Dispositivos Semicondutores de Potência (Chaves Semicondutoras de Potência) - Tiristores SCR, GTO, MCT e IGCT

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Tiristores SCR, GTO, MCT e IGCT

Teoria 6 Dispositivos Semicondutores de Potência

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.

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).

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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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 baseemissor 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 I =

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 (C1GB2III+=). 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

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