El Amanecer de la Tecnología Tiristor: Rectificadores Controlados de Silicon (SCRs)

El sistema de control de pulsos de silicona, que se ha convertido en un dispositivo de control de potencia moderno, se ha convertido en un dispositivo de control de la corriente de cuatro capas, se ha convertido en un dispositivo de retroceso de la corriente de los sistemas de transmisión de energía de los sistemas de transmisión de energía, y se ha convertido en un dispositivo de transmisión de energía de alta tensión.

Estructura y principio operativo

La sección transversal del SCR revela una estructura P-N-P-N de cuatro capas que se comporta como dos transistores interconectados: una NPN y un transistor PNP. Cuando se inyecta una corriente de compuerta positiva, el transistor NPN se activa, lo que a su vez conduce al transistor PNP a la conducción. Este bucle de retroalimentación positiva rápidamente conduce al dispositivo a la baja tensión de de de de desación, lo que resulta en un avance

Aplicaciones tempranas y efectos

La introducción de SCRs revolucionó el control de potencia industrial. Antes de su desarrollo, la gran potencia AC fue regulada con reactores estufas ineficientes o conjuntos de generadores de motores voluminosos. Los rectificadores controlados por SCR permitieron ajustar con precisión el voltaje DC variable variar el ángulo de disparo del pulso de la puerta.

Límites inherentes del SCR

Mientras que el SCR fue un tremendo salto hacia adelante, sus limitaciones operativas impulsaron la búsqueda de mejores diseños de tiristoradores. La limitación más significativa es que el SCR sólo puede ser apagado reduciendo la corriente principal debajo de su corriente de tenencia o forzando la corriente a cero, un proceso llamado conmutación. En un circuito DC, esto requiere un circuito de conmutación externa, agregando complejidad, coste y pérdidas. Tres categorías principales de limitaciones se hicieron evidentes.

Desafíos del Mecanismo de Turn-Off

En los circuitos AC donde la corriente atraviesa naturalmente cero, la conmutación es sencilla. Sin embargo, en los circuitos DC, los ingenieros tuvieron que diseñar circuitos de conmutación forzados utilizando condensadores, inductores y tirisores auxiliares para interrumpir la corriente. Estos circuitos eran voluminosos, ineficientes y aumentar el peso del sistema. Para aplicaciones de alta frecuencia, el tiempo necesario para la reducción de frecuencias de los tiempos de tensión se convirtió en un interruptores

Restrictions de control de puerta

Una segunda limitación importante es que la puerta sólo puede iniciar la conducción — no puede extinguirla. Esta falta de desvío controlado por la puerta significa que cualquier condición de falla, como un cortocircuito, no podría ser despejada por el conductor de la puerta. Protección dependía de fusibles de acción rápida o interruptores de circuito, que añadían costo y menor confiabilidad. Además, el circuito de la unidad de puerta requería un pulso continuo (normalmente 100–200 mA para varios interruptores de sensibilidad

Constraints de velocidad de conmutación

El proceso de desprendimiento regenerativo, mientras que robusto, es inherentemente lento. El tiempo de desvío para un SCR estándar es normalmente 1–10 microsegundos, y el tiempo de desvío (tiempo de recuperación reversa) puede ser de hasta 50 microsegundos. Estas velocidades de conmutación lenta limitan la frecuencia de operación máxima a menos de 1 kHz en los circuitos más prácticos.

El Tiristor de la Puerta Turn-Off (GTO)

El desarrollo de la puerta de giro-off tiristor a finales de los años 70 se dirigió a la limitación más crítica del SCR. Un turistor GTO puede ser apagado mediante la aplicación de un pulso de corriente de puerta inversa, lo que lo convierte en un interruptor totalmente controlable — un verdadero dispositivo de de desvío controlado por la puerta .

Mecanismo de estructura y de carga

El GTO mantiene la estructura básica de PNPN tiristor pero con modificaciones significativas para permitir el desvío. La capa N-emitter se segmenta en muchas islas individuales de cátodo, cada una rodeada por la región de la puerta. Esta geometría reduce el efecto de desplegamiento y permite que la puerta desvío de la corriente de la cátodo durante el desvío.

Ventajas sobre los derechos de propiedad intelectual

  • Control total de la puerta: Tanto el turn-on como el turn-off son iniciados por la señal de la puerta, eliminando la necesidad de circuitos de conmutación forzados en aplicaciones DC.
  • Frecuencia de conmutación más alta: Los GTO pueden operar en frecuencias de hasta varios kilohercios, en comparación con unos pocos cientos de hertz para los SCR estándar.
  • Protección simplificada: La capacidad de apagarse a través de la puerta permitió la desactivación suave en condiciones de falla, reduciendo la dependencia de fusibles rápidos.
  • Tamaño y peso reducidos del sistema: Sin circuitos de conmutación externa, los diseños de inversor y de cobre se hicieron más compactos.
  • Mayor eficiencia: Los GTOs mantuvieron baja caída de tensión en el estado (normalmente 1,5-3 V) similar a los SCR, ofreciendo un mejor rendimiento dinámico.

Aplicaciones de los Tirisores de la OGT

GTOs se convirtió en el dispositivo de elección para los inversores de alta potencia de tensión (VSI) utilizados en tracción ferroviaria, grandes motores industriales y compensadores VAR estáticos. El sistema de metro de Tokio, trenes europeos de alta velocidad, y muchas excavadoras mineras dependían de los inversores basados en GTO en los años 80 y 1990.

Otras innovaciones: De GTO a los Tirisores Avanzados

Reconociendo los altos requisitos de la GTO de la corriente de la entrada y el snubber, los investigadores desarrollaron varias estructuras de tiristoradores mejorados en los años 1990 y principios de los 2000. Estos dispositivos tenían como objetivo combinar las bajas pérdidas de conducción de un tiristorador con el control de la puerta de baja potencia de un transistor.

La puerta integrada ha conmutado a Tiristor (IGCT)

El IGCT, introducido por ABB en 1997, integró el chip GTO con un circuito de baja inductancia de puerta de entrada utilizando un solo paquete. La innovación clave fue montar el controlador de puerta lo más cerca posible al tiristor y utilizar un pulso de corriente de puerta muy alta (hasta 4 kA para un dispositivo de 4 kA) para lograr un rendimiento uniforme.

El Emitter Turn-Off (ETO) Tiristor

El ETO Thyristor, desarrollado en el Instituto Politécnico de Virginia y la Universidad Estatal, utiliza un transistor MOS para acortar el emisor de un GTO durante el desvío. Este arreglo reduce el requisito de la corriente de la puerta de desvío a una pequeña señal de puerta MOS (unas pocas voltios en microamperes) mientras conserva la baja caída del estado de turistor.

El Tiristor controlado por MOS (MCT)

El MCT, desarrollado por General Electric y otros a finales de los años 80, integra dos transistores MOS (un canal N y un canal P) en la estructura tiristor para proporcionar el turn-on controlado por la puerta y el desvío. Un MCT se activa aplicando un voltaje positivo a la puerta y se apaga por un voltaje negativo. En teoría, el MCT ofrece las dificultades de conducción más bajas de cualquier semiconductor de potencia de producción de energía.

El Levántate de los transistores bipolares de la puerta aislada y más allá

Mientras los tirisores avanzados continuaron evolucionando, el Transistor Bipolar de la Puerta Aislada (IGBT) surgió como el semiconductor de potencia dominante desde los años 90. El IGBT combina la puerta de alto impacto, controlada por el voltaje de un MOSFET con el voltaje de baja saturación de un transistor bipolar, ofreciendo una unidad de puerta más simple que una GTO y un cambio más rápido que un tiristor.

IGBT y su papel

Los dispositivos IGBT se utilizan ahora en prácticamente todas las aplicaciones de electrónica de energía por debajo de 3,3 kV y niveles de potencia moderados (hasta unos pocos megavatios). Dominan unidades de tracción de vehículos eléctricos, inversores solares y la mayoría de unidades de motor industriales. Los módulos IGBT modernos incorporan múltiples chips con diodos integrados en un solo paquete, logrando corrientes superiores a 3000 A y bloqueando voltajes hasta 6,5 kV.

Comparación con los Tirisores

Al comparar los IGBT con los tirisores, el cambio es principalmente entre pérdidas en el estado y velocidad de conmutación. Los tirisores mantienen una baja caída hacia adelante porque operan en profunda saturación debido a la inyección de portadores minoritarios. Los IGBT, por contraste, tienen una caída de tensión que aumenta con la densidad actual. Para un dispositivo de 4.5 kV, un IGCT puede tener una caída de tensión de 1,5 V, mientras que un IGBT puede caer 2.5 Vristo de la misma

Materiales modernos: Carburo de silicona y herlio Nitride Tiristors

Los sistemas de transmisión de energía de alta velocidad (Sicth) de alta velocidad (Sict) de alta velocidad (Sictt) de alta potencia (Sictt) de alta velocidad (Sictt) de alta velocidad de la serie de sistemas de transmisión de alta resistencia de alta velocidad (Sr.

Tendencias futuras en dispositivos semiconductores de energía

La evolución de los tirisores de SCR a los modernos dispositivos de desvío de puertas demuestra un impulso constante hacia una mayor control, pérdidas más bajas y mayor robustez. Las tendencias futuras apuntan a la integración de los conductores de puertas y circuitos de protección directamente en el módulo de potencia, siguiendo el ejemplo del IGCT.El desarrollo de los tirisores de bloqueo simétrico para los interruptores bidireccionales será crítico para los convertidores de matriz y los transformadores de estado sólido.

Desde los primeros días del SCR en los años 50 hasta los actuales SiC GTOs, la familia tiristor se ha adaptado continuamente para satisfacer las demandas de electrónica de potencia cada vez más compleja. La capacidad de manejar corrientes extremas y voltajes con pérdida mínima de conducción asegura que los dispositivos basados en turistor sigan siendo esenciales en las aplicaciones de máxima potencia, incluso a medida que avancen las tecnologías transistor.