UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia Eltrica e de Computao Departamento de Sistemas e Controle de Energia Eletrnica de Potncia Jos Antenor Pomilio Publicao FEEC 01/98 Fevereiro de 1998 Revisado em Janeiro de 2002 iiApresentao Otextoqueseseguefoielaboradoparaadisciplina"EletrnicadePotncia" ministradanoscursosde ps-graduao em Engenharia Eltrica na Faculdade de Engenharia Eltrica e de Computao da Universidade Estadual de Campinas.Este um material que vem sofrendo freqentes atualizaes, em funo da constante evoluotecnolgicanareadaEletrnicadePotncia,almdoque,oprpriotextopode aindacontereventuaiserros,paraosquaispedimosacolaboraodosestudantese profissionais que eventualmente fizerem uso do mesmo, enviando ao autor uma comunicao sobre as falhas detectadas. Os resultados experimentais includos no texto referem-se a trabalhos executados pelo autor, juntamente com estudantes e outros pesquisadores e foram publicados em congressos e revistas, conforme indicado nas referncias bibliogrficas. Textossemelhantesforam,ouestosendoproduzidosreferentessdisciplinasde "Fontes Chaveadas" e Condicionamento de Energia Eltrica e Dispositivos FACTS. Campinas, 21 de Janeiro de 2002 Jos Antenor Pomilio JosAntenorPomilioEngenheiroEletricista,MestreeDoutorem EngenhariaEltricapelaUniversidadeEstadualdeCampinas-UNICAMP (1983,1986e1991,respectivamente).professorjuntoFaculdadede Engenharia Eltrica e de Computao da UNICAMP desde 1984. Participou doGrupodeEletrnicadePotnciadoLaboratrioNacionaldeLuz Sncrotron(CNPq)entre1988e1993,sendochefedoGrupoentre1988e 1991.Realizouumestgiodeps-doutoramentojuntoaoDepartamentode EngenhariaEltricadaUniversidadedePdua,Itlia,em1993/94.Foi LiaisondaIEEEPowerElectronicsSocietyparaaRegio9(Amrica Latina)em1998/1999.FoieleitoMemberatLargedoComitde Administrao da IEEE Power Electronics Society para o trinio 2000/2002. FoieditordaRevistaEletrnicadePotncia(99/2000).presidenteda Sociedade Brasileira de Eletrnica de Potncia(2000-2002). iiiContedo 1. COMPONENTES SEMICONDUTORES DE POTNCIA1.1 BREVE REVISO DA FSICA DE SEMICONDUTORES1.1.1 Os portadores: eltrons e lacunas1.1.2 Semicondutores dopados1.1.3 Recombinao1.1.4 Correntes de deriva e de difuso1.2 DIODOS DE POTNCIA1.3 DIODOS SCHOTTKY1.4 TIRISTOR1.4.1 Princpio de funcionamento1.4.2 Maneiras de disparar um tiristor1.4.3 Parmetros bsicos de tiristores1.4.4 Circuitosde excitao do gate1.4.5 Redes Amaciadoras1.4.6 Associao em Paralelo de Tiristores1.4.7 Associao em srie de tiristores1.4.8 Sobre-tenso1.4.9 Resfriamento1.5 GTO - GATE TURN-OFF THYRISTOR1.5.1 Princpio de funcionamento 1.5.2 Parmetros bsicos do GTO1.5.3 Condies do sinal de porta para chaveamento1.5.4 Circuitos amaciadores (snubber) 1.5.5 Associaes em srie e em paralelo1.6 TRANSISTOR BIPOLAR DE POTNCIA (TBP) 1.6.1 Princpio de funcionamento1.6.2 Limites de tenso1.6.3 rea de Operao Segura (AOS)1.6.4 Regio de quase-saturao1.6.5 Ganho de corrente1.6.6 Caractersticas de chaveamento1.6.7 Circuitos amaciadores (ou de ajuda comutao) - "snubber"1.6.8 Conexo Darlington1.6.9 Mtodos de reduo dos tempos de chaveamento1.7 MOSFET1.7.1 Princpio de funcionamento (canal N)1.7.2 rea de Operao Segura1.7.3 Caracterstica de chaveamento - carga indutiva1.8 IGBT (INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR)1.8.1 Princpio de funcionamento1.8.2 Caractersticas de chaveamento1.9 ALGUNS CRITRIOS DE SELEO ENTRE TRANSISTORES1.10 MCT - MOS-CONTROLLED THYRISTOR1.10.1 Princpio de funcionamento1.10.2 Comparao entre P-MCT e N-MCT1.11 MATERIAIS EMERGENTES1.12 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS iv2. TCNICAS DE MODULAO DE POTNCIA2.1 CONTROLE POR CICLOS INTEIROS2.2 CONTROLE DE FASE2.3 MODULAO POR ONDA QUADRADA2.3.1 Modulao com onda quase-quadrada.2.4 MODULAO MULTINVEL2.5 MODULAO POR LARGURA DE PULSO - MLP2.6 MODULAO EM FREQNCIA - MF2.7 MODULAO POR LIMITES DE CORRENTE - MLC (HISTERESE)2.8 MODULAO MLP COM FREQNCIA DE PORTADORA VARIVEL2.9 ELIMINAO DE HARMNICAS2.10 OUTRAS TCNICAS DE MODULAO2.10.1 Controle One-cycle2.10.2 Controle de carga2.10.3 Modulao Delta2.11 MODULAO VETORIAL2.11.1 Saturao2.12 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 3. CONVERSORES CA-CC - RETIFICADORES3.1 RETIFICADORES NO CONTROLADOS3.1.1 Retificadores no-controlados com entrada trifsica3.2 FATOR DE POTNCIA3.2.1 Definio de Fator de Potncia3.2.2 Desvantagens do baixo fator de potncia (FP) e daalta distoro da corrente3.3 NORMAS IEC 1000-3-2: DISTRBIOS CAUSADOS POR EQUIPAMENTO CONECTADO REDEPBLICA DE BAIXA TENSO3.4 RETIFICADORES COM ALTO FATOR DE POTNCIA3.4.1 Solues passivas3.4.2 Solues ativas para retificadores com alto FP3.5 COMUTAO3.6 RETIFICADORES CONTROLADOS3.6 ASSOCIAO DE RETIFICADORES3.7 RETIFICADOR MLP3.7.1 Equaes bsicas3.7.2 Absoro de reativos3.7.3 Controle da corrente CC3.8 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 4. CONVERSORES CC-CC PARA ACIONAMENTO DE MQUINAS DE CORRENTE CONTNUA4.1 PRINCPIOS DE ACIONAMENTO DE MQUINAS DE CORRENTE CONTNUA4.1.1 Equaes estticas4.1.2 Equaes dinmicas4.1.3 Quadrantes de operao4.2 TOPOLOGIAS DE CONVERSORES PARA ACIONAMENTO DE MCC4.2.1 Conversor Classe A4.2.2 Conversor Classe B4.2.3 Conversor Classe C4.2.4 Conversor Classe D v4.2.5 Conversor Classe E4.3 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 5. TOPOLOGIAS BSICAS DE FONTES CHAVEADAS5.1 CONVERSOR ABAIXADOR DE TENSO (STEP-DOWN OU BUCK): VOE5.2.1 Modo de conduo contnua5.2.2 Modo de conduo descontnua5.2.3 Dimensionamento de L e de C5.3 CONVERSOR ABAIXADOR-ELEVADOR (BUCK-BOOST)5.3.1 Modo de conduo contnua5.3.2 Modo de conduo descontnua5.3.3 Clculo de L e de C5.4 CONVERSOR `CUK5.4.1 Dimensionamento de C15.4.2 Dimensionamento de L15.4.3 Clculo de L25.4.4 Clculo de Co (capacitor de sada)5.5 CONVERSOR SEPIC5.6 CONVERSOR ZETA5.7 CONVERSORES COM ISOLAO5.7.1 Conversor `Cuk5.7.2 Conversores SEPIC e Zeta isolados5.7.3 Conversor fly-back (derivado do abaixador-elevador) 5.7.4 Conversor forward (derivado do abaixador de tenso) 5.7.5 Conversor push-pull 5.8 CONSIDERAO SOBRE A MXIMA TENSO DE SADA NO CONVERSOR ELEVADOR DE TENSO5.9 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 6. CONVERSORES CC-CA COMO FONTES DE ALIMENTAO COM FREQUNCIA FIXA 6.1 REQUISITOS DE QUALIDADE NA ALIMENTAO DE EQUIPAMENTOS SENSVEIS6.2 CLASSIFICAO DAS UPS6.3 OUTRAS CARACTERSTICAS DE UPS6.3.1 Forma de onda da sada6.3.2 Isolao eltrica6.3.3 Paralelismo6.4 COMPONENTES DE UMA UPS ESTTICA6.4.1 Retificador6.4.2 Inversor6.4.3 A chave esttica ou by-pass 6.5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 6.5.1 Linha prioritria 6.5.2 Inversor prioritrio 6.6 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS vi 7. CONVERSORES CC-CA PARA ACIONAMENTO DE MQUINA DE INDUO TRIFSICA7.1 MODELAMENTO DA MQUINA DE INDUO TRIFSICA7.2 MTODOS DE CONTROLE DA VELOCIDADE DE MQUINA DE INDUO7.2.1 Controle pela resistncia7.2.2 Controle pela tenso de alimentao do estator7.2.3 Controle pela variao da freqncia7.2.4 Controle da tenso e da freqncia7.2.5 Controle da corrente7.3 INVERSORES DE TENSO7.4 INVERSORES DE CORRENTE7.4.1 Inversor a tiristores7.4.2 Inversor com IGBT (ou GTO)7.5 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 8. INVERSORES DE TENSO COM COMUTAO SUAVE8.1 INVERSOR COM LINK CC RESSONANTE8.2 INVERSOR COM LINK CC RESSONANTE COM LIMITAO DA SOBRE-TENSO8.3 INVERSOR MLP COM LINK QUASE-RESSONANTE8.3.1 Princpio de operao8.3.2 Dimensionamento dos componentes8.4 INVERSOR COM POLO RESSONANTE AUXILIAR8.4.1 Princpio de funcionamento do circuito auxiliar de comutao8.5 INVERSOR/RETIFICADOR MLP COM COMUTAO ZVS COM CIRCUITO AUXILIAR8.5.1 Princpio de funcionamento8.6 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 9. INVERSORES E RETIFICADORES DE CORRENTE COM COMUTAO SUAVE .9.1 RETIFICADOR/INVERSOR COM LINK CC RESSONANTE EM SRIE9.2 INVERSORES/RETIFICADORES MLP COM COMUTAO ZCS9.2.1 Princpio de funcionamento9.2.2 Dimensionamento dos componentes9.3 INVERSORES/RETIFICADORES MLP COM COMUTAO ZVS9.3.1 Dimensionamento dos componentes9.3.2 Funcionamento do circuito como inversor9.4 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 10. CONVERSORES CA-CA: VARIADORES DE TENSO ECICLOCONVERSORES10.1 VARIADORES DE TENSO10.1.1 Controle Liga-Desliga10.1.2 Controle de fase10.2 CIRCUITOS MONOFSICOS10.2.1 Carga Resistiva10.2.2 Carga indutiva vii10.2.3 Carga RL10.3 VARIADORES DE TENSO TRIFSICO10.3.1 Carga resistiva10.3.2 Carga indutiva (em Y sem neutro)10.3.3 Carga RL10.4 EXEMPLO DE APLICAO10.4.1 Linha sem compensao10.4.2 CCT atuando e sada de carga10.4.3 CCT atuando, sada de carga e atuao do RCT10.5 CICLOCONVERSORES COM COMUTAO NATURAL10.6 CONVERSOR EM MATRIZ10.7 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 11. DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS DE DISSIPAO DE CALOR PARA DISPOSITIVOSSEMICONDUTORES DE POTNCIA11.1 INTRODUO11.2 CLCULO DA POTNCIA DISSIPADA11.2.1 Diodos11.2.2 Tiristores11.2.3 Transistores11.3 COMPORTAMENTO EM REGIME PERMANENTE: POTNCIA MDIA11.3.1 Dissipador de calor11.4 COMPORTAMENTO EM REGIME TRANSITRIO: POTNCIA DE PICO11.5 CLCULO DE DISSIPADORES11.6 FONTES DE CALOR DISTRIBUDAS11.7 REFRIGERAO FORADA11.8 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-11.COMPONENTES SEMICONDUTORES DE POTNCIA Afigura1.1mostraumadistribuiodoscomponentessemicondutores,indicando limites(1994)paravaloresdetensodebloqueio,correntedeconduoefreqnciade comutao.Obviamenteestes limites evoluem com o desenvolvimento tecnolgico e servem comoumailustraoparaaverificao,numaprimeiraaproximao,dasfaixasdepotncia em que cada componente pode ser utilizado. TiristoresGTOIGBTMCTTBPMOSFETTenso5kV4kV3kV2kV1kV1kA 2kA 3kACorrenteFrequncia1kHz10kHz100kHz1MHz Figura 1.1 Limites de operao de componentes semicondutores de potncia. 1.1Breve Reviso da Fsica de Semicondutores Apassagemdecorrenteeltricaemummeiodependedaaplicaodeumcampo eltricoedaexistnciadeportadoreslivres(usualmenteeltrons)nestemeio.Emmetais, como o cobre ou a prata, a densidade de portadores livres (eltrons) da ordem de 1023/cm3, enquanto nos materiais isolantes, como o quartzo ou o xido de alumnio, o valor da ordem de103/cm3.Oschamadossemicondutores,comoosilcio,temdensidades intermedirias, na faixa de 108 a 1019/cm3. Nos condutores e nos isolantes, tais densidades so propriedades dos materiais,enquantonossemicondutoresestaspodemservariadas,sejapelaadiode impurezasdeoutrosmateriais,sejapelaaplicaodecamposeltricosemalgumas estruturas de semicondutores. 1.1.1Os portadores: eltrons e lacunas tomos de materias com 4 eltrons em sua camada mais externa (C, Ge, Si, etc.), ou aindamolculascomamesmapropriedade,permitemoestabelecimentodeligaesmuito Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-2estveis,umavezque,pelocompartilhamentodoseltronsexternospelostomosvizinhos (ligao covalente), tem-se um arranjo com 8 eltrons na camada de valncia, como ilustra a figura 1.2. eltronscompartilhadosncleosatmicos Figura 1.2 Estrutura cristalina de material semicondutor Emqualquertemperaturaacimadozeroabsoluto(-273 oC),algumasdestasligaes so rompidas (ionizao trmica), produzindo eltrons livres. O tomo que perde tal eltron se torna positivo. Eventualmente um outro eltron tambm escapa de outra ligao e, atrado pela cargapositivadotomo,preenchealigaocovalente.Destamaneiratem-seuma movimentao relativa da carga positiva, chamada de lacuna, que, na verdade, devida ao deslocamentodoseltronsquesaemdesuasligaescovalentesevoocuparoutras,como mostra a figura 1.3. eltronligaorompidatomoionizadomovimento da lacuna Figura 1.3 Movimento de eltrons e lacunas em semicondutor Aionizaotrmicageraomesmonmerodeeltronselacunas.Emummaterial puro, a densidade de portadores aproximadamente dada por: kTqEige C n (1.1) onde C uma constante de proporcionalidade, q a carga do eltron (valor absoluto), Eg a bandadeenergiadosemicondutor(1,1eVparaoSi),kaconstantedeBoltzmann,Ta temperatura em Kelvin. Para o Si, temperatura ambiente (300K), ni1010/cm3. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-31.1.2Semicondutores dopados Quando se faz a adio de tomos de materiais que possuam 3 (como o alumnio ou o boro)ou5eltrons(comoofsforo)emsuacamadadevalnciaestruturados semicondutores, os tomos vizinhos a tal impureza tero suas ligaes covalentes incompletas ou com excesso de eltrons, como mostra a figura 1.4. SiSi SiSiSiSi Si SiBoligaoincompletaSiSi SiSiSiSi Si SiPeltronem excesso Figura 1.4 Semicondutores dopados Neste caso no tem-se mais o equilbrio entre eltrons e lacunas, passando a existir um nmeromaiordeeltronslivresnosmateriaisdopadoscomelementosdaquintacolunada tabelaperidica,oudelacunas,casoadopagemsejacomelementosdaterceiracoluna. Respectivamente,produzem-seoschamadosmateriaissemicondutorestipoNetipoP. Observe-se,noentanto,queomaterialpermaneceeletricamenteneutro,umavezquea quantidade total de eltrons e prtons a mesma. Quandoalacunaintroduzidapeloborocapturaumeltronlivre,tem-sea movimentaodalacuna.Nestecasodiz-sequeaslacunassoosportadoresmajoritrios, sendo os eltrons os portadores minoritrios. J no material tipo N, a movimentao do eltron excedente deixa o tomo ionizado, o que o faz capturar outro eltron livre. Neste caso os portadores majoritrios so os eltrons, enquanto os minoritrios so as lacunas. Asdopagensdasimpurezas(1019/cm3oumenos),tipicamentesofeitasemnveis muito menores que a densidade de tomos do material semicondutor (1023/cm3), de modo que as propriedades de ionizao trmica no so afetadas. Mesmo em um material dopado, o produto das densidades de lacunas e de eltrons (po e no, respectivamente) igual ao valor ni2 dado pela equao (1.1), embora aqui po no . Almdaionizaotrmica,tem-seumaquantidadeadicionaldecargaslivres, relativas s prprias impurezas. Pelos valores indicados anteriormente, pode-se verificar que a concentraodetomosdeimpurezasmuitasordensdegrandezasuperiordensidadede portadores gerados por efeito trmico, de modo que, num material tipo P, poNa, onde Na a densidade de impurezas aceitadoras de eltrons. J no material tipo N, noNd, onde Nd a densidade de impurezas doadoras de eltrons.Em qualquer dos materiais, a densidade dos portadores minoritrios proporcional ao quadrado da densidade intrnseca, ni, e fortemente dependente da temperatura. o2iopnn ,a oN p (1.2) o2ionnp , d oN n (1.3) Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-41.1.3Recombinao Uma vez que a quantidade ni determinada apenas por propriedades do material e pela temperatura,necessrioqueexistaalgummecanismoquefaaarecombinaodoexcesso de portadores medida que novos portadores so criados pela ionizao trmica. Tal mecanismo inclui tanto a recombinao propriamente dita de um eltron com uma lacunaemumtomodeSi,quantoacapturadoseltronspelaimpurezaionizada.,ou, adicionalmente, por imperfeies na estrutura cristalina. Tais imperfeies fazem com que os tomos adjacentes no necessitem realizar 4 ligaes covalentes.Pode-sedefinirotempodevidadeumportadorcomootempomdionecessrio paraqueoeltronoualacunasejamneutralizadospelaconsecussodeumaligao covalente. Em muitos casos pode-se considerar o tempo de vida de um portador como uma constante do material. No entanto, especialmente nos semicondutores de potncia, esta no uma boa simplificao.Quando ocorre um significativo aumento na temperatura do semicondutor, tem-se um aumento no tempo de recombinao do excesso de portadores, o que leva a um aumento nos temposdecomutaodosdispositivosdetipoportadoresminoritrios,comootransistor bipolar e os tiristores. Jemsituaesdealtadopagem(1017/cm3ousuperior),ataxaderecombinao aumenta,o que leva a um crescimento da queda de tenso sobre o dispositivo quando este est em conduo. Umavezqueestetempodevidadosportadoresafetasignificantementeo comportamento dos dispositivos de potncia, a obteno de mtodos que possam control-lo importante.Umdosmtodosquepossibilitaoajustedestetempoadopagemcomouro, uma vez que este elemento funciona como um centro de recombinao, uma vez que realiza tal operao com grande facilidade. Outro mtodo o da irradiao de eltrons de alta energia, bombardeandoaestruturacristalinademodoadeform-lae,assim,criarcentrosde recombinao. Este ltimo mtodo tem sido preferido devido sua maior controlabilidade (a energiadoseltronsfacilmentecontrolvel,permitindoestabeleceraqueprofundidadedo cristal se quer realizar as deformaes) e por ser aplicado no final do processo de construo do componente. 1.1.4Correntes de deriva e de difuso Quandoumcampoeltricoforaplicadoaummaterialsemicondutor,aslacunasse movimentaronosentidodocampodecrescente,enquantooseltronsseguiroemsentido oposto.Estacorrentedependedeumparmetrodenominadomobilidade,quedependedo materialedotipodeportador.A mobilidade dos eltrons aproximadamente 3 vezes maior doqueadaslacunasparaoSiemtemperaturaambiente.Amobilidadediminui aproximadamente com o quadrado do aumento da temperatura. Outrofatordemovimentaodeportadorespordifuso,quandoexistemregies adjacentesemquehdiferentesconcentraesdeportadores.Omovimentoaleatriodos portadorestendeaequalizarsuadispersopelomeio,demodoquetendeahaveruma migrao de portadores das regies mais concentradas para as mais dispersas. 1.2Diodos de Potncia Um diodo semicondutor uma estrutura P-N que, dentro de seus limites de tenso e de corrente,permiteapassagemdecorrenteemumnicosentido.Detalhesdefuncionamento, emgeraldesprezadosparadiodosdesinal,podemsersignificativosparacomponentesde Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-5maiorpotncia,caracterizadosporumamaiorrea(parapermitirmaiorescorrentes) e maior comprimento(afimdesuportartensesmaiselevadas).Afigura1.5mostra, simplificadamente, a estrutura interna de um diodo. Aplicando-se uma tenso entre as regies P e N, a diferena de potencial aparecer na regio de transio, uma vez que a resistncia desta parte do semicondutor muito maior que a do restante do componente (devido concentrao de portadores). Quando se polariza reversamente um diodo, ou seja, se aplica uma tenso negativa no anodo (regio P) e positiva no catodo (regio N), mais portadores positivos (lacunas) migram para o lado N, e vice-versa, de modo que a largura da regio de transio aumenta, elevando a barreira de potencial. P N+ + + + + + + ++ + + + + + ++ + + + + + ++ + + + + + ++ + + + + + +++ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _+_ __ __ __ __ _+ ++ ++ ++ ++ +1 uPotencial0+_DifusoJuno metalrgicaAnodo Catodo Figura 1.5 Estrutura bsica de um diodo semicondutor. Por difuso ou efeito trmico, uma certa quantidade de portadores minoritrios penetra naregiodetransio.So,ento,aceleradospelocampoeltrico,indoataoutraregio neutradodispositivo.Estacorrentereversaindependedatensoreversaaplicada,variando, basicamente, com a temperatura. Se o campo eltrico na regio de transio for muito intenso, os portadores em trnsito obterograndevelocidadee,aosechocaremcomtomosdaestrutura,produzironovos portadores, os quais, tambm acelerados, produziro um efeito de avalanche. Dado o aumento na corrente, sem reduo significativa na tenso na juno, produz-se um pico de potncia que destri o componente. Umapolarizaodiretalevaaoestreitamentodaregiodetransioereduoda barreiradepotencial.Quandoatensoaplicadasuperarovalornaturaldabarreira,cercade 0,7VparadiodosdeSi,osportadoresnegativosdoladoNseroatradospelopotencial positivo do anodo e vice-versa, levando o componente conduo. Naverdade,aestruturainternadeumdiododepotnciaumpoucodiferentedesta apresentada.ExisteumaregioNintermediria, com baixa dopagem. O papel desta regio permitir ao componente suportar tenses mais elevadas, pois tornar menor o campo eltrico na regio de transio (que ser mais larga, para manter o equilbrio de carga). Estaregiodepequenadensidadededopantedaraodiodoumasignificativa caractersticaresistivaquandoemconduo,aqualsetornamaissignificativaquantomaior foratensosuportvelpelocomponente.Ascamadasquefazemoscontatosexternosso altamente dopadas, a fim de fazer com que se obtenha um contato com caracterstica hmica e no semi-condutor. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-6Ocontornoarredondadoentreasregiesdeanodoecatodotemcomofunocriar campos eltricos mais suaves (evitando o efeito de pontas). Noestadobloqueado,pode-seanalisararegio de transio como um capacitor, cuja carga aquela presente na prpria regio de transio.Naconduonoexistetalcarga,noentanto,devidoaltadopagemdacamadaP+, por difuso, existe uma penetrao de lacunas na regio N-. Alm disso, medida que cresce acorrente,maislacunassoinjetadasnaregioN-,fazendocomqueeltronsvenhamda regioN+paramanteraneutralidadedecarga.Destaforma,cria-seumacargaespacialno catodo,aqualterqueserremovida(ouserecombinar)parapermitirapassagemparao estado bloqueado do diodo. O comportamento dinmico de um diodo de potncia , na verdade, muito diferente do deumachaveideal,comosepodeobservarnafigura1.6.Suponha-sequeseaplicauma tenso vi ao diodo, alimentando uma carga resistiva (cargas diferentes podero alterar alguns aspectos da forma de onda). Durantet1,remove-seacargaacumuladanaregiodetransio.Comoaindano houve significativa injeo de portadores, a resistncia da regio N- elevada, produzindo um pico de tenso. Indutncias parasitas do componente e das conexes tambm colaboram com a sobre-tenso. Durante t2 tem-se a chegada dos portadores e a reduo da tenso para cerca de 1V. Estes tempos so, tipicamente, da ordem de centenas de ns. No desligamento, a carga espacial presente na regio N- deve ser removida antes que se possa reiniciar a formao da barreira de potencial na juno. Enquanto houver portadores transitando,odiodosemantmemconduo.AreduoemVonsedevediminuioda quedahmica.Quandoacorrenteatingeseupiconegativoquefoiretiradooexcessode portadores, iniciando-se, ento, o bloqueio do diodo. A taxa de variao da corrente, associada s indutncias do circuito, provoca uma sobre-tenso negativa. AnodoCatodoN+N_P+ 10e19 cm-310e14 cm-310e19cm-310 uDepende250 usubstratoda tenso

i D v D v i +Vr -Vr Qrr t1 t2 t3 t4t5 -Vr i=Vr/R Von trr dir/dt Vfp Vrp dif/dt vi v D i D R Figura 1.6 - Estrutura tpica de diodo de potncia e formas de onda tpicas de comutao de diodo de potncia. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-7Afigura1.7mostraresultadosexperimentaisdeumdiododepotncialento (retificador) em um circuito como o da figura 1.6, no qual a indutncia desprezvel, como se nota na figura (a), pela inverso quase imediata da polaridade da corrente.A corrente reversa limitada pela resistncia presente no circuito. J na entrada em conduo, a tenso aplicada aocircuitoapareceinstantaneamentesobreoprpriodiodo,oquecontribuiparalimitaro crescimentodacorrente.Quandoestatensocai,acorrentevaiassumindoseuvalorde regime. (a)(b) Figura 1.7 - Resultados experimentais das comutaes de diodo: (a) desligamento;(b) entrada em conduo. Diodosrpidospossuemtrrdaordemde,nomximo,poucosmicro-segundos, enquanto nos diodos normais de dezenas ou centenas de micro-segundos. O retorno da corrente a zero, aps o bloqueio, devido sua elevada derivada e ao fato de,nestemomento,odiodojestardesligado,umafonteimportantedesobretenses produzidasporindutnciasparasitasassociadasaoscomponentesporondecirculatal corrente. A fim de minimizar este fenmeno foram desenvolvidos os diodos soft-recovery, nos quais esta variao de corrente suavizada, reduzindo os picos de tenso gerados. Emaplicaesnasquaisodiodocomutasobtensonula,comoocasodos retificadores com filtro capacitivo, praticamente no se observa o fenmeno da recombinao reversa. 1.3Diodos Schottky Quando feita uma juno entre um terminal metlico e um material semicondutor, o contatotem,tipicamente,umcomportamentohmico,ouseja,aresistnciadocontato governaofluxodacorrente.Quandoestecontatofeitoentreummetaleumaregio semicondutora com densidade de dopante relativamente baixa, o efeito dominante deixa de ser o resistivo, passando a haver tambm um efeito retificador. Um diodo Schottky formado colocando-se um filme metlico em contato direto com umsemicondutor,comoindicadonafigura1.8.Ometalusualmentedepositadosobreum material tipo N, por causa da maior mobilidade dos portadores neste tipo de material. A parte metlica ser o anodo eo semicondutor, o catodo. Numa deposio de Al (3 eltrons na ltima camada), os eltrons do semicondutor tipo N migraro para o metal, criando uma regio de transio na juno. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-8Note-sequeapenaseltrons(portadoresmajoritriosemambosmateriais)estoem trnsito. O seu chaveamento muitomais rpido do que o dos diodos bipolares, uma vez que noexistecargaespacialarmazenadanomaterialtipoN,sendonecessrioapenasrefazera barreiradepotencial(tipicamentede0,3V).AregioN+temumadopagemrelativamente alta, a fim de reduzir as perdas de conduo, com isso, a mxima tenso suportvel por estes diodos de cerca de 100V. A aplicao deste tipo de diodos ocorre principalmente em fontes de baixa tenso, nas quais as quedas sobre os retificadores so significativas. Nafigura1.4.(b)tem-seumaformadeondatpicanodesligamentodocomponente. Note que, diferentemente dos diodos convencionais, assim que a corrente se inverte a tenso comea a crescer, indicando a no existncia dos portadores minoritrios no dispositivo. Substrato tipo PTipo NN+AlSiO2Alcontatohmicocontatoretificador (a)(b) Figura 1.8 - (a) Estrutura de diodo Schottky; (b) Forma de onda tpica no desligamento 1.4Tiristor Onometiristorenglobaumafamliadedispositivossemicondutoresqueoperamem regimechaveado,tendoemcomumumaestruturade4camadassemicondutorasnuma sequncia p-n-p-n, apresentando um funcionamento biestvel. OtiristordeusomaisdifundidooSCR(RetificadorControladodeSilcio), usualmentechamadosimplesmentedetiristor.Outroscomponentes,noentanto,possuem basicamente uma mesma estrutura: LASCR (SCR ativado por luz), tambm chamado de LTT (LightTriggeredThyristor),TRIAC(tiristortriodobidirecional),DIAC(tiristordiodo bidirecional), GTO (tiristor comutvel pela porta), MCT (Tiristor controlado por MOS). 1.4.1Princpio de funcionamento Otiristorformadoporquatrocamadassemicondutoras,alternadamentep-n-p-n, possuindo 3 terminais: anodo e catodo, pelos quais flui a corrente, e a porta (ou gate)que, a umainjeodecorrente,fazcomqueseestabeleaacorrenteandica.Afigura1.9ilustra uma estrutura simplificada do dispositivo. Seentreanodoecatodotivermosumatensopositiva,asjunesJ1eJ3estaro diretamentepolarizadas,enquantoajunoJ2estarreversamentepolarizada.Nohaver conduodecorrenteatqueatensoVakseeleveaumvalorqueprovoquearupturada barreira de potencial em J2. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-9SehouverumatensoVgkpositiva,circularumacorrenteatravsdeJ3,com portadores negativos indo do catodo para a porta. Por construo, a camada P ligada porta suficientemente estreita para que parte destes eltrons que cruzam J3 possuam energia cintica suficienteparavencerabarreiradepotencialexistenteemJ2,sendoentoatradospelo anodo. AAnodoA KGGate GK CatodoVcc Rc (carga)RgVgRgVgCHRcVccP N- P N+J1 J2 J3 Figura 1.9 - Funcionamento bsico do tiristor e seu smbolo. Destaforma,ajunoreversamentepolarizadatemsuadiferenadepotencial diminuda e estabelece-se uma corrente entre anodo e catodo, que poder persistir mesmo na ausncia da corrente de porta. Quando a tenso Vak for negativa, J1 e J3 estaro reversamente polarizadas, enquanto J2estardiretamentepolarizada.UmavezqueajunoJ3intermediriaaregiesdealta dopagem, ela no capaz de bloquear tenses elevadas, de modo que cabe juno J1 manter o estado de bloqueio do componente.comumfazer-seumaanalogiaentreofuncionamentodotiristoreodeuma associao de dois transistores, conforme mostrado na figura 1.10. QuandoumacorrenteIgpositivaaplicada,Ic2eIkcrescero.ComoIc2=Ib1,T1 conduzireteremosIb2=Ic1+Ig,queaumentarIc2eassimodispositivoevoluirata saturao,mesmoqueIgsejaretirada.Talefeitocumulativoocorreseosganhosdos transistoresforemmaiorque1.Ocomponentesemanteremconduodesdeque,apso processodinmicodeentradaemconduo,acorrentedeanodotenhaatingidoumvalor superior ao limite IL, chamado de corrente de "latching". Para que o tiristor deixe de conduzir necessrio que a corrente por ele caia abaixo do valor mnimo de manuteno (IH), permitindo que se restabelea a barreira de potencial em J2. Paraacomutaododispositivonobasta,pois,aaplicaodeumatensonegativaentre anodoecatodo.Taltensoreversaapressaoprocessodedesligamentopordeslocarnos sentidosadequadososportadoresnaestruturacristalina,masnogarante,sozinha,o desligamento. Devidoacaractersticasconstrutivasdodispositivo,aaplicaodeumapolarizao reversadoterminaldegatenopermiteacomutaodoSCR.Esteserumcomportamento dos GTOs, como se ver adiante. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-10PNPNPNAKGAKGIaIkT2T1Ib1Ic2Ig Ib2Ic1 Figura 1.10 - Analogia entre tiristor e transistores bipolares 1.4.2Maneiras de disparar um tiristor Podemosconsiderarcincomaneirasdistintasdefazercomqueumtiristorentreem conduo: a) Tenso Quandopolarizadodiretamente,noestadodesligado,atensodepolarizao aplicadasobreajunoJ2.OaumentodatensoVaklevaaumaexpansodaregiode transio tanto para o interior da camada do gate quanto para a camada N adjacente. Mesmo na ausncia de corrente de gate, por efeito trmico, sempre existiro cargas livre que penetram na regio de transio (no caso, eltrons), as quais so aceleradas pelo campo eltrico presente emJ2.Paravaloreselevadosdetenso(e,consequentemente,decampoeltrico), possvel iniciarumprocessodeavalanche,noqualascargasaceleradas,ao chocarem-se com tomos vizinhos,provoquemaexpulsodenovosportadores,osquaisreproduzemoprocesso.Tal fenmeno, do ponto de vista do comportamento do fluxo de cargas pela juno J2, tem efeito similar ao de uma injeo de corrente pelo gate, de modo que, se ao se iniciar a passagem de correnteforatingidoolimiardeIL,odispositivosemanteremconduo.Afigura.1.11 mostra a caracterstica esttica de um SCR. b) Ao da corrente positiva de porta Sendoodisparoatravsdacorrentedeportaamaneiramaisusualdeserligadoo tiristor,importanteoconhecimentodoslimitesmximosemnimosparaatensoVgkea corrente Ig, como mostrados na figura 1.12. OvalorVgmindicaamnimatensodegatequegaranteaconduodetodosos componentes de um dado tipo, na mnima temperatura especificada. OvalorVgoamximatensodegatequegarantequenenhumcomponentedeum dado tipo entrar em conduo, na mxima temperatura de operao. A corrente Igm a mnima corrente necessria para garantir a entrada em conduo de qualquer dispositivo de um certo tipo, na mnima temperatura. Paragarantiraoperaocorretadocomponente,aretadecargadocircuitode acionamentodevegarantirapassagemalmdoslimitesVgmeIgm,semexcederosdemais limites (tenso, corrente e potncia mximas). c) Taxa de crescimento da tenso direta Quandoreversamentepolarizadas,areadetransiodeumajunocomporta-sede maneirasimilaraumcapacitor,devidoaocampocriadopelacargaespacial.Considerando quepraticamentetodaatensoestaplicadasobreajunoJ2(quandooSCRestiver desligado e polarizado diretamente), a corrente que atravessa tal juno dada por: Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-11( )Id C VdtCdVdtVdCdtjj akjakakj== + (1.4) Onde Cj a capacitncia da juno. VakIaVonIILHVboVbrIg2 >Ig1> Ig=0 Figura 1.11 - Caracterstica esttica do tiristor. Mxima tenso de gateMxima potnciaInstantnea de gateIgVgk6V0,5A 00IgmVgmVgoLimite debaixa correnteLimite dealta correnteReta de cargado circuito de acionamento Figura 1.12 - Condies para disparo de tiristor atravs de controle pela porta. Quando Vak cresce, a capacitncia diminui, uma vez que a regio de transio aumenta de largura. Entretanto, se a taxa de variao da tenso for suficientemente elevada, a corrente que atravessar a juno pode ser suficiente para levar o tiristor conduo. Umavezqueacapacitnciacrescecomoaumentodareadosemicondutor,os componentes para correntes mais elevadas tendem a ter um limite de dv/dt menor. Observe-se quealimitaodizrespeitoapenasaocrescimentodatensodireta(Vak>0).Ataxade crescimento da tenso reversa no importante, uma vez que as correntes que circulam pelas junesJ1eJ3,emtalsituao,notemacapacidadedelevarotiristoraumestadode conduo. Comoseveradiante,utilizam-secircuitosRCemparalelocomostiristorescomo objetivo de limitar a velocidade de crescimento da tenso direta sobre eles. d) Temperatura Aaltastemperaturas,acorrentedefuganumajunop-nreversamentepolarizada dobra aproximadamente com o aumento de 8o C. Assim, a elevao da temperatura pode levar a uma corrente atravs de J2 suficiente para levar o tiristor conduo. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-12 e) Energia radiante Energia radiante dentro da banda espectral do silcio, incidindo e penetrando no cristal, produzconsidervelquantidadedepareseltron-lacuna,aumentandoacorrentedefuga reversa,possibilitandoaconduodotiristor.Estetipodeacionamentooutilizadonos LASCR,cujaaplicaoprincipalemsistemasqueoperamemelevadopotencial,ondea isolao necessria s obtida por meio de acoplamentos ticos.1.4.3 Parmetros bsicos de tiristores Apresentaremosaseguiralgunsparmetrostpicosdetiristoresequecaracterizam condieslimitesparasuaoperao.Algunsjforamapresentadosecomentados anteriormente e sero, pois, apenas citados aqui. Tenso direta de ruptura (VBO) Mxima tenso reversa (VBR) Mximacorrentedeanodo(Iamax):podeser dada como valor RMS, mdio, de pico e/ou instantneo. Mxima temperatura de operao (Tjmax): temperatura acima da qual, devido a um possvel processo de avalanche, pode haver destruio do cristal. Resistnciatrmica(Rth):adiferenadetemperaturaentre2pontosespecificadosou regies,divididopelapotnciadissipadasobcondiesdeequilbriotrmico.uma medida das condies de fluxo de calor do cristal para o meio externo. CaractersticaI2t:oresultadodaintegraldoquadradodacorrentedeanodonum determinadointervalodetempo,sendoumamedidadamximapotnciadissipvelpelo dispositivo. dado bsico para o projeto dos circuitos de proteo. Mxima taxa de crescimento da tenso direta Vak (dv/dt). Mximataxadecrescimentodacorrentedeanodo(di/dt):fisicamente,oinciodo processodeconduodecorrentepelotiristorocorrenocentrodapastilhadesilcio,ao redordaregioondefoiconstrudaaporta,espalhando-seradialmenteatocupartodaa superfciedocatodo,medidaquecresceacorrente.Masseacorrentecrescermuito rapidamente,antesquehajaaexpansonecessrianasuperfciecondutora,haverum excessodedissipaodepotncianareadeconduo,danificandoaestrutura semicondutora.Estelimiteampliadoparatiristoresdetecnologiamaisavanada fazendo-seainterfaceentregateecatodocomumamaiorreadecontato,porexemplo, 'interdigitando" o gate. A figura 1.13 ilustra este fenmeno. Correntedemanutenodeconduo(IH):amnimacorrentedeanodonecessriapara manter o tiristor em conduo. Correntededisparo(IL):mnimacorrentedeanodorequeridaparamanteroSCRligado imediatamente aps ocorrer a passagem do estado desligado para o ligado e ser removida a corrente de porta. Tempodedisparo(ton):otemponecessrioparaotiristorsairdoestadodesligadoe atingir a plena conduo. Tempodedesligamento(toff):otemponecessrioparaatransioentreoestadode conduoeodebloqueio.devidoafenmenosderecombinaodeportadoresno material semicondutor. Correntederecombinaoreversa(Irqm):valordepicodacorrentereversaqueocorre durante o intervalo de recombinao dos portadores na juno. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-13PN-PNNAKGContato metlicoCatodoGPNNP GGate interdigitadoGate circular Figura 1.13 - Expanso da rea de conduo do tiristor a partir das vizinhanas da regio de gate. A figura 1.14 ilustra algumas destas caractersticas. di/dtdv/dtTenso direta de bloqueioCorrente de fuga diretaVontontoffCorrente de fuga reversaTenso reversa de bloqueioIrqm Figura 1.14Tenses e correntes caractersticas de tiristor. 1.4.4Circuitosde excitao do gate a) Conduo Conforme foi visto, a entrada em conduo de um tiristor controlada pela injeo de uma corrente no terminal da porta, devendo este impulso estar dentro da rea delimitada pela figura1.12.Porexemplo,paraumdispositivoquedeveconduzir100A,umacionadorque fornea uma tenso Vgk de 6 V com impedncia de sada 12 ohms adequado. A durao do sinal de disparo deve ser tal que permita corrente atingir IL quando, ento, pode ser retirada. ObservamosserbastantesimplesocircuitodedisparodeumSCRe,dadooalto ganho do dispositivo, as exigncias quando ao acionamento so mnimas. b) Comutao Se,porumlado,fcilaentradaemconduodeumtiristor,omesmonosepode dizerdesuacomutao.Lembramosqueacondiodedesligamentoqueacorrentede anodofiqueabaixodovalorIH.Seistoocorrerjuntamentecomaaplicaodeumatenso reversa, o bloqueio se dar mais rapidamente. Noexisteumamaneiradesedesligarotiristoratravsdeseuterminaldecontrole, sendo necessrio algum arranjo no nvel do circuito de anodo para reduzir a corrente principal. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-14b.1) Comutao Natural utilizada em sistemas de CA nos quais, em funo do carter ondulatrio da tenso deentrada,emalguminstanteacorrentetenderaseinvertereter,assim,seuvalor diminudo abaixo de IH, desligando o tiristor. Isto ocorrer desde que, num intervalo inferior a toff, no cresa a tenso direta Vak, o que poderia lev-lo novamente conduo. Afigura1.15mostraumcircuitodeumcontroladordetensoCA,alimentandouma carga RL, bem como as respectivas formas de onda. Observe que quando a corrente se anula a tenso sobre a carga se torna zero, indicando que nenhum dos SCRs est em conduo. vi(t)i(t)vLLRS1S2 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms200V-200V40A-40A200V-200Vvi(t)i(t)vL(t) Figura 1.15 - Controlador de tenso CA com carga RL e formas de onda tpicas. b.2) Comutao por ressonncia da carga Em algumas aplicaes especficas, possvel que a carga, pela sua dinmica prpria, faacomqueacorrentetendaaseinverter,fazendootiristordesligar.Istoocorre,por exemplo,quandoexistemcapacitnciasnacargaasquais,ressoandocomasindutnciasdo circuito produzem um aumento na tenso ao mesmo tempo em que reduzem a corrente. Caso acorrentesetornemenordoqueacorrentedemanutenoeotiristorpermanea reversamentepolarizadopelotemposuficiente,haveroseudesligamento.Atensode entrada pode ser tanto CA quanto CC. A figura 1.16 ilustra tal comportamento. Observe que enquantootiristorconduzatensodesada,vo(t),igualtensodeentrada.Quandoa corrente se anula e S1 desliga, o que se observa a tenso imposta pela carga ressonante. b.3) Comutao forada utilizadaemcircuitoscomalimentaoCCenosquaisnoocorrereversono sentido da corrente de anodo. Aidiabsicadestetipodecomutaooferecercorrentedecargaumcaminho alternativo ao tiristor, enquanto se aplica uma tenso reversa sobre ele, desligando-o.AntesdosurgimentodosGTOs,estefoiumassuntomuitodiscutido,buscando-se topologiaseficientes.Comoadventodosdispositivoscomcomutaopelogate,osSCRs tiveramsuaaplicaoconcentradanasaplicaesnasquaisocorremcomutaonaturalou pela carga. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-15CargaRessonanteLio(t)vo(t)VccS10iovoVcc Figura 1.17 Circuito e formas de onda de comutao por ressonncia da carga. A figura 1.18 mostra um circuito para comutao forada de SCR e as formas de onda tpicas. A figura 1.19 mostra detalhes de operao do circuito auxiliar de comutao. Emumtempoanteriorato,acorrentedacarga(supostaquaseconstante,devido elevada constante de tempo do circuito RL) passa pelo diodo de circulao. A tenso sobre o capacitor negativa, com valor igual ao da tenso de entrada. Em t1 o tiristor principal, Sp, disparado, conectando a fonte carga, levando o diodo Df ao desligamento. Ao mesmo tempo surge uma malha formada por Sp, Cr, D1 e Lr, a qual permiteaocorrnciadeumaressonnciaentreCreLr,levandoinversonapolaridadeda tenso do capacitor. Em t1 a tenso atinge seu mximo e o diodo D1 desliga (pois a corrente se anula). O capacitor est preparado para realizar a comutao de Sp.Quantootiristorauxiliar,Sa,disparado,emt2,acorrentedacargapassaaser fornecidaatravsdocaminhoformadoporLr,SaeCr,levandoacorrenteporSpazero,ao mesmo tempo em que se aplica uma tenso reversa sobre ele, de modo a deslig-lo. VccLrCr+VcicLoRo+VoiTSpSaD1D2Df 200V-200V-60A60A0vCvoiTiC Figura 1.18 Topologia com comutao forada de SCR e formas de onda tpicas. ContinuaahavercorrenteporCr,aqual,emt3,setornaigulacorrentedacarga, fazendocomqueavariaodesuatensoassumaumaformalinear.Estatensocresce(no sentidonegativo)atlevarodiododecirculaoconduo,emt4.Comoaindaexiste corrente pelo indutor Lr, ocorre uma pequena oscilao na malha Lr, Sa, Cr e D2 e, quando a corrente por Sa se anula, o capacitor se descarrega at a tenso Vcc na malha formada por Cr, D1, Lr, fonte e Df. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-16200V-60A60A-200V0iTicvovctot1t2 t3 t4 t5 Figura 1.19 - Detalhes das formas de onda durante comutao. 1.4.5Redes Amaciadoras O objetivo destas redes evitar problemas advindos de excessivos valores para dv/dt e di/dt, conforme descrito anteriormente. a) O problema di/dt Umaprimeiramedidacapazdelimitarpossveisdanoscausadospelocrescimento excessivamenterpidodacorrentedeanodoconstruirumcircuitoacionadordegate adequado,quetenhaaltaderivadadecorrentededisparoparaquesejatambmrpidaa expanso da rea condutora. Um reator saturvel em srie com o tiristor tambm limitar o crescimento da corrente de anodo durante a entrada em conduo do dispositivo.Almdestefatotem-seoutravantagemadicionalqueareduodapotncia dissipadanochaveamentopois,quandoacorrentedeanodocrescer,atensoVakser reduzida pela queda sobre a indutncia. Oatrasonocrescimentodacorrente de anodo pode levar necessidade de um pulso maislongodedisparo,ouaindaaumaseqnciadepulsos,paraquesejaasseguradaa conduo do tiristor. b) O problema do dv/dt AlimitaodocrescimentodatensodiretaVak,usualmentefeitapelousode circuitos RC, RCD, RLCD em paralelo com o dispositivo, como mostrado na figura 1.20. No caso mais simples (a), quando o tiristor comutado, a tenso Vak segue a dinmica dadaporRCque,almdissodesviaacorrentedeanodofacilitandoacomutao.Quandoo SCR ligado o capacitor descarrega-se, ocasionando um pico de corrente no tiristor, limitado pelo valor de R. Nocaso(b)estepicopodeserreduzidopelousodediferentesresistoresparaos processosdecargaedescargadeC.No3ocaso,opicolimitadoporL,oquenotraz eventuais problemas de alto di/dt. A corrente de descarga de C auxilia a entrada em conduo do tiristor para obter um Ia>IL, uma vez que se soma corrente de anodo proveniente da carga. Aenergiaacumuladanocapacitorpraticamentetodadissipadasobreoresistorde descarga. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-17RCCR1R2DDLRC (a)(b)(c) Figura 1.20 - Circuitos amaciadores para dv/dt. 1.4.6Associao em Paralelo de Tiristores Desdeoinciodautilizaodotiristor,em1958,tmcrescidoconstantementeos limitesdetensoecorrentesuportveis,atingindohojefaixasde5000Ve4000A.H,no entanto,diversasaplicaesnasquaisnecessriaaassociaodemaisdeumdestes componentes, seja pela elevada tenso de trabalho, seja pela corrente exigida pela carga. Quandoacorrentedecarga,ouamargemdesobre-correntenecessria,nopodeser suportadaporumnicotiristor,essencialaligaoemparalelo.Aprincipalpreocupao neste caso a equalizao da corrente entre os dispositivos, tanto em regime, como durante o chaveamento. Diversos fatores influem na distribuio homognea da corrente, desde aspectos relacionadostecnologiaconstrutivadodispositivo,atoarranjomecnicodamontagem final. Existem duas tecnologias bsicas de construo de tiristores, diferindo basicamente no que se refere regio do catodo e sua juno com a regio da porta. A tecnologia de difuso criaumaregiodefronteiraentrecatodoegatepoucodefinida,formandoumajunono-uniforme, que leva a uma caracterstica de disparo (especialmente quanto ao tempo de atraso e sensibilidade ao disparo) no homognea. A tecnologia epitaxial permite fronteiras bastante definidas,implicandonumamaioruniformidadenascaractersticasdotiristor.Conclui-se assimque,quandosefazumaassociao(srieouparalela)destesdispositivos,prefervel empregar componentes de construo epitaxial. Emligaesparalelasdeelementosdebaixaresistncia,umfatorcrticoparaa distribuiodecorrentesovariaesnofluxoconcatenadopelasmalhasdocircuito, dependendo,pois,dasindutnciasdasligaes.Outrofatorimportanterelaciona-secoma caractersticadocoeficientenegativodetemperaturadodispositivo,ouseja,umeventual desequilbriodecorrenteprovocaumaelevaodetemperaturanoSCRque,porsuavez, melhoraascondiesdecondutividadedocomponente,aumentandoaindamaiso desequilbrio, podendo lev-lo destruio. Umaprimeiraprecauoparareduzirestesdesbalanceamentosrealizaruma montagemdetalmaneiraquetodosostiristoresestejamaumamesmatemperatura,oque pode ser feito, por exemplo, pela montagem em um nico dissipador.No que se refere indutncia das ligaes, a prpria disposio dos componentes em relaoaobarramentoafetasignificativamenteestadistribuiodecorrente.Arranjos cilndricos tendem a apresentar um menor desequilbrio. 1.4.6.1 Estado estacionrio Almdasconsideraesjfeitasquantomontagemmecnica,algumasoutras providncias podem ser tomadas para melhorar o equilbrio de corrente nos tiristores: Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-18 a) Impedncia srie Aidiaadicionarimpednciasemsriecomcadacomponenteafimdelimitaro eventual desequilbrio. Se a corrente crescer num ramo, haver aumento da tenso, o que far comqueacorrentesedistribuaentreosdemaisramos.Ousoderesistoresimplicano aumento das perdas, uma vez que dado o nvel elevado da corrente, a dissipao pode atingir centenasdewatts,criando problemas de dissipao e eficincia. Outra alternativa o uso de indutores lineares. b) Reatores acoplados Conforme ilustrado na figura 1.21, se a corrente por SCR1 tende a se tornar maior que por SCR2, uma fora contra-eletro-motriz aparecer sobre a indutncia, proporcionalmente ao desbalanceamento,tendendoareduziracorrenteporSCR1.Aomesmotempoumatenso induzidadooutroladodoenrolamento,aumentandoacorrenteporSCR2.Asmais importantescaractersticasdoreatorsoaltovalordasaturaoebaixofluxoresidual,para permitir uma grande excurso do fluxo a cada ciclo. ................(a)(b)(c) Figura 1.21 - Equalizao de corrente com reatores acoplados 1.4.6.2Disparo Hduascaractersticasdotiristorbastanteimportantesparaboadivisodecorrente entreoscomponentesnomomentoemquesedevedaroinciodaconduo:otempode atraso (td) e a mnima tenso de disparo (Vonmin). O tempo de atraso pode ser interpretado como o intervalo entre a aplicao do sinal de gate e a real conduo do tiristor.Amnimatensodedisparoovalormnimodatensodiretaentreanodoecatodo comaqualotiristorpodeserligadoporumsinaladequadodeporta.Recorde-se,da caracterstica esttica do tiristor, que quanto menor a tenso Vak, maior deve ser a corrente de gate para levar o dispositivo conduo. Diferenasemtdpodemfazercomqueumcomponenteentreemconduoantesdo outro. Com carga indutiva este fato no to crtico pela inerente limitao de di/dt da carga, o que no ocorre com cargas capacitivas e resistivas. Alm disso, como Vonmin maior que a quedadetensodiretasobreotiristoremconduo,possvelqueoutrodispositivono consiga entrar em conduo. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-19Esta situao crtica quando se acoplam diretamente os tiristores, sendo minimizada atravsdosdispositivosdeequalizaojdescritoseaindaporsinaisdeportadedurao maior que o tempo de atraso. 1.4.6.3Desligamento Especialmentecomcargaindutiva,deve-sepreveralgumtipodearranjoqueconsiga manteroequilbriodecorrentemesmoquehajadiferentescaractersticasentreostiristores (especialmenterelacionadascomostemposdedesligamento).Acapacitnciadocircuito amaciador limita o desbalanceamento, uma vez que absorve a corrente do tiristor que comea a desligar. 1.4.6.4Circuito de disparo A corrente de gate deve ser alvo de atenes. O uso de um nico circuito de comando para acionar todos os tiristores minimiza os problemas de tempos de atraso. Alm disso, deve-seprocurarusarnveisiguaisdecorrenteetensodegate,umavezqueinfluem significativamentenodesempenhododisparo.Paraminimizarosefeitosdasdiferenasnas junes gate-catodo de cada componente pode-se fazer uso de um resistor ou indutor em srie com o gate, para procurar equalizar os sinais. importante que se tenha atingido a corrente de disparo(IL)antesdaretiradadopulsodegate,oquepodelevarnecessidadedecircuitos maiselaboradosparaforneceraenergianecessria.Umaseqnciadepulsostambmpode ser empregada. 1.4.7Associao em srie de tiristores Quando o circuito opera com tenso superior quela suportvel por um nico tiristor, precisoassociarestescomponentesemsrie,comprecauesparagarantiradistribuio equilibrada de tenso entre eles. Devido a diferenas nas correntes de bloqueio, capacitncias dejuno,temposdeatraso,quedasdetensodiretaerecombinaoreversa,redesde equalizao externa so necessrias, bem como cuidados quanto ao circuito de disparo. Afigura1.22indicaumapossveldistribuiodetensonumaassociaode3 tiristores, nas vrias situaes de operao. Durante os estados de bloqueio direto e reverso (I e VI), diferenas nas caractersticas debloqueioresultamemdesigualdistribuiodetensoemregime.Ouseja,otiristorcom menorcondutnciaquandobloqueadoterdesuportaramaiortenso.interessante,ento, usar dispositivos com caractersticas o mais prximas possvel. Os estados de conduo (III e IV) no apresentam problema de distribuio de tenso. Estados II e V representam um desbalanceamento indesejado durante os transientes de disparo e comutao. No estado II o tempo de atraso do SCR1 consideravelmente mais longo que o dosoutrose,assim,terque,momentaneamente,suportartodaatenso.OestadoVresulta dosdiferentestemposderecombinaodoscomponentes.Oprimeiroaserecombinar suportar toda a tenso. 1.4.7.1Estado estacionrio O mtodo usual de equalizar tenses nas situaes I e VI colocar uma rede resistiva com cada resistor conectado entre anodo e catodo de cada tiristor. Estes resistores representam consumo de potncia, sendo desejvel usar os de maior valor possvel. O projeto do valor da resistncia deve considerar a diferena nos valores das correntes de bloqueio direta e reversa. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-20T1T2T31200V5mA 10mA 50A 10A 10mA 10mA1000V50V150V1200V6V5V1.0V1.1V0.9V0.9V1.0V0.8V0.7V0.7V1200V100V900V200V+ + + ++ +BloqueiodiretoConduoparcialConduodiretaConduoreversaRecuperaoreversaparcialBloqueioreversoI II III IV V VI Figura 1.22 - Tenses em associao de tiristores sem rede de equalizao. 1.4.7.2Disparo Um mtodo que pode ser usado para minimizar o desequilbrio do estado II fornecer umacorrentedeportacompotnciasuficienteederpidocrescimento,paraminimizaras diferenasrelativasaotempodeatraso.Alarguradopulsodevesertalquegarantaa continuidade da conduo de todos os tiristores. 1.4.7.3Desligamento ParaequalizaratensonoestadoV,umcapacitorligadoentreanodoecatodode cada tiristor. Se a impedncia do capacitor suficientemente baixa e/ouse utiliza a constante de tempo necessria, o crescimento da tenso no dispositivo mais rpido ser limitado at que todos se recombinem. Esta implementao tambm alivia a situao no disparo, uma vez que realizaumainjeodecorrentenotiristor,facilitandoaentradaemconduodetodosos dispositivos. Masseocapacitorprovidenciaexcelenteequalizaodetenso,opicodecorrente injetado no componente no disparo pode ser excessivo, devendo ser limitado por meio de um resistor em srie com o capacitor. interessante um alto valor de R e baixo valor de C para, comomesmoRC,obterpoucadissipaodeenergia.Masseoresistorfordevalormuito elevadoserimpostaumatensoderpidocrescimentosobreotiristor,podendoocasionar disparo por dv/dt. Usa-se ento um diodo em paralelo com o resistor, garantindo um caminho decargaparaocapacitor,enquantoadescargasefazporR.Odiododeveteruma caracterstica suave de recombinao para evitar efeitos indesejveis associados s indutncias parasitasdasligaes.Recomenda-seousodecapacitoresdebaixaindutnciaparasita.A figura 1.23 ilustra tais circuitos de equalizao. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-21R C R C R CD D DRs Rs RsEqualizao estticaEqualizaoDinmica Figura 1.23 - Circuito de equalizao de tenso em associao srie de tiristores. 1.4.7.4Circuito de disparo Em muitas aplicaes, devido necessidade de isolamento eltrico entre o circuito de comandoeodepotncia,osinaldedisparodeveserisoladopormeiodealgum dispositivo como,porexemplo,transformadoresdepulsoouacopladoresticos,comomostraafigura 1.24. a) Transformador de pulso Nestecaso,tem-setransformadorescapazesderesponderapenasemaltafrequncia, masquepossibilitamatransfernciadepulsosdecurtadurao(atcentenasde microsegundos), aps o que o transformador satura. Caso seja necessrio um pulso mais largo, ele poder ser obtido por meio de um trem de pulsos, colocando-se um filtro passa-baixas no ladodesada.Comtaisdispositivosdeve-sepreveralgumtipodelimitaodetensono secundrio (onde est conectado o gate), a fim de evitar sobretenses.Quando se usar transformador de pulso preciso garantir que ele suporte pelo menos a tenso de pico da alimentao. Como as condies de disparo podem diferir cosideravelmente entreostiristores,comuminserirumaimpedncia em srie com o gate para evitar que um tiristorcommenorimpednciadegatedreneosinaldedisparo,impedindoqueosdemais dispositivosentrememconduo.Estaimpednciaemsriepodeserumresistorouum capacitor, que tornaria mais rpido o crescimento do pulso de corrente. b) Acoplamento luminoso O acoplamento tico apresenta como principal vantagem a imunidade a interferncias eletromagnticas,almdaaltaisolaodepotencial.Doistiposbsicosdeacopladoresso usados: os opto-acopladores e as fibras ticas. No primeiro caso tem-se um dispositivo onde o emissor e o receptor esto integrados, apresentando uma isolao tpica de 2500 V. J para as fibras ticas, o isolamento pode ser de centenas de kV. A potncia necessria para odisparo provida por duas fontes: uma para alimentar o emissor(emgeralaprpriafontedocircuitodecontrole)eoutraparaoladodoreceptor. Eventualmente,aprpriacargaarmazenadanocapacitordocircuitoamaciador(ouredede equalizao), atravs de um transformador de corrente, pode fornecer a energia para o lado do receptor,apartirdacorrentequecirculapelotiristor,assegurandopotnciadurantetodoo perodo de conduo. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-22+VccPulsos+VReq. .Req+Pulsos Figura 1.24 Circuitos de acionamento de pulso. 1.4.8Sobre-tenso Asfunesgeraisdaproteocontrasobre-tensoso:assegurar,torpidoquanto possvel,quequalquerfalhaemalgumcomponenteafeteapenasaqueletiristordiretamente associadoaocomponente;aumentaraconfiabilidadedosistema;evitarreaesnarede(comoexcitaoderessonncias).Estassobre-tensespodemsercausadastantoporaes externas como por distribuio no homognea dastenses entre os dispositivos. Emaplicaesondeasperdasprovocadaspelosresistoresdeequalizaodevemser evitadas,adistribuiodetensopodeserrealizadapelousoderetificadoresdeavalanche controlada,quetambmatuamnocasodesobre-tenses.Umapossvelrestrioaousode supressoresdesobre-tenso(geralmentedexidometlico,osvaristores),queafalhaem umcertocomponente(umcurtoemumtiristor)podelevaraumasobrecarganosdemais supressores, provocando uma destruio em cascata de todos. A fim de evitar disparos indesejados dos tiristores em virtude do aumento repentino da tenso, superando o limite de dv/dt ou o valor da mxima tenso direta de bloqueio, deve-se manterumapolarizaonegativanoterminaldaporta,aumentadoonveldetenso suportvel. 1.4.9Resfriamento As caractersticas do tiristor so fornecidas a uma certa temperatura da juno. O calor produzidonapastilhadeveserdissipado,devendotransferir-sedapastilhaparao encapsulamento, deste para o dissipador e da para o meio de refrigerao (ar ou lquido). Esteconjuntopossuiumacapacidadedearmazenamentodecalor,ouseja,uma constantedetempotrmica,quepermitesobrecargasdecorrenteporperodoscurtos. Tipicamente esta constante da ordem de 3 minutos para refrigerao a ar. Atemperaturadeoperaodajunodevesermuitomenorqueomximo especificado.Aoaumentodatemperaturacorrespondeumadiminuionacapacidadede suportartensesnoestadodebloqueio.Tipicamenteestatemperaturanodeveexceder 120oC. Osistemaderefrigeraodevepossuirredundncia,ouseja,umafalhanosistema deveporemoperaoumoutro,garantindoatrocadecalornecessria.Existemvrias maneirasdeimplementarastrocas:circulaoexterna de ar filtrado, circulao interna de ar (comtrocadordecalor),refrigeraocomlquido,etc.Aescolhadotipoderesfriamento influenciada pelas condies ambientais e preferncias do usurio. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-23 1.5GTO - Gate Turn-Off Thyristor OGTO,emboratenha sido criado no incio da dcada de 60, por problemas de fraco desempenhofoipoucoutilizado.Comoavanodatecnologiadeconstruodedispositivos semicondutores, novas solues foram encontradas para aprimorar tais componentes, que hoje ocupam significativa faixa de aplicao, especialmente naquelas de elevada potncia, uma vez que esto disponveis dispositivos para 5000V, 4000A. 1.5.1Princpio de funcionamento OGTOpossuiumaestruturade4camadas,tpicadoscomponentesdafamliados tiristores.Suacaractersticaprincipalsuacapacidadedeentraremconduoebloquear atravs de comandos adequados no terminal de gate. O mecanismo de disparo semelhante ao do SCR: supondo-o diretamente polarizado, quando a corrente de gate injetada, circula corrente entre gate e catodo. Grande parte de tais portadores,comoacamadadegatesuficientementefina,desloca-seatacamadaN adjacente,atravessandoabarreiradepotencialesendoatradospelopotencialdoanodo, dandoinciocorrenteandica.Seestacorrentesemantiveracimadacorrentede manuteno, o dispositivo no necessita do sinal de gate para manter-se conduzindo. Afigura1.25mostraosmbolodoGTOeumarepresentaosimplificadados processos de entrada e sada de conduo do componente. Aaplicaodeumapolarizaoreversanajunogate-catodopodelevarao desligamentodoGTO.Portadoreslivres(lacunas)presentesnascamadascentraisdo dispositivosoatradospelogate,fazendocomquesejapossvelorestabelecimentoda barreira de potencial na juno J2. A KGP+ N- P N+RgVgVccRgP+ N- P N+RgVgVccRgJ2J1J3Regio deTransioEntrada em conduoDesligamentoFigura 1.25 - Smbolo, processos de chaveamento e estrutura interna de GTO. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-24AparentementeseriapossveltalcomportamentotambmnoSCR.Asdiferenas,no entanto, esto no nvel da construo do componente. O funcionamento como GTO depende, por exemplo, de fatores como:facilidade de extrao de portadores pelo terminal de gate - isto possibilitado pelo uso de dopantes com alta mobilidade desaparecimentorpidodeportadoresnascamadascentrais-usodedopantecombaixo tempo de recombinao. Isto implica que um GTO tem uma maior queda de tenso quando em conduo, comparado a um SCR de mesmas dimenses. suportar tenso reversa na juno porta-catodo, sem entrar em avalanche - menor dopagem na camada de catodo absorodeportadoresdetodasuperfciecondutora-regiodegateecatodomuito interdigitada, com grande rea de contato. DiferentementedoSCR,umGTOpodenotercapacidadedebloqueartenses reversas.Existem 2 possibilidades de construir a regio de anodo: uma delas utilizando apenas umacamadap+,comonosSCR.NestecasooGTOapresentarumacaractersticalentade comutao,devidomaiordificuldadedeextraodosportadores,massuportartenses reversas na juno J2.Aoutraalternativa,mostrada na figura 1.26, introduzir regies n+ que penetrem na regiop+doanodo,fazendocontatoentrearegiointermedirian-eoterminaldeanodo. Isto,virtualmente,curto-circuitaajunoJ1quandooGTOpolarizadoreversamente.No entanto, torna-o muito mais rpido no desligamento (com polarizao direta). Como a juno J3 formada por regies muito dopadas, ela no consegue suportar tenses reversas elevadas. CasoumGTOdestetipodevaserutilizadoemcircuitosnosquaisfiquesujeitoatenso reversa, ele deve ser associado em srie com um diodo, o qual bloquear a tenso. anodometalizao do gatemetalizao do catodo placa decontatodocatodop+ p+ p+n+ n+n-pn+ n+ n+J1J2J3Figura 1.26 - Estrutura interna de GTO rpido (sem bloqueio reverso) 1.5.2Parmetros bsicos do GTO Ossmbolosutilizadospelosdiversosfabricantesdiferem,emboraasgrandezas representadas sejam, quase sempre, as mesmas. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-25Vdrxm-Tensodepico,repetitiva,deestadodesligado:sobcondiesdadas,amxima tensoinstantneapermissvel,emestadodesligado,quenoultrapasseodv/dtmximo, aplicvel repetidamente ao GTO. It-Corrente(RMS)deconduo:mximacorrente(valorRMS)quepodecircular continuamente pelo GTO. Itcm-Correntedeconduorepetitivacontrolvel:mximacorrenterepetitiva,cujovalor instantneo ainda permite o desligamento do GTO, sob determinadas condies. I2t: escala para expressar a capacidade de sobrecorrente no-repetitiva, com respeito a um pulso de curta durao. utilizado no dimensionamento dos fusveis de proteo. di/dt: taxa de crescimento mxima da corrente de anodo. Vgrm-Tensoreversadepicodegaterepetitiva:mximatensoinstantneapermissvel aplicvel juno gate-catodo. dv/dt: mxima taxa de crescimento da tenso direta de anodo para catodo. IH - corrente de manuteno: Corrente de anodo que mantm o GTO em conduo mesmo na ausncia de corrente de porta. IL - corrente de disparo: corrente de anodo necessria para que o GTO entre em conduo com o desligamento da corrente de gate. tgt - tempo de disparo: tempo entre a aplicao da corrente de gate e a queda da tenso Vak. tgq - tempo de desligamento: tempo entre a aplicao de uma corrente negativa de gate e a queda da corrente de anodo (tgq=ts+tf) ts - tempo de armazenamento 1.5.3Condies do sinal de porta para chaveamento Desde que, geralmente, o GTO est submetido a condies de alto di/dt, necessrio que o sinal de porta tambm tenha rpido crescimento, tendo um valor de pico relativamente elevado. Deve ser mantido neste nvel por um tempo suficiente (tw1) para que a tenso Vak caia a seu valor de conduo direta. conveniente que se mantenha a corrente de gate durante todo o perodo de conduo, especialmente se a corrente de anodo for pequena, de modo a garantir o estado "ligado". A figura 1.27 ilustra as formas de corrente recomendadas para a entrada em conduo e tambm para o desligamento. Durante o intervalo "ligado" existe uma grande quantidade de portadores nas camadas centraisdosemicondutor.AcomutaodoGTOocorrerpelaretiradadestesportadorese, ainda, pela impossibilidade da vinda de outros das camadas ligadas ao anodo e ao catodo, de modo que a barreira de potencial da juno J2 possa se restabelecer. Ograndepicoreversodecorrenteapressaaretiradadosportadores.Ataxade crescimentodestacorrenterelaciona-secomotempodearmazenamento,ouseja,otempo decorrido entre a aplicao do pulso negativo e o incio da queda (90%) da corrente de anodo. Quanto maior for a derivada, menor o tempo. Quandoacorrentedrenadacomeaacair,atensoreversanajunogate-catodo cresce rapidamente, ocorrendo um processo de avalanche. A tenso negativa de gate deve ser mantidaprximaaovalordatensodeavalanche.Apotnciadissipadanesteprocesso controlada(pelaprpriaconstruododispositivo).NestasituaoatensoVakcresceeo GTO desliga. ParaevitarodisparodoGTOporefeitodv/dt,umatensoreversadeportapodeser mantida durante o intervalo de bloqueio do dispositivo. O ganho de corrente tpico, no desligamento, baixo (de 5 a 10), o que significa que, especialmente para os GTOs de alta corrente, o circuito de acionamento, por si s, envolve a manobra de elevadas correntes. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-26IgVgkIfgmIfgtw1trtgqtsIrgdIrgdtVrg (tenso negativaVravalanchedo circuito de comando) Figura 1.27 - Formas de onda tpicas do circuito de comando de porta de GTO. 1.5.4Circuitos amaciadores (snubber) 1.5.4.1Desligamento Duranteodesligamento,comoprogressivorestabelecimento da barreira de potencial na juno reversamente polarizada, a corrente de anodo vai se concentrando em reas cada vez menores,concentrandotambmospontosdedissipaodepotncia.Umalimitaodataxa decrescimentodatenso,almdeimpedirogatilhamentoporefeitodv/dt,implicarnuma reduo da potncia dissipada nesta transio. O circuito mais simples utilizado para esta funo uma rede RCD, como mostrado na figura 1.28. Supondoumacorrentedecargaconstante,aoserdesligadooGTO,ocapacitorse carrega com a passagem da corrente da carga, com sua tenso vaiando de forma praticamente linear.Assim,odv/dtdeterminadopelacapacitncia.QuandooGTOentraremconduo, estecapacitorsedescarregaatravsdoresistor.Adescargadeveocorrerdentrodomnimo tempoemconduoprevistopara o GTO, a fim de assegurar tenso nula inicial no prximo desligamento. A resistncia no pode ser muito baixa, a fim de limitar a impulso de corrente injetado no GTO. R CD Figura 1.28 Circuito amaciador de desligamento tipo RCD. AenergiaarmazenadanocapacitorserpraticamentetodadissipadaemR. Especialmenteemaplicaesdealtatensoealtafreqncia,estapotnciapodeassumir valoresexcessivos.Emtaiscasosdeve-sebuscarsoluesativas,nasquaisaenergia acumulada no capacitor seja devolvida fonte ou carga . A potncia a ser retirada do capacitor dada por: Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-27 pC Vfcap s=22(1.5) onde V a tenso de alimentao e fs a freqncia de chaveamento. Comoexemplo,suponhamosumcircuitoalimentadoem1000V,operandoa1kHz com um capacitor de 1F. Isto significa uma potncia de 500W! 1.5.4.2Entrada em conduo A limitao de di/dt nos GTOs muito menos crtica do que para os SCR. Isto se deve interdigitaoentregateecatodo,oquelevaaumaexpansomuitomaisrpidada superfcieemconduo,nohavendosignificativaconcentraodecorrenteemreas restritas. Oproblemarelacionadoaocrescimentodacorrenterefere-se,paraumGTO, principalmente,potnciadissipadanaentradaemconduododispositivo.Comcarga indutiva,dadaanecessriaexistnciadeumdiododelivre-circulao(eoseuinevitvel tempodedesligamento),durantealgunsinstantesemqueoGTOj se encontra conduzindo, sobreeletambmexisteumatensoelevada,produzindoumpicodepotnciasobreo componente.Estefatoagravadopelacorrentereversadodiodoeaindapeladescargado capacitor do snubber de desligamento (caso exista). A figura 1.29 ilustra este comportamento. Lcarga DfIoVIaVakIaVakVRcargaIocarga DfVLsRsDsVak Figura 1.29 - GTO acionando carga indutiva e amaciador para desligamento. Para reduzir este efeito, um circuito amaciador para o disparo pode ser necessrio, com o objetivo de reduzir a tenso sobre o GTO em sua entrada em conduo, pode-se utilizar um circuitoamaciadorformado,basicamente,porumindutorcomncleosaturvel,queatuede maneira significativa apenas durante o incio do crescimento da corrente, mas sem armazenar uma quantidade significativa de energia. 1.5.5Associaes em srie e em paralelo Nas situaes em que um componente nico no suporte a tenso ou a corrente de uma dada aplicao, faz-se necessrio associar componentes em srie ou em paralelo. Nestes casos os procedimentos so similares queles empregados, descritos anteriormente, para os SCRs. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-281.6Transistor Bipolar de Potncia (TBP) 1.6.1Princpio de funcionamento A figura 1.30 mostra a estrutura bsica de um transistor bipolar. N+ N- P N+VccRcRbVbCBE -J1 J2--- Figura 1.30 - Estrutura bsica de transistor bipolar AoperaonormaldeumtransistorfeitacomajunoJ1(B-E)diretamente polarizada, e com J2 (B-C) reversamente polarizada. No caso NPN, os eltrons so atrados do emissor pelo potencial positivo da base. Esta camadacentralsuficientementefinaparaqueamaiorpartedosportadorestenhaenergia cinticasuficienteparaatravess-la,chegandoregiodetransiodeJ2,sendo,ento, atrados pelo potencial positivo do coletor. O controle de Vbe determina a corrente de base, Ib, que, por sua vez, se relaciona com Ic pelo ganho de corrente do dispositivo. Na realidade, a estrutura interna dos TBPs diferente. Para suportar tenses elevadas, existeumacamadaintermediriadocoletor,combaixadopagem,aqualdefineatensode bloqueio do componente.Afigura1.31mostraumaestruturatpicadeumtransistorbipolardepotncia.As bordas arredondadas da regio de emissor permitem uma homogeneizao do campo eltrico, necessriamanutenodeligeiraspolarizaesreversasentrebaseeemissor.OTBPno sustenta tenso no sentido oposto porque a alta dopagem do emissor provoca a ruptura de J1 em baixas tenses (5 a 20V). O uso preferencial de TBP tipo NPN se deve s menores perdas em relao aos PNP, o queocorreporcausadamaiormobilidadedoseltronsemrelaoslacunas,reduzindo, principalmente, os tempos de comutao do componente. BCEN+N-PN+ 10e19 cm-310e16 cm-310e14 cm-310e19 cm-310 u5 a 20 u50 a 200 u250 u (substrato)CB E Figura 1.31 Estrutura interna de TPB e seu smbolo Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-291.6.2Limites de tenso A tenso aplicada ao transistor encontra-se praticamente toda sobre a juno J2 a qual, tipicamente,estreversamentepolarizada.Existemlimitessuportveisporestajuno,os quaisdependemprincipalmente da forma como o comando de base est operando, conforme se v nas figuras 1.32 e 1.33. Com o transistor conduzindo (Ib>0) e operando na regio ativa, o limite de tenso Vce Vces o qual, se atingido, leva o dispositivo a um fenmeno chamado de primeira ruptura. Oprocessodeprimeirarupturaocorrequando,aoseelevar a tenso Vce, provoca-se umfenmenodeavalancheemJ2.Esteacontecimentonodanifica,necessariamente,o dispositivo.Se,noentanto,acorrenteIcseconcentrarempequenasreas,osobre-aquecimento produzir ainda mais portadores e destruir o componente (segunda ruptura). Com o transistor desligado (Ib=0) a tenso que provoca a ruptura da juno J2 maior, elevando-seaindamaisquandoacorrentedebasefornegativa.Istoumaindicao interessante que, para transistores submetidos a valores elevados de tenso, o estado desligado deve ser acompanhado de uma polarizao negativa da base. Ib>0VcesIb=0VceoIc IcIcVcboIbIb2>Ib1>0Vce Figura 1.33 - Caracterstica esttica de transistor bipolar. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-30log Vcelog IcIc DCIc maxABCD1 us10 us100 us Figura 1.34 - Aspecto tpico de AOS de TBP A: Mxima corrente contnua de coletor B: Mxima potncia dissipvel (relacionada temperatura na juno) C: Limite de segunda ruptura D: Mxima tenso Vce 1.6.4Regio de quase-saturao Consideremosocircuitomostradonafigura1.35,eascurvasestticasdoTBPali indicadas.QuandoIccresce,Vcediminui,dadaamaiorquedadetenso sobre R. medida que Vce se reduz, caminha-se no sentido da saturao.OsTBPapresentamumaregiochamadadequase-saturaogerada,principalmente, pela presena da camadaN- do coletor. semelhanadacargaespacialarmazenadanosdiodos,nostransistoresbipolares tambmocorreestocagemdecarga.Afigura1.36mostraadistribuiodecargaestticano interior do transistor para as diferentes regies de operao. Na regio ativa, J2 est reversamente polarizada e ocorre uma acumulao de eltrons na regio da base. Quando se aproxima da saturao, J2 fica diretamente polarizada, atraindo lacunasdabaseparaocoletor.Taislacunasassociam-seaeltronsvindosdoemissoreque estomigrandopelocomponente,criandoumacargaespacialquepenetraaregioN-.Isto representa um "alargamento" da regio da base, implicando na reduo do ganho do transistor. Talsituaocaracterizaachamadaquase-saturao.Quandoestadistribuiodecarga espacial ocupa toda a regio N- chega-se, efetivamente, saturao.claroquenodesligamentotodaestacargaterqueserremovidaantesdoefetivo bloqueio do TBP, o que sinaliza a importncia do timo circuito de acionamento de base para que o TBP possa operar numa situao que minimize a tempo de desligamento e a dissipao de potncia (associada ao valor de Vce). VceIcVccVcc/Rcorteregio ativasaturaoquase-saturaoIbRVccVce Figura 1.35 - Regio de quase-saturao do TBP. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-31N+ N- P N+Coletor Base Emissore-base virtualsaturaoquase-saturaoregio ativa Figura 1.36 - Distribuio da carga esttica acumulada no TBP 1.6.5Ganho de corrente OganhodecorrentedosTBPvariacomdiversosparmetros(Vce,Ic,temperatura), sendonecessrio,noprojeto,definiradequadamenteopontodeoperao.Afigura1.37 mostra uma variao tpica do ganho. Embaixascorrentes,arecombinaodosportadoresemtrnsitolevaaumareduo noganho,enquantoparaaltascorrentestem-seofenmenodaquase-saturaoreduzindoo ganho, como explicado anteriormente.ParaumatensoVceelevada,alarguradaregiodetransiodeJ2quepenetrana camadadebasemaior,demodoareduziraespessuraefetivadabase,oquelevaaum aumento do ganho. ganho de correntelog IcVce = 400 V (25 C)Vce = 2 V (25 C)Vce = 2V (125 C) Figura 1.37 - Comportamento tpico do ganho de corrente em funo da tenso Vce, da temperatura e da corrente de coletor. 1.6.6Caractersticas de chaveamento Ascaractersticasdechaveamentosoimportantespoisdefinemavelocidadede mudana de estado e ainda determinam as perdas no dispositivo relativas s comutaes, que sodominantesnosconversoresdealtafreqncia.Definem-sediversosintervalos considerando operao com carga resistiva ou indutiva. O sinal de base, para o desligamento , geralmente, negativo, a fim de acelerar o bloqueio do TBP. a)Carga resistiva Afigura1.38mostraformasdeondatpicasparaestetipodecarga.Ondice"r'se refere a tempos de subida (de 10% a 90% dos valores mximos), enquanto "f" relaciona-se aos temposdedescida.Ondice"s"refere-seaotempodearmazenamentoe"d"aotempode atraso. td: tempo de atraso Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-32Correspondeatempodedescarregamentodacapacitnciadajunob-e.Podeser reduzido pelo uso de uma maior corrente de base com elevado dib/dt. tri: tempo de crescimento da corrente de coletor Este intervalo se relaciona com a velocidade de aumento da carga estocada e depende da corrente de base. Como a carga resistiva, uma variao de Ic provoca uma mudana em Vce. ts: tempo de armazenamento Intervalonecessriopararetirar(Ib0econstanteduranteacomutao.Afigura1.39mostraformasdeonda tpicas com este tipo de carga. b.1) Entrada em conduo ComoTBPcortado,Iocirculapelodiodo(=>Vce=Vcc).Apstd,Iccomeaa crescer,reduzindoId(poisIoconstante).QuandoIc=Io,odiododesligaeVcecomeaa diminuir. Alm disso, pelo transistor circula a corrente reversa do diodo. b.2) Bloqueio Com a inverso da tenso Vbe (e de Ib), inicia-se o processo de desligamento do TBP. Aps tsv comea a crescer Vce. Para que o diodo conduza preciso que Vce>Vcc. Enquanto istonoocorre,Ic=Io.Comaentradaemconduododiodo,Icdiminui,medidaqueId cresce (tfi). Alm destes tempos definem-se outros para carga indutiva: tti: (tail time): Queda de Ic de 10% a 2%; tc ou txo: intervalo entre 10% de Vce e 10% de Ic. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-33100%90%10%90%10%+VccVce(sat)Tenso VceCorrente de coletorSinal de baseCARGA RESISTIVAtd=tditon=ton(i)tritoff=toffits=tsitfiton(v)tdvtfvtoff(v)trvtsv90%10% Figura 1.38 - Caracterstica tpica de chaveamento de carga resistiva Lcarga DfIoVccIcVceVbIcVcetdtsvttiIoVccRcarga Figura 1.39 - Formas de onda com carga indutiva 1.6.7 Circuitos amaciadores (ou de ajuda comutao) - "snubber" OpapeldoscircuitosamaciadoresgarantiraoperaodoTBPdentrodaAOS, especialmente durante o chaveamento de cargas indutivas. a) Desligamento - Objetivo: atrasar o crescimento de Vce (figura 1.40) QuandoVcecomeaacrescer,ocapacitorCscomeaasecarregar(viaDs), desviando parcialmente a corrente, reduzindo Ic. Df s conduzir quando Vce>Vcc. Quandoo transistor ligar o capacitor se descarregar por ele, com a corrente limitada por Rs. A energia acumulada em Cs ser, ento, dissipada sobre Rs. Sejamasformasdeondamostradasnafigura1.41.ConsideremosqueIccaia linearmenteequeIoaproximadamenteconstante.Semocircuitoamaciador,supondo desprezvelacapacitnciaentrecoletoreemissor,assimqueotransistoriniciaseu Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-34desligamento,acorrentedecoletorquevinhacrescendo(ouestavaconstante),mudasua derivada tendendo a diminuir. Isto produz uma tenso sobre a carga que leva o diodo de livre-circulao conduo, de modo que a tenso Vce cresce praticamente para o valor da tenso dealimentao.Comainclusodocircuitoamaciador,odiodoDfsconduzirquandoa tenso no capacitor Cs atingir Vcc. Assim, considerando que Ic decai linearmente, a corrente por Cs cresce linearmente e a tenso sobre ele tem uma forma quadrtica. Fazendo-se com que CscompletesuacargaquandoIc=0,opicodepotnciasereduziramenosde1/4doseu valor sem circuito amaciador (supondo trv=0) O valor de Rs deve ser tal que permita toda a descarga de Cs durante o mnimo tempo ligadodoTBPe,poroutrolado,limiteopicodecorrenteemumvalorinferiormxima corrente de pico repetitiva do componente. Deve-se usar o maior Rs possvel. VccLcarga DfIcVcs CsDs RsVcelog Iclog Vce VccIoIoCssem amaciadorRcarga Figura 1.40 - Circuito amaciador de desligamento e trajetrias na AOS VceIcPtfIc.VccIcVccVccVceP Figura 1.41 - Formas de onda no desligamento sem e com o circuito amaciador. b) Entrada em conduo: Objetivo: reduzir Vce e atrasar o aumento de Ic (figura 1.42) Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-35Nocircuitosemamaciador,apsodisparodoTBP,Iccresce,masVcessereduz quandoDfdeixardeconduzir.AcolocaodeLsprovocaumareduodeVce,almde reduzir a taxa de crescimento de Ic.Normalmentenoseutilizaestetipodecircuito,considerandoqueostempos associados entrada em conduo so menores do que os de desligamento e que Ls, por ser de baixo valor, pode ser substitudo pela prpria indutncia parasita do circuito. cargaDfVccLsRs Ds Figura 1.42 - Circuito amaciador para entrada em conduo. 1.6.8 Conexo Darlington ComooganhodosTBPrelativamentebaixo,usualmentesoutilizadasconexes Darlington (figura 1.43), que apresentam como principais caractersticas: - ganho de corrente = 1(2+1)+2 - T2 no satura, pois sua juno B-C est sempre reversamente polarizada -tantoodisparoquantoodesligamentososeqenciais.Nodisparo,T1ligaprimeiro, fornecendo corrente de base para T2. No desligamento, T1 deve comutar antes, interrompendo a corrente de base de T2. T1T2 Figura 1.43 - Conexo Darlington. Ostempostotaisdependem,assim,deambostransistores,elevando,emprincpio,as perdas de chaveamento. Considerando o caso de uma topologia em ponte (ou meia ponte), como mostrado na figura1.44,quandooconjuntosuperiorconduz,oinferiordeveestardesligado.Deve-se lembrar aqui que existem capacitncias associadas s junes dos transistores. QuandoopotencialdopontoAseeleva(pelaconduodeT2)ajunoB-Cter aumentadasualargura,produzindoumacorrenteaqual,seabasedeT3estiveraberta, circular pelo emissor, transformando-se em corrente de base de T4, o qual poder conduzir, provocando um curto-circuito (momentneo) na fonte. Asoluoadotadacriarcaminhosalternativosparaestacorrente,pormeiode resistores, de modo que T4 no conduza. Almdestesresistores,usualainclusodeumdiodoreverso,deemissorpara coletor,parafacilitaroescoamentodascargasnoprocessodedesligamento.Almdisso,tal diodotemfundamentalimportncianoacionamentodecargasindutivas,umavezquefaza funo do diodo de circulao. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-36cargaT1 T2T3T4capacitncias parasitasi iA Figura 1.44 - Conexo Darlington num circuito em ponte. Usualmente associam-se aos transistores em conexo Darlington, outros componentes, cujo papel garantir seu bom desempenho em condies adversas, como se v na figura 1.45. Figura 1.45 - Conexo Darlington com componentes auxiliares. 1.6.9Mtodos de reduo dos tempos de chaveamento Um ponto bsico utilizar uma corrente de base adequada, como mostra a figura 1.46. Astransiesdevemserrpidas,parareduzirostempodeatraso.UmvalorelevadoIb1 permiteumareduodetri.Quandoemconduo,Ib2devetertalvalorquefaaoTBP operar na regio de quase-saturao. No desligamento, deve-se prover uma corrente negativa, acelerando assim a retirada dos portadores armazenados. Para o acionamento de um transistor nico, pode-se utilizar um arranjo de diodos para evitar a saturao, como mostrado na figura 1.47. Nestearranjo,atensomnimanajunoB-Czero.ExcessonacorrenteIb desviado por D1. D3 permite a circulao de corrente negativa na base. dib/dtIb1Ib2dib/dtIbr Figura 1.46 - Forma de onda de corrente de base recomendada para acionamento de TBP. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-37D1D2D3 Figura 1.47 - Arranjo de diodos para evitar saturao. 1.7MOSFET EnquantooTBPfoiinventadonofinaldosanos40,jem1925foraregistradauma patente(concedidaem1930aJuliusEdgardLilienfeld,reproduzidanafigura1.48)quese referiaaummtodoeumdispositivoparacontrolarofluxodeumacorrenteeltricaentre dois terminais de um slido condutor. Tal patente, que pode ser considerada a precursora dos Transistores de Efeito de Campo, no entanto, no redundou em um componente prtico, uma vezquenohavia,ento,tecnologiaquepermitisseaconstruodosdispositivos.Istose modificounosanos60,quandosurgiramosprimeirosFETs,masaindacomlimitaes importantesemtermosdecaractersticasdechaveamento.Nosanos80,comatecnologia MOS, foi possvel construir dispositivos capazes de comutar valores significativos de corrente e tenso, em velocidade superior ao que se obtinha com os TBP. 1.7.1Princpio de funcionamento (canal N) O terminal de gate isolado do semicondutor por SiO2. A juno PN- define um diodo entre Source e Drain, o qual conduz quando Vds0. A figura 1.49 mostra a estrutura bsica do transistor. Quando uma tenso Vgs>0 aplicada, o potencial positivo no gaterepele as lacunas na regio P, deixando uma carga negativa, mas sem portadores livres. Quando esta tenso atinge um certo limiar (Vth), eltrons livres (gerados principalmente por efeito trmico) presentes na regio P so atrados e formam um canal N dentro da regio P, pelo qual torna-se possvel a passagemdecorrenteentreDeS.ElevandoVgs,maisportadoressoatrados,ampliandoo canal,reduzindosuaresistncia(Rds),permitindooaumentodeId.Estecomportamento caracteriza a chamada "regio resistiva". ApassagemdeIdpelocanalproduzumaquedadetensoquelevaaoseu afunilamento, ou seja, o canal mais largo na fronteira com a regio N+ do que quando se liga regioN-.UmaumentodeIdlevaaumamaiorquedadetensonocanaleaummaior afunilamento,oqueconduziriaaoseucolapsoeextinodacorrente!Obviamenteo fenmenotendeaumpontodeequilbrio,noqualacorrenteIdsemantmconstantepara qualquer Vds, caracterizando a regio ativa do MOSFET. A figura 1.50 mostra a caracterstica esttica do MOSFET, Umapequenacorrentedegatenecessriaapenasparacarregaredescarregaras capacitncias de entrada do transistor. A resistncia de entrada da ordem de 1012 ohms. Estes transistores, em geral, so de canal N por apresentarem menores perdas e maior velocidade de comutao, devido maior mobilidade dos eltrons em relao s lacunas. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-38 Fig. 1.48 - Pedido de patente de transistor FET Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-39N+N-PN+SiO2metalSDG+ + + + + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - -- - - ---Id -IdVgsVddDGSSmbolo Figura 1.49 - Estrutura bsica de transistor MOSFET. A mxima tenso Vds determinada pela ruptura do diodo reverso. Os MOSFETs no apresentamsegundarupturaumavezquearesistnciadocanalaumentacomocrescimento de Id. Este fato facilita a associao em paralelo destes componentes. AtensoVgslimitadaaalgumasdezenasdeVolts,porcausadacapacidadede isolao da camada de SiO2. IdVdsVdsoregioresistivaregio ativaVgs1Vgs2Vgs3vgs3>Vgs2>Vgs1 Figura 1.50 - Caracterstica esttica do MOSFET. 1.7.2rea de Operao Segura Afigura1.51mostraaAOSdosMOSFET.Paratenseselevadaselamaisampla que para um TBP equivalente, uma vez que no existe o fenmeno de segunda ruptura. Para baixas tenses, entretanto, tem-se a limitao da resistncia de conduo. A: Mxima corrente de dreno contnua B: Limite da regio de resistncia constante C: Mxima potncia (relacionada mxima temperatura de juno) D: Mxima tenso Vds Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-40log Vdslog IdABCDId picoId contVdso Figura 1.51 - AOS para MOSFET. 1.7.3 Caracterstica de chaveamento - carga indutiva a) Entrada em conduo (figura 1.52) Ao ser aplicada a tenso de acionamento (Vgg), a capacitncia de entrada comea a se carregar, com a corrente limitada por Rg. Quando se atinge a tenso limiar de conduo (Vth), aps td, comea a crescer a corrente de dreno. Enquanto Id> 1800 Sublima >>1800 Muda de fase 2200* * Diamantegrafite Nota-se(tabela1.2)queasresistnciasdaregiodederivasofortemente influenciadaspelosmateriais.Estesvaloressodeterminadosconsiderandoasgrandezas indicadasnatabela1.1.Aresistnciadeumcomponentedediamanteteria,assim,umvalor cercade30000vezesmenordoquetem-sehojenumcomponentedeSi.Oimpactosobrea reduo das perdas de conduo bvio. Natabela1.3tem-se,paraumdispositivoque deve suportar 1kV, as necessidades de dopagem e o comprimento da regio de deriva. Nota-se tambm aqui que os novos materiais permitiroumareduodrsticanocomprimentodosdispositivos,implicandonumamenor quantidadedematerial,emboraissononecessariamentetenhaimpactosobroocusto.Um dispositivo de diamante seria, em princpio, capaz de suportar 1kV com uma dopagem elevada naregiodederivaenumcomprimentodeapenas2m,ouseja,50vezesmenosqueum componente equivalente de Si. Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-47Natabela1.4tem-seexpressaareduonotempodevidadosportadoresnointerior daregiodederiva.Esteparmetrotemimplicaessobreavelocidadedecomutaodos dispositivos, sendo, assim, espervel que componentes de diamante, sejam algumas ordens de grandeza mais rpidos que os atuais componentes de Si. Tabela 1.2 Resistncia hmica da regio de deriva MaterialSiGaAsSiCDiamante Resistncia relativa16,4.10-29,6.10-33,7.10-5 Tabela 1.3 Dopagem e comprimento da regio de deriva necessrio para uma juno abrupta suportar 1kV MaterialSiGaAsSiCDiamante Dopagem (cm-3)1,3.10145,7.10141,1.10161,5.1017 Comprimento (m)10050102 Tabela 1.4 Tempo de vida de portador (na regio de deriva) para uma juno pn com ruptura de 1000V MaterialSiGaAsSiCDiamante Tempo de vida1,2 s0,11 s40 ns7 ns Muitos problemas tecnolgicos ainda devem ser solucionados para que estes materiais se constituam-se, efetivamente, em alternativas para o Si. Silcio um material que vem sendo estudadohquasemeiosculoecomenormesinvestimentos.Omesmonoocorrecomos demais materiais. OGaAsvemsendoestudadonasltimas2dcadas,mascomumanfaseem dispositivosrpidos,sejapara aplicaes computacionais, seja em comunicaes ticas. No existe ainda tecnologia para produzir pastilhas com o grau de pureza e dimenso necessrias construodecomponentesdepotncia.Almdisso,emrelaoaoSi,estematerialno possui um xido natural (como o SiO2), dificultando a formao de camadas isolantes e de mscarasparaosprocessoslitogrficos.Em1994aMotorolaanunciouolanamento comercial de diodo schottky de 600V. No entanto, embora para este componente especfico o aumentodatensosejasignificativo,asvantagensdoGaAssobreoSisoincrementais, quando comparadas com os outros materiais. OestgiodedesenvolvimentodosSiCaindamaisprimitivonosaspectosdo processamentodomaterialparaobter-seapurezanecessria,nasdimensesrequeridaspara estas aplicaes de potncia. Quanto ao diamante, no existe ainda uma tecnologia para construo de "waffers" de monocristaldediamante.Osmtodosexistentesparaproduodefilmesfinoslevama estruturaspolicristalinas.Adifusoseletivadedopantesearealizaodecontatoshmicos ainda devem ser objeto de profundas pesquisas. 1.12Referncias Bibliogrficas Grafham, D.R. e Golden, F.b., editors: SCR Manual. General Electric, 6o ed., 1979, USA. Rice, L.R., editor: SCR Designers Handbook. Westinghouse Electric Co., 1970, USA Hoft, R.G., editor: SCR Applications Handbook. International Rectifiers, 1977, USA Eletrnica de Potncia - Cap. 1J. A. Pomilio DSCE FEEC UNICAMP20011-48Tsuneto Sekiya, S. Furuhata, H. Shigekane, S. Kobayashi e S. Kobayashi: Advancing Power Transistors and Their Applications to Electronic Power Converters,FujiElectricCo., Ltd., 1981 EdwinS.Oxner:MOSPOWERSemiconductor,PowerConversionInternational, Junho/Julho/Agosto/Setembro 1982,Artigo Tcnico Siliconix TA82-2 B.JayantBaliga:EvolutionofMOS-BipolarPowerSemiconductosTechnology, Proceedings of the IEEE, vol 76, no. 4, Abril 1988, pp. 409-418 V.A.K.Temple:AdvancesinMOS-ControlledThyristorTechnology,PCIM,Novembro 1989, pp. 12-15. N.Mohan,T.M.UndelandandW.P.Robbins:PowerElectronics-Converters, Applications and Design,John Wiley & Sons, Inc., Second Ed., 1995 Bimal K. Bose Power Electronics - A Technology Review, Proceedings of the IEEE, vol 80, no. 8, August 1992, pp. 1303-1334. Detemmerman,B.:ParallelandSerieConnectionofGTOsinTractionApplications.I European Conference on Power Electronics and Applications, 1985. Hausles, M. e outros:Firing System and Overvoltage Protection for Thyristor Valves in Static VAR Compensators. Brown Boveri Review, 4-1987, pp. 206-212 Miller, T.J.E.: Reactive Power Control in Electric Systems. John Wiley & Sons, 1982, USA E. Duane Wolley: Gate Turn-off in p-n-p-n devices.IEEETrans.OnElectronDevices,vol. ED-13, no.7, pp. 590-597, July 1966 Yasuhiko Ikeda: Gate Turn-Off Thyristors. Hitachi Review, vol 31, no. 4, pp 169-172, Agosto 1982 A.Woodworth:Understanding GTO data as an aid to circuit design. Electronic Components and Applications, vol 3, no. 3, pp. 159166, Julho 1981 Steyn,C.G.;VanWyk,J.D.:UltraLow-lossNon-linearTurn-offSnubbersforPower Electronics Switches.I European Conference on Power Electronics and Applications, 1985. Edwin S. Oxner: Power Conversion International, Junho/Julho/Agosto/Setembro 1982. Artigo Tcnico Siliconix TA82-2 MOSPOWER Semiconductor V.A.K.Temple:AdvancesinMOS-ControlledThyristorTechnology.PCIM,Novembro 1989, pp. 12-15. MCT User's Guide. Harris Semiconductors Eletrnica de Potncia Cap. 2J. A.Pomilio DSCE FEEC UNICAMP2003 2-12.TCNICAS DE MODULAO DE POTNCIA Uma vez que as fontes de alimentao so, tipicamente, de valor constante, sejam elas CA ou CC, caso seja preciso variar a tenso aplicada sobre uma carga, necessrio o emprego de algum dispositivo que seja capaz de "dosar" a quantidade de energia transferida. Se o controle deve ser feito sobre a tenso, o dispositivo deve ter uma posio em srie entre a fonte e a carga, como indicado na figura 2.1. Pode-se ter um atuador linear, sobre o qual tem-se uma queda de tenso proporcional suaimpedncia.Estetipodecontroledatensotemcomoinconvenienteaperdadeenergia sobre a resistncia srie. Amaneiramaiseficienteesimplesdemanobrarvaloreselevadosdepotnciapor meiodechaves.Obviamenteestanoumavariaocontnua.Noentanto,dadaa caractersticadearmazenadoresdeenergiapresentesemquase todas as aplicaes, a prpria carga atua como um filtro, extraindo o valor mdio da tenso instantnea aplicada sobre ela.Comoumachaveidealapresentaapenasosestadosdeconduo(quandoatenso sobreelanula)edebloqueio(quandoacorrenteporelanula),noexistedissipaode potncia sobre ela, garantindo a eficincia energtica do arranjo. Na maior parte dos casos, a freqncia de comutao da chave muito maior do que a constante de tempo da carga. ViCarga+ Vr -+Vo-+RrCarga+oSVi+vViVoVrtVo=Vi-VrVitvoVoVo = vo (a)(b) Figura 2.1 Reguladores de tenso srie (a) e chaveado