¿Qué es un tiristor de cierre de puerta y su funcionamiento?

Un dispositivo semiconductor de estado sólido como un tiristor no es un interruptor completamente controlado. Su funcionamiento puede ser así, puede ponerse en ON a través de un terminal de puerta, pero no puede ponerse en OFF utilizando un terminal de puerta. Cuando el tiristor se pone en ON y no se pone en OFF, incluso si desconectamos los impulsos de la puerta. Por tanto, no hay ningún control para desactivar el interruptor tiristor. Una vez que se interrumpe la corriente principal, el interruptor se desactiva. Por lo tanto, es difícil de utilizar en la aplicación en la que el suministro principal no debe interrumpirse. Como la conversión del circuito DC-AC y DC-DC. Para desactivar el tiristor hay que utilizar un circuito de comunicación caro y voluminoso. Para superar este problema, se utiliza el dispositivo GTO (Gate Turn-Off Thyristor). Se trata de un dispositivo controlado por corriente, similar a un tiristor normal. En este artículo se presenta una visión general de un Tiristor de puerta apagada.

¿Qué es un tiristor de cierre de puerta?

El término GTO significa "Gate Turn off Thyristor". Es un dispositivo de conmutación semiconductor bipolar que incluye tres terminales: ánodo, cátodo y puerta, como un tiristor convencional. Tiene la capacidad de apagar la puerta. Este dispositivo se utiliza para encender y apagar el suministro de corriente principal a través de un circuito de accionamiento de puerta. A continuación se explican los fundamentos del tiristor de cierre de puerta.

El Símbolo del tiristor de cierre de puerta se muestra a continuación. Para activar el GTO en el modo de conducción, se requiere una pequeña corriente positiva en la puerta, así como un impulso negativo en el terminal de la puerta; y es capaz de desconectarse. En la siguiente imagen, incluye flechas dobles que diferencian el tiristor del tiristor ordinario. Estas flechas especifican principalmente el flujo de corriente en el bidireccional a través del terminal de puerta.

Para desactivar el GTO, utiliza una corriente de puerta alta. Como alternativa, en el estado de conducción, este tiristor funciona como un tiristor normal, incluyendo una pequeña caída de tensión en estado ON. La velocidad de conmutación de este tiristor de desactivación de puerta es más rápida que la de un tiristor normal, y también tiene altas capacidades de corriente y tensión en comparación con los transistores de potencia.

En la actualidad, se pueden obtener diferentes tipos de GTO en el mercado, incluyendo las capacidades de tensión simétrica y asimétrica. Los GTO simétricos no son más que un GTO con capacidades de bloqueo idéntico hacia delante y hacia atrás, aplicables en los inversores de fuente de corriente, pero son bastante lentos. Los GTO asimétricos (A-GTO) se aplican sobre todo por su menor caída de tensión en estado ON, así como por sus características de temperatura constante.

Construcción del tiristor de cierre de puerta

La estructura del tiristor de desactivación de puerta es similar a la de un tiristor normal porque incluye 3 uniones y 4 capas PNPN. Un GTO es un dispositivo PNPN de tres terminales como el ánodo, el cátodo y la compuerta. En este tipo de tiristor, el terminal anódico está compuesto por una capa p+ a través de dedos de tipo n+ difundidos en su interior.

La capa N+ de este tiristor está altamente dopada para conseguir una alta eficiencia del emisor y proporciona un terminal catódico. Así, la tensión de ruptura de la unión como J3 es baja y el valor típico de la tensión de ruptura oscila entre 20 y 40V. El nivel de dopaje de la capa P debe ser bajo para mantener una excelente eficiencia del emisor. Del mismo modo, para tener unas buenas propiedades de desconexión, el dopaje de la región debe ser alto.

La unión anódica puede definirse como la unión entre el ánodo P+ así como la base N se conoce como unión anódica. La unión anódica de alta eficiencia puede obtenerse a través de una región anódica P+ fuertemente dopada, de modo que se puedan conseguir las propiedades de un buen interruptor ON. Sin embargo, la capacidad de conmutación en OFF se ve influida por este tipo de GTOs.

Por lo tanto, este problema se puede resolver iniciando capas de N+ fuertemente dopadas a intervalos normales dentro de la capa anódica de P+. Así, en la unión J1, esta capa N+ hará contacto directo a través de la capa N. Así, los electrones pueden pasar de la región de la base al contacto metálico del ánodo P+ sin provocar la inyección de agujeros, por lo que se conoce como estructura GTO con ánodo en cortocircuito.

Debido a estos cortocircuitos anódicos, la capacidad de bloqueo inverso del GTO puede reducirse hacia la tensión de ruptura inversa de la unión J3 y, por tanto, puede aumentar el dispositivo de apagado. Sin embargo, al utilizar varios cortocircuitos anódicos, la eficiencia de la unión anódica puede reducirse y, por tanto, el rendimiento de conexión del GTO puede degradarse. Por lo tanto, hay que tener en cuenta la densidad de cortocircuitos en el ánodo para obtener un buen rendimiento de conexión/desconexión.

Principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento del GTO es el mismo que el de un tiristor de tipo convencional. Una vez que se aplica la corriente de puerta positiva para hacer que el terminal del ánodo sea positivo con respecto al terminal del cátodo, entonces los electrones pueden generarse desde el terminal del cátodo hacia el ánodo. Así, se induce la inyección de agujeros con la ayuda del terminal anódico en la región de la base. Esta inyección de electrones y agujeros es continua hasta que el tiristor de compuerta apagada entra en la región de conducción.

En el tiristor, al principio, la conducción comienza a través del encendido de la región del cátodo contigua al terminal de la puerta. Así, la región restante entra en la conducción a través de la propagación del plasma.
Al contrario que un tiristor, el tiristor de desactivación de compuerta incluye elementos catódicos estrechos que están fuertemente interdigitados a través del terminal de compuerta, por lo que la región de activación temprana es extremadamente grande y la propagación del plasma es escasa. Por lo tanto, el tiristor de compuerta desactivada entra en la región de conducción muy rápidamente.

En el terminal de la puerta, se puede aplicar una polarización inversa para apagar un tiristor conductor haciendo que el terminal de la puerta sea negativo en comparación con el cátodo. En la capa P, se puede extraer una fracción de los huecos utilizando el terminal de puerta para retener la inyección de electrones desde el terminal del cátodo.

En respuesta a esto, se puede extraer una corriente de agujeros adicional mediante el terminal de puerta, lo que da lugar a un mayor control de los electrones desde el terminal del cátodo. Finalmente, a través de la unión de la base p, la caída de tensión puede provocar un sesgo inverso en la unión catódica de la puerta y, por tanto, el tiristor se desactivará.

A lo largo del proceso de extracción de agujeros, el área de la base p se va agotando poco a poco, de modo que la región de conducción puede ser exprimida. Al continuar este procedimiento, la corriente anódica se suministra en zonas remotas formando filamentos con alta densidad de corriente. Por lo tanto, esto puede causar puntos calientes limitados que pueden dañar el dispositivo si no se extinguen rápidamente estos filamentos.

Durante la aplicación de la alta tensión negativa de puerta, estos filamentos se extinguen rápidamente. Debido a la carga almacenada en la región de la base N, la corriente del terminal del ánodo a la puerta fluye continuamente aunque la corriente del cátodo se detenga. Entonces, esto se conoce como corriente de cola, que se descompone exponencialmente cuando los portadores de carga sobrantes disminuyen mediante el procedimiento de recombinación. Cuando el nivel de la corriente de cola disminuye hasta un nivel de corriente de fuga, el dispositivo mantiene las características de bloqueo de avance.

Características V-I

Las características V-I del tiristor de cierre de puerta están relacionadas con las de un TC o tiristor convencional. La corriente de enganche del GTO es mayor que la de un TC. Para el GTO, la corriente de enganche es de 2A, mientras que para un TC oscila entre 100 mA y 200 mA. Las características V-I del GTO se muestran a continuación.

Las características anteriores incluyen principalmente cuatro regiones o modos como el bloqueo hacia delante, la conducción hacia delante, el bloqueo hacia atrás y la conducción hacia atrás.

En el primer modo, como el bloqueo de avance, la tensión se aplica a través del tiristor sin aplicar la señal de puerta +ve. Por lo tanto, no conduce en este modo. Sin embargo, hay una pequeña corriente de fuga que es mucho mayor que la corriente de fuga de un tiristor. En realidad, en este modo, el tiristor de puerta apagada funciona como un transistor con alta tensión y baja ganancia, lo que significa que la corriente anódica es baja. En este modo, el GTO simplemente bloquea la tensión nominal de avance cuando el terminal de la puerta se polariza negativamente hacia el cátodo.

Cuando se da una señal de puerta positiva con la amplitud adecuada al GTO, entonces pasa al modo de conducción de avance. Del mismo modo, cuando se da una tensión inversa a este tiristor, entonces bloquea la tensión inversa hasta un límite, pero en cuanto la tensión inversa alcanza un valor crítico, llamado sobretensión de ruptura inversa, el GTO empieza a conducir en sentido inverso.

Este modo de funcionamiento no destruye el dispositivo si la puerta está sesgada negativamente y el tiempo de esta operación es pequeño. En condiciones de polarización inversa, la capacidad de bloqueo depende principalmente del tipo de GTO. Un tipo simétrico incluye una alta capacidad de bloqueo inverso, mientras que un tipo asimétrico incluye una pequeña capacidad de bloqueo inverso que oscila entre 20-30 V.

Ventajas

El ventajas del tiristor de cierre de puerta incluyen las siguientes.

• El GTO tiene unas características de conmutación extraordinarias
• La configuración del circuito GTO tiene menos peso y tamaño que la unidad de circuito de tiristores.
• No se necesita un circuito de conmutación, por lo que se puede reducir el coste, el peso y el tamaño.
• La velocidad de conmutación del GTO es alta en comparación con el SCR.
• Menos mantenimiento
• La capacidad de aumento de corriente es similar a la de un SCR.
• La capacidad de tensión de bloqueo del GTO es alta
• las capacidades di/dt son mayores en el encendido
• La eficiencia es alta

Desventajas

El desventajas del tiristor de cierre de puerta incluyen las siguientes.

• La pérdida asociada, así como la caída de tensión en estado ON, es más
• La estructura del GTO es multicapa, por lo que el valor de la corriente de activación de la puerta es alto en comparación con el tiristor convencional.
• Altas pérdidas en el circuito de accionamiento de la puerta
• La caída de tensión del estado ON a través del tiristor de apagado de la puerta es mayor.
• La magnitud de la corriente de enganche y retención es alta en comparación con el SCR
• El valor de la corriente de enganche es de 2A, mientras que para un SCR oscila entre 100 mA y 500 mA.
• En comparación con el SCR, la corriente de activación del GTO es alta

Aplicaciones

El GTO se utiliza en muchas aplicaciones debido a sus muchas ventajas en comparación con otros tiristores, como las excelentes características de conmutación, el menor mantenimiento y la no necesidad de un circuito de conmutación, etc. Las aplicaciones del tiristor de puerta de salida son las siguientes

• En los choppers y en los inversores, se utiliza como dispositivo de control principal.
• Accionamientos de CA
• Accionamientos de CC
• Disyuntores de CC
• Cortacircuitos de CC, si no, accionamientos de CC
• Calentamiento por inducción
• Se utiliza en aplicaciones de tracción por su menor peso
• Aplicaciones de baja potencia
• Las fuentes de alimentación de estabilización de CA
• Se utiliza en inversores, SVC (compensadores estáticos de VAR)
• Se utiliza en sistemas de accionamiento como trenes de laminación, máquinas herramienta y robótica.

Por lo tanto, se trata de una visión general del tiristor de cierre de puerta (GTO) como su construcción, funcionamiento, ventajas, desventajas y sus aplicaciones. Este dispositivo es de la familia de los tiristores y pertenece al grupo de los dispositivos semiconductores de potencia. Este dispositivo puede controlar mediante el encendido/apagado los estados con la ayuda de la puerta o terminal de control. He aquí una pregunta para ti, ¿cuáles son los diferentes tipos de tiristores disponibles en el mercado?