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1 Tiristor:
O tiristor é um dispositivo semicondutor de quatro camadas, de estrutura pnpn,
com três junções pn. El...
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Apostila did tica_elet_industrial__unidade_1_aula_3[1]

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Apostila did tica_elet_industrial__unidade_1_aula_3[1]

  1. 1. Aula 3: 1 Tiristor: O tiristor é um dispositivo semicondutor de quatro camadas, de estrutura pnpn, com três junções pn. Ele possui três terminais denominados de: anodo, catodo e gatilho. A Figura 15 mostra o símbolo do tiristor e a sua representação estrutural teórica. O nome tiristor engloba uma família de dispositivos semicondutores que operam em regime chaveado, apresentando um funcionamento biestável. (a) (b) Figura 15 – Tiristor. (a) Símbolo; (b) Estrutura teórica. De acordo com a Figura 15 os terminais principais conectados ao circuito de potência são, como no diodo, o anodo (A) e o catodo (K), sendo que o sinal de disparo (controle) é aplicado num terceiro terminal denominado de gatilho (G). A estrutura básica do tiristor e o seu perfil de dopagem são mostradas na Figura 16. (a) (b) Figura 16 – Tiristor. (a) Perfil de dopagem; (b) Estrutura simplificada.
  2. 2. Aula 3: Chaves Semicondutoras de Potência – O tiristor Eletrônica Industrial Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 24 O tiristor de uso mais difundido é o SCR (Retificador Controlado de Silício), usualmente chamado simplesmente de tiristor. Outros componentes, no entanto, possuem basicamente a mesma estrutura: LASCR (SCR ativado por luz), também chamado de LTT (Light Triggered Thyristor), TRIAC (tiristor triodo bidirecional), DIAC (tiristor diodo bidirecional), GTO (tiristor comutável pela porta), MCT (Tiristor controlado por MOS). A. Princípio de funcionamento Quando a tensão do anodo é positiva em relação ao catodo, as junções J1 e J3 encontram-se polarizadas diretamente. A junção J2 esta reversamente polarizada e apenas uma pequena corrente de fuga circula do anodo para o catodo. Neste estado o tiristor esta na condição de bloqueio direto ou estado desligado. Se a tensão anodo- catodo (VAK) for aumentada até um valor suficientemente grande, a junção reversamente polarizada J2 se romperá. Este fenômeno é conhecido como ruptura por avalanche e a tensão correspondente em que isto ocorre é chamada de tensão de ruptura direta. Se houver uma tensão VGK positiva, uma corrente através de J3 circulará com portadores negativos fluindo do catodo para o gatilho. Por construção, a camada P ligada ao gatilho é suficientemente estreita para que parte destes elétrons que cruzam J3 possuam energia cinética suficiente para vencer a barreira de potencial existente em J2, sendo então atraídos pelo anodo. Como as junções J1 e J3 já se encontram polarizadas diretamente, haverá um movimento livre de portadores através de todas as três junções, resultando em uma grande corrente de anodo no sentido direto. Neste momento o dispositivo estará então no estado de condução ou estado ligado. Para que o estado de condução seja mantido a corrente de anodo tem de estar acima de um valor conhecido como corrente de travamento. Caso a corrente de anodo seja menor do que a corrente de travamento (IL) o dispositivo voltará à condição de bloqueio quando a tensão anodo-catodo (VAK) for reduzida. A curva característica de corrente versus tensão de um tiristor é mostrada na Figura 17.
  3. 3. Aula 3: Chaves Semicondutoras de Potência – O tiristor Eletrônica Industrial Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 25 Figura 17 – Característica de corrente e tensão do tiristor. Uma vez que o tiristor entra em condução, o seu comportamento é semelhante ao de um diodo em condução e não há controle sobre o dispositivo, ou seja, ele continuará no estado de condução porque não há barreira de potencial (ou camada de depleção) na junção J2. Entretanto, se a corrente direta de anodo for reduzida abaixo de um nível chamado de corrente de manutenção (IH – holding current), uma região de depleção se formará em torno da junção J2, devido ao reduzido número de portadores, e o tiristor entrará em bloqueio. A corrente de manutenção é menor do que a corrente de travamento (IL – latch current). Assim, a corrente de travamento é a mínima corrente direta de anodo para manter o tiristor no estado de condução. Quando a tensão de catodo é positiva em relação ao anodo, a junção J2 está diretamente polarizada, mas as junções J1 e J3 estão reversamente polarizadas. Isto é, como se existissem dois diodos conectados em série, com tensão reversa aplicada sobre eles. Neste momento o tiristor encontra-se no estado de bloqueio reverso e uma pequena corrente de fuga reversa, chamada de corrente reversa flui através do dispositivo. Uma vez que a junção J3 é intermediária a 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. B. O modelo com dois transistores
  4. 4. Aula 3: Chaves Semicondutoras de Potência – O tiristor Eletrônica Industrial Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 26 Um modo de se explicar o funcionamento de um tiristor é utilizando o modelo de dois transistores para representar a estrutura pnpn, como mostrado na Figura 18. O transistor T1 é um transistor npn formado pelas regiões n2-p1-n1 enquanto que o transistor T2 é um transistor pnp formado pelas regiões p2-n2-p1. A aplicação de uma tensão com potencial positivo entre o anodo e o catodo não resulta em condução. Isto porque a junção central J2 é polarizada reversamente e assegura o bloqueio do dispositivo. Ambos os transistores do circuito equivalente possuem a junções base-emissor polarizadas diretamente e com junções base-coletor polariazadas reversamente ambos os transistores podem ser considerados em bloqueio. Fica evidente através da Figura 18(c) que a corrente de coletor do transistor npn (T1) fornece a corrente de base para o transistor pnp (T2). De modo semelhante, a corrente de coletor do transistor pnp (T2) com qualquer corrente aplicada ao gatilho (G) fornece a corrente de base para o transistor npn. Assim, uma situação “regenerativa” resultará quando o ganho total do laço exceder a unidade. É importante observar que para passar o tiristor ao estado ligado é preciso que o terminal do gatilho receba um pulso positivo de pequena amplitude de corrente por um curto espaço de tempo. Assim que o dispositivo estiver em condução, o sinal do gatilho pode ser removido. (a) (b) (c) Figura 18 – Modelo dois transistores do tiristor. (a) Estrutura do tiristor; (b) Estrutura dos dois transistores pnp e npn; (c) Associação correspondente dos transistores pnp e npn. C. Disparo de um Tiristor Um tiristor é disparado aumentando-se a corrente de anodo. Isto pode ser conseguido de cinco maneiras distintas, descritas como segue: a) Tensão elevada ou sobretensão: Quando polarizado diretamente, no estado de bloqueio, a tensão de polarização é aplicada sobre a junção J2. O aumento da tensão VAK para valores maiores que a tensão
  5. 5. Aula 3: Chaves Semicondutoras de Potência – O tiristor Eletrônica Industrial Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 27 de ruptura direta VBO, fluirá uma corrente de fuga suficiente para iniciar o disparo regenerativo. Esse tipo de disparo pode ser destrutivo e deve ser evitado. b) Ação da corrente positiva de gatilho: Se o tiristor estiver diretamente polarizado, a injeção de corrente de gatilho pela aplicação de tensão positiva entre os terminais de gatilho e catodo irá dispará-lo. À medida que a corrente de gatilho aumenta, a tensão de bloqueio direta diminui como mostrado na Figura 19. Deve-se observar que há um atraso de tempo, chamado de tempo de disparo (ton), entre a aplicação do sinal de gatilho e a condução do tiristor. Figura 19 – Característica de corrente e tensão do tiristor para diferentes correntes de gatilho. c) Taxa de crescimento da tensão direta (dv/dt): 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 bloqueado e polarizado diretamente), a corrente que atravessa tal junção é dada por: ( ) ( )( ) ( ) ( )2 2 2 2 2 2 2 2J J J J J J J J d d d d i q C V V C C V dt dt dt dt = = = + (2.26) Onde CJ2 e VJ2 são a capacitância e a tensão na junção J2, respectivamente. Se a taxa de crescimento de VAK for grande, 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.
  6. 6. Aula 3: Chaves Semicondutoras de Potência – O tiristor Eletrônica Industrial Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 28 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). 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 circuitos RC em paralelo com os tiristores são utilizados com o objetivo de limitar a taxa de crescimento da tensão direta sobre eles. d) Térmica: Se a temperatura de um tiristor for elevada, haverá um aumento no número de pares elétrons-lacunas que aumentará a corrente de fuga. Esse aumento na corrente de fuga pode chegar a níveis capazes de disparar o tiristor. Esse tipo de disparo pode causar agitação térmica e é normalmente evitado. e) Luz: Se for permitido que a luz atinja as junções de um tiristor, os pares elétrons- lacunas aumentarão e o tiristor poderá ser disparado. Os tiristores ativados por luz (LASCR) são disparados permitindo-se que a luz atinja a pastilha de silício. D. Desligamento de um Tiristor Um tiristor que esteja em condução pode ser desligado pela redução da corrente direta a um nível abaixo da corrente de manutenção (IH). Existem várias técnicas para o desligamento de um tiristor que serão discutidas posteriormente. Em todas as técnicas de comutação, a corrente de anodo é conservada abaixo da corrente de manutenção por um tempo suficientemente grande, de modo que todos os portadores em excesso nas quatro camadas sejam eliminados ou recombinados. Devido às duas junções pn (J1 e J3) as características de desligamento seriam similares às de um diodo, exibindo tempo (trr) e corrente de recuperação reversa (Irr). A junção pn (J2) necessita de um tempo, conhecido como tempo de recombinação (trc) para recombinar o excesso de portadores. Este tempo é função da amplitude da tensão reversa aplicada sobre o dispositivo. As curvas características de bloqueio para um circuito comutado pela rede e por um circuito com comutação forçada são mostrados na Figura 20(a) e 18(b), respectivamente. O tempo de desligamento tq é a soma do tempo de recuperação reversa trr e do tempo de recombinação trc. Ao término do bloqueio uma camada de depleção
  7. 7. Aula 3: Chaves Semicondutoras de Potência – O tiristor Eletrônica Industrial Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 29 desenvolve-se sobre a junção J2 e o tiristor recupera a sua capacidade de suportar tensão direta aplicada em seus terminais. (a) (b) Figura 20 – Formas de onda para comutação de tiristores. (a) Comutação de linha; (b) Comutação forçada. 2 Tipos de Tiristores: A. Tiristor de Controle de Fase (SCR) Este tipo de tiristor geralmente opera na freqüência da rede e é desligado por comutação natural. O tempo de desligamento tq é da ordem de 50 a 100µs. Este é o tiristor mais adequado para aplicações de comutação em baixa freqüência. Estes dispositivos também são conhecidos como retificador controlado de silício, do inglês, silicon-carbide rectifier – SCR. A queda de tensão em condução varia tipicamente de 1,15V para dispositivos de 600V a 2,5V para os tiristores de 4000V. As taxas de variação de tensão e corrente típicas dos tiristores são de 1000 V/µs e 500 A/µs, respectivamente. B. Tiristor de Chaveamento Rápido Esses tiristores são utilizados em aplicações onde as comutações ocorrem em freqüências mais rápidas que a comutação natural. Normalmente empregados em choppers (conversores CC-CC) estes tiristores são bloqueados por meio de circuitos auxiliares de comutação forçada. O tempo de desligamento destes tiristores é de 5 a 50µs, dependendo da faixa de tensão. A queda de tensão direta varia inversamente ao tempo de desligamento sendo, portanto, o preço pago pelo aumento na velocidade de
  8. 8. Aula 3: Chaves Semicondutoras de Potência – O tiristor Eletrônica Industrial Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 30 bloqueio. C. Tiristor de Desligamento pelo Gatilho (GTO) Um tiristor de desligamento pelo gatilho (do inglês Gate Turn-Off - GTO) pode ser disparado pela aplicação de um sinal positivo de gatilho. Entretanto, ele pode ser desligado por um sinal negativo de gatilho. Um GTO é um dispositivo de retenção e pode ser construído para faixa de tensão e corrente similares àquelas de um SCR. As principais vantagens do GTO em relação ao SCR são: (1) a eliminação dos componentes de comutação forçada, para aplicações onde a comutação natural não pode ser efetuada, resultando em redução dos custos, do peso e do volume do circuito; e, (2) desligamento mais rápido permitindo operação do circuito em freqüências mais elevadas. Em aplicações de baixas potências, os GTOs têm como pirncipais vantagens quando comparado aos transistores bipolares: (1) capacidade de bloqueio de tensões mais elevadas; (2) alto ganho em estado de condução. Um GTO tem baixo ganho durante o seu bloqueio, tipicamente em torno de seis (6), e requer um pulso de corrente negativo relativamente alto para desligá-lo. Ele possui quedas de tensão em condução mais altas do que os SCRs. D. Tiristor de Triodos Bidirecionais (TRIAC) Um TRIAC pode conduzir em ambos os sentidos e é utilizado em controle de fase CA (conversores CA-CA). Ele pode ser considerado como dois SCRs conectados em anti-paralelo com uma conexão de gatilho comum, como mostrado na Figura 21(a). A curva característica de corrente e tensão de um TRIAC é mostrada na Figura 21(b). (a) (b) Figura 21 – Tiristores Triodos Bidirecionais (TRIAC). (a) Diagrama; (b) Curva característica.
  9. 9. Aula 3: Chaves Semicondutoras de Potência – O tiristor Eletrônica Industrial Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 31 Como o TRIAC é um dispositivo bidirecional, seus terminais não podem ser designados como anodo e catodo. Se o terminal MT2 for positivo em relação ao terminal MT1, o TRIAC pode ser disparado pela aplicação de um sinal negativo entre o gatilho G e MT1. Se o terminal MT2 for negativo em relação a MT1, ele pode ser disparado pela aplicação de um sinal negativo entre o gatilho G e MT1. Não é necessário que existam ambas as polaridades no sinal de gatilho, pois o TRIAC pode ser disparado com um sinal tanto positivo como com um negativo. Na prática as sensibilidades variam de um quadrante para outro e os TRIACs normalmente são operados no quadrante I+ (tensão e corrente no gatilho positivas) ou no quadrante III- (tensão e corrente no gatilho negativas). E. Tiristor de Indução Estática As características de um tiristor de indução estática (do inglês Static Induction Thyristor -SITH) são similares àquelas de um MOSFET. Um SITH é normalmente disparado pela aplicação de tensão positiva no gatilho como os tiristores normais e, é desligado pela aplicação negativa em seu gatilho. Um SITH tem velocidade de chaveamento (ou comutação) rápida e capacidade de suportar taxas de variação de corrente (di/dt) e tensão (dv/dt) muito elevadas. O tempo de chaveamento é da ordem de 1 a 6 µs. F. SCRs ativados por Luz (LASCR) Este dispositivo é disparado por radiação direta de luz na pastilha de silício. Os pares de elétron-lacuna criados devido à radiação produzem a corrente de disparo. A estrutura do gatilho é projetada para fornecer-lhe sensibilidade suficiente para realizar disparo a partir de fontes práticas de luz (por exemplo LEDs). Os LASCRs são utilizados em aplicações de tensões e correntes elevadas como em transmissão de corrente contínua em alta tensão (do inglês High Voltage DC - HVDC) e compensação estática de potência reativa. Um LASCR oferece isolação elétrica total entre a fonte de disparo por luz e o dispositivo de potência conectado ao conversor. O di/dt típico é de 250 A/µs e o dv/dt pode ser tão elevado quanto 2000 V/µs. G. Tiristores controlados por FETs (FET-CTH) Um dispositivo tiristor controlado por FET (do inglês FET- Controlled Thyristor) combina um MOSFET e um tiristor em paralelo como mostrado na Figura 22. Se uma tensão suficiente, tipicamente 3V, for aplicada a porta do MOSFET, uma corrente de
  10. 10. Aula 3: Chaves Semicondutoras de Potência – O tiristor Eletrônica Industrial Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 32 disparo para o tiristor será gerada internamente. Com isto este dispositivo apresenta uma velocidade de chaveamento bem como di/dt e dv/dt elevados. Figura 22 – Diagrama do tiristores controlado por FET. Este dispositivo pode ser disparado como tiristores convencionais, mas não pode ser desligado através do controle de porta. H. Tiristores controlados por MOS (MCT) Um tiristor controlado por MOS (do inglês MOS Controlled Thyristor) combina as características de um tiristor regenerativo de quatro camadas e uma estrutura de gatilho ou de porta MOS. O circuito equivalente é mostrado na Figura 23. A estrutura npnp do MCT pode ser representada por um transistor npn (Q1) e um transistor pnp (Q2). A estrutura do gatilho MOS pode ser representada por um MOSFET de canal p (M1) e um de canal n (M2).Devido a sua estrutura npnp, o anodo serve como terminal de referência em relação ao qual todos os sinais de gatilho são aplicados. Uma tensão de gatilho negativa VGA liga o MOSFET de canal p (M1) fornecendo corrente parta o transistor Q2, colocando o MCT em condução. Um pulso positivo de gatilho VGA desvia a corrente de excitação da base de Q1, desligando o MCT. Para valores maiores do que os da corrente controlável, o MCT deve ser bloqueado da mesma forma que um SCR comum. Caso o controle de gatilho seja aplicado nestas condições, o dispositivo pode ser destruído. Um MCT tem baixa queda de tensão direta durante a condução; tempo de disparo e desligamento rápidos, tipicamente 0,4 µs e 1,25 µs, respectivamente; baixas perdas em comutação; baixa capacidade de bloqueio de tensão reversa; alta impedância de entrada de gatilho, o que simplifica consideravelmente os circuitos de excitação.
  11. 11. Aula 3: Chaves Semicondutoras de Potência – O tiristor Eletrônica Industrial Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 33 Figura 23 – Diagrama do MCT.
  12. 12. Aula 3: Chaves Semicondutoras de Potência – O tiristor Eletrônica Industrial Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 34 Exercícios para fixação do conteúdo: Aula 3: 1. Desenhe a curva característica de um tiristor e comente as diferenças entre esta curva e a curva característica de um diodo. 2. Quais são os métodos de disparo de um tiristor. Comente brevemente cada um deles. 3. O que é tempo de desligamento de um tiristor. 4. Quais são os tipos de tiristores. Comente suas principais características.

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