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

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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.

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 (VON ).

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

VON 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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6.1 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:

6.1.1 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 sobretensões.

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.

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

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.

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).

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.

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

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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.

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.

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