teoria 6 tiristores_scr gto mct igct

Teoria 6 Dispositivos Semicondutores de Potência Tiristores SCR, GTO, MCT e IGCT

6.1 Tiristores:

O nome tiristor engloba uma família de dispositivos semicondutores que operam em regime chaveado, tendo em comum uma estrutura de 4 camadas semicondutoras numa seqüência p-n-p-n, apresentando um funcionamento biestável.

A principal vantagem dos tiristores é o controle de grande quantidade de energia. Essa característica faz com que esses dispositivos sejam utilizados tanto no controle eletrônico de potência quanto na conversão de energia.

6.2 SCR – Retificador Controlado de Silício:

O tiristor de uso mais difundido é o SCR (do inglês Silicon Controlled Rectifier, ou seja, Retificador Controlado de Silício), usualmente chamado simplesmente de tiristor empregado no controle de altas potências. Um SCR é constituído por quatro camadas (PNPN), e apresenta três terminais: o Anodo (A), o Catodo (K) e o Gatilho ou Porta (em inglês Gate (G)).

No que se assemelha a um diodo retificador comum, o SCR é um dispositivo semicondutor unidirecional, ou seja, a condução de corrente é possível apenas em uma única direção, com sentido convencional específico: entrando pelo terminal de anodo e saindo pelo terminal de catodo do SCR. No entanto, diferentemente de um diodo, o SCR não entra em condução naturalmente: a corrente de anodo só se estabelece efetivamente se atendermos a determinadas condições que vão além do fato de malha de anodo-catodo estar diretamente polarizada.

A Porta (Gate) é o terceiro terminal do SCR. Trata-se de um eletrodo conectado a uma das regiões semicondutoras e sua função é propiciar o controle de corrente principal, entre anodo e catodo. Mediante a injeção de uma corrente relativamente pequena pelo terminal de porta é que se pode estabelecer uma relativamente grande corrente anódica.

É através do terminal de porta que um tiristor pode ser “disparado” e assim controlar a corrente de anodo. A corrente de anodo, por sua vez, é que alimenta uma carga. Com baixos níveis de corrente de gate, é possível controlar altos níveis de corrente de anodo. A figura a seguir mostra o símbolo e a representação esquemática da estrutura de um SCR.

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Outros componentes, no entanto, possuem basicamente uma mesma estrutura: o LASCR (SCR ativado por luz), também chamado de LTT (Light Triggered Thyristor), cuja

porta é conectada via fibra ótica ao invés de condutor elétrico, o TRIAC (tiristor triodo bidirecional), o DIAC (tiristor diodo bidirecional), o GTO (tiristor comutável pela porta) e o moderno MCT (Tiristor controlado por MOS). 6.3 Principio de funcionamento:

Se entre anodo e catodo tivermos uma tensão positiva, as junções J1 e J3 estarão diretamente polarizadas, enquanto a junção J2 estará reversamente polarizada (ver fig. a seguir). Não haverá condução de corrente até que ocorra uma das duas possibilidades:

Disparo por tensão:

• A tensão VAK se eleve a um valor que provoque a ruptura da barreira de potencial em J2 (funcionamento de modo idêntico ao de um diodo de quatro camadas (DIAC)).

Disparo por corrente de porta:

• Existindo uma tensão VGK positiva, que faça circular uma corrente através de J3, com portadores negativos indo do catodo para a porta. Por motivos construtivos, a camada P ligada à porta é suficientemente estreita, a fim de que uma parte dos elétrons os quais cruzam a junção J3 possuam energia cinética suficiente para vencer a barreira de potencial existente em J2, sendo então atraídos pelo anodo.

Desta forma, a junção reversamente polarizada tem sua diferença de potencial diminuída e estabelece-se uma corrente entre anodo e catodo, que poderá persistir mesmo na ausência da corrente de porta, ou seja, uma vez que exista a circulação de corrente anodo-catodo, esta só cessará a partir do ponto em que a corrente IAK estiver abaixo da





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corrente mínima de manutenção (próxima de zero) ou a tensão anodo-catodo VAK for removida ou estiver próxima de zero.

Quando a tensão VAK for negativa, J1 e J3 estarão reversamente polarizadas, enquanto J2 estará diretamente polarizada. Uma vez que a junção J3 está intermediando regiões de alta dopagem, ela não é capaz de bloquear tensões elevadas, de modo que cabe à junção J1 manter o estado de bloqueio do componente.

Podemos fazer-se uma analogia entre o funcionamento do tiristor e o de uma associação de dois transistores (um PNP e outro NPN), conforme mostrado na próxima figura (pseudo-SCR). O funcionamento do SCR pode ser mais bem compreendido a partir

da análise desse circuito equivalente, mas o mesmo não deve ser usado para substituir o SCR na prática.

Uma tensão positiva na porta (G) polariza diretamente a junção base-emissor do transistor NPN injetando uma corrente IG positiva, o transistor NPN denominado T2 entra em condução permitindo a passagem de IC2 e IK.

Como , se o potencial do anodo do pseudo-SCR (no caso o potencial do emissor do transistor PNP denominado T

B12C II =

1) for positivo a junção base-emissor do transistor T1 será diretamente polarizada e o transistor T1 entra em condução, fazendo surgir IC1.

Assim temos a corrente IB2 aumentada ( C1GB2 III += ). Isto provoca um aumento da corrente IC2 e assim o dispositivo evoluirá até a saturação plena, situação essa que será mantida mesmo que IG seja retirada.

Tal efeito cumulativo, o qual damos o nome de “disparo”, o qual ocorre bastando que os ganhos dos transistores sejam maiores que 1. Removidas a tensão e a corrente de gate, o SCR estará ainda em condução devido ao ciclo: o NPN supre o PNP com corrente de base e, por sua vez, o PNP supre o NPN com corrente de base.

O componente se manterá em condução por tempo indefinido desde que:





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• Após o processo dinâmico de entrada em condução, a corrente de anodo tenha atingido um valor superior ao limite IL, chamado de corrente de "latching".

Para que o tiristor deixe de conduzir é necessário que:

• A corrente que passa por ele (IA= IK) caia abaixo do valor mínimo de manutenção (IH), permitindo que se restabeleça a barreira de potencial em J2.

Importante: Para a comutação do dispositivo ao desligamento, não basta pois, a aplicação de uma tensão negativa entre anodo e catodo. Tal tensão reversa apressa o processo de desligamento por deslocar nos sentidos adequados os portadores na estrutura cristalina, mas não garante, por si só, o desligamento.

Devido a características construtivas do dispositivo, a aplicação de uma polarização reversa do terminal de gate não permite a comutação do SCR. Este será um comportamento dos GTOs, como se verá adiante.

6.4 Maneiras de disparar um tiristor SCR:

Podemos considerar cinco maneiras distintas de fazer com que um tiristor entre em condução: 6.4.1 Ação da Tensão VAK:

Quando polarizado diretamente, no estado desligado, a tensão de polarização é aplicada sobre a junção J2. O aumento da tensão VAK leva a uma expansão da região de transição (1) tanto para o interior da camada do gate quanto para a camada N adjacente.

Por efeito térmico, mesmo na ausência de corrente de gate, sempre existirá uma certa quantidade de portadores de carga (no caso, elétrons) que penetram livremente na região de transição, as quais são aceleradas pelo campo elétrico presente em J2.

Para valores elevados de tensão (e, conseqüentemente, de campo elétrico), é possível iniciar um processo de avalanche, no qual as cargas aceleradas, ao se chocarem com átomos vizinhos, provoquem a expulsão de novos portadores, os quais reproduzem o processo.

Tal fenômeno, do ponto de vista do comportamento do fluxo de cargas pela junção J2, tem efeito similar ao de uma injeção de corrente pelo gate, de modo que, se ao se iniciar a passagem de corrente for atingido o limiar de IL, o dispositivo se manterá em condução.

(1) A região de transição, também chamada de zona de depleção, ocorre sempre em torno de uma junção P-N qualquer e consiste basicamente na zona de transição, entre uma região de material semicondutor cuja condutividade elétrica é dominada por portadores de carga tipo-N (elétrons) e uma região cuja condutividade é dominada por portadores de carga tipo-P (lacunas). Ela é caracterizada pela existência em seu interior de um forte campo elétrico (E). Este campo é devido à existência de cargas elétricas fixas na rede cristalina, originadas pela depleção (esvaziamento ou redução de volume) de portadores livres que, durante a formação da junção, se difundiram para o lado oposto. No equilíbrio, forma-se uma barreira de potencial (V0), que impede a difusão continuada dos portadores majoritários de um lado para o outro. A largura e a simetria dessa região, dependem dos processos de fabricação e dos materiais envolvidos. Para uma junção P-N com base em Silício o valor de V0 é tipicamente entre 0,6 e 0,7V.

6.4.2 Ação da Corrente Positiva de Porta:

Sendo o disparo através da corrente de porta a maneira mais usual de ser ligado o tiristor, é importante o conhecimento dos limites máximos e mínimos para a tensão VGK e a corrente IG, como mostrados na próxima figura.

O valor VGM indica a mínima tensão de gate que garante a condução de todos os componentes de um dado tipo, na mínima temperatura especificada.

O valor VGO é a máxima tensão de gate que garante que nenhum componente de um dado tipo entrará em condução, na máxima temperatura de operação.

A corrente IGM é a mínima corrente necessária para garantir a entrada em condução de qualquer dispositivo de um certo tipo, na mínima temperatura.

Para garantir a operação correta do componente, a reta de carga do circuito de acionamento deve garantir a passagem além dos limites VGM e IGM, sem exceder os demais limites máximos (tensão, corrente e potência).

Característica estática do tiristor

Condições para disparo de tiristor através de controle pela porta





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6.4.3 Ação da Taxa de Crescimento da Tensão Direta: Apesar da aparente sofisticação desta maneira de disparo de tiristores, ela tem dado

muita dor de cabeça a pessoal de manutenção de módulos retificadores controlados uma vez que é devido a ela que os SCRs podem entrar em disparos aleatórios, sem que o mesmo ou seu driver de acionamento estejam com defeito, mas sim o circuito de snubber, a inexistência deste, ou ainda a existência de excessivo ruído na rede elétrica (EMI -interferência eletromagnética), aos quais algumas vezes não se dá a devida importância.

Quando reversamente polarizadas, a área de transição de uma junção comporta-se de maneira similar a um capacitor, devido ao campo criado pela carga espacial. Considerando que praticamente toda a tensão está aplicada sobre a junção J2 (quando o SCR estiver desligado e polarizado diretamente), a corrente que atravessa tal junção é dada por:

( )dt

ddt

dCdt

dJ

Jak

akakJJ

CVVVCI ⋅+⋅=⋅

=

Onde Cj é a capacitância da junção.

Quando VAK cresce, a capacitância diminui, uma vez que a região de transição aumenta de largura. Entretanto, se a taxa de variação da tensão for suficientemente elevada, a corrente que atravessará a junção pode ser suficiente para levar o tiristor à condução.

Uma vez que a capacitância cresce com o aumento da área do semicondutor, os componentes para correntes mais elevadas tendem a ter um limite de dv/dt menor. Observe-se que a limitação diz respeito apenas ao crescimento da tensão direta (VAK>0). Por sua vez, a taxa de crescimento da tensão reversa não é importante, uma vez que as correntes que circulam pelas junções J1 e J3, em tal situação, não têm a capacidade de levar o tiristor a um estado de condução.

Como se verá adiante, utilizam-se circuitos RC em paralelo com os tiristores (snubber ou amaciador) com o objetivo de limitar a velocidade de crescimento da tensão direta sobre eles. 6.4.4 Ação da Temperatura:

A altas temperaturas, a corrente de fuga numa junção p-n reversamente polarizada dobra aproximadamente com o aumento de 8ºC. Assim, a elevação da temperatura pode levar a uma corrente através de J2 suficiente para levar o tiristor à condução. 6.4.5 Ação da Energia Radiante (Luz):

Energia radiante dentro da banda espectral do silício, incidindo e penetrando no cristal, produz considerável quantidade de pares elétron-lacuna, aumentando a corrente de fuga reversa, possibilitando a condução do tiristor. Este tipo de acionamento é o utilizado nos LASCR, cuja aplicação principal é em sistemas que operam em elevado potencial, onde a isolação necessária só é obtida por meio de acoplamentos óticos.





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Além da elevada isolação, o disparo por fibra ótica é muito mais imune à interferência eletromagnética (EMI) do que o disparo realizado por condutor elétrico da corrente de porta. 6.5 Tipos de Encapsulamento de SCR:

Há SCRs de várias capacidades: os de baixa corrente que fornecem corrente de anodo de 1 ampère ou menos, os de média corrente, na faixa de 1 a 20 ampéres e os de alta corrente que permitem corrente de anodo de até centenas de ampéres, até mesmo altíssimas correntes de alguns milhares de ampéres.

Os tipos de encapsulamento são bastante diversificados: Tipo Cravo:

Para pequenas e médias correntes são bastante comuns os SCRs com encapsulamento TO-220:

SCR TO-220

Na faixa de médias e altas correntes também são bastante comuns os encapsulamentos tipo cravo:

Stud Type (Cravo): Cravo de

Base Plana (Flat Based):

Cravo com Rabicho:

Tipo Disco:





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Já na faixa de altas correntes o mais comum são os tipos disco:

Disco (Press Pack ou Hockey Puck)

6.6 Parâmetros básicos de tiristores:

Apresentaremos a seguir alguns parâmetros típicos de tiristores e que caracterizam condições limites para sua operação. Alguns deles serão melhores explorados durante a realização do ensaio prático, tendo como base o datasheet de um componente real:

a. Tensão direta de ruptura (VDRM);

b. Tensão reversa máxima (VRRM);

c. Corrente de anodo máxima (IAMAX): pode ser dada como valor RMS (IT(RMS)), médio

(IT(AV)), de pico instantâneo (ITSM);

d. Temperatura de operação máxima (TJMAX): temperatura acima da qual, devido a um

possível processo de avalanche, pode haver destruição do cristal;

e. Resistência térmica (RTH): é a diferença de temperatura entre 2 pontos especificados ou regiões, dividido pela potência dissipada sob condições de equilíbrio térmico. É uma medida das condições de fluxo de calor do cristal para o meio externo;

f. Característica I2t: é o resultado da integral do quadrado da corrente de anodo num

determinado intervalo de tempo, sendo uma medida da máxima potência dissipável pelo dispositivo. É dado básico para o projeto dos circuitos de proteção;

g. Máxima taxa de crescimento da tensão direta VAK (dVD/dt);

h. Máxima taxa de crescimento da corrente de anodo (di/dt): fisicamente, o início do

processo de condução de corrente pelo tiristor ocorre no centro da pastilha de silício, ao redor da região onde foi construída a porta, espalhando-se radialmente até ocupar toda a superfície do catodo, à medida que cresce a corrente. Mas se a corrente crescer muito rapidamente, antes que haja a expansão necessária na superfície condutora, haverá um excesso de dissipação de potência na área de condução, danificando a estrutura semicondutora. Este limite é ampliado para tiristores de tecnologia mais avançada fazendo-se a interface entre porta e catodo com uma maior área de contato, por exemplo, interdigitando a porta.





66i. Corrente de manutenção de condução (IH): a mínima corrente de anodo necessária

para manter o tiristor em condução;

j. Corrente de disparo (IL): mínima corrente de anodo requerida para manter o SCR ligado imediatamente após ocorrer a passagem do estado desligado para o ligado e ser removida a corrente de porta;

k. Tempo de disparo (TON): é o tempo necessário para o tiristor sair do estado

desligado e atingir a plena condução;

l. Tempo de desligamento (TOFF): é o tempo necessário para a transição entre o estado de condução e o de bloqueio. É devido a fenômenos de recombinação de portadores no material semicondutor.

m. Corrente de recombinação reversa (IRQM): valor de pico da corrente reversa que

ocorre durante o intervalo de recombinação dos portadores na junção.

As figuras a

seguir ilustram algumas destas características:

Características do tiristor

Expansão da área de condução do tiristor a partir das vizinhanças da região de gate





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6.7 Redes Amaciadoras:

O objetivo destas redes é evitar problemas advindos de excessivos valores para dv/dt e di/dt, conforme descrito anteriormente.

6.7.1 O problema di/dt: Uma primeira medida capaz de limitar possíveis danos causados pelo crescimento excessivamente rápido da corrente de anodo é construir um circuito acionador de gate adequado, que tenha alta derivada de corrente de disparo para que seja também rápida a expansão da área condutora. Um reator saturável em série com o tiristor também limitará o crescimento da corrente de anodo durante a entrada em condução do dispositivo.

Além deste fato tem-se outra vantagem adicional que é a redução da potência dissipada no chaveamento pois, quando a corrente de anodo crescer, a tensão VAK

será reduzida pela queda sobre a indutância.

O atraso no crescimento da corrente de anodo pode levar à necessidade de um pulso mais longo de disparo, ou ainda a uma seqüência de pulsos, para que seja assegurada a condução do tiristor.

6.7.2 O problema do dv/dt: A limitação do crescimento da tensão direta VAK,

usualmente é feita pelo uso de circuitos RC, RCD, RLCD em paralelo com o dispositivo, como mostrado na figura a seguir.

(a) (b) (c)

Circuitos amaciadores para dv/dt

No caso mais simples (a), quando o tiristor é comutado, a tensão VAK segue a dinâmica dada por RC que, além disso desvia a corrente de anodo facilitando a comutação. Quando o SCR é ligado o capacitor descarrega-se, ocasionando um pico de corrente no tiristor, limitado pelo valor de R.

No caso (b) este pico pode ser reduzido pelo uso de diferentes resistores para os processos de carga e descarga de C. Já no caso (c), o pico é limitado por L, o que não traz eventuais problemas de alto di/dt. A corrente de descarga de C auxilia a entrada em condução do tiristor, uma vez que se soma à corrente de anodo proveniente da carga.

A energia acumulada no capacitor é praticamente toda dissipada sobre o resistor de descarga.





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6.8 Associação em Paralelo/ Associação em série de tiristores:

Desde o início da utilização do tiristor, em 1958, têm crescido constantemente os limites de tensão e corrente suportáveis, atingindo hoje faixas de 5000V e 4000A. Há, no entanto, diversas aplicações nas quais é necessária a associação de mais de um destes componentes, seja pela elevada tensão de trabalho, seja pela corrente exigida pela carga.

Quando a corrente de carga, ou a margem de sobre-corrente necessária, não pode ser suportada por um único tiristor, é essencial a ligação em paralelo. A principal preocupação neste caso é a perfeita distribuição da corrente entre os dispositivos associados, tanto em regime, como durante o chaveamento. Diversos fatores influem na distribuição homogênea da corrente, desde aspectos relacionados à tecnologia construtiva do dispositivo, até o arranjo mecânico da montagem final.

Quando o circuito opera com tensão superior àquela suportável por um único

tiristor, é preciso associar estes componentes em série, com precauções para garantir a distribuição equilibrada de tensão entre eles. Devido a diferenças nas correntes de bloqueio, capacitâncias de junção, tempos de atraso, quedas de tensão direta e recombinação reversa, redes de equalização externa são necessárias, bem como cuidados quanto ao circuito de disparo. 6.9 Disparo:

Há duas características do tiristor bastante importantes para boa distribuição de corrente entre os componentes no momento em que se deve dar o início da condução: o tempo de atraso (TD) e a mínima tensão de disparo (VONMIN

).

O tempo de atraso pode ser interpretado como o intervalo entre a aplicação do sinal de porta e a real condução do tiristor.

A mínima tensão de disparo é o valor mínimo da tensão direta entre anodo e catodo com a qual o tiristor pode ser ligado por um sinal adequado de porta. Recorde-se, da característica estática do tiristor, que quanto menor a tensão VAK, maior deve ser a corrente de gate para levar o dispositivo à condução.

Diferenças em TD podem fazer com que um componente entre em condução antes do outro. Com carga indutiva este fato não é tão crítico, devido a inerente limitação de di/dt da carga, o que não ocorre com cargas capacitivas ou resistivas. Além disso, como VONMIN

é maior que a queda de tensão direta sobre o tiristor em condução, é possível que nem seja factível ao outro dispositivo entrar em condução.

Esta situação é crítica quando se acoplam diretamente os tiristores, sendo minimizada através dos dispositivos de equalização e ainda por sinais de porta de duração maior que o tempo de atraso. 6.10 Desligamento:

Especialmente com carga indutiva, deve-se prever algum tipo de arranjo que consiga manter o equilíbrio de corrente mesmo que haja diferentes características entre os





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tiristores (especialmente relacionadas com os tempos de desligamento). A capacitância do circuito amaciador limita o desbalanceamento, uma vez que absorve a corrente do tiristor que começa a desligar. 6.11 Circuito de disparo:

A corrente de porta deve ser alvo de atenções. O uso de um único circuito de comando para acionar todos os tiristores minimiza os problemas de tempos de atraso. Além disso, deve-se procurar usar níveis iguais de corrente e tensão de porta, uma vez que influem significativamente no desempenho do disparo. Para minimizar os efeitos das diferenças nas junções porta-catodo de cada componente pode-se fazer uso de um resistor ou indutor em série com a porta, para procurar equalizar os sinais. É importante que se tenha atingido a corrente de disparo (IL) antes da retirada do pulso de porta, o que pode levar à necessidade de circuitos mais elaborados para fornecer a energia necessária. Uma seqüência de pulsos também pode ser empregada.

Em muitas aplicações, devido à necessidade de isolamento elétrico entre o circuito de comando e o de potência, o sinal de disparo deve ser isolado por meio de algum dispositivo como, por exemplo, transformadores de pulso ou acopladores óticos: 6.11.1 Transformador de pulso:

Neste caso, têm-se transformadores capazes de responder apenas em alta freqüência, mas que possibilitam a transferência de pulsos de curta duração (até centenas de microssegundos), após o que o transformador satura. Caso seja necessário um pulso mais largo, ele poderá ser obtido por meio de um trem de pulsos, colocando-se um filtro passa-baixas no lado de saída. Com tais dispositivos deve-se prever algum tipo de limitação de tensão no secundário (onde está conectado o gate), a fim de evitar sobre-tensões.

Quando se usar transformador de pulso é preciso garantir que ele suporte pelo menos a tensão de pico da alimentação. Como as condições de disparo podem diferir consideravelmente entre os tiristores, é comum inserir uma impedância em série com a porta para evitar que um tiristor com menor impedância de porta drene o sinal de disparo, impedindo que os demais dispositivos entrem em condução. Esta impedância em série pode ser um resistor ou um capacitor, que tornaria mais rápido o crescimento do pulso de corrente. 6.11.2 Acoplamento Ótico:

O acoplamento ótico apresenta como principal vantagem a imunidade a interferências eletromagnéticas, além da alta isolação de potencial. Dois tipos básicos de acopladores são usados: os opto-acopladores e as fibras óticas. No primeiro caso tem-se um dispositivo onde o emissor e o receptor estão integrados, apresentando uma isolação típica de 2500V. Já para as fibras óticas, o isolamento pode ser de centenas de kV.

A potência necessária para o disparo é provida por duas fontes: uma para alimentar o emissor (em geral a própria fonte do circuito de controle) e outra para o lado do receptor. Eventualmente, a própria carga armazenada no capacitor do circuito amaciador (ou rede de equalização), através de um transformador de corrente, pode fornecer a energia para o lado

do receptor, a partir da corrente que circula pelo tiristor, assegurando potência durante todo o período de condução (3.5).

Circuitos de acionamento com transformador de pulso (TP)

Circuitos de acionamento com Acoplador Ótico

6.11.3 Sobre-tensão:

A fim de evitar disparos indesejados dos tiristores em virtude do aumento repentino da tensão, superando o limite de dv/dt ou o valor da máxima tensão direta de bloqueio, deve-se manter uma polarização negativa no terminal da porta, aumentado o nível de tensão suportável. 6.11.4 Resfriamento:

As características do tiristor são fornecidas a uma certa temperatura da junção. O calor produzido na pastilha deve ser dissipado, devendo transferir-se da pastilha para o encapsulamento, deste para o dissipador e daí para o meio de refrigeração (ar ou líquido). 6.12 GTO - Gate Turn-Off Thyristor:

O GTO, embora tenha sido criado no início da década de 60, por problemas de fraco desempenho foi pouco utilizado. Com o avanço da tecnologia de construção de dispositivos semicondutores, novas soluções foram encontradas para aprimorar tais componentes, que hoje ocupam significativa faixa de aplicação, especialmente naquelas de elevada potência, uma vez que atualmente estão disponíveis dispositivos para até 5000V, 4000A. 6.12.1 Princípio de funcionamento:

O GTO possui uma estrutura de quatro camadas, típica dos componentes da família dos tiristores. Sua característica principal é sua capacidade de entrar em condução e bloquear através de comandos adequados no terminal de gate.

O mecanismo de disparo é semelhante ao do SCR: supondo-o diretamente polarizado, quando a corrente de gate é injetada, circula corrente entre gate e catodo. Grande parte de tais portadores, como a camada de gate é suficientemente fina, desloca-se até a camada N adjacente, atravessando a barreira de potencial e sendo atraídos pelo potencial do anodo, dando início à corrente anódica. Se esta corrente se mantiver acima da SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina”




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corrente de manutenção, o dispositivo não necessita do sinal de gate para manter-se conduzindo.

A figura a seguir mostra o símbolo do GTO e uma representação simplificada dos processos de entrada e saída de condução do componente.

A aplicação de uma polarização reversa na junção gate-catodo pode levar ao desligamento do GTO, e esta é uma diferença principal em relação aos tiristores, os quais não podem ser desligados, senão pela queda da corrente de condução direta abaixo de um valor mínimo de manutenção.

Portadores livres (lacunas) presentes nas camadas centrais do dispositivo são

atraídos pela porta, fazendo com que seja possível o restabelecimento da barreira de potencial na junção J2.

Símbolo, processos de chaveamento e estrutura interna de GTO

Aparentemente seria possível tal comportamento também no SCR. As diferenças,

no entanto, estão nos níveis de dopagem na construção do componente. 6.13 MCT (MOS Controlled Thyristor):

Apesar das vantagens do uso dos tiristores convencionais (SCR), outros dispositivos de chaveamento de potência foram desenvolvidos ao longo dos últimos anos. A partir da metade da década de 80, começaram a surgir os dispositivos híbridos, utilizando a tecnologia bipolar (dos transistores de junção) e a tecnologia MOS (Metal Óxido Semicondutor). Estes novos dispositivos apresentam como vantagens a baixa perda de condução, alta velocidade de chaveamento e baixa potência de controle. Dentre as mais recentes inovações podemos citar: o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) e o MCT (MOS Controlled Thyristor), que será foco deste estudo.





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MCT (MOS-Controlled Thyristor) é um novo tipo de dispositivo semicondutor de potência que associa as capacidades de densidade de corrente e de bloqueio de tensão (alta potência) típicas da família dos tiristores, porém com o terminal de controle de comutação (porta) que o torna um tiristor completamente controlável, isto é o MCT é semelhante ao tiristor de GTO na operação, apesar de diferir deste na tecnologia: o MCT é constituído de dois transistores MOSFETs em seu circuito equivalente, sendo um deles responsável pela comutação de ligamento e o outro responsável pela comutação de desligamento.

OBS: Tiristores com apenas um MOSFET em seu circuito equivalente, o qual

comutado para ligamento (semelhante aos SCRs comuns) é chamado MOS Gated Thyristor (MGT).

Assim, por ser baseado na tecnologia dos dispositivos MOS (Metal-Oxide-

Semiconductor), um MCT possui uma elevada impedância de porta (porta isolada) e enquanto um GTO tem a porta controlada em corrente, um MCT é controlado por tensão: a comutação do MCT é comandada pela aplicação de diferentes níveis de tensão à porta, a qual funciona pelo principio de campo elétrico, praticamente sem consumo de corrente, típico de um dispositivo de MOS.

Colocando-se uma tensão positiva no terminal de porta em relação a cátodo comuta o tiristor para o estado ligado. Já uma tensão negativa no terminal de porta com relação ao ânodo (a qual tem valor próximo da tensão de cátodo no estado de ligado) comuta o tiristor para o estado desligado.

Em virtude da diferença tecnológica, os MCTs apresentam uma facilidade de

comando muito superior aos GTOs. Um GTO apresenta um baixo ganho de corrente no desligamento, exigindo um circuito de comando relativamente complexo. No entanto, os MCTs mesmo atualmente não atingiram os elevados níveis de tensão e de corrente comparáveis aos dos GTOs, estando limitados a valores inferiores a 2500V e 800A. No entanto o MCT é um dispositivo de comutação ainda muito promissor.

O fato da estrutura física do MCT ser constituída de milhares de pequenas células, muito menores do que as células que formam os GTOs, faz com que, para uma mesma área semicondutora, a capacidade de corrente dos MCTs seja menor do que um GTO equivalente: esta é uma limitação tecnológica atual.

A dissipação de potência de um MCT depende das perdas que ocorrem no

transitório de ligamento, de desligamento e durante a condução.

Princípio de funcionamento:

Considerando o modelo de dois transistores para um tiristor, um MCT pode ser representado como mostrado na figura a seguir. Nesta figura também se mostra uma seção transversal de uma célula do dispositivo. Um componente é formado pela associação em paralelo de milhares de tais células construídas numa mesma pastilha.

Circuito equivalente de MCT canal P; corte transversal de uma célula e símbolo do componente.

Em um MCT de canal P (P-MCT) o MOSFET responsável pela entrada em condução do tiristor (on-FET) é também de canal P, sendo levado à condução pela aplicação de uma tensão negativa no terminal de porta. Estando o anodo positivo, a condução do on-FET realiza uma injeção de portadores na base do transistor NPN, levando o componente à condução. Uma vez que o componente é formado pela associação de dezenas de milhares de células, e como todas elas entram em condução simultaneamente, o MCT possui excelente capacidade de suportar elevado di/dt.

O MCT permanecerá em condução até que a corrente de anodo caia abaixo do valor

da corrente de manutenção (como qualquer tiristor), ou então até que seja ativado o off-FET, o que se faz pela aplicação de uma tensão positiva no gate.

A condução do off-FET, ao curto-circuitar a junção base-emissor do transistor PNP

(é possível também uma estrutura que curto-circuita as junções base-emissor de ambos os transistores), reduz o ganho de corrente para um valor menor do que 1, levando ao bloqueio do MCT. A queda de tensão deve ser menor que Vbe.

O MCT não apresenta o efeito Miller, de modo que não se observa o patamar de tensão sobre o terminal de porta, o qual pode ser modelado apenas como uma capacitância. Esta capacidade de desligamento está associada a uma intensa interdigitação entre o off-FET e as junções, permitindo absorver portadores de toda superfície condutora do anodo (e do catodo).

Assim como um GTO assimétrico, o MCT não bloqueia tensão reversa acima de

poucas dezenas de volts, uma vez que as camadas n+ ligadas ao anodo curto-circuitam a junção J1, e q junção J3, por estar associada a regiões de dopagem elevada, não tem capacidade de sustentar tensões mais altas. É possível, no entanto, fazê-los com bloqueio simétrico, também sacrificando a velocidade de chaveamento.

O sinal de porta deve ser mantido, tanto no estado ligado quanto no desligado, a

fim de evitar comutações (por "latch-down" ou por dv/dt) indesejáveis. Na figura ao lado mostra uma comparação entre a queda de tensão entre os





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terminais principais, em função da densidade de corrente, para componentes (MCT, IGBT e MOSFET).





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Nota-se que o MCT apresenta tensões

muito menores do que os transistores, devido à sua característica de tiristor. Ou seja, as perdas em condução deste dispositivo são consideravelmente menores, representando uma de suas principais características no confronto com outros componentes.

Mantendo o off-FET operando durante o estado bloqueado, tem-se que a corrente de fuga circula por tal componente auxiliar, resultando numa melhoria na capacidade de bloqueio, mesmo em altas temperaturas. Devido a este desvio da corrente através do MOSFET, o limite de temperatura está associado ao encapsulamento, e não a fenômenos de perda da capacidade de bloqueio. Isto significa que é possível operá-los em temperaturas bem mais elevadas do que os outros componentes como, por exemplo, 250ºC.

Comparação entre componentes para 600V, com 1μs de tempo de desligamento,

desprezando a resistência do encapsulamento.

Devido à elevada densidade de corrente, e conseqüente alto limite de di/dt,

suportável pelo MCT, circuitos amaciadores devem ser considerado basicamente para o desligamento, podendo ser implementados apenas com um capacitor entre anodo e catodo, uma vez que a descarga deste sobre o MCT no momento da comutação ao ligamento, não é um problema. Comparação entre P-MCT e N-MCT:

É possível construir MCTs que são ligados por um MOSFET de canal N, e desligado por um MOSFET de canal P. Este componente entra em condução quando um potencial positivo é aplicado ao terminal de porta, desligando com uma tensão negativa. Como o anodo está em contato apenas com uma camada P, este dispositivo é capaz de sustentar tensões com polarização reversa.

Sabe-se que um MOSFET canal N é mais rápido e apresenta menor queda de

tensão do que um MOSFET canal P.

Circuito equivalente de MCT canal N; corte transversal de uma célula e símbolo do

componente.

Assim, um P-MCT, por ser desligado por um MOSFET canal N é capaz de comutar

uma corrente de anodo 2 a 3 vezes maior do que a que se obtém em um N-MCT. Em contraposição, por ser ligado por um MOSFET canal P, a entrada em condução é mais lenta do que a que se tem em um N-MCT.

A queda no MOSFET deve ser menor que 0,7V, para garantir que o TBP não conduza. Esta queda de tensão se dá com a passagem da totalidade da corrente de anodo pelo MOSFET. IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor):

Desenvolvimento da tecnologia dos GTOs conduziu a uma larga variedade de aplicações na a gama de 1 a 20 MVA, principalmente de acionamentos velocidade ajustável e interfaces de energia para ferrovias. Embora estas aplicações tenham provado a confiança e efetividade de custo do tiristor GTO, ainda há desvantagens incômodas nesta tecnologia. O modo não uniforme de chaveamento do GTO dá origem à necessidade de capacitores como amaciadores para limitar dv/dt, e grandes dispersões nos tempos de desligamento torna complicada a conexão de GTOs em série.

Recentemente uma inovação na tecnologia dos GTOs foi alcançada pela introdução

do “Hard Driven GTO” conduzindo à possibilidade de chaveamento sem amaciadores. Este novo modo de chaveamento é caracterizado por uma comutação extremamente rápida da corrente de cátodo para a porta (Gate Commutated Thyristor - GCT) por meio de que o emissor de cátodo é desenergizado antes que a tensão na junção de bloqueio principal suba (veja Figo. 1). Para realizar isto a corrente de cátodo inteira é comutada à porta dentro de menos de 1 μs. Qualquer ação regenerativa do cátodo é então prevenida, deixando apenas o equivalente a um transistor pnp ativo durante o desligamento. De fato um modo de desligamento a transistor é conveniente para altos níveis de desligamento sem amaciadores.





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Modo de Desligamento de um GCT (modelo de dois transistores)

IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor): desenvolvido e projetado pela

ABB. O IGCT combina as vantagens dos tiristores (baixa queda de tensão em estado de condução e altos níveis de tensão de bloqueio), com as características robustas de chaveamento dos transistores. O uso de IGCTs resulta em um acionamento de média tensão e elevada potência simplificado, mais eficiente, compacto e confiável, minimizando os custos de operação e manutenção e permitindo realizar a performances utilizando modernos algoritmos de controle, os quais podem eliminar harmônicos, melhorar o tempo de resposta dinâmica e manter, ou mesmo controlar, o fator de potência.

As inerentes baixas perdas totais do IGCT requerem uma capacidade de refrigeração menor e um pequeno equipamento de refrigeração. Descrição de dispositivo:

Um IGCT é um tipo especial de tiristor semelhante a um GTO. Eles podem ser comutados de ciclicamente por um sinal de porta, tendo uma menor perda de condução se

comparado com os GTOs, e suporta taxas mais altas de elevação de tensão (dv/dt), de modo que nenhuma rede amaciadora (snubber) é requerida para a maioria das aplicações.

Simbologia do IGCT

A estrutura de um IGCT é bem parecida com a de um

tiristor GTO. Em um IGCT, a corrente de porta de estado desligado é maior do que a corrente de ânodo. Isto resulta em uma eliminação completa da injeção de portador minoritária da junção de PN mais baixa e acelera o tempo de desligamento. A diferença principal é uma redução no tamanho das células, em adição a uma conexão de porta muito mais significativa com indutância muito mais baixa no circuito de acionamento da porta e na conexão do circuito de





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acionamento. Uma corrente de porta muito mais alta, adicionada a uma rápida recuperação de porta significa que fios condutores convencionais não podem ser usados para conectar o circuito acionador ao IGCT. A placa de circuito impresso do circuito acionador é integrada no pacote do dispositivo. O circuito acionador envolve o dispositivo e um condutor circular grande prenso à extremidade da estampa de IGCT é usado. A área de contato maior e a curta distância reduzem a indutância e resistência da conexão.

Os tempos de desligamento do IGCT são muito mais rápidos se comparados com os de um GTO, o que lhes permite operar a freqüências mais altas - até vários de kHz - para períodos muito curtos de tempo. No entanto, por causa das altas perdas na comutação, a freqüência operacional típica até 500 Hz. Características de Polarização Reversa:

Os IGCT estão disponíveis com ou sem capacidade de bloqueio reversa. A capacidade de bloqueio de reverso tem como efeito colateral à queda de tensão direta por causa da necessidade de ter uma região de P1 de baixa dopagem alongada.

O IGCT capaz de bloquear tensão reversa é conhecido como IGCT simétrico (S-IGCT). Normalmente, o valor da tensão de bloqueio reversa e o da tensão bloqueio direto em estado desligado são ambas de mesmo valor. A aplicação típica do IGCT simétrico é em inversores de fonte de corrente.

O IGCT sem a capacidade de bloquear tensão reversa é conhecido como IGCT assimétrico (A-IGCT). Eles têm um valor de tensão reverso típico da ordem de poucas dezenas de volts. O A-IGCT pode ser usado tanto no caso onde um diodo colocado em paralelo faz a condução na ocorrência de polarização reversa (por exemplo, em inversores de fonte de tensão), quanto no caso onde a tensão reversa de fato nunca ocorra (por exemplo, fontes chaveadas ou circuitos recortadores (shoppers)).

O A-IGCT pode ser fabricado com um diodo de condução reverso integrado no mesmo pacote. Estes são conhecidos como RC-IGCT (IGCT com condução reversa). Aplicações:

As aplicações principais estão em conversores de freqüência variável e acionadores para máquinas de tração. Materiais Emergentes:

Silício é ainda hoje praticamente o único material utilizado para a fabricação de componentes semicondutores de potência. Isto se deve ao fato de que já se tem tecnologia para fazer o crescimento de monocristais de silício com pureza e em diâmetro suficientes, o que ainda não é possível para outros materiais.

Existem, no entanto, outros materiais com propriedades superiores, em relação ao silício, mas que ainda não são produzidos em dimensões e grau de pureza que são necessários à produção comercial de componentes de potência.





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O Arsenieto de Gálio (GaAs) é um destes materiais. Por possui um maior gap de energia (energia de afastamento entre as bandas de condução e de valência) em relação ao silício, dispositivos construídos a partir deste material apresentam menor corrente de fuga e, assim, poderiam operar em temperaturas mais elevadas. Uma vez que a mobilidade dos portadores é muito maior no GaAs, tem-se um componente com menor resistência de condução, especialmente nos dispositivos com condução por portadores majoritários (MOSFET). Além disso, por apresentar uma maior intensidade de campo elétrico de ruptura, ele poderia suportar maiores tensões.

A tabela a seguir mostra propriedades de diversos materiais a partir dos quais pode-se, potencialmente, produzir dispositivos semicondutores de potência.

Propriedades de Materiais Semicondutores

Propriedade Si GaAs 3C-SiC 6H-SiC DiamanteGap de energia a 300ºK (eV) 1,12 1,43 2,2 2,9 5,5 Condutividade térmica (W/cm.C) 1,5 0,5 5,0 5,0 20 Max. temperatura de operação (K) 300 460 873 1240 1100 Mobilidade a 300K (cm2/V.s) 1400 8500 1000 600 2200 Campo elétrico máximo (V/cm) 3.105 4.105 4.106 4.106 1.107

O Carboneto de Silício (SiC) é um material sobre o qual faz-se uma intensa

pesquisa. Seu gap de energia é maior que o dobro do Si, permitindo operação em temperaturas elevadas. Adicionalmente apresenta elevada condutividade térmica (que é baixa para GaAs), facilitando a dissipação do calor produzido no interior do semicondutor. Sua principal vantagem em relação tanto ao Si quanto ao GaAs é a intensidade de campo elétrico de ruptura, que é aumentada em uma ordem de grandeza.

Outro material de interesse potencial é o diamante. Apresenta, dentre todos estes materiais, o maior gap de energia, a maior condutividade térmica e a maior intensidade de campo elétrico, além de elevada mobilidade de portadores.

Muitos problemas tecnológicos ainda devem ser solucionados para que estes materiais se possam ser, efetivamente, alternativas para o Si. Silício é um material que vem sendo estudado há quase meio século e com enormes investimentos. O mesmo não ocorre com os demais materiais.

O GaAs vem sendo estudado nas últimas 2 décadas, mas com uma ênfase em dispositivos rápidos, seja para aplicações computacionais, seja em comunicações óticas. Não existe ainda tecnologia para produzir pastilhas com o grau de pureza e dimensão necessárias à construção de componentes de potência. Além disso, em relação ao Si, este material não possui um óxido natural (como é o SiO2), dificultando a formação de camadas isolantes e de máscaras para os processos litográficos. Em 1994 a Motorola anunciou o lançamento comercial de diodo schottky de 600V. No entanto, embora para este componente específico o aumento da tensão seja significativo, as vantagens do GaAs sobre o Si são incrementais, quando comparadas com os outros materiais.

Até bem pouco tempo ninguém antes havia conseguido produzir cristais de carboneto de silício puros e sem falhas, pois os métodos até então utilizados geravam





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cristais com grande número de falhas, defeitos macroscópicos como túneis e inclusões, o que impedia sua utilização na eletrônica.

Ma recentemente, uma pesquisa feita por cientistas da Toyota Central R&D Labs,

Japão, que desenvolveu um método promissor, capaz de gerar cristais de carboneto de silício de alta pureza e qualidade, criando assim a expectativa do carboneto de silício sair das oficinas de pesquisa e ir direto para as salas limpas dos principais laboratórios e fábricas de semicondutores do mundo.

O carboneto de silício transmite energia com muito maior eficiência do que o

silício puro, o que poderá diminuir consideravelmente a necessidade de refrigeração, operando com mínimas perdas de energia. Além disso, dispositivos de carboneto de silício podem suportar altas temperaturas e poderão trabalhar em ambientes extremos.

Agora os pesquisadores vão trabalham na geração de cristais de maiores dimensões

para aplicação em dispositivos de potência. Quanto ao diamante, não existe ainda uma tecnologia para construção de "waffers"

de monocristal de diamante. Os métodos existentes para produção de filmes finos levam a estruturas policristalinas. A difusão seletiva de dopantes e a realização de contatos ôhmicos ainda devem ser objeto de profundas pesquisas.

André Luis Lenz – [email protected] – 2002/2005

teoria 6 tiristores_scr gto mct igct

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