GTO by Davis Puma

INTRODUCCIÓN El SCR tiene una caída en conducción muy baja, pero necesita que el circuito de potencia anule su corriente anódica. ⇒ Esto ha reducido su empleo a circuitos de alterna (bloqueo natural con una conmutación por ciclo).

TEMA 7. TIRISTORES DE APAGADO POR PUERTA 7.1. INTRODUCCIÓN 7.2. ESTRUCTURA Y FUNCIONAMIENTO DEL GTO 7.3. ESPECIFICACIONES DE PUERTA EN EL GTO 7.4. CONMUTACIÓN DEL GTO 7.4.1. Encendido del GTO 7.4.2. Apagado del GTO 7.5. MÁXIMA CORRIENTE ANÓDICA CONTROLABLE POR CORRIENTE DE PUERTA 7.6. OTROS DISPOSITIVOS DE APAGADO DESDE LA PUERTA. 7.6.1. Tiristor Controlado por Puerta Integrada: IGCT. 7.6.2. Tiristor Controlado por Puerta MOS: MCT 7.7. COMPARACIÓN ENTRE LOS DISPOSITIVOS DE POTENCIA. 7.8. ULTIMAS TENDENCIAS EN LA FABRICACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE POTENCIA

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 1 de 23

Desde los primeros años del SCR los fabricantes han intentado conseguir que los SCR pudiesen cortarse desde la puerta ⇒ A principios de los años 80 aparecen los primeros GTOs. Porqué no puede cortarse un SCR desde puerta? CÁTODO (K) PUERTA (G)

VGK<0

Unión Catódica

p Unión de Control

Capa Catódica

Capa de Control

Capa de Bloqueo

Unión Anódica p+

Capa Anódica ÁNODO (A)

Al aplicar una tensión negativa en la puerta (VGK<0), circula una corriente saliente por la puerta. Aparece una focalización de la corriente anódo-cátodo hacia el centro de la difusión n+ catódica debido a la tensión lateral. Esta corriente polariza directamente la zona central de la unión catódica, manteniendo al SCR en conducción.

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 2 de 23

ESTRUCTURA DEL GTO

CARACTERÍSTICA ESTÁTICA DEL GTO

Cátodo

Puerta

BV≈20÷30 V p

VAK np+

Ánodo

Ánodo Sección de un GTO: Las principales diferencias con el SCR son: • Interconexión de capas de control (más delgada) y catódicas, minimizando distancia entre puerta y centro de regiones catódicas y aumentando el perímetro de las regiones de puerta. • Ataque químico para acercar el contacto de puerta al centro de las regiones catódicas. • Regiones n+ que cortocircuitan regiones anódicas: • Acelerar el apagado • Tensión inversa de ruptura muy baja

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 3 de 23

Puerta

Puerta Cátodo

Cátodo

Característica estática y símbolos de GTO’s

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 4 de 23

FUNCIONAMIENTO DEL GTO A

A p1

p2 n2

J2 p2

IC2

IC1

puerta, debe ser

IB1

J2 G

IA = IE1

Para conseguir cortar el GTO, con una corriente soportable por la

FUNCIONAMIENTO DEL GTO

G J3

IB2

IK = -IE2 K

Al cebarlo por corriente entrante de puerta, tenemos exactamente el mismo proceso que en el SCR normal. Para bloquearlo, será necesario sacar los transistores de saturación aplicando una corriente de puerta negativa: -

IB2=α1IA-IG ; IC2= -IB1 = (1-α1) IA La no saturación de T2 ⇒ IB2< IC2 /β2 dónde β2= α2 sustituyendo las ecuaciones anteriores en la desigualdad obtenemos:

I B2 <

/(1-α2)

I C 2 ⋅ (1 − α 2 ) (1 − α 1 ) ⋅ (1 − α 2 ) = ⋅ I A; α2 α2

I B 2 = α 1 ⋅ I A − I G− <

luego:

I G− >

IA β off

β off =

α2 α 1 + α 2 − 1 lo mayor posible, para ello

debe ser: α2 ≈1 (lo mayor posible) y α1 ≈0 (lo menor posible). ⇒ α2 ≈1 implica que la base de T2 (capa de control) sea estrecha y poco dopada y que su emisor (capa catódica) esté muy dopado. Estas condiciones son las normales en los SCR. ⇒ α1 ≈0 implica que la base de T1 (capa de bloqueo) sea ancha y tenga una vida media de los huecos muy corta. La primera condición es normal en SCRs de alta tensión, la segunda no, porque ocasiona un aumento de las pérdidas en conducción. Para conseguir una buena ganancia βoff será necesario asumir unas pérdidas en conducción algo mayores. Los cortocircuitos anódicos evitan estas pérdidas extras, al quitar corriente de base a T1 disminuyendo su ganancia sin tener que disminuir la vida media. Respecto a la velocidad de corte de T1, si la vida media de los huecos es larga, el transistor se vuelve muy lento, ya que solo pueden eliminarse por recombinación al no poder difundirse hacia las capas p circundantes por estar llenas de huecos. Los cortocircuitos anódicos aceleran la conmutación de T1 al poder extraerlos (a costa de no soportar tensión inversa).

(1 − α 1 ) ⋅ (1 − α 2 ) ⋅ I A α2 ,

dónde β off es la ganancia de corriente en el momento del corte y vendrá expresada por:

βoff =

α2 α1 +α2 −1

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 5 de 23

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 6 de 23

ESPECIFICACIONES DE PUERTA DEL GTO

GTO Bloqueado

GTO Conduciendo

dIG /dt

CIRCUITO DE EXCITACIÓN DE PUERTA DEL GTO

IGM IGON

Se necesita una fuente de tensión con toma media. Formas de Onda de la Corriente de Puerta a) Para entrar en conducción, se necesita una subida rápida y valor IGM suficientes para poner en conducción todo el cristal. Si sólo entra en conducción una parte y circula toda la corriente, se puede dañar. Nótese que si sólo entra en conducción una parte bajará la tensión ánodocátodo y el resto de celdillas que forman el cristal no podrán entrar en conducción. b) Cuando se ha establecido la conducción se deja una corriente IGON de mantenimiento para asegurar que no se corta espontáneamente. (Tiene menos ganancia que el SCR). -

c) Para cortar el GTO se aplica una corriente IG =IA/βoff muy grande, ya que βoff es del orden de 5 a 10. d) Esta corriente negativa se extingue al cortarse el SCR, pero debe mantenerse una tensión negativa en la puerta para evitar que pudiera entrar en conducción esporádicamente.

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 7 de 23

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 8 de 23

CONMUTACIÓN DEL GTO

Carga + DLC

Turn-on snubber Lon Lon

Don

CONMUTACIÓN DEL GTO. ENCENDIDO POR CORRIENTE POSITIVA DE PUERTA

AMORTIGUADOR DE ENCENDIDO:

Limita la velocidad de subida de la corriente anódica en el encendido, evitando que IA alcance valores muy altos cuando aún no puede circular por todo el cristal (podría subir mucho debido a la recuperación inversa de Df )

∂IG /∂t, Limitada por las inductancias parásitas IG I GON

IGM AMORTIGUADOR DE APAGADO:

Limita la velocidad de subida de la tensión anódica en el apagado, las evitando que al subir VAK corrientes por las capacidades de las uniones lo ceben de nuevo

t I A : Sin amortiguador de encendido IA

td IAmax : Limitada por el amortiguador de encendido

Turn-off snubber

t V AK

Lσ LS

GTO

Inductancia parásita de las conexiones

Formas de Onda en el Encendido del GTO

Circuito para el Estudio de la Conmutación del GTO: Al no poder hacerlo funcionar sin estos componentes auxiliares, vamos a estudiar la conmutación del GTO sobre este circuito completo.

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 9 de 23

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 10 de 23

CONMUTACIÓN DEL GTO. APAGADO POR CORRIENTE NEGATIVA DE PUERTA IG

MÁXIMA CORRIENTE ANÓDICA CONTROLABLE POR CORRIENTE DE PUERTA EN UN GTO Cátodo

IGON t

+ Puerta n

nt Resonancia de Cs y Lσ (Pérdidas) t Formas de Onda en el Apagado del GTO

Puerta

tcola

VAK

Puerta

Focalización de la IA debido al potencial lateral⇒ Aumento de la resistividad

⇒ Al aplicar una corriente negativa por la puerta, se produce un campo lateral, que provoca que la corriente anódica se concentre en los puntos mas alejados de las metalizaciones de puerta. ⇒ Esto hace que aumente la resistividad de la capa de control. ⇒ Para que circule la corriente IG requerida, se necesita más tensión. ⇒ Si sube IA se necesita aún más tensión -VGK. ⇒ Se podrá subir -VGK hasta la tensión de ruptura de la unión Puerta-Cátodo. ⇒ Esta ruptura definirá la máxima corriente controlable desde la puerta

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 11 de 23

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 12 de 23

TIRISTOR CONTROLADO POR PUERTA INTEGRADA: IGCT

FUNCIONAMIENTO DEL IGCT

GTO y Diodo de la misma tensión de ruptura. Para integrarlos en la misma oblea, hay que hacer el diodo más ancho ⇒ Más pérdidas

¾ IGCT y Diodo de la misma tensión de ruptura. Se integran sin problemas. ¾ Se suprimen los cortocircuitos anódicos, se sustituyen por una capa anódica “transparente” a los electrones (emisor del transistor pnp muy poco eficaz ⇒ α1 muy pequeña. Esto permite hacer un dispositivo PT ⇒ más estrecho con menores pérdidas en conducción. ¾ Se mejora el diseño de la puerta (muy baja inductancia) ⇒ 4.000 Amp/µs (con una tensión Puerta-Cátodo de sólo 20V). Apagado muy rápido ⇒ menores pérdidas en conmutación.

¾ En el IGCT, se consigue transferir TODA la corriente catódica a la puerta rápidamente, de forma que la unión catódica queda casi instantáneamente polarizada inversamente y el apagado del SCR queda reducido al corte del transistor npn ⇒ No es necesario un amortiguador de apagado. ¾ La ganancia de puerta será 1 ya que toda la corriente anódica se transfiere a la puerta.

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 13 de 23

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 14 de 23

ZONA DE OPERACIร N SEGURA DEL IGCT

MODULO CON UN IGCT

4.500V, 3.600Amp. Diรกmetro Oblea: 120 mm

Ejemplo de zona de operaciรณn Segura de un IGCT. (Anรกloga a la de un BJT)

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 15 de 23

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 16 de 23

TIRISTOR CONTROLADO POR PUERTA MOS: MCT

COMPARACIÓN ENTRE LOS DISPOSITIVOS DE POTENCIA

Conductor A

G Doff n Soff

A Doff

n+ p

Son p

Son

off-FET

on-FET

Soff

Don

n+ K

(a) Sección Transversal del p-MCT. (b) Circuito Equivalente

Comparación de la caída de tensión en conducción.

MOS G G

Símbolos del MCT: a) p-MCT

¾ Estructura formada por un SCR y dos transistores MOS (uno para encenderlo y otro para apagarlo) ⇒ Estructura compleja, con muchos requerimientos contradictorios. ¾

IGBT

SCR

GTO

¾ Fácil de controlar ¾ Velocidad ¾ Bajo coste (V<150V) ¾ Salida lineal

¾ Área de silicio ¾ Área de silicio ¾ Muy alta /kVA tensión /kVA ¾ Tensiones y ¾ Área de silicio ¾ Fácil de corrientes /kVA controlar ¾ No “Snubber” muy altas

¾ Alto coste/kVA (V>300V)

¾ Caída en conducción ¾ fmax 50kHz

¾ No se apaga ¾ Circuito de desde la puerta puerta ¾ Pérdidas en Conmutación ¾ “Snubbers”

Comenzaron las investigaciones en 1992, en la actualidad se han abandonado al no poder alcanzar potencias elevadas y no ser competitivo con el MOS en bajas potencias (frecuencia menor y mayor complejidad de fabricación ⇒ mayor costo).

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 17 de 23

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 18 de 23

COMPARACIÓN ENTRE DISPOSITIVOS DE POTENCIA

ULTIMAS TENDENCIAS EN LA FABRICACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE POTENCIA: COOL-MOS

Evolución de la máxima potencia controlable con GTO e IGBT. (Fuente ABB) IMAX (kA) 7 6

GTO

5 4 3 2 1

100 50

10 5 20

7 VMAX (kV)

1 log(f) (kHz)

IGBT ¾ Consiguen que la resistencia en conducción crezca casi linealmente con la tensión de ruptura del dispositivo en vez de crecer con una potencia 2.6. Esto los hace interesantes para tensiones altas (600 a 1500Voltios). ¾ Existen comercialmente (Infineon).

MOS

Máximas tensiones, corrientes y frecuencias alcanzables con transistores MOS, IGBT y GTO Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 19 de 23

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 20 de 23

ULTIMAS TENDENCIAS EN LA FABRICACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE POTENCIA: IEGT Injection Enhanced Gate Thyristor: IEGT ¾ La razón por la que la caída en conducción de un SCR o GTO es menor que en el IGBT radica en la doble inyección de portadores (desde el cátodo y desde el ánodo). ¾ En el IGBT la inyección desde la fuente es muy limitada. ¾ En el IEGT, se consigue que la capa de fuente tenga una eficiencia muy alta (optimizando los perfiles de los dopados)

ULTIMAS TENDENCIAS EN LA FABRICACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE POTENCIA: HiGT

Sección de una celdilla elemental

Fuente

Sección de una celdilla elemental Puerta

óxido de puerta

óxido de puerta +

canal

(sustrato)

Puerta

SiO 2

Fuente

−

p+ (oblea)

Capa de Inyección

Drenador

a) IGBT

canal

−

Región de arrastre del

Drenador

Capa de Almacenamiento

(sustrato)

n Región de arrastre del

Drenador

Capa de Almacenamiento

p+ (oblea)

Capa de Inyección

Drenador

b)HiGT (Hitachi)

¾ La caída en conducción puede ser comparable a la del GTO para los dispositivos existentes de 4.500V y 1.500Amp. ¾ En investigación (Toshiba) ¾ Existen variantes (HiGT Hitachi)

El efecto es parecido al obtenido en el IEGT.

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 21 de 23

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 22 de 23

ULTIMAS TENDENCIAS EN LA FABRICACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE POTENCIA: COMPARACIÓN ENTRE LOS DISPOSITIVOS NUEVOS Y LOS CONSOLIDADOS

Comparación de la caída en conducción de dispositivos nuevos y consolidados

Tema 7. Tiristores de Apagado por Puerta. Transparencia 23 de 23