Dispositivos multijuntura: tiristores e IGBT
Un pulso de microsegundos en la compuerta y el tiristor queda conduciendo solo hasta el próximo cruce por cero. Es el mismo mecanismo que, sin que nadie lo quiera, funde un circuito CMOS en el latch-up.
01Cuatro capas, tres junturas
Un tiristor (o SCR, rectificador controlado de silicio) es una estructura PNPN: ánodo P, una N liviana y ancha que soporta la tensión, una P que lleva el terminal de compuerta, y un cátodo N. Tiene tres junturas en serie, y con el ánodo positivo la del medio queda en inversa y bloquea. Hasta ahí parece un diodo que no conduce en ningún sentido. La gracia está en que, una vez que empieza a conducir, se mantiene conduciendo solo, aunque se retire la señal de compuerta.
Es un dispositivo de potencia: los hay de algunos amperes para controlar una lámpara y de varios kilovolts y miles de amperes, hechos sobre una oblea entera de silicio, para las estaciones de transmisión en corriente continua de alta tensión.
02El modelo de dos transistores
La estructura PNPN se puede cortar en dos transistores entrelazados: un PNP formado por las tres primeras capas y un NPN por las tres últimas. El colector de cada uno alimenta la base del otro. Con ganancias de base común \( \alpha_1 \) y \( \alpha_2 \), la corriente de ánodo queda
Esa es la realimentación positiva: un pulso de compuerta hace conducir al NPN, su colector da base al PNP, el PNP le devuelve más corriente de base al NPN, y en microsegundos los dos quedan saturados. Desde ese momento la compuerta ya no manda. El tiristor se apaga solo cuando la corriente de ánodo baja de la corriente de mantenimiento \( I_H \), lo que en corriente alterna ocurre sola en cada cruce por cero.
| Forma de disparo | Qué pasa |
|---|---|
| Pulso de compuerta | La manera normal y controlada |
| Tensión de ruptura directa | La corriente de fuga crece hasta que \( \alpha_1 + \alpha_2 = 1 \) |
| \( dv/dt \) excesivo | La corriente que carga la capacidad de la juntura central actúa como corriente de compuerta: un disparo no deseado |
| Temperatura | Suben las fugas y las ganancias |
| Luz | Pares generados en la juntura central; los tiristores de las válvulas de alta tensión se disparan por fibra óptica |
03Control de fase
En una red de alterna, disparar el tiristor con un retardo \( \alpha \) respecto del cruce por cero deja pasar solo la parte final de cada semiciclo. Variando el ángulo se regula la potencia entregada a la carga sin disipar casi nada en el control. Con carga resistiva y control de onda completa:
Una carga resistiva de 100 Ω en la red de 220 V y 50 Hz, controlada por un tiristor (media onda) o por un TRIAC (onda completa). Elegís el ángulo de disparo: el gráfico muestra la red, la tensión sobre la carga y los pulsos de compuerta en un ciclo.
04La familia de cuatro capas
| Dispositivo | Estructura | Uso |
|---|---|---|
| TRIAC | Dos tiristores en antiparalelo con una compuerta común | Dimmers, control de velocidad de motores universales, relés de estado sólido |
| DIAC | Dispara en los dos sentidos al superar unos 30 V, sin compuerta | Genera el pulso de disparo del TRIAC en un dimmer |
| GTO | Tiristor que se puede apagar con una corriente de compuerta negativa grande | Tracción eléctrica y grandes convertidores, hoy casi reemplazado |
| Optoacoplador con TRIAC | Un LED que dispara un TRIAC por luz, aislado | Maneja un TRIAC de potencia desde un microcontrolador |
Las mismas cuatro capas aparecen sin querer en los circuitos CMOS: el latch-up del inversor CMOS es un tiristor parásito que se dispara y cortocircuita la alimentación, y el modelo de dos transistores explica por qué se evita poniendo contactos de sustrato cerca de cada transistor: bajan las ganancias parásitas.
05El IGBT
El transistor bipolar de compuerta aislada (IGBT) combina un MOSFET a la entrada con un bipolar PNP a la salida: la compuerta se maneja con tensión, casi sin corriente, como un MOS, y la corriente principal la conduce una estructura bipolar. Tiene también cuatro capas, pero está diseñado para que el tiristor parásito nunca se dispare.
Su ventaja es la modulación de conductividad: al conducir, la capa P de colector inyecta huecos en la región N liviana que soporta la tensión y la llena de portadores, bajando mucho su resistencia. Un MOSFET de 1200 V tiene que tener esa región liviana y gruesa y conduce mal; el IGBT, con la misma región inundada de portadores, cae apenas unos 1,5 a 2 V. El costo es la corriente de cola al apagar, mientras se recombinan esos portadores, que limita la frecuencia a decenas de kilohertz.
| MOSFET de potencia | IGBT | Tiristor | |
|---|---|---|---|
| Control | Tensión | Tensión | Pulso de corriente; no se apaga por compuerta |
| Rango típico | Hasta unos cientos de volts | 600 V a 6,5 kV | Hasta más de 8 kV |
| Frecuencia | Cientos de kilohertz | Hasta decenas de kilohertz | La de la red |
| Uso | Fuentes conmutadas | Inversores de motores, soldadoras, cocinas de inducción | Control de fase, transmisión en alta tensión |
06En el laboratorio
Las actividades con 220 V se hacen con transformador de aislación, con el circuito montado en gabinete y bajo supervisión del docente. El osciloscopio no se conecta directamente a la red: se usan puntas diferenciales.
Con un tiristor, una fuente de 12 V continua y una lámpara de 12 V, disparar con un pulsador en la compuerta y verificar que la lámpara sigue encendida al soltarlo. Bajar la tensión hasta que se apague y estimar la corriente de mantenimiento.
Armar un tiristor con un BC548 y un BC558 conectados según el modelo, y verificar que se enclava igual que el integrado.
Con un dimmer comercial de TRIAC y DIAC alimentado desde un transformador de aislación de baja tensión, observar con el osciloscopio la tensión sobre la carga y medir el ángulo de disparo para tres posiciones del potenciómetro.
07Errores frecuentes
- Esperar que el tiristor se apague al retirar la compuerta. Queda enclavado hasta que la corriente baje de \( I_H \).
- Usar un tiristor común en corriente continua sin prever cómo apagarlo. En continua la corriente nunca pasa por cero.
- Olvidar la red amortiguadora. Sin un RC en paralelo, el \( dv/dt \) de la red o de la carga inductiva dispara al dispositivo sin querer.
- Medir con el osciloscopio referido a tierra en la red. La masa de la punta cortocircuita el circuito.
- Confundir el IGBT con un MOSFET grande. Conduce con una caída casi fija, no con una resistencia, y tiene corriente de cola al apagar.
08Autoevaluación
¿Por qué el tiristor sigue conduciendo sin corriente de compuerta?
Porque cada uno de los dos transistores del modelo le da corriente de base al otro; con \( \alpha_1 + \alpha_2 = 1 \) la realimentación se sostiene sola.
¿Cómo se apaga un tiristor en un circuito de alterna?
Solo: en cada cruce por cero la corriente baja de la de mantenimiento.
Con un TRIAC y \( \alpha = 90° \), ¿qué fracción de la potencia máxima recibe una carga resistiva?
La mitad: \( (\pi - \pi/2 + 0)/\pi = 0{,}5 \).
¿Qué es la modulación de conductividad del IGBT?
La inundación de la región de deriva con portadores inyectados por el colector P, que baja su resistencia al conducir.
¿Qué relación hay entre el tiristor y el latch-up?
El latch-up es el disparo de un tiristor parásito formado por las regiones P y N de un circuito CMOS.
09Para ampliar
- B. Jayant Baliga. Fundamentals of Power Semiconductor Devices. 2.ª ed., Springer, 2019. La referencia sobre tiristores, IGBT y MOSFET de potencia, escrita por el inventor del IGBT.
- Muhammad H. Rashid. Power Electronics: Devices, Circuits, and Applications. 4.ª ed., Pearson, 2014. El control de fase y los circuitos de disparo, con muchos ejemplos resueltos.
- Ned Mohan, Tore M. Undeland y William P. Robbins. Power Electronics: Converters, Applications, and Design. 3.ª ed., Wiley, 2003. Los dispositivos vistos desde el convertidor: qué exige cada aplicación.