MODELO DE TRES JUNTURAS MODIFICADO PARA SIMULAR TlRlSTORES APAGADOS POR COMPUERTA EN SPICE V.M. GUZMAN, M.1. GIMENEZ, J. RESTREPO (l), J.M. ALLER (2), A. BUENO (3) y J.C. REGIDOR (1) Univ. Simón Bolivar, (1) Depto. de Electrónica y Circuitos, (2) Depto. Conversión y Transporte de Eneryia. Apdo. Postal 89000, Caracas 1080A - Venezuela (e-mail: vguzman@usb.ve) Univ. Simón Bolivar, (3) Sede del Litoral, Depto. Tecnología Industrial, Valle de Caniuri Graride, Parroquia Naiguatá, Apdo. Postal 314, La Guaira - Venezuela (e-mail: abueno@usb.ve)

RESUMEN

Se presenta un modelo para simular el funcionamiento de un tiristor apayado por compuerta (GTO) en el prograiiia SPICE. El modelo emplea la configuración tradicional de tres junturas para representar la estructura interna dcl tiristor, la que ha sido modificada para incorporar el mecanismo de apagado controlado por conipuerta. El rnudclo simúla con precisión las características fundamentales de la operación del GTO y ha sido probado para simular la operación de un circuito inversor. Los resultados han sido comparados con los medidos en el laboratorio sobre uri circuito real. Los resultados demuestran la validez del modelo propuesto y puede ser utilizado para predecir cori exactitud el comportamiento de circuitos de potencia.

MODlFlED THREE-JUNCTION MODEL FOR GATE TURN OFF THYRISTOR SIMULATION WlTH SPICE

ABSTRACT

A model useful for simulating the behavior of a GTO thyristor in SPICE is presented. Tlie model uses tlie tiadition:il three junction approximation to represent the interna1 GTO structure, modified to account for the gate conlrolled turnoff. The model accurately simulates GTO characteristics (controlled gate turn-on and off, VAK and I,, during ori and off times, turn-off tail, etc). The model was tested by simulating the operation of an inverter circuit and compaririy tlio siiiiulatioii iesulls witli iiieasuroineiits tukan ir1 tlie laboralory Iroiri ari actual circuit. Siiico Itiort? wcrc? iiu :;rgriific:;~iil differences between the two data sets. it was concluded that the model was validated and could be used to accurately simulate the behavior of these power circuits.

Keywords: sirnulat~on, SPICE, niodeling, thyrisfor, GTO

Informaoón Tecnológica - Vol. 10 N" 5 - 1999

, La sirnulaciori de circuitos electroiiicos de potencia -: u puede realizarse a nivel de sislernas empleando modelos muy simples. tipo "conmutador ideal" para los dispositivos de potencia. pero estos modelos no son adecuados cuando se necesita una simulacion precisa de los pararnetros de operacion del circuito. como es el caso. por ejemplo, cuando se esta estudiando una nueva configuracion de los ~ircuitos de potencia. o de disparo o de proteccion o amortiguamiento (snubber)

En estas situaciones se requiere de un modelo preciso de cada dispositivo. especialmente de los ~oririiutadores principales. tales como los incluidos en la cornpilacion de modelos presentada por Kraus y Mattausch (1998) Los programas de sirnulacion circuital actualmente en uso. de los cuales SPICE es tal vez el mas extendido, fueron desarrollados para aplicaciones en la simulacion de circuitos integrados de baja potencia, por lo que carecen de modelos adecuados para los dispositivos electronicos de potencia Por lo tanto el diseñador que desee emplear simulacion circuital debe procurarse sus propios modelos para los dispositivos eleclrónicos de potencia, incorporandolos a la simulacion bajo la forma de Fig 1 E l rnotlelo JJ d ~ l G T 0 í-oirir) iiii

subcircuitos en el caso de'SPICE subcir~uito SPlCL

El problema es particularmente complicado cuando se trabaja cori rectificadores controlados apagados por compuerta. GTO. para los cuales se han propuesto varios modelos, tales corno los de Liang el al (1991), Chung et al (1993). Smith et al (1993), Alonso el al (1993), Dutta et al (1994). Guzmán et al (1994), Ma e1 al (1995) y Bayer el al (1995). sin que ninguno haya sido aceotado hasta la fecha como e[ modelo. estandar de referencia. En este trabajo se presenta un nuevo modelo del tiristor apagado por compuerta, o GTO, compatible con el programa de simulacion SPICE, y desarrollado en base a la aproximación de las tres junturas, sobre la cual Avant y Lee (1 984) desarrollaron su ya clásico modelo para el rectificador controlado de silicio (SCR).

Una vez que la estructura de las tres junturas se ha . modificado para incorporar el mecanismo de

apagado por compuerta, segun describen Guzmán el al (1995), el modelo resultante para el GTO (GTO-3J) está compuesto por 24 componentes SPICE. de los cuales 4 son fuentes controladas. Para probar la precisión de los resultados de simulación obtenidos al emplear el modelo GTO- 3J, se estudió la operación de un inversor con un circuito amortiguador (snubber) de condensador comoartido. tal como el descrito oor Bowler et al (1990); esta configuración fue seleccionada por presentar una serie de modos de operación caracteristicos y muy bien definidos, cuya simulación requiere un nivel de precisión alto en los modelos empleados. Adicionalmente tiene la veritaja de qiie existe uri prograriia CAD, publicado por Sanchez e l al (1998) que sistematiza su diseño. facilitando el trabajo con ella.

La cuniparación entre los resiillados ot~l~ri i<lo'; I , o r siniuliici6ri y los iiiedidos sobre el cir(:uilo eii f:I

laboratorio es satisfactoria para torlos 1#.1s parárnelros de los terminales de ariodo y atod do. lo que permite usar el inodelo propuesto {:un seguridad en la siniulación de circuitos de poleii<:i,i que empleen GTO coriio sus corimutadurc?~ principales.

EL MODELO GTO-J3.

El rnodelo propuesto. riiostrado eri Icj fiyiird i eniplea la configuracion clasica de tres juritiir,ii para la estructura principal tipo Reclificador Corilrolado de Silicio del GTO.

Para personalizar el niodelo y lograr r l i i r , represente un dispositivo específico, el valor de la resistencia de conducción. R , las caracleríslicas de los tres diodos que represeiitan las junturas, U;,. D c y Dk, y los valores de las resictericias y condensadores asociados con la regibn de ariudu y la de la juntura inversa (Ra. Rc, Catj. Ca,lll. Ccd. Ccdi f ) deben calcularse de acuerdo cori lo:, procedirnienlos propuestos por Avarit y Lee (1985) para su rnodelo de un SCR geiibricn, incapaz de apagarse bajo el control de la compuerta.

Para encender el dispositivo eri forriia coritrolada. se inyecta corriente a través del feririinal de compuerta, la resistericia de cornpuerta, Ry . y el diodo directo. Dg f . llegando a la "~ i i r i t i i r ; ~ coriipuerla-cálotlo", que sc siiiiul:~ iiicdianle (21

arreglo Rk, Ck, Dk y Vk. La corriente que circula a través de la fuente de prueba. Vk , eiicieride la fuente de corriente controlada, Fc, lo que abre uri

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camino en paralelo con el diodo de bloqueo inverso. Dc Esto inicia el proceso de avaidncha que engancha al GTO en el estado de conduccion Las funciones especificas que caracterizan al GTO y lo dilerencian del SCR genérico se llevan a cabo mediante elementos adicionales, tal como sigue

El apagado controlado por compuerta se inicia cuando el circuito externo de compuerta invierte el sentido de la corrienle de compuerta. forzando la circulacion de una corriente negativa, que sale de la compuerta (si se emplea la convencióri tradicional y se considera que la corriente entrante es positiva)

Los diodos ideales en antiparalelo, Dgf y Dgr. permiten la circulación de corriente de compuerta en los dos sentidos. pero por canales diferentes: el directo (entrante) y el inverso (saliente); la corrierile inversa se mide mediante la fuente Vgr, la cual activa a la fuente de corrienle controlada Ff. Esta fuente, conectada en antiparalelo con Fc, al activarse atrapa a la corrienle de ánodo del dispositivo en un lazo cerrado (Fc-Ff). de forma que la corriente en la fuente Vk cae a cero. Esto apaga a la fuente de corriente Fc, cerrando el camino de conduccion ánodo-catodo y apagando el GTO.

En el proceso de apagado del GTO. la corriente cae rapidamente desde el valor inicial hasta alcanzar aproximadamente el 10% del valor inicial, punto a partir del cual la corriente sigue reduciéndose con una pendiente mucho menor, dando origen a la llamada "cola de corriente". En el modelo. este proceso se simula mediante la fuente de corriente controlada por voltaje Gt, cuya salida depende de una muestra del valor de la corriente ánodo-cátodo que circula a través del dispositivo al iniciarse el proceso de apagado. Esta muestra se toma mediante la fuente de voltaje controlada por corriente Ht. la cual además realiza la conversión de la variable medida a un voltaje. permitiendo asi que el valor final de la corrienle circulante se almacene facilmente como la tensión del condensador Ct.

Dado que la corriente de salida está formada por la suma de las corrientes I F ~ e I G ~ , un ajuste adecuado de los valores relativos de ambas, haciendo que se cumpla la relación I G ~ = 0.1 I F ~ , y de la constante de tiempo del circuito de almacenamiento de la muestra de corriente, permite que la corriente IAK caiga a cero con la sucesión de pendientes que produce la cola de corriente característica del dispositivo.

Para facilitar este ajuste, el modelo se construyo de forma que el conjunto formado por la fuente Ht, el diodo auxiliar ideal Dt (cuya unica funcion es impedir la descarga de CI a Iraves de la fuente) y el par Rt. Ct. resulta independiente del resto del ~ ~ i ~ i i i t o , i-011 0 1 ciinl solo so inlncioiin iiio~li.inln las ganancias de transferencia de las dos fuentes Ht y Gt. que proporcionan dos parametros adicionales a disposicion del diseñador para lograr ajustar el punto de comienzo de la cola de corriente al valor deseado

Tabla 1: Listado del subcircuilo del GTO.

.SUBCKT GTO 1 2 3 'J3 MODELO GTO-3J 'NODO 1 ANODO 'NODO 2 COMPUERTA 'NODO 3 CATODO R 1 4 [R] RA 4 6 [RA] RC 6 7 [RC] DA 4 5 DA IC=OFF V A 5 6 0 D C 7 6 D C FC67POLY(3 )VKVAVGHUI U 1 [ ] D K 7 8 D K CK 7 3 [CK] HT 9 3 VK [ l ] V K 8 3 0 DT910DI CT 10 3 [CT] RT 10 3 [RT] G T 6 3 1 U 3 [ U . l ] DGF 11 7 DI DGR 7 12 DI VGR 11 12 0 RAGP 2 11 [RGAP] .MODEL DA D ([IS] [CJO] [Tí] [BV]) .MODEL DC D ([IS] [CJO] [T I ] [BV]) .MODEL DK D ([IS] [BV]) .MODEL DI D

+.ENDS

De hecho, la eliminación de todo este conjunto de componentes. junto con la fuerile GI perrnite simplificar el modelo al de un GTO ideal (sin cola de corrienle) sin que se afecte la simulación del resto de las propiedades del dispositivo.

La Tabla 1 presenta el modelo de tres junturas de GTO (GTO-3J) listado corno un subcircuilo SPICE La condicion inicial, "IC=OFF", en el diodo DA, es necesaria para evitar ciertos problemas de convergencia numerica que pueden ocurrir cuando el progrania SPICE calcula los puntos tle operaciori iriiciales (analisis DC), esta ~ondic ion no interfiere cori el resto de los ca l~u los y es la uiiica condic~on inicial que debe fijarse para usdr el modelo propuesto El modelo propuesto emplea exclusivaniente componentes defiriidos en la version standard 2G6 de SPICE por lo que puede ser empleado con cualquier iniplementacion de SPICE, eri cualquier plalalorrna computaciorial

PARÁMETROS DEL MODELO

En la tabla 1, los corct~eles indican los paranietros que deben determinarse para "personalizar el modelo", esto es, para lograr que el rnodelc represente a un dispositivo especifico los valores numéricos presentados dentro de algunos corclietes sor1 adecuados para la sirriulaciori de un dispositivo rlr'nprirci. y p i i ~ r l ~ r i iiqnrso coino valores IIIILI~~OS. irlier~liab se de le i i i i i r ~~~ r~ los vdlores exactos correspondientes En las instrucciones MODEL de cada diodo, los parametros nombrados dentro de los corchetes son de iriteres para definir las caracleristicas del GTO. los otros pararnelros del

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diodo son menos significativos en la simulación del GTO; para ellos se pueden emplear los valores estandar usados en el programa SPlCE sin que se produzca una degradación en los resultados de la simulación.

La ganancia de apagado del GTO es lunción del polinomio de control de la luente Ff, lo que permite ajustarla según sea necesario. El circuito externo controla el crecimiento del pulso de corriente de apagado. Cuando este pulso alcanza un valor tal que IF~ es igual a IF~, la corriente principal se anula, y la corriente de compuerta (saliente) proviene del tanque Rk-Ck.

El valor de Ck se debe calcular para que almacene la carga necesaria para mantener el pulso de corriente inversa; el de la resistencia Rk se fija en lunción del condensador y de la duración del pulso de apagado. que esta determinado por la constante de tiempo del par RC.

Los factores de transferencia corriente/voltaje de Ht y voltajelcorriente de Gt se fijan para producir un valor inicial de la corriente de cola, IG~. igual a la fracción de I F ~ caracterlstica del dispositivo. La constante de tiempo RtCt fija la duración de la corriente de cola.

RESULTADOS EXPERIMENTALES

La figura 2 presenta el inversor monofasico con amortiyuador de condensador compartido usado en la simulación y en las pruebas de laboratorio.

En esta configuración, tal como lo describen Bowler et a l (1990), el comportamiento del amortiguador estd fuertemente influenciado por la corriente de carga, presentando tres modos de operación diferentes. según el circuito opere sin carga, con carga baja o con carga alta.

Fig. 2: Circuito de prueba. CTI. CT2,: 2001F; RTl , RT2: 50KiL; RDC: 0,5Q; Cs: 0,44pF; Ln: 56pH; VDC: aiustable, valor máximo 600V.

Esle riivel de corriplelitlad ooerativa. co r r i l ~ i i i ad~~ cori un nurnero rniriirno de corri~orieriles. lo que reduce el tieriipo de sirnulacron (merios de cirico rniiiutos en un PC actual) y elirriiria (~osibles fiic:iiter, de error. hace que este circuito sea un i:arididatu ideal para probar el inodelo del GTO.

Eri las pruebas se sirriulo la oíJerdLrori del (irr.~~rto b ~ j 0 cargas represeritativas de los tres i r i o t l i ~ ~ (le uperacion, y los resultados se ~oriipdr,jrori c,c l r i l . i i lecturas obteriidas cuarido el ~ircui to de labor,itoriv trabaja en las mismas condiciones

Adi~ionalrnente. se estiidiaror~ dos riiecdiiisriiui (Ir redu~cion de la corriente que queda dtrapdtld r i r i el lazo inductancia-diodos despues tle idada corirnutacion con baja carga la reduccion rrie~lr,irite diodos auxilrares adicioriales eri el Icizo y id reduccion mediante resisteri~ias auxilidres en 64 lazo

En todos los resultados qiie se preseri1:iri a continuación la imayeri superior muestra las forrnas de onda observadas en el laboratorio rriediarife uri osciloscopio diyital, niieiitras que la irnagen iriíerior muestra la torrna de onda calculada por el programa de simulación SPlCE y yraticada rriediarile la tierramienta de presentacivn IntuScol~e de la versión IS-SPICE de SPlCE Todas las sirnulaciories se corrieron con uri t ien i~~c i de niuestreo de 20 ris.

La figura 3 preserita la corrierite en el coiiúerisiidur C s y la tensión de ariodo de GT01 duraiite la conmutacióri de apagado de este uitinio, cuarido el circuito opera en el primer niodo. esto es, cuando circula una corriente de carga superior a si l valor critico (Il>llrnl) a través del GTO que va a coririiiitar. Eri este caso la corrierite de carya. qiie se transfiere totalmente al coridensador Cc, a través del diodo 0 2 al comenzar la corirriulaci<~ri [le apagado, es suliciente para caryar Iiiiealnierite a CS hasta su valor final duraiite el iritervalo Id (irilerlock delay) que transcurre entre el apagado del GTO saliente y la aplicación del siguiente pulso de disparo al GTO entrante, con lo que la acciori del arnortiguador terrnina antes de que el GTO eritiarite (GTOu) se encienda y este disposrtivo rio irilerfiere cori la acción del circuito arnortiyuador.

Coino principal dilerericia entre las lorriias irieclidas y las simuladas. obsérvese que la trarisiciGii brusca con la que terrniria la corriente en Cs eri el c:rrcuito real no se presenta en la sirnulaciori. Esto se debe a que, no existierido un rnodelo SPlCE que represente exactaniente el coniporlarriierito de los diodos de conniutacióri rril~ida erri(,leados r:ii este circuito, los diodos 01. D2. DU y DI tiaii sitJo sirnulados coiiio tiiodos SPICE ideales En contraposición al problema causado pur uii ii~rjdelo deficiente del diodo, la figura olrece la ~ ~ r u e b a iiidirecta de que el rr~odelo del GTO siinula ;itJt?cua~Iairieiilo I,i vi!loi;i~l,i(l (I1! ~;1~111i i111. i~. i~~i i il,!l GTO, ya que se observan oscilaciuries ~ ~ d i a s i t ~ i s (riiiging) excitadas por el dildt qtie la <:oriiiiutacrbri de apagado del GTO iniporie en los iridiictnricias parasitas. tanto eri el circuito real corno r:ii el

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simulado. aunque el valor de la inductancia parásita asumido para el cableado evidentemente es rnenor que el real.

La figura 4 presenta las corrientes que circulan eri Cs y DI durante la conmutación de apagado de GTOI. mientras el circuito opera con una corriente de carga inferior al valor crítico (Il<llml), por lo que el amortiguador opera en el segundo modo, en el cual la corriente no es suficiente para cargar c o m p l e t a m e n t e a l c o n d e n s a d o r d e amortiguamientc durante el intervalo td existente entre el apagado del tiristor saliente (GTOl) y el encendido del entrante (GTOu). Ambos juegos de formas de onda muestran claramente como la corriente del arnorliguador permanece constante en el valor 11 durante el intervalo Id. y como sobre este valor se superimpone el pulso sinusoidal de reposición en el momento en que GTOu enciende, al concluir el retardo Id. La corriente de reposicidn proviene de la fuente, y circula por GTOu y la inductancia Ln.

Desde el coniieriro de la (:orirriiil:i(,ioii c l r i ;il~;rc~;irlo y hasta que el coriderisador está curril>lelairierite cargado. toda la corriente circula eri serie a traves d e C s y O t .

Cuando la tensiún eri el condensadur aI(;arir:i sii

valor final, lo que coincide con el valor iiiaxiriio de Ir) corriente eri el circuito amortigiiador. cesa la circulación de corriente por el conderisadur dc amortiguaniierito. Cs. Esto Iiace que la corrierile de carga fuerce la entrada en operacióri (le los diotlus DI y Du, lo que polariza en inverso a GTOu.

Al ocurrir esto. se crea ~ii i lazo cerrado forrriado por los dos diodos del circuito arnortiyuador. D i y 0 2 . y la inductancia de rama. Lrl. en el ciial la energia almacenada en la iriductaricia rriaritierie r ? r i circulación una corrierite atrapada cuyo valor iiiicial es igual al valor pico final de la corrienle eii el condensador Cs. Este es uri lazo <le t~a ja l>erditJ;t. por lo que la corriente preserila tina conslnrile tJe

decaimiento baja, y se prolonga mas alla del fiiinl dcl intervalo presentado en la figura.

Fig. 3: Operación con: Il>llml. A: Corriente en el condensador Cs. B: Tensión ánodo-catodo en GTOl durante su apagado.

Fiy. 4: Operacióti cori II<II~,~I. A. Co i r i e i~ t~ ' CII I:I condensador Cs. B: Corrierite ei i el diodo D i (corriente en el lazo inductancia-diodos).

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Como puede observarse, la forma de onda simulada presenta incluso oscilaciones de segundo orden similares en primera aproximacion a las presentes en las formas de onda medida. dada la dificultad practica de determinar el valor de las > O .. -z impedancias parasitas no se trato de reproducir exactamente este efecto en la simulación, su presencia demuestra que la velocidad de eonmutacion del niodelo es similar a la de los dispositivos reales que representa. lo que se manifiesta en la aplicación de valores similares de dvldt y dildt al resto del circuito La ligera diferencia entre las dos formas de onda de corriente medidas en el laboratorio (los puntos de medicion estan en serie) es el resultado de que, por problemas de acceso, una de las dos corrientes fue leida con una punta de prueba inductiva que introduce un error sisiernatico en el nivel dc de la forma de onda. mientras que en la lectura de la otra se empleó un Tiempo (medido) 1 ps/cm

dispositivo de efecto Hall con una respuesta plana desde dc

La figura 5 presenta la tensión sobre el GTO inferior (GTOl) y la corriente en el diodo inferior del circuito de amortiguamiento, D2, durante la conmutación de apagado de GTOI. cuando el circuito opera en su tercer modo. esto es, con corriente de carga nula. En este modo de operación la conmutación de apagado del GTO saliente es redundante. ya que el dispositivo no está conduciendo cuando recibe la señal de apagado; la corriente de carga, si existe. es saliente y está circulando a través del diodo auxiliar antiparalelo, DI; esta situación no es afectada por la aplicación del pulso de apagado al GTOI.

Inicialmerite no hay transferencia do corriente al c~rcuito de arnorliguamiento y la tensión de Cs no cambia: esta situación se mantiene durante el

0 -

Tiempo (simulado) 1 ps /d iv

intervalo de espera entre el apagado del Fiy 5 Opera~ion sir1 carga 11=0 A Terisiori de dispositivo salienle y el encendido del entrante (el "interlock delay". Id) El disparo del GTO entrante

anodo del GTO inferior duiarile su apaqado 0 Corriente en el diodo inferior del arnortiguador

aplica la tension total de alimentación sobre la inductancia Ln, permitiendo que circule un pulso La forrna de onda siinulada es plana en este purito. de reposición que se encarga de llevar el valor de la ya que, como se indico anleriorrnerit~. los diodos tensión Cs al valor que hubiese alcanzado presentes en el circuito (DI. Du, 01 y Dz) I i i i r i sidv despues de una conmutación a plena carga; las rriodelados como diodos ideales en SPlCE forriias de onda muestran claramente la relación senolcoseno que caracteriza a un circuito oscilante LC casi puro. La corriente en el diodo D2 es la corriente entrante al condensador de amortiguamiento, Cs, Iiasta que el voltaje en el coridensador alcanza el valor de la+ tension de la barra de alimentación positiva (VDC ); después de esto, la corriente remanente en el diodo queda atrapada en el lazo inductancia-diodos, tal como se indicó al describir la operación en el modo 2.

La principal diferencia observable entre las formas de onda calculadas y las medidas es el sobrepaso (overshoot) en el valor de la tensión medida en el condensador, el cual sube transitoriamente por encima del VDC; este sobrepaso equivale a la tensión necesaria para polarizar los dos diodos que estan en serie en el camino de la corriente cuando esta se desvia a la barra DC (D2 y Du).

Las Iiyuras 6 y 7 sor) irnagenes cornpueslds rrue niueslran la evolucion de la corriente atrapada eii el lazo inductanc ia -d iodos despues de coniriutaciones del segundo o tercer tipo. ciiando se emplean dos metodos distintos para disipar la energia atrapada en el lazo

En la figura 6 se prueba Id reduccion rriediarite diodos auxiliares. compardiido la respuesta del circuito original con la que se obtiene ciiando se coriecta un diodo auxilrar en serie cori cada Lino de los diodos del amortiguadur para rnanterier la simetria del circuito, conio se observa, tanto c.n el circuito real como en la simulaciori dI dubldrse el numero de diodos la reduccion es mas rapida pero sigue siendo casi lineal, ya que el lactor deterrninarite es la caidd eri conduc~iori (reduccion por tension en serie)

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.----

- - u "Tiempo (medido): 5fls/cm

u - Tiempo (simulado) : Sps/div.

Fig. 6: Reducción de la corriente atrapada mediante diodos auxiliares. A: Circuito original. 2 diodos. B: Circuito modificado, 4 diodos.

La diferencia que se 0 b s e ~ a erilre el caso real y el simulado se debe al ya mencionado problema de simular diodos rápidos en SPICE; en esta prueba se usó un modelo cuasi-ideal en el que solo se personalizo la caida en conducción.

En la figura 7 se prueba la reducción por resistencia en serie. Por simetría. se debe conectar una pareja de resistencias iguales. una en serie con cada uno de los dos diodos del circuito amortiguador. En ambos casos se observa una reducción exponencial de la corriente, con una constante de tiempo menor en cada caso al aumentar el valor de

l las resistencias intercaladas.

Tiempo (medido): Sps/crn

Tiempo (simulado): 5ps /d iv .

Fig. 7: Reduccion de la corriente atrapada con resistencias auxiliares. A: Circuito original. 0: Dos de 0.25i2 en el lazo. C: Dos de 1i2 en el lazo.

Los valores calculados y los irledidos en el circuito original y en el caso C, con dos resistericias de dos ohm en serie. son muy proxirrios eritre si. La diferencia es mayor cuando se corisidera el caso U. con resistencias de 0,25 otirri, posiblemente porque los electos secundarios (resistencias de contacto. tolerancias, etc.) son niás siyiiilicativus en este caso al ser rnenor el valor de la resistericia intercalada.

La figura U presenta el pulso dc? ~orr ic r i te (le compuerta durante el apagado del GTO, este resultado es el que muestra mayor discrepaiicia entre la lorrna de onda calculada por el progrdnia de sirnulacion y la medida en el circuito real t s ta diferencia es el resultado de una Iimitacion inevitable del modelo propuesto, ya que para trdtar de mantener acotado el numero de coniporienles y reducir el tiempo de siriiulaciori, en este modelo se utilizan dos elementos, el conderisador Ck y la res is tenc ia Rk para determinar ~ u a t r o caracteristicas del pulso de corriente d~ dpayddo su amplitud. su duraciori y las peridieriles d e subida y bajada del pulso

Al ajustar la arnplitud y la duración dt!l pulso. las pendientes quedan deterrriinadas pur la cortstarile de tiempo del circuito. de forma que el frente de subida resulta ser más rápido que el de t~ajada. cosa que no se corresponde con el comportainierito real del disposit ivo. Para solucionar este problema es preciso ernplear un circuito m i s complejo en el modelo, que introduzca más grados de libertad en el proceso de personalización.

T i e r n ~ o (medido): 200ns/cm

Fig. 8: Pulso de corriente de cornpuerta de apagado del GTO.

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O U Tiempo (simulado) 1 Ops/div.

Fig. 9: Corriente dnodo-chtodo del GTO durante el apagado.

La figura 9 muestra la simulación de la corriente de dnodo durante el apagado del GTO; se observa una cola bien definida con unos 20 ms de duraclbn. En este caso no es posible la comparaci6n con el circuito real, ya que esta forma de onda no fue directamente observable en el laboratorio debido a la conexi6n empleada para el circuito amortiguador de apagado (snubber), que hace inaccesible el punto a la sonda de corriente.

CONCLUSIONES

A partir de los resultados experimentales, en base a la comparacidn entre los valores de las variables medidas en el circuito de prueba y los correpondientes valores simulados en SPICE. se puede concluir que:

1-El modelo J3 propuesto para el GTO en este trabajo simula adecuadamente el comportamiento del dispositivo real a nivel de sus terminales principales de dnodo y cdtodo, tanto estática como dindmicamente, durante las conmutaciones de encendido y apagado, por lo que puede usarse para predecir con precisión el comportamiento de un circuito de potencia, siempre que existan modelos adecuados de los demás componentes empleados en el circuito.

2-La simulaci6n del comportamiento del GTO a nivel del terminal de compuerta es menos precisa. ya que con este modelo solo es posible fijar dos de los cuatro par8metros fundamentales del pulso de corriente de apagado: la amplitud, la duraci6n y las constantes de tiempo de subida y bajada. Ajustando la amplitud y la duraci6n del pulso es posible probar el comportamiento del circuito de disparo en primera aproxlmacibn. pero no predeclr completamente el compottamlento del sistema, ya que la forma de onda resultante aumenta la duración total del pulso, al producir una constante de tiempo de calda mayor que la real.

3-El tiempo de simulacibn es razonable, dado el nivel de detalle obtenido, y el costo de simulacibn es bajo. dado que la simulacidn puede llevarse a cabo en cualquier computadora personal, desde una 386 o Macintosh llci en adelante; y el modelo puede correr en todas las versiones del programa

SPlCE que cuiriplan con el estandar bAsico 2GG. incluyendo las versiories de demostración de las im~>lementaciones cornercidles de SPiCE más comunes. cuarido el circuito de polericia ~uri-ipleto no sobrepasa el numero de nodos aceptado por estos programas de distribución yraluita

4-El uso de un rnodelo preciso del coinponerite permite comprobar el furtciorraniier~to del circuilo. incluso eri lo referente a variables que iio sori directamente accesibles en un montaje experimental, por razones de espacio u otras de Iiinitaciones de tipo instrumental.

5-€11 base a todo lo anterior. se puede afirrriar que el modelo J3 propuesto en este trabajo para el GTO es adecuado para uso general. tarito en inguriierla de disefio coirio. especialmente, en la enseñanza universitaria de Elect rón i~a de Potencia

6-El modelo disponible en SPICE para los diodos no simula adecuadamente el comportarniento dinámico de un diodo de potencia rápido (tipo "last turn-olí")), sobre todo en lo relativo al pico de corriente inversa de recuperación; los resultados obtenidos en una simulación que contenga este tipo de dispositivos conmutando deben ser analizados con cuidado para poder descontar la imprecisión de este modelo.

7-Si los modelos de los cornponenles principales son adecuados, la simulación del comportamiento de circuitos electrónicos de potencia con SPICE puede dar información cualitativa sobre el efec!o de los elementos pariisitos (oscilaciones parrisitas, sobrevoltajes. etc.). Esta informacióri es util para alertar al diseñador sobre posibles problemas; la simulación cuantitativamente exacta de los efectos parásitos no es posible durante la etapa de diseño, ya que requiere de datos no disponibles a priori, que dependen del detalle del ensairiblaje del circuito final; de heclio los valores de algunos elementos parásitos solo pueden ser deducidos de las formas de onda reales observadas, dado que un intento de medición directa afecta la geometría del circuito y por lo tanto cambia el valor del parámetro a medir. En este caso la sirnulación puede ser empleada para determinar los valores extremos de estos parámetros, mediante pruebas de aproximación sucesiva.

REFERENCIAS

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