SCR

1.    DEFINICIÓN.

El  SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio, Figura 1), es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones pn con la disposición pnpn (Figura 2). Está formado por tres terminales, llamados Ánodo, Cátodo y Puerta. La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional (sentido de la corriente es único), conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez.

        

 

2.    ESTRUCTURA.

   

3.    CURVA CARACTERÍSTICA Y FUNCIONAMIENTO.

La curva característica del SCR es la representada en el siguiente Applet:

 En el Applet se muestra la curva característica típica de un tiristor SCR, representándose la corriente de ánodo (I_a) en función de la tensión aplicada entre ánodo y cátodo (V_ak). Cuando la tensión V_ak es nula, también lo es la intensidad de corriente I_a. Al aumentar dicha tensión en sentido directo, con corriente de puerta nula, si se supera la tensión V_b0, la transición de estado OFF a ON deja de ser controlada. Si se desea que el paso al estado "ON" se realice para tensiones V_ak inferiores a V_b0, será necesario dotar al dispositivo de la corriente de puerta (I_g) adecuada para que dicha transición se realice cuando la intensidad de ánodo supere la intensidad de enganche (I_L ). Por el contrario, si el dispositivo esta en conducción, la transición al estado "OFF" se produce cuando la corriente de ánodo caiga por debajo de la intensidad de corriente de mantenimiento (I_h).

           Tanto para el estado de bloqueo directo, como para el estado de polarización inversa, existen unas pequeñas corrientes de fugas. Cuando se polariza inversamente se observa una débil corriente inversa (de fuga) hasta que alcanza el punto de tensión inversa máxima que provoca la destrucción del mismo.

           El SCR es, por tanto, un dispositivo conductor solo en el primer cuadrante, en el cual el disparo se provoca por:

-    tensión suficientemente elevada aplicada entre ánodo y cátodo,

-   intensidad  en la puerta. Se puede controlar así la tensión necesaria entre ánodo y cátodo para la transición OFF Þ ON, usando la corriente de puerta adecuada.

          

            4.    CARACTERÍSTICAS GENERALES.

            • Interruptor casi ideal.

            • Soporta tensiones altas.

            • Amplificador eficaz.

            • Es capaz de controlar grandes potencias.

            • Fácil controlabilidad.

            • Relativa rapidez.

            • Características en función de situaciones pasadas (memoria).

            4.1    CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS.

           Las características estáticas corresponden a la región ánodo - cátodo y son los valores máximos que colocan al elemento en límite de sus posibilidades:

- Tensión inversa de pico de trabajo .............................................: V_RWM

- Tensión directa de pico repetitiva ...............................................: V_DRM

- Tensión directa ...........................................................................: V_T

- Corriente directa media ...............................................................: I_TAV

- Corriente directa eficaz ................................................................: I_TRMS

- Corriente directa de fugas ............................................................: I_DRM

- Corriente inversa de fugas ............................................................: I_RRM

- Corriente de mantenimiento ..........................................................: I_H

                Las características térmicas a tener en cuenta al trabajar con tiristores son:
- Temperatura de la unión ................................................................: T_j
- Temperatura de almacenamiento ...................................................: T_stg
- Resistencia térmica contenedor-disipador ......................................: R_c-d
- Resistencia térmica unión-contenedor ............................................: R_j-c
- Resistencia térmica unión-ambiente.................................................: R_j-a

- Impedancia térmica unión-contenedor.............................................: Z_j-c

           

            4.2    CARACTERÍSTICAS DE CONTROL.

           Corresponden a la región puerta-cátodo y determinan las propiedades del circuito de mando que responde mejor a las condiciones de disparo. Los fabricantes definen las siguientes  características:
 

-Tensión directa máx. ....................................................................: V_GFM

- Tensión inversa máx. ...................................................................: V_GRM

- Corriente máxima..........................................................................: I_GM

- Potencia máxima ..........................................................................: P_GM

- Potencia media .............................................................................: P_GAV

- Tensión puerta-cátodo para el encendido......................................: V_GT

- Tensión residual máxima que no enciende ningún elemento.............: V_GNT

- Corriente de puerta para el encendido ...........................................: I_GT

- Corriente residual máxima que no enciende ningún elemento............: I_GNT

            

            Entre los anteriores destacan:

-    V_GT e I_GT , que determinan las condiciones de encendido del dispositivo semiconductor.

-    V_GNT e I_GNT, que dan los valores máximos de corriente y de tensión, para los cuales en condiciones normales de temperatura, los tiristores no corren el riesgo de dispararse de modo indeseado.

            4.2.1    Área de disparo seguro.
               

En esta área (Figura 3) se obtienen las condiciones de disparo del SCR. Las tensiones y  corrientes admisibles para el disparo se encuentran en el interior de la zona formada por las  curvas:

•    Curva A y B: límite superior e inferior de la tensión puerta-cátodo en función de la corriente positiva de puerta, para una corriente nula de ánodo.

•    Curva C: tensión directa de pico admisible V_GF.

•    Curva D: hipérbola de la potencia media máxima P_GAV que no debemos sobrepasar.

   

                                            Curva características de puerta del tiristor.

        El diodo puerta (G) - cátodo (K) difiere de un diodo de rectificación en los siguientes puntos:

• Una caída de tensión en sentido directo más elevada.
• Mayor dispersión para un mismo tipo de tiristor.

4.3    CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS.

            4.3.1 Características dinámicas.

• Tensiones transitorias:
- Valores de la tensión superpuestos a la señal de la fuente de alimentación.
- Son breves y de gran amplitud.
- La tensión inversa de pico no repetitiva (V_RSM) debe estar dentro de esos valores.
• Impulsos de corriente:
- Para cada tiristor se publican curvas que dan la cantidad de ciclos durante los cuales puede tolerarse una corriente de pico dada (Figura 4).
- A mayor valor del impuso de corriente, menor es la cantidad de ciclos.
- El tiempo máximo de cada impulso está limitado por la temperatura media de la unión.
 

 Curva de limitación de impulsos de corriente.

• Ángulos de conducción:

- La corriente y tensión media de un SCR dependen del ángulo de conducción.

- A mayor ángulo de conducción, se obtiene a la salida mayor potencia.

- Un mayor ángulo de bloqueo o disparo se corresponde con un menor ángulo de conducción (Figura 5):

ángulo de conducción  =  180º  -   ángulo de disparo

- Conociendo la variación de la potencia disipada en función de los diferentes ángulos de  conducción podremos calcular las protecciones necesarias.

 Ángulo de bloqueo y conducción de un tiristor.

4.3.2 Características de conmutación.

Los tiristores no son interruptores perfectos, necesitan un tiempo para pasar de corte a conducción y viceversa. Vamos a analizar este hecho.

4.3.2.1 Tiempo de encendido ⁽T_on⁾:

Es el tiempo que tarda el tiristor en pasar de corte a conducción. Se divide en dos partes (Figura 6):

• Tiempo de retardo (t_d): tiempo que transcurre desde que la corriente de puerta alcanza el 50 % de su valor final hasta que la corriente de ánodo alcanza el 10 % de su valor máximo. Depende de la corriente de mando, de la tensión ánodo - cátodo y de la temperatura (t_d disminuye si estas magnitudes aumentan).

• Tiempo de subida (t_r): tiempo necesario para que la corriente de ánodo pase del 10 % al 90 % de su valor máximo, o, el paso de la caída de tensión en el tiristor del 90 % al 10 % de su valor inicial.

T_on = t_d + t_r  

Tiempo de encendido.

4.3.2.2    Tiempo de apagado ⁽T_off⁾:

            Es el tiempo que tarda el tiristor en pasar de conducción a corte. Se divide en dos partes (Figura 7):

• Tiempo de recuperación inversa (t_rr): tiempo en el que las cargas acumuladas en la conducción del SCR, por polarización inversa de este, se eliminan parcialmente.

• Tiempo de recuperación de puerta (t_gr): tiempo en el que, en un número suficiente bajo, las restantes cargas acumuladas se recombinan por difusión, permitiendo que la puerta recupere su capacidad de gobierno.

T_off = t_rr + t_gr

La extinción del tiristor se producirá por dos motivos:  reducción de la corriente de ánodo por debajo de la  corriente de mantenimiento y por anulación de la corriente de ánodo.

4.4    CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS.

            Dependiendo de las condiciones de trabajo de un tiristor, éste disipa una cantidad de energía que produce un aumento de la temperatura en las uniones del semiconductor. Este aumento de la temperatura provoca un aumento de la corriente de fugas, que a su vez provoca un aumento de la temperatura, creando un fenómeno de acumulación de calor que debe ser evitado. Para ello se colocan disipadores de calor.

5.     MÉTODOS DE DISPARO.

           Para que se produzca el cebado de un tiristor, la unión ánodo - cátodo debe estar polarizada en directo y la señal de mando debe permanecer un tiempo suficientemente larga como para permitir que el tiristor alcance un valor de corriente de ánodo mayor que I_L, corriente necesaria para permitir que el SCR comience a conducir. Para que, una vez disparado, se mantenga en la zona de conducción deberá circular una corriente mínima de valor I_H, marcando el paso del estado de conducción al estado de bloqueo directo.
            

Los distintos métodos de disparo de los tiristores son:

- Por puerta.
- Por módulo de tensión.
- Por gradiente de tensión (dV/dt)
- Disparo por radiación.
- Disparo por temperatura.
   

  El modo usado normalmente es el disparo por puerta. Los disparos por módulo y gradiente de tensión son modos no deseados.

5.1    DISPARO POR PUERTA.

            Es el proceso utilizado normalmente para disparar un tiristor. Consiste en la aplicación en la puerta de un impulso positivo de intensidad, entre los terminales de puerta y cátodo a la vez que mantenemos una tensión positiva entre ánodo y cátodo.

 Circuito de control por puerta de un SCR.

-    El valor requerido de V_T necesario para disparar el SCR es:
                                      V_T = V_G + I_G × R
-    R viene dada por la pendiente de la recta tangente a la curva de máxima disipación de potencia para obtener la máxima seguridad en el disparo (Figura 9).
                                       R = V_FG / I_FG                                                    

 Recta tangente a la curva de máxima disipación de potencia.

            5.2    DISPARO POR MÓDULO DE TENSIÓN.

           Es el debido al mecanismo de multiplicación por avalancha. Esta forma de disparo no se emplea para disparar al tiristor de manera intencionada; sin embargo ocurre de forma fortuita provocada por sobre tensiones anormales en los equipos electrónicos.

            5.3    DISPARO POR GRADIENTE DE TENSIÓN.

            Una subida brusca del potencial de ánodo en el sentido directo de conducción provoca el disparo. Este caso más que un método, se considera un inconveniente.

 Zona de disparo por gradiente de tensión.

            5.4    DISPARO POR RADIACIÓN.

            Está asociado a la creación de pares electrón-hueco por la absorción de la luz del elemento semiconductor. El SCR activado por luz se llama LASCR.

            5.5   DISPARO POR TEMPERATURA.

            El disparo por temperatura está asociado al aumento de pares electrón - hueco generados en las uniones del semiconductor. Así, la suma (a₁+ a₂) tiende rápidamente a la unidad al aumentar la temperatura. La tensión de ruptura permanece constante hasta un cierto valor de la temperatura y disminuye al aumentar ésta.
 

            6.    CONDICIONES NECESARIAS PARA EL CONTROL DE UN SCR.
    Para el control en el disparo:
- Ánodo positivo respecto al cátodo.
- La puerta debe recibir un pulso positivo con respecto al cátodo.
- En el momento del disparo I_ak > I_L.
    Para el control en el corte:
- Anulamos la tensión V_ak.
- Incrementamos R_L hasta que I_ak< I_H.

            7.    LIMITACIONES DEL TIRISTOR.

            7.1    LIMITACIONES DE LA FRECUENCIA DE FUNCIONAMIENTO.

- La frecuencia de trabajo en los SCR no puede superar ciertos valores.
- El límite es atribuible a la duración del proceso de apertura y cierre del dispositivo.
- La frecuencia rara vez supera los 10 Khz.

            7.2    LIMITACIONES DE LA PENDIENTE DE TENSIÓN dV/dt.

            "dV/dt" es el valor mínimo de la pendiente de tensión por debajo del cual no se producen picos transitorios de tensión de corta duración, gran amplitud y elevada velocidad de crecimiento.

a) Causas:
- La alimentación principal produce transitorios difíciles de prever en aparición, duración (inversamente proporcional a su amplitud) y amplitud.
- Los contactores entre la alimentación de tensión y el equipo: cuya apertura y cierre pueden producir transitorios de elevada relación dV/dt (hasta 1.000 V/µs) produciendo el basculamiento del dispositivo.
- La conmutación de otros tiristores cercanos que introducen en la red picos de tensión.

b) Efectos:
- Puede provocar el cebado del tiristor, perdiendo el control del dispositivo.
- La dV/dt admisible varia con la temperatura.

            7.3    LIMITACIONES DE LA PENDIENTE DE INTENSIDAD dI/dt.

            "dI/dt" es el valor mínimo de la pendiente de la intensidad por debajo de la cual no se producen puntos calientes.

a) Causas:
- Durante el cebado, la zona de conducción se reduce a una parte del cátodo cerca de la puerta, si el circuito exterior impone un crecimiento rápido de la intensidad, en esta zona la densidad de corriente puede alcanzar un gran valor.
- Como el cristal no es homogéneo, existen zonas donde la densidad de Intensidad es mayor (puntos calientes).

b) Efectos:
- En la conmutación de bloqueo a conducción la potencia instantánea puede alcanzar valores muy altos.
- La energía disipada producirá un calentamiento que, de alcanzar el límite térmico crítico, podría destruir el dispositivo.

            7.4    PROTECCIONES CONTRA dV/dt Y dI/dt.

            Solución: colocar una red RC en paralelo con el SCR y una L en serie. Calculo: método de la constante de tiempo y método de la resonancia.

 Circuito de protección contra dV/dt y dI/dt.

            7.4.1    Método de la constante de tiempo.

• Cálculo de R y C:
1.    Se calcula el valor mínimo de la constante de tiempo ζ de la dV/dt del dispositivo y  el valor de R y C:

                                             ζ = ( 0,63 × V_DRM ) / ( dV/dt )_mín  

                                            C = ζ / R_L

                                            R_s = V_A(máx) / ( I_TSM - I_L ) × Γ
donde:   

V_DRM = tensión de pico repetitiva de bloqueo directo.
I_L = corriente en la carga.
R_L = resistencia de carga.
I_TSM = corriente directa de pico no repetitiva.
V_A(máx) = tensión de ánodo máxima.
Γ = coeficiente de seguridad (de 0,4 a 0,1).
2.    Hallamos el valor de R_mín que asegura la no superación de la dI/dt máxima especificada (a partir de la ecuación de descarga de C):

                                            R _mín  = ( V_A(máx)   / ( dI /dt ) × C )^½

• Cálculo de L:                 

                                             L = V_A(máx)  / ( dI / dt)

            7.4.2    Método de la resonancia.

-    Elegimos R, L y C para entrar en resonancia.

     El valor de la frecuencia es:                                                              f = (dV / dt ) /  2p V_{A (máx)}

En resonancia:  

                                             f =  1 /  2p (LC)^½     Þ    C =  1 / ( 2pf )²L

El valor de L es el que más nos interese, normalmente:  L= 50 µH.

El valor de R será:                R_s = (L / C)^½

            7.5    LIMITACIONES DE LA TEMPERATURA.

    En los semiconductores de potencia, se producen pérdidas durante el funcionamiento que se traducen en un calentamiento del dispositivo.   

    Si los períodos de bloqueo y de conducción en un tiristor son repetitivos, la potencia media disipada en un tiristor será:

 

    La potencia disipada en los tiristores durante la conducción, es mucho mayor que la disipada durante el bloqueo y que la potencia disipada en la unión puerta - cátodo. Podemos decir que las pérdidas con una tensión de alimentación dada y una carga fija, aumentan con el ángulo de conducción (α).

    Si la conducción se inicia en t₁ y termina en t₂, la potencia media de perdidas será:

    Si representamos la V_AK en función de la I_A, tendremos la siguiente relación:       

V_AK =  V₀ +  I_A × R
 

   V₀ y R son valores aproximadamente constantes para una determinada familia de tiristores y para una determinada temperatura de la unión. En éste caso nos encontraremos dentro de la zona directa de la curva característica (Figura 12).

    Operando con las ecuaciones anteriores:

P_AV  =  V₀ × I_A(AV)  +  R × ( I_A(RMS))²

    Esta ecuación se encuentra representada mediante curvas para distintas formas de onda (sinusoidal, rectangular,...) y para distintos ángulos de conducción en la figura siguiente. 
     La potencia que se disipa, depende del valor medio de la corriente y del valor eficaz, entonces dependerá del factor de forma:
                                                                                                          

                                                                                                                                          a = f =  I_A(RMS)  /  I_A(AV) 

Una vez elegido el tiristor y teniendo en cuenta los parámetros más importantes como son la potencia total disipada y temperatura, y calculada también la potencia media que disipa el elemento en el caso más desfavorable, procederemos a calcular el disipador o radiador más apropiado para poder evacuar el calor generado por el elemento semiconductor al medio ambiente.