⇒ Se pueden conectar en paralelo fácilmente ⇒ Se pueden conseguir grandes corrientes con facilidad, p.ej. 1.200 o 1.600 Amperios. En la actualidad es el dispositivo mas usado para potencias entre varios kW y un par de MW, trabajando a frecuencias desde 5 kHz a 40kHz. A continuacion se presentan algunas de las presentaciones mas comunes de un IGBT.

                         GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”)

A pesar de que el GTO fue  inventado en el inicio de la década de los años 60, ha sido 

poco empleado debido a sus reducidas prestaciones. Con el avance de la tecnología en el 

desarrollo de dispositivos semiconductores, se han encontrado nuevas soluciones para mejorar 

tales componentes que hacen que hoy ocupen una franja significa dentro de la electrónica de 

potencia, especialmente en aquellas aplicaciones de elevada potencia,  con dispositivos que 

alcanzan los 5000 V y los 4000 A. 

Como se ha visto en los apartados anteriores, uno de los inconvenientes de los 

tiristores tipo SCR o TRIAC es que no tenemos control externo por parte del usuario del paso 

de conducción a bloqueo. Para aquellas aplicaciones en las que nos interese poder bloquear un 

interruptor de potencia en cualquier instante es necesario utilizar otro tipo de semiconductores 

diferentes a los SCRs o TRIACs.   Dispositivos de Electrónica de Potencia 

El GTO es un tiristor con capacidad externa de bloqueo. La puerta permite controlar 

las dos transiciones: paso de bloqueo a conducción y viceversa. El símbolo utilizado para el 

GTO se muestra en la siguiente figura (Fig. 2.12), así como su estructura interna en dos 

dimensiones.  

PRINCIPIO DEL FUNCIONAMIENTO

El GTO tiene una estructura de 4 capas, típica de los componentes de la familia de los 
tiristores. Su característica principal es su capacidad de entrar en conducción y bloquearse a 
través de señales adecuadas en el terminal de puerta G. 
El mecanismo de disparo es parecido al  del SCR: suponiendo que está directamente 
polarizado, cuando se le inyecta corriente a la puerta, circula corriente entre puerta y cátodo. 
Como la capa de la puerta es suficientemente  fina, gran parte de los portadores se mueven 
hasta la capa N adyacente, atravesando la barrera de potencial y siendo atraídos por el 
potencial del ánodo, dando inicio  a la corriente anódica. Si ésta corriente se mantiene por 
encima de la corriente de mantenimiento, el dispositivo no necesita de la señal de puerta para 
mantenerse en conducción. 
   
La figura 2.13 muestra una representación simplificada de los procesos de entrada y 
salida de conducción del GTO. 
La aplicación de una polarización inversa en la unión puerta-cátodo puede llevar a la 
abertura o bloqueo del GTO. Portadores libres (agujeros) presentes en las capas centrales del 
dispositivo son atraídas por la  puerta, haciendo que sea posible el restablecimiento de la 
barrera de potencial en la unión J2. 
Aparentemente tal comportamiento también sería posible en el SCR. Pero, en realidad,   Dispositivos de Electrónica de Potencia 
las diferencias están en el nivel de construcción del componente. El funcionamiento como 
GTO depende, por ejemplo, de factores como: 
• Facilidad de extracción de portadores por  el terminal de puerta – esto es posible 
debido al uso de impurezas con alta movilidad. 
• Rápida desaparición de portadores en las capas centrales – uso de impurezas con bajo 
tiempo de recombinación. Esto indica que un GTO tiene una mayor caída de tensión 
en conducción, comparado a un SCR de dimensiones iguales. 
• Soportar tensión inversa en la unión puerta-cátodo, sin entrar en avalancha – menor 
dopado en la región del cátodo. 
• Absorción de portadores de toda la superficie conductora – región de puerta-cátodo 
con gran área de contacto. 
Al contrario del SCR, un GTO puede no tener la capacidad de  bloquear tensiones 
inversas.

PROCESO DE COMUNICACION ABERTURA Y CIERRE DEL GTO

   CARACTERISTICAS ESTATICAS ( CORRIENTE Y TENSION) DEL GTO

Si la corriente por la puerta es positiva, el semiconductor pasará del estado “OFF” al 

estado “ON”. Por el contrario, si la corriente por la puerta es negativa, el semiconductor 

dejará de conducir, pasando del estado de “ON” a “OFF”. 

Con ello se tiene un control total del estado del semiconductor en cualquier momento. 

Nótese que al tratarse de un tiristor, la corriente sólo puede circular de ánodo a cátodo, pero 

no en sentido contrario. Evidentemente, este dispositivo es más caro que un SCR y además el 

rango de tensiones y corrientes  es más pequeño que en el caso de los SCRs. En general se 

suelen llegar a potencias entorno a los 500kW como máximo. La tensión ánodo-cátodo en 

conducción directa también es más elevada que para los tiristores convencionales. 

DIAC

El DIAC (Diodo para Corriente Alterna) es un dispositivo semiconductor de dos conexiones. Es un diodo bidireccional disparable que conduce la corriente sólo tras haberse superado sutensión de disparo, y mientras la corriente circulante no sea inferior al valor característico para ese dispositivo. El comportamiento es fundamentalmente el mismo para ambas direcciones de la corriente. La mayoría de los DIAC tienen una tensión de disparo de alrededor de 30 V. En este sentido, su comportamiento es similar a una lámpara de neón.

Los DIAC son una clase de tiristor, y se usan normalmente para disparar los triac, otra clase de tiristor.

Es un dispositivo semiconductor de dos terminales, llamados ánodo y cátodo. Actúa como un interruptor bidireccional el cual se activa cuando el voltaje entre sus terminales alcanza el voltaje de ruptura, dicho voltaje puede estar entre 20 y 36 volts según la referencia.

DIAC de tres capas

Existen dos tipos de DIAC:

• DIAC de tres capas: Es similar a un transistor bipolar sin conexión de base y con las regiones de colector y emisor iguales y muy dopadas. El dispositivo permanece bloqueado hasta que se alcanza latensión de avalancha en la unión del colector. Esto inyecta corriente en la base que vuelve el transistor conductor, produciéndose un efecto regenerativo. Al ser un dispositivo simétrico, funciona igual en ambas polaridades, intercambiando el emisor y colector sus funciones.
• DIAC de cuatro capas. Consiste en dos diodos Shockley conectados en antiparalelo, lo que le da la característica bidireccional.

ESTRUCTURA BASICA

CARACTERISTICAS

              

En la curva característica se observa que cuando

- +V o - V es menor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como un circuitoabierto

- +V o - V es mayor que la tensión de disparo, el DIAC se comporta como un cortocircuito

Sus principales características son:

- Tensión de disparo

- Corriente de disparo

- Tensión de simetría (ver grafico anterior)

- Tensión de recuperación

- Disipación de potencia (Los DIACs se fabrican con capacidad de disipar potencia de 0.5 a 1 watt.) 

CARACTERÍSTICAS GENERALES Y APLICACIONES 

Se emplea normalmente en circuitos que realizan un control de fase de la corriente del triac, de forma que solo se aplica tensión a la carga durante una fracción de ciclo de la alterna. Estos sistemas se utilizan para el control de iluminación con intensidad variable, calefacción eléctrica con regulación de temperatura y algunos controles de velocidad de motores.

 La forma más simple de utilizar estos controles es empleando el circuito representado en la Figura 3, en que la resistencia variable R carga el condensador C hasta que se alcanza la tensión de disparo del DIAC, produciéndose a través de él la descarga de C, cuya corriente alcanza la puerta del TRIAC y le pone en conducción. Este mecanismo se produce una vez en el semiciclo positivo y otra en el negativo. El momento del disparo podrá ser ajustado con el valor de R variando como consecuencia el tiempo de conducción del TRIAC y, por tanto, el valor de la tensión media aplicada a la carga, obteniéndose un simple pero eficaz control de potencia.

            

              Figura 3: Disparo de TRIAC mediante un DIAC.