Electrónica de Potencia

Los dispositivos semiconductores utilizados en Electrónica de Potencia se pueden
clasificar en tres grandes grupos, de acuerdo con su grado de contabilidad:

1. Dispositivos no controlados: en este grupo se encuentran los Diodos. Los estados de
conducción o cierre (ON) y bloqueo o abertura (OFF) dependen del circuito de
potencia. Por tanto, estos dispositivos no disponen de ningún terminal de control
externo.

2. Dispositivos semicontrolados: en este grupo se encuentran, dentro de la familia de los
Tiristores, los SCR (“Silicon Controlled Rectifier”) y los TRIAC (“Triode of
Alternating Current”). En éste caso su puesta en conducción (paso de OFF a ON) se
debe a una señal de control externa que se aplica en uno de los terminales del
dispositivo, comúnmente denominado puerta. Por otro lado, su bloqueo (paso de ON a
OFF) lo determina el propio circuito de potencia. Es decir, se tiene control externo de
la puesta en conducción, pero no así del bloqueo del dispositivo.

3. Dispositivos totalmente controlados: en este grupo encontramos los transistores
bipolares BJT (“Bipolar Junction Transistor”), los transistores de efecto de campo
MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”), los transistores
bipolares de puerta aislada IGBT (“Insulated Gate Bipolar Transistor”) y los tiristores
GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”), entre otros.
En los siguientes apartados se detallan las características más importantes de cada uno
de estos dispositivos.

 Diodo de Potencia
Un diodo semiconductor es una estructura P-N que, dentro de sus límites de tensión y
corriente, permite la circulación de corriente en un único sentido. Detalles de funcionamiento,
generalmente despreciados para los diodos de señal, pueden ser significativos para
componentes de mayor potencia, caracterizados por un área mayor (para permitir mayores
corrientes) y mayor longitud (para soportar tensiones inversas más elevadas). La figura 2.1
muestra la estructura interna de un diodo de potencia.

El único procedimiento de control consiste en invertir la tensión ánodo cátodo, no disponiendo de
ningún terminal de control. En régimen transitorio cabe destacar dos fenómenos:
1) Recuperación Inversa: El paso de conducción a bloqueo no se efectúa
instantáneamente. Cuando el diodo conduce una corriente I en polarización directa, la
zona central de la unión está saturada de portadores mayoritarios, y aunque un circuito
externo fuerce la anulación de la corriente aplicándole una tensión inversa, cuando la
corriente pasa por cero aún existe una cantidad de portadores que cambian su sentido
de movimiento y permiten la conducción de una corriente inversa durante un tiempo,
denominado tiempo de recuperación inverso (trr)

2) Recuperación Directa: Es otro fenómeno de retardo de menor importancia que el
anterior, cuando el diodo pasa de bloqueo a conducción,
En el proceso de puesta en conducción, la respuesta del diodo es inicialmente de
bloqueo a la corriente. Siendo esta respuesta quien provoca una sobre tensión Vfp,
ocasionada por la modulación de la conductividad del diodo durante la inyección de
portadores minoritarios. Así el diodo se asemeja a una resistencia donde su valor
decrece con el tiempo. Esta resistencia equivalente está relacionada con la
concentración de portadores minoritarios inyectados. Por tanto Vfp depende de la
anchura y resistividad de la zona central del diodo.


TIRISTOR


El nombre de Tiristor proviene de la palabra griega “ηθνρα”, que significa “una
puerta”. El tiristor engloba una familia de dispositivos semiconductores que trabajan en
conmutación, teniendo en común una estructura de cuatro capas semiconductoras en una
secuencia P-N-P-N, la cual presenta un funcionamiento biestable (dos estados estables).

SCR


El SCR es uno de los dispositivos más antiguos que se conocen dentro de la
Electrónica de Potencia (data de finales de los años 50). Además, continua siendo el
dispositivo que tiene mayor capacidad para controlar potencia (es el dispositivo que permite
soportar mayores tensiones inversas entre sus terminales y mayor circulación de corriente).
El SCR está formado por cuatro capas semiconductoras, alternadamente P-N-P-N,
teniendo 3 terminales: ánodo (A) y cátodo (K), por los cuales circula la corriente principal, y
la puerta (G) que, cuando se le inyecta una corriente, hace que se establezca una corriente en
sentido ánodo-cátodo. La figura 2.4 ilustra una estructura simplificada del dispositivo.

Activación o disparo y bloqueo de los SCR


a) Disparo por tensión excesiva
Cuando está polarizado directamente, en el estado de bloqueo, la tensión de
polarización se aplica sobre la unión J2 . El aumento de la tensión VAK lleva a
una expansión de la región de transición tanto para el interior de la capa de la puerta como
para la capa N adyacente. Aún sin corriente de puerta, por efecto térmico, siempre existirán
cargas libres que penetren en la región de transición (en este caso, electrones), las cuales son
aceleradas por el campo eléctrico presente en J2. Para valores elevados de tensión (y, por
tanto, de campo eléctrico), es posible iniciar un proceso de avalancha, en el cual las cargas
aceleradas, al chocar con átomos vecinos, provoquen la expulsión de nuevos portadores que
reproducen el proceso. Tal fenómeno, desde el punto de vista del comportamiento del flujo de
cargas por la unión J2, tiene el efecto similar al de una inyección de corriente por la puerta, de
modo que, si al iniciar la circulación de corriente se alcanza el límite IL

b) Disparo por impulso de puerta
Siendo el disparo a través de la corriente de puerta la manera más usual de disparar el
SCR, es importante el conocimiento de los límites máximos y mínimos para la tensión VGK y
la corriente IG


c) Disparo por derivada de tensión
Si a un SCR se le aplica un escalón de tensión positivo entre ánodo y cátodo con
tiempo de subida muy corto, del orden de microsegundos, los portadores sufren un
desplazamiento infinitesimal para hacer frente a la tensión exterior aplicada.
Como se comentó para el caso de disparo por tensión excesiva, si la intensidad de
fugas alcanza el valor suficiente como para mantener el proceso regenerativo, el tiristor
entrará en conducción estable y permanecerá así una vez pasado el escalón de tensión que lo
disparó.
El valor de la derivada de tensión dv/dt depende de la tensión final y de la
temperatura, tanto menor cuanto mayores son éstas.
d) Disparo por temperatura
A altas temperaturas, la corriente de fuga en una unión P-N inversamente polarizada
aproximadamente se duplica con el aumento de 8º C. Así, el aumento de temperatura puede
llevar a una corriente a través de J2 suficiente para llevar el SCR al estado de conducción.
e) Disparo por luz
La acción combinada de la tensión ánodo-cátodo, temperatura y radiación
electromagnética de longitud de onda apropiada puede provocar también la elevación de la
corriente de fugas del dispositivo por encima del valor crítico y obligar al disparo.




TRIAC

Un TRIAC es un dispositivo semiconductor, de la familia de los transistores. La diferencia con un tiristor   convencional es que éste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el TRIAC es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna 

GTO

El GTO se emplea actualmente en muchas aplicaciones   interesantes en el dominio de altas potencias cuyo control se realiza fácilmente mediante transistores bipolares 

Los bajos requerimientos de potencia de su control facilitan la aplicación de técnicas de modulación de anchura de pulsos.

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.