Eletrônica de Potência(04 – Tiristores)

Matusalém Martins LanesMárcio do Carmo Barbosa P. Rodrigues

Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas GeraisCampus III – Leopoldina

Engenharia de Controle e Automação

Agosto/2008

IV. Tiristoresi. Introduçãoii. Características dos tiristoresiii. Modelo com dois transistores

de um tiristoriv. Disparo de um tiristorv. Proteção contra di/dtvi. Proteção contra dv/dtvii. Desligamento do tiristor viii. Tipos de tiristoresüTiristores de controle de faseüTiristores de chaveamento rápidoüTiristores de desligamento pelo gatilho – GTOsüTiristores triodos bidirecionaisüTiristores de condução reversa

2

üTiristores de indução estáticaüRetificadores controlados de silício ativados por luzüTiristores controlados por FETüTiristores controlados por MOS

ix. Operação em série de tiristores

x. Operação em paralelo de tiristores

xi. Circuitos de disparo de tiristores

xii. Transistor de unijunçãoxiii. Transistor de unijunção

programávelxiv. Modelamento em SPICE para

tiristores

i. Introdução

Ø Os tiristores são dispositivos de grande importânciana eletrônica de potência.

Ø Operam como chaves biestáveis indo do bloqueio àcondução e vice-versa.

Ø Em muitas aplicações podem ser consideradoschaves ideais porém possuem certas características elimitações que em outras aplicações devem serobservadas.

3

ii. Características dos tiristoresØ Possuem 4 camadas pnpn e 3 terminais e 3 junções pn.

Ø Seus terminais são: Anodo, catado e gatilho (do inglês,gate).

Ø São fabricados por difusão.

Ø Alguns termos importantes:ü Bloqueio direto (forward blocking)ü Bloqueio reverso (reverse blocking)ü Estado ligado (on-state)ü Estado desligado (off-state)ü Corrente de manutenção (holding current) - IHü Ruptura por avalanche (avalanche breakdown)ü Corrente de disparo ou travamento (latching current) - ILü Tensão de ruptura direta (forward breakdown voltage) - VBO

4

5

iii. Modelo com 2 transistores

6

α1 = f(IA, ...) e α2 = f (IA+IG, ...)

Se (α1 + α2) →1 então I → ∞

Portanto, há um efeito regenerativo ou de realimentação positiva que leva otiristor do bloqueio para a condução com uma pequena corrente de gatilho IG.

7

Sob condições transitórias, as capacitâncias das junções pninfluenciarão a curva característica do tiristor.

Se o tiristor estiver bloqueado, uma tensão de crescimento rápido (p. ex degrau) aplicada sobre o dispositivo causará um fluxo elevado de corrente através dos capacitores das junções.

A corrente através do capacitor C2(é o mais representativo, poisrefere-se à única junção reversano estado de bloqueio) é:

iv. Disparo de um tiristor

Ø Térmica. Se a temperatura de um tiristor for elevada,haverá um aumento no número de pares elétrons-lacunas que aumentará as correntes de fuga. Esteaumento nas correntes causará o aumento de α1 e α2devido à ação regenerativa, (α1 + α2) poderão tender àunidade e o tiristor poderá ser disparado. Esse tipo dedisparo pode causar agitação térmica e é normalmenteevitado.

Ø Luz. Se for permitido que a luz atinja as junções de umtiristor, os pares elétrons-lacunas aumentarão; e o tiristorpoderá ser disparado. Os tiristores ativados por luz (doinglês light-activated thyristors) são disparados,permitindo-se que a luz atinja a pastilha de silício.

8

Ø Tensão elevada ou sobretensão. Se a tensão diretaanodo-catodo for maior que a tensão direta de rupturaVBO, fluirá uma corrente de fuga suficiente para iniciar odisparo regenerativo. Esse tipo de disparo pode serdestrutivo e deve ser evitado.

Ø dv/dt. Se a taxa de crescimento da tensão anodo-catodo for elevada, a corrente de carga das junçõescapacitivas pode ser suficiente para disparar o tiristor.Um alto valor de corrente de cargas pode danificar otiristor; e o dispositivo tem de ser protegido contra dv/dtelevado. Os fabricantes especificam o dv/dt máximopermissível dos tiristores.

9

Ø Corrente de gatilho. Se VAK>0 e for feito IGK>0, então irá disparar o tiristor.

ü Se IG aumenta então VBO diminiu.

ü Há um atraso de tempo,conhecido como tempo dedisparo (do inglês turn-ontime - ton), entre a aplicaçãodo sinal de gatilho e acondução do tiristor.

10

ü Os seguintes pontos devem ser considerados noprojeto de circuitos de controle de gatilho:

q O sinal de gatilho deve ser removido após o disparo do tiristor.Um sinal contínuo aumentaria a perda de potência na junção dogatilho.

q Enquanto o tiristor estiver reversamente polarizado, não deveráhaver sinal de gatilho; de outra forma o tiristor poderia falhardevido a um aumento da corrente de fuga.

q A largura do pulso de gatilho iG tem de ser maior que o temponecessário para a corrente de anodo crescer até o valor dacorrente de manutenção IH. Na prática, a largura do pulso iGnormalmente é feita maior que o tempo de disparo do tiristor ton.

11

Ø A capacitância da junção j2 reversamente polarizada emum tiristor é Cj2 = 20 pF e pode ser consideradaindependente da tensão de estado de bloqueio. O valorde limitação da corrente de carga para disparar o tiristoré 16 mA. Determinar o valor crítico do dv/dt.

Solução:

q Cj2 = 20 pF e ij2 = 16 mA

q Como d(Cj2)/dt = 0, tem-se:

12

2 22 2 2

22

2

16 .0 20

800 /

j jj j j

jj

j

dC dVi V C

dt dtdV

m V pdt

dVV s

dtµ

= +

= +

=

v. Proteção contra di/dtü Se a taxa de crescimento da corrente de anodo for muito rápida,

comparada à velocidade de espalhamento do processo de disparo,um "ponto quente" (do inglês hot spot) localizado ocorrerá, devido àelevada densidade de corrente, e o dispositivo poderá falhar, comoresultado da temperatura excessiva.

ü No circuito, se T1 for disparado e Dm estiver conduzindo, o di/dtpoderá ser muito alto e limitado apenas pela indutância parasita docircuito.

ü Os dispositivos práticos devem ser protegidos contra di/dt elevadose a inserção de um indutor (LS) reduz o di/dt.

13

vi. Proteção contra dv/dtü Fechando CH1 (t = 0) surge um degrau de tensão sobre o tiristor T1 e o dv/dt

pode ser elevado o suficiente para dispará-lo.ü O dv/dt pode ser limitado através da conexão do capacitor Cs.ü Quando o tiristor T1 for disparado, a descarga de CS (di/dt) será limitada por RS.

O conjunto (RSCS) é denominado circuito snubber.ü A tensão sobre o tiristor cresce exponencialmente, e o dv/dt pode ser

aproximado por

14

ü A constante de tempo snubber τ = RSCS podeser determinada pela eq. dada para um valorconhecido de dv/dt.

ü O valor de RS é encontrado a partir da correntede descarga ITD.

ü Os circuitos snubbers admitem topologias variadas, dentreas quais, encontram-se:

ü A razão deamortecimento δ é uma eq. de 2ªordem:

ü O dv/dt é limitado por R1 e CS.ü A corrente de descarga é limitada

por (R1 + R2).

üO sobressinal (overshoot), Vmáx,aplicado sobre T1, é ajustadoescolhendo δ na faixa de 0,5 a 1,0.üComo a indutância da carga énormalmente elevada, com RS grandee CS pequeno é possível obter o valordesejado de δ.üUm Rs elevado reduzirá a ITD e um valor baixo de Cs reduzirá as perdas no snubber. üUma vez que a razão deamortecimento seja conhecida, Rs eCs podem ser encontrados.

ü Exemplo: Na figura dada, a tensão de entrada é Vs = 200 Vcom uma resistência de carga de R = 5 Ω. As indutâncias dacarga e parasita são desprezíveis e o tiristor é operado a umafreqüência de fs = 2 kHz. Se o dv/dt desejado for 100 V/µs e acorrente de descarga tiver de ser limitada a 100 A, determinar:

(a) os valores de Rs e Cs(b) as perdas no snubber(c) a especificação de potência do resistor do snubber.

Solução: Dados:qdv/dt=100 V/µsq ITD=100 AqR=5 ΩqL=LS=0qVS=200 V

Pede-se:q RS e CS?q Perdas no

snubber ?q PRs ?

A equação com o tiristor bloqueado é:

Cuja solução para a corrente de carga é:Com:

A tensão sobreo tiristor é:

Fornecendo:

Em t=0,e em t=τ,

RS pode ser calculado como segue:

CS é obtido separando-o na eq de dv/dtanterior resultando em:

a)

b) As perdas no snubber são:

c)Se toda a carga em Cs for dissipadaem RS, SUA a especificação depotência é de 5,2 W

vii. Proteção contra dv/dtü Fechando CH1 (t = 0) surge um degrau de tensão sobre o tiristor T1 e o dv/dt

pode ser elevado o suficiente para dispará-lo.ü O dv/dt pode ser limitado através da conexão do capacitor Cs.ü Quando o tiristor T1 for disparado, a descarga de CS (di/dt) será limitada por RS.

O conjunto (RSCS) é denominado circuito snubber.ü A tensão sobre o tiristor cresce exponencialmente, e o dv/dt pode ser

aproximado por

18

ü A constante de tempo snubber τ = RSCS podeser determinada pela eq. dada para um valorconhecido de dv/dt.

ü O valor de RS é encontrado a partir da correntede descarga ITD.

FIM DO QUARTO CAPÍTULO

19