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

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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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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:

aplicações

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

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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curta distância reduzem a indutância e resistência da conexão

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

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:

causa da necessidade de ter uma região de P1 de baixa dopagem alongada

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

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 podese, potencialmente, produzir dispositivos semicondutores de potência.

Propriedades de Materiais Semicondutores

Propriedade Si GaAs 3C-SiC 6H-SiC Diamante Gap 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 10 Mobilidade a 300K (cm2/V.s) 1400 8500 1000 600 20 Campo elétrico máximo (V/cm) 3.1054.1054.1064.1061.107

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