Eletronica de Potencia

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia Eltrica e de Computao

Departamento de Sistemas e Energia

Eletrnica de Potncia

Jos Antenor Pomilio

Publicao FEEC 01/98 Fevereiro de 1998 Revisado em Julho de 2014

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Apresentao

O texto que se segue foi elaborado para a disciplina "Eletrnica de Potncia" ministrada nos cursos de ps-graduao em Engenharia Eltrica na Faculdade de Engenharia Eltrica e de Computao da Universidade Estadual de Campinas. Este um material que vem sofrendo freqentes atualizaes, em funo da constante evoluo tecnolgica na rea da Eletrnica de Potncia, alm do que, o prprio texto pode ainda conter eventuais erros, para os quais pedimos a colaborao dos estudantes e profissionais que eventualmente fizerem uso do mesmo, enviando ao autor uma comunicao sobre as falhas detectadas. Os resultados experimentais includos no texto referem-se a trabalhos executados pelo autor, juntamente com estudantes e outros pesquisadores e foram publicados em congressos e revistas, conforme indicado nas referncias bibliogrficas. Textos semelhantes foram, ou esto sendo produzidos referentes s disciplinas de "Fontes Chaveadas" e Eletrnica de Potncia para Gerao, Transmisso e Distribuio de Energia Eltrica.

Campinas, 2 de agosto de 2014 Jos Antenor Pomilio

Jos Antenor Pomilio engenheiro eletricista, mestre e doutor em Eng. Eltrica pela Universidade Estadual de Campinas. De 1988 a 1991 foi chefe do grupo de eletrnica de potncia do Laboratrio Nacional de Luz Sncrotron. Realizou estgios de ps-doutoramento junto Universidade de Pdua e Terceira Universidade de Roma, ambas na Itlia. Foi presidente e membro da diretoria em diversas gestes da Associao Brasileira de Eletrnica de Potncia SOBRAEP, foi membro do comit administrativo da IEEE Power Electronics Society durante quatro anos; tambm foi membro eleito do Conselho Superior da Sociedade Brasileira de Automtica. editor associado da Transactions on Power Electroncs (IEEE), tendo sido editor da revista Eletrnica de Potncia (SOBRAEP). professor da Faculdade de Engenharia Eltrica e de Computao da Unicamp desde 1984, sendo atualmente o diretor da FEEC. Orientou 20 dissertaes de mestrado e 15 teses de doutorado, publicou mais de 60 artigos em peridicos nacionais e internacionais e cerca de 200 artigos em congressos internacionais e nacionais. Participou como executor ou colaborador em diversos projetos conjuntos com empresas e coordenou 15 projetos com financiamento pblico (FAPESP, CNPq, CAPES, FINEP). assessor ad-hoc de diversos rgos de financiamento pblicos e revisor em mais de uma dezena de publicaes cientficas internacionais.

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Contedo INTRODUO 1. COMPONENTES SEMICONDUTORES DE POTNCIA 2. TCNICAS DE MODULAO DE POTNCIA 3. CONVERSORES CA-CC - RETIFICADORES 4. CONVERSORES CC-CC PARA ACIONAMENTO DE MQUINAS DE CORRENTE CONTNUA 5. TOPOLOGIAS BSICAS DE FONTES CHAVEADAS 6. CONVERSORES CC-CA COMO FONTES DE ALIMENTAO COM FREQUNCIA FIXA 7. CONVERSORES CC-CA PARA ACIONAMENTO DE MQUINA DE INDUO TRIFSICA 8. INVERSORES DE TENSO COM COMUTAO SUAVE 9. INVERSORES E RETIFICADORES DE CORRENTE COM COMUTAO SUAVE 10. CONVERSORES CA-CA: VARIADORES DE TENSO E CICLOCONVERSORES 11. DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS DE DISSIPAO DE CALOR PARA DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTNCIA

Eletrnica de Potncia J. A. Pomilio

http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1

ELETRNICA DE POTNCIA - INTRODUO AO CURSO

Este curso faz uma apresentao de dispositivos semicondutores, topologias de circuitos e de aplicaes eletrnicas de potncia. Inicialmente apresentado um breve histrico da produo e utilizao industrial da eletricidade, indicando-se o surgimento e a evoluo do que hoje chamada Eletrnica de Potncia.

A figura 1, bem como outras imagens, utilizadas em campanhas publicitrias da empresa Pirelli, ilustra a idia de que a potncia, sem controle, no tem utilidade. A domesticao da energia e, em especial, da eletricidade, so fatores determinantes para as transformaes que tm ocorrido na humanidade nos ltimos trs sculos.

A importncia da Eletrnica de Potncia nesse contexto que essa tecnologia a que permite implementar estratgias de controle eficazes na produo, transporte e uso final da energia eltrica.

Figura 1 Peas publicitrias da Pirelli (1998) http://www.pirelli.com/corporate/en/company/brand/advertising/98-99-camp/default.html#.TxxK66Xy-MQ



Uma breve histria da eletricidade industrial e da eletrnica de potncia As foras da natureza, desde o incio da civilizao, foram utilizadas para realizar trabalhos que

facilitassem a atividade humana. Fosse a fora das guas, dos ventos ou animal, a tecnologia evoluiu no sentido de tornar possvel ao Homem o aproveitamento controlado dessa energia.

A energia elica, como sabido, sazonal e um aproveitamento perene possvel apenas em poucas localidades. J a energia hidrulica, embora tambm sofra sazonalidades, est disponvel de modo muito mais regular. Por essa razo, as instalaes industriais (como moinhos e serrarias), instalavam-se ao lado dos cursos dgua. A inveno da mquina a vapor, no sculo XVIII, pela primeira vez tornou possvel a instalao das instalaes industriais em locais distantes dos cursos dgua.

Figura 2 Exemplos de aproveitamento de energia (imagens Microsoft).

Seja com mquinas elicas, hidrulicas ou a vapor, a transmisso da energia se fazia de forma mecnica, por meio de eixos, roldanas, engrenagens, etc., como ilustra a figura 3. O controle independente de cada tipo de maquinrio era, assim, de maior complexidade e limitado em termos de flexibilidade de aplicaes. Em outras palavras, a energia mecnica no se constitui em um bom vetor energtico, ou seja, difcil de ser levada de um local a outro e conveniente transformada.

Figura 3 Transmisso mecnica de fora motriz: trao animal, roda dgua e mquina a vapor



Possivelmente a grande vantagem da eletricidade sobre outras formas de energia seja exatamente sua portabilidade e facilidade de transformao. Ou seja, muito fcil levar energia eltrica de um local a outro e tambm transform-la em movimento, em luz, em calor, etc. Nesse contexto, considera-se que a eletricidade , atualmente, o melhor vetor energtico. Por outro lado, sofre de uma grande limitao, que a impossibilidade de armazenagem direta de eletricidade em quantidades significativas.

A eletricidade A eletricidade, como tema de investigao cientfica remonta ao sculo XVIII. A produo de eletricidade, ao longo de quase todo o sculo XIX provinha essencialmente de reaes eletroqumicas, fontes de Corrente Contnua (CC), graas s descobertas de Alessandro Volta em 1800. As pesquisas durante a primeira metade do sculo XIX resultaram nas descobertas das leis fundamentais do eletromagnetismo. As descobertas de Michael Faraday e Joseph Henry, de forma autnoma, em 1831, fazendo a vinculao dos fenmenos eltricos aos magnticos abriram as portas para outras formas de produo de energia eltrica, em maior quantidade e, portanto, aplicao produtiva da eletricidade.

Faraday Henry

Poucos anos depois, conhecida a propriedade de campos eletromagnticos interagirem entre si, produzindo ao mecnica, comearam os desenvolvimentos dos motores eltricos1.

O desenvolvimento dos motores CC comea em 1832, com William Sturgeon. Seguiram-se os desenvolvimentos realizados por Emily and Thomas Davenport em 1837, levando a um motor CC com comutador. No havia, no entanto, suprimento de energia adequado para estes dispositivos.

Em 1856 Werner Siemens desenvolveu uma mquina eletromecnica, qual denominou dnamo, com objetivo de substituir as baterias eletroqumicas nos sistemas telegrficos2. Em 1867 ele aperfeioou o invento com a introduo de um sistema de auto-excitao, tendo enunciado o princpio de reversibilidade, ou seja, que a mesma mquina poderia atuar como gerador ou motor.

1 http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_motor

2 Massimo Guarnieri, The Beginning of Electric Energy Transmission: part One, IEEE Industrial Electronics Magazine,

March 2013. http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6482228



Figura 4 Bateria de Volta http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/54/VoltaBattery.JPG/450px-VoltaBattery.JPG

Em 1869, Zenobe Gramme patenteia o dnamo (gerador CC), aproveitando o princpio de auto-excitao explicitado por Siemens e a inveno dos anis coletores criado por Antonio Pacinotti em 1865. Ao conectar duas destas mquinas em paralelo, sendo que apenas uma era acionada mecanicamente, observou que uma delas passara a rodar e desenvolver torque em seu eixo, ou seja, atuava como motor. Assim, usando uma mesma estrutura construtiva de mquina eltrica, criou uma verso prxima ao atual motor CC. Tinha-se, assim a possibilidade de gerar eletricidade em quantidades adequadas para seu uso industrial. A produo industrial do dnamo de Gramme se inicia em 1871. Mais do que isso, a experincia de Gramme demonstrou ser possvel transmitir energia eltrica atravs de fios condutores, ou seja, tornava-se possvel que a fonte de energia e as cargas no mais estivessem no mesmo local.

Durante a dcada de 80 do sculo XIX, impulsionado pelos trabalhos e investimentos de Thomas Edison, amplia-se a produo e o aproveitamento da eletricidade em sua forma CC. A transmisso da energia se dava em distncias relativamente curtas, uma vez que o nvel de tenso era reduzido (110 V) por razes de segurana.

O aumento da demanda por eletricidade e a necessidade de aumentar a distncia de transmisso apontavam para a elevao da tenso, o que encontrava severas limitaes em termos de isolao dos condutores e proteo dos usurios.

Ao mesmo tempo, avanavam estudos para o uso de corrente alternada. Em 1881 Gaulard e Gibbs construram um dispositivo que pode ser considerado um transformador primitivo, com ncleo aberto, que permitia obter tenso CA de sada isolada da tenso aplicada na entrada. Denominaram esse dispositivo de gerador secundrio, o qual foi inicialmente usado para alimentao de lmpadas de arco.

A gerao de tenso CA era feita pelos dnamos, sem uso do comutador, coletando a tenso por meio de anis diretamente na bobina do rotor.

Em 1884 Gaulard constri uma linha de transmisso CA de 34 km de extenso, 2 kV, 130 Hz. Seus geradores secundrios tiveram os enrolamentos de entrada conectados em srie e as asadas, isoladas, alimentavam as cargas no nvel adequado de tenso.



Figura 5 Dnamo de Siemens3 (esq.) e de Gramme (dir)4 e dnamo de seis polos5 patenteado por Ren Thury em 1883 (abaixo).

Nesse mesmo ano Galileo Ferraris desenvolveu estudos sobre o dispositivo de Gaulard e identificou a existncia de defasagem entre tenso e corrente, definindo potncia ativa e fator de potncia. Em 1885, o mesmo Ferraris produziu um campo girante a partir de duas tenses defasadas, sendo considerado, juntamente com Tesla, inventor do motor de induo. Ainda em 1885, Ott Blthy construiu esse dispositivo com um ncleo fechado, denominando-o de transformador. A inveno do transformador permitiu, por meio do ajuste das relaes de espiras, a efetivao do conceito de transmisso de energia em CA, com diversos transformadores alimentados por uma mesma fonte de tenso e com secundrios independentes.

Em 1888, Nikola Tesla inventa o motor de induo. As vantagens do uso de CA para transmisso e distribuio de energia eltrica fizeram desta tecnologia a responsvel pela formidvel expanso da eletrificao a partir do final do sculo XIX. O funcionamento dos motores CA em velocidade constante, no entanto, impedia seu uso em aplicaes que exigiam alterao na velocidade, como em veculos (trens, bondes, etc.) ou alguns processos industriais, como laminadoras. Nestas aplicaes, o motor CC mantinha seu predomnio, exigindo o fornecimento de energia em corrente contnua, em potncias relativamente elevadas. Os sistemas de transmisso de energia em CC assumiram valores compatveis com as aplicaes de transporte: 600 V em uso urbano (bondes), 1,5 kV em uso ferrovirio (vias isoladas). Alguns sistemas de transmisso com tenso mais elevada foram testados no final do sculo XIX, fazendo uso de associaes srie de geradores e de cargas. As limitaes tcnicas de tal soluo, combinadas com a rpida implantao de sistemas CA, manteve linhas de alimentao CC limitadas aos sistemas de transporte.

3 http://www.siemens.com/history/en/news/1057_dynamoelectric_principles.htm

4 http://www.hbci.com/~wenonah/history/img/ed10.jpg

5 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rene_Thury_six_pole_dynamo.jpg



Figura 6 Gerador secundrio de Gaulard e Gibbs6 (esq.) e Transformador de Blthy7 (dir)

Figura 7 Nikola Tesla, seu motor de induo8 e ilustrao no pedido de patente9

6 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/15/DMM_18206_Verteiltransformator_Gaulard_und_Gibbs.jpg

7 http://en.wikipedia.org/wiki/File:DBZ_trafo.jpg

8 http://www.sciencemuseum.org.uk/images/object_images/535x535/10323393.jpg

9 http://twinkle_toes_engineering.home.comcast.net/~twinkle_toes_engineering/tesla_patent_381968.gif



Figura 8 Bonde eltrico em Campinas 10 e controle reosttico de velocidade.

O incio da eletrnica No incio do sculo XX, a partir de experimentos realizados por Edison, que introduziu um eletrodo

com potencial positivo em sua lmpada de filamento para evitar que houvesse deposio de material no bulbo, Ambrose Fleming 11 identificou a capacidade de este dispositivo atuar como retificador. Ou seja, converter uma alimentao CA em CC. Uma vez que a produo de eletricidade se faz em CA, essa inveno possibilitou o processamento da energia eltrica de forma a se adequar s cargas CC.

Foram tambm desenvolvidos outros dispositivos retificadores, como as vlvulas a arco de mercrio 12, mais adequadas a aplicaes de potncia elevada, devido maior capacidade de conduo de corrente devido ao plasma criado pelo arco. Seu uso permitiu substituir os grupos motores-geradores para produo de corrente contnua. Necessria aos sistemas de trao 13. Nos anos 20 do sculo passado surgiu a Thyratron 14, que no um dispositivo vcuo, uma vez que seu interior ocupado por algum gs, responsvel por ampliar a quantidade de ons e, em conseqncia, a capacidade de conduo de corrente. Seu comportamento o de um interruptor que acionado por um terminal de disparo. Com este dispositivo foi possvel aprimorar os processos alimentados em CC pois se tornou vivel o ajuste do valor da tenso e/ou corrente por meio de uma retificao controlada.

10 A CCTLF inaugurou seu sistema de bondes eltricos com bitola mtrica em 24 de junho de 1912. O carto postal mostra o

veculo 38 na Avenida Andrade Neves em 1920. http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=470828 11

http://www.radio-electronics.com/info/radio_history/valve/hov.php 12

http://en.wikipedia.org/wiki/Mercury_arc_valve 13

Frank Dittmann, The development of power electronics in Europe, acessvel em www.ieeeghn.org/wiki/images/a/a7/DITTMANN.pdf 14

http://en.wikipedia.org/wiki/Thyratron



Figura 9 Ambrose Fleming e Diodo vcuo criado por Fleming 15

Figura 10 Thyratron a vapor de mercrio, utilizada at 1950 16

Eem 1925 fora registrada uma patente (concedida em 1930 a Julius Edgard Lilienfeld, reproduzida a seguir) que se referia a um mtodo e um dispositivo para controlar o fluxo de uma corrente eltrica entre dois terminais de um slido condutor. Tal patente, que pode ser considerada a precursora do que viriam a ser os Transistores de Efeito de Campo, no entanto, no redundou em um componente prtico, uma vez que no havia, ento, tecnologia que permitisse a construo dos dispositivos. Isto se modificou a partir do final da dcada de 40, quando a tecnologia dos semicondutores permitiu a realizao de tal dispositivo.

15 http://www.r-type.org/pics/aag0010.jpg

16 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thyratron-Mercure.JPG



Julius Edgard Lilenfeld e desenhos de sua patente do que viria a ser, dcadas depois, um FET17

Pedido de patente de dispositivo que aprtesenta o princpio de funcionamento dos transistores de efeito de campo.

17 M. Guarnieri, Trailblazers in Solid-State Electronics, IEEE Industrial Electronics Magazine, December 2011, pp.



Da eletrnica de estado slido Eletrnica de Potncia Em 194718, John Bardeen e Walter Brattain, que trabalhavam na Bell Telephone Laboratories,

estudavam o comportamento de eltrons na interface entre um metal e um semicondutor. Ao fazer dois contatos muito prximos um do outro, criaram um dispositivo de trs terminais com capacidade de amplificao. Bardeen e Brattain receberam o Prmio Nobel de Fsica de 1956, juntamente com William Shockley, "por suas pesquisas em semicondutores e descoberta do efeito transistor". Shockley tinha desenvolvido um transistor de juno, que foi construdo em camadas finas de diferentes tipos de material semicondutor.

Esta inveno resultou um enorme esforo de pesquisa em dispositivos eletrnicos de estado slido. Ao longo dos anos 50 19 os trabalhos se concentraram na substituio do Germnio pelo Silcio como elemento sobre o qual se construir os dispositivos semicondutores. As propriedades do Silcio so muito superiores s do Germnio (no que tange realizao de tais dispositivos), permitindo obter maior capacidade de bloqueio de tenso e de conduo de corrente.

Os primeiros transistores tinham como aplicao principal a amplificao de sinais. Embora muito mais eficientes do ponto de vista energtico em comparao com as vlvulas, a aplicao em potncias elevadas no era possvel.

Figura 11 Reproduo do primeiro transistor http://blog.makezine.com/HR-1stTransistor.jpg

O alto rendimento exigido no processamento da energia eltrica faz com que os dispositivos atuem como interruptor quando, idealmente, no dissipam potncia, pois apresentam ou tenso nula (quando conduzem) ou corrente nula (quando abertos). A transio de um estado a outro, idealmente, deve ser instantnea.

O primeiro dispositivo de estado slido, que marca o nascimento do campo tecnolgico a que denominamos Eletrnica de Potncia o SCR (Retificador Controlado de Silcio), denominao dada

18 http://nobelprize.org/educational/physics/transistor/history/

19 http://www.ti.com/corp/docs/company/history/timeline/popup.htm



pela General Electric, em 1958 20 21. Trata-se de um dispositivo que tem o mesmo comportamento biestvel da thyratron. Por tal razo, a denominao que se estabeleceu para o componente Tiristor.

O domnio sobre os processos de purificao do silcio, aliado ao aprofundamento dos conhecimentos sobre os fenmenos da fsica do estado slido e dos processos microeletrnicos permitiu, ao longo dos anos 60 e 70 o aumento na capacidade de controle de potncia dos tiristores, atingindo valores na faixa de MVA.

Publicidade do primeiro SCR (Tiristor) pela GE22 e dispositivos modernos

No houve, nesta fase, novas aplicaes, mas principalmente a substituio de outros dispositivos pelos tiristores, com ganhos de rendimento e de desempenho, principalmente como retificador (conversor CA-CC) no acionamento de motores CC.

Em sistemas com alimentao CC, como em trens e trleibus, o uso dos tiristores enfrentou dificuldades, dada a incapacidade de este dispositivo ser desligado por ao do terminal de comando (gate). Foram desenvolvidas estratgias para possibilitar tal tipo de aplicao. So do incio dos anos 60 os circuitos de comutao idealizados por William McMurray 23 que permitiam o uso do tiristor em CC, bem como a obteno de uma sada CA a partir da entrada CC. Tais inversores permitiriam a substituio de motores CA por motores de induo em aplicaes de velocidade varivel. A complexidade dos circuitos e os problemas de confiabilidade restringiram fortemente as aplicaes destes circuitos. A primeira aplicao ferroviria no Japo ocorreu em 1969, com o controle do enrolamento de campo (por meio de conversor CC-CC) dos motores CC de trao. O uso de motor de induo nesta aplicao ocorreu em 1982. No Brasil, a modernizao dos transportes aconteceu a partir dos sistemas metrovirios no final dos anos 70.

As tcnicas de comutao forada de tiristores caram em desuso nos anos 80, com o desenvolvimento do GTO (Gate Turn-Off thyristor), que permitia tanto o disparo quando o bloqueio controlado. Os GTOs dominaram at o final do sculo XX as aplicaes de trao com alimentao CC, sejam com motores CC ou motores CA.

20 Wilson, T.G. The Evolution of Power Electronics, IEEE Transactions on Power Electronics, Volume: 15 Issue:3, May

2000, page(s): 439 - 446 21

Masao Yano, Shigeru Abe, Eiichi Ohno, History of Power Electronics for Motor Drives in Japan, acessvel em www.ieeeghn.org/wiki/images/4/49/Yano2.pdf 22

https://sites.google.com/site/transistorhistory/Home/us-semiconductor-manufacturers/general-electric-history 23

W. McMurray, SCR Inverter Commutated by an Auxiliary Impulse, IEEE Trans. on Communication and Electronics, Vol. 83, p.824, 1964.



Transportes eletrificados modernos tipicamente usam motores CA acionados por inversores.

Outro campo que se beneficiou do desenvolvimento dos tiristores foi o sistema de transmisso de energia eltrica por meio de linhas em corrente contnua de alta tenso, envolvendo retificadores e inversores. A instalao do sistema CC para trazer energia da parte paraguaia de Itaipu (gerada em 50 Hz) at o sudeste do Brasil (onde se converte em 60 Hz) ocorreu nos anos 80. Ainda na rea do sistema eltrico, surgiram dispositivos de compensao, como os reatores controlados a tiristor (RCT) ou o TCSC (Thyristor Controled Series Compensator), instalado no incio deste sculo na interligao dos sistemas norte (Tucuru) ao sistema sul 24.

Figura 12 Conjunto de tiristores formando uma vlvula no sistema retificador de Itaipu http://www04.abb.com/global/gad/gad02007.nsf/Images/5824B8312CF6E9C5C1256EBD00523B4F/$File/L36541_720.jpg

O elevado ganho de rendimento obtido com os tiristores, em comparao com as solues anteriores no veio acompanhado de aumento na densidade de potncia dos conversores, uma vez que os dispositivos continuavam a operar em 50/60 Hz. A disponibilidade de transistores com capacidade de comutar na faixa de dezenas ou centenas de kHz tornou possvel uma grande reduo no volume dos transformadores, indutores e capacitores utilizados nos conversores, minimizando o espao requerido pelas fontes de alimentao dos equipamentos.

Ao longo dos anos 60 e 70 as aplicaes eletrnicas, principalmente na rea de computao, cresceram vertiginosamente. O suprimento de energia para sistemas espaciais, computadores, bem como

24 C. Gama, L. ngquist, G. Ingestrm, and M. Noroozian, Commissioning and operative experience of TCSC for damping

power oscillation in the Brazilian north-south interconnection, in Proc. CIGRE Session 2000, Paper 14-104, Paris, France, 2000.



para uso residencial e comercial, como reatores para lmpadas fluorescentes e televisores, exigiam solues mais eficientes, leves e compactas. Nesta direo, houve grande evoluo dos transitores, no mais para operar como amplificador (na regio ativa) mas para funcionar como interruptor.

Diferentemente dos tiristores que, por seu modo de funcionamento se adequam alimentao CA, os transistores tm sua melhor aplicao a partir de fontes CC. Ao desenvolvimento dos transistores bipolares de potncia somou-se a evoluo dos transistores de efeito de campo, principalmente o MOSFET (Metal-Oxide Silicon Field Effect Transistor), resultando, no final dos anos 80 no surgimento do IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Em nveis crescentes de tenso e corrente, permitindo alimentar cargas na faixa de MVA, as fontes chaveadas e os inversores (conversores alimentados em CC) tiveram um enorme desenvolvimento em termos de desempenho e confiabilidade.

Estrutura interna e moderno dispositivo (Semikron)

O sucesso dos inversores, ao permitir o controle de velocidade dos motores de induo, a partir dos anos 90, praticamente eliminou o uso dos motores CC de escovas. certo que ainda existem muitas aplicaes com tais motores, mas os processos de troca de equipamentos sempre apresentam vantagens para o uso dos motores CA associados aos inversores.

Fontes chaveadas e ballasts eletrnicos para lmpadas fluorescentes

Outras estruturas de motores, como o motor de relutncia varivel, os motores de passo, os motores CC sem escovas (DC brushless) necessitam de um conversor eletrnico para seu funcionamento. Conjuga-se, deste modo o desenvolvimento dos sistemas de acionamento ao de eletrnica de potncia de maneira irreversvel.



O direcionamento atual da Eletrnica de Potncia tem sido em busca de processos de aproveitamento de energia mais ecologicamente adequados. Os usos de energia fotovoltaica, elica, do hidrognio, carecem de um processamento eletrnico para sua adequao s cargas.

Apesar dos imensos progressos da microeletrnica (j tendo se tornado nanoeletrnica), do ponto de vista dos dispositivos de potncia, aparentemente se est no limite da capacidade do silcio em termos de bloqueio de tenso e de conduo de corrente. A quebra dos atuais limites destas grandezas, que permitiria ampliar as aplicaes, parece depender do desenvolvimento de novos materiais semicondutores, como carbetos de silcio, ou nitreto de glio, capazes de ampliar o campo eltrico suportvel, diminuir perdas, facilitar o fluxo do calor interno, etc. 25. Quem sabe, daqui a uns 10 anos tenha-se um novo e importante captulo nessa histria.

Figura 13 Sem Eletrnica de Potncia no se aproveitam adequadamente as fontes limpas e renovveis de energia. http://keetsa.com/blog/wp-content/uploads/2009/02/solar-wind-power.jpg

25 MOHAN, UNDERLAND, ROBBINS Power Electronics: Converters, Applications and Design, 2nd edition, John Wiley,

1994.

Eletrnica de Potncia - Cap. 1 J. A. Pomilio

DSE FEEC UNICAMP 2014 1-1

1. COMPONENTES SEMICONDUTORES DE POTNCIA

A figura 1.1 mostra uma distribuio dos componentes semicondutores, indicando limites aproximados (B. Wu, 2005) para valores de tenso de bloqueio e corrente de conduo. Obviamente estes limites evoluem com o desenvolvimento tecnolgico e servem como uma ilustrao para a verificao, numa primeira aproximao, das faixas de potncia em que cada componente pode ser utilizado.

0 1 2 3 4 5 6 I(k A )

V ( k V )

1 2

1 0

8

6

4

2

S C R

G T O /IG C T

IG B T

1 2 k V /1 .5 k A

6 .5 k V /4 .2 k A 6 k V /6 k A

4 .8 k V /5 k A

1 .7 k V / 3 .6 k A

6 .5 k V /0 .6 k A

2 .5 k V /1 .8 k A

Figura 1.1 Limites de capacidade de componentes semicondutores de potncia.

1.1 Breve Reviso da Fsica de Semicondutores

A passagem de corrente eltrica em um meio depende da aplicao de um campo eltrico e da existncia de portadores livres (usualmente eltrons) neste meio. Em metais, como o cobre ou a prata, a densidade de portadores livres (eltrons) da ordem de 1023/cm3, enquanto nos materiais isolantes, como o quartzo ou o xido de alumnio, o valor da ordem de 103/cm3. Os chamados semicondutores, como o silcio, tm densidades intermedirias, na faixa de 108 a 1019/cm3. Nos condutores e nos isolantes, tais densidades so propriedades dos materiais, enquanto nos semicondutores estas podem ser variadas, seja pela adio de impurezas de outros materiais, seja pela aplicao de campos eltricos em algumas estruturas de semicondutores.

1.1.1 Os portadores: eltrons e lacunas tomos de materias com 4 eltrons em sua camada mais externa (C, Ge, Si, etc.), ou ainda molculas com a mesma propriedade, permitem o estabelecimento de ligaes muito estveis, uma vez que, pelo compartilhamento dos eltrons externos pelos tomos vizinhos (ligao covalente), tem-se um arranjo com 8 eltrons na camada de valncia, como ilustra a figura 1.2.



eltronscompartilhados

ncleosatmicos

Figura 1.2 Estrutura cristalina de material semicondutor

Em qualquer temperatura acima do zero absoluto (-273 oC), algumas destas ligaes so rompidas (ionizao trmica), produzindo eltrons livres. O tomo que perde tal eltron se torna positivo. Eventualmente um outro eltron tambm escapa de outra ligao e, atrado pela carga positiva do tomo, preenche a ligao covalente. Desta maneira tem-se uma movimentao relativa da carga positiva, chamada de lacuna, que, na verdade, devida ao deslocamento dos eltrons que saem de suas ligaes covalentes e vo ocupar outras, como mostra a figura 1.3.

eltron

ligaorompida

tomoionizado

movimento da lacuna

Figura 1.3 Movimento de eltrons e lacunas em semicondutor

A ionizao trmica gera o mesmo nmero de eltrons e lacunas. Em um material puro, a densidade de portadores aproximadamente dada por:

kTqE

i

g

eCn

(1.1)

onde C uma constante de proporcionalidade, q a carga do eltron (valor absoluto), Eg a banda de energia do semicondutor (1,1 eV para o Si), k a constante de Boltzmann, T a temperatura em Kelvin. Para o Si, temperatura ambiente (300K), ni 1010/cm3.

1.1.2 Semicondutores dopados Quando se faz a adio de tomos de materiais que possuam 3 (como o alumnio ou o boro) ou 5 eltrons (como o fsforo) em sua camada de valncia estrutura dos semicondutores, os tomos vizinhos a tal impureza tero suas ligaes covalentes incompletas ou com excesso de eltrons, como mostra a figura 1.4.



Si

Si Si

Si

Si

Si Si Si

Bo

ligaoincompleta

Si

Si Si

Si

Si

Si Si Si

P

eltronem excesso

Figura 1.4 Semicondutores dopados

Neste caso no se tem mais o equilbrio entre eltrons e lacunas, passando a existir um nmero maior de eltrons livres nos materiais dopados com elementos da quinta coluna da tabela peridica, ou de lacunas, caso a dopagem seja com elementos da terceira coluna. Respectivamente, produzem-se os chamados materiais semicondutores tipo N e tipo P. Observe-se, no entanto, que o material permanece eletricamente neutro, uma vez que a quantidade total de eltrons e prtons a mesma.

Quando a lacuna introduzida pelo boro captura um eltron livre, tem-se a movimentao da lacuna. Neste caso diz-se que as lacunas so os portadores majoritrios, sendo os eltrons os portadores minoritrios. J no material tipo N, a movimentao do eltron excedente deixa o tomo ionizado, o que o faz capturar outro eltron livre. Neste caso os portadores majoritrios so os eltrons, enquanto os minoritrios so as lacunas. As dopagens das impurezas (1019/cm3 ou menos), tipicamente so feitas em nveis muito menores que a densidade de tomos do material semicondutor (1023/cm3), de modo que as propriedades de ionizao trmica no so afetadas. Mesmo em um material dopado, o produto das densidades de lacunas e de eltrons (po e no, respectivamente) igual ao valor ni2 dado pela equao (1.1), embora aqui po no . Alm da ionizao trmica, tem-se uma quantidade adicional de cargas livres, relativas s prprias impurezas. Pelos valores indicados anteriormente, pode-se verificar que a concentrao de tomos de impurezas muitas ordens de grandeza superior densidade de portadores gerados por efeito trmico, de modo que, num material tipo P, po Na, onde Na a densidade de impurezas aceitadoras de eltrons. J no material tipo N, no Nd, onde Nd a densidade de impurezas doadoras de eltrons. Em qualquer dos materiais, a densidade dos portadores minoritrios proporcional ao quadrado da densidade intrnseca, ni, e fortemente dependente da temperatura.

o

2i

o pn

n , ao Np (1.2)

o

2i

on

np , do Nn (1.3)

1.1.3 Recombinao Uma vez que a quantidade ni determinada apenas por propriedades do material e pela temperatura, necessrio que exista algum mecanismo que faa a recombinao do excesso de portadores medida que novos portadores so criados pela ionizao trmica. Tal mecanismo inclui tanto a recombinao propriamente dita de um eltron com uma lacuna em um tomo de Si, quanto a captura dos eltrons pela impureza ionizada ou, adicionalmente, por imperfeies na estrutura cristalina. Tais imperfeies fazem com que os tomos adjacentes no necessitem realizar 4 ligaes covalentes.



Pode-se definir o tempo de vida de um portador como o tempo mdio necessrio para que o eltron ou a lacuna sejam neutralizados pela consecusso de uma ligao covalente. Em muitos casos pode-se considerar o tempo de vida de um portador como uma constante do material. No entanto, especialmente nos semicondutores de potncia, esta no uma boa simplificao. Quando ocorre um significativo aumento na temperatura do semicondutor, tem-se um aumento no tempo de recombinao do excesso de portadores, o que leva a um aumento nos tempos de comutao dos dispositivos de tipo portadores minoritrios, como o transistor bipolar e os tiristores. Uma vez que este tempo de vida dos portadores afeta significantemente o comportamento dos dispositivos de potncia, a obteno de mtodos que possam control-lo importante. Um dos mtodos que possibilita o ajuste deste tempo a dopagem com ouro, uma vez que este elemento funciona como um centro de recombinao, uma vez que realiza tal operao com grande facilidade. Outro mtodo o da irradiao de eltrons de alta energia, bombardeando a estrutura cristalina de modo a deform-la e, assim, criar centros de recombinao. Este ltimo mtodo tem sido preferido devido sua maior controlabilidade (a energia dos eltrons facilmente controlvel, permitindo estabelecer a que profundidade do cristal se quer realizar as deformaes) e por ser aplicado no final do processo de construo do componente.

1.1.4 Correntes de deriva e de difuso Quando um campo eltrico for aplicado a um material semicondutor, as lacunas se movimentaro no sentido do campo decrescente, enquanto os eltrons seguiro em sentido oposto. Esta corrente depende de um parmetro denominado mobilidade, a qual varia com o material e do tipo de portador. A mobilidade dos eltrons aproximadamente 3 vezes maior do que a das lacunas para o Si em temperatura ambiente. A mobilidade diminui aproximadamente com o quadrado do aumento da temperatura. Outro fator de movimentao de portadores por difuso, quando existem regies adjacentes em que h diferentes concentraes de portadores. O movimento aleatrio dos portadores tende a equalizar sua disperso pelo meio, de modo que tende a haver uma migrao de portadores das regies mais concentradas para as mais dispersas.

1.2 Diodos de Potncia

Um diodo semicondutor uma estrutura P-N que, dentro de seus limites de tenso e de corrente, permite a passagem de corrente em um nico sentido. Detalhes de funcionamento, em geral desprezados para diodos de sinal, podem ser significativos para componentes de maior potncia, caracterizados por uma maior rea (para permitir maiores correntes) e maior comprimento (a fim de suportar tenses mais elevadas). A figura 1.5 mostra, simplificadamente, a estrutura interna de um diodo. Aplicando-se uma tenso entre as regies P e N, a diferena de potencial aparecer na regio de transio, uma vez que a resistncia desta parte do semicondutor muito maior que a do restante do componente (devido concentrao de portadores). Quando se polariza reversamente um diodo, ou seja, se aplica uma tenso negativa no anodo (regio P) e positiva no catodo (regio N), mais portadores positivos (lacunas) migram para o lado N, e vice-versa, de modo que a largura da regio de transio aumenta, elevando a barreira de potencial.



P N

++ + + + + ++

+ + + + + ++

+ + + + + ++

+ + + + + ++

+ + + + + ++

+

+ _ _ _ _ _ _ _

_ _ _ _ _ _ _

_ _ _ _ _ _ _

_ _ _ _ _ _ _

_ _ _ _ _ _ _

+

_ _

_ _

_ _

_ _

_ _

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

1 u

Potencial0

+_

Difuso

Juno metalrgica

Anodo Catodo

Figura 1.5 Estrutura bsica de um diodo semicondutor.

Por difuso ou efeito trmico, uma certa quantidade de portadores minoritrios penetra na regio de transio. So, ento, acelerados pelo campo eltrico, indo at a outra regio neutra do dispositivo. Esta corrente reversa independe da tenso reversa aplicada, variando, basicamente, com a temperatura. Se o campo eltrico na regio de transio for muito intenso, os portadores em trnsito obtero grande velocidade e, ao se chocarem com tomos da estrutura, produziro novos portadores, os quais, tambm acelerados, produziro um efeito de avalanche. Dado o aumento na corrente, sem reduo significativa na tenso na juno, produz-se um pico de potncia que destri o componente. Uma polarizao direta leva ao estreitamento da regio de transio e reduo da barreira de potencial. Quando a tenso aplicada superar o valor natural da barreira, cerca de 0,7V para diodos de Si, os portadores negativos do lado N sero atrados pelo potencial positivo do anodo e vice-versa, levando o componente conduo. Na verdade, a estrutura interna de um diodo de potncia um pouco diferente desta apresentada. Existe uma regio N intermediria, com baixa dopagem. O papel desta regio permitir ao componente suportar tenses mais elevadas, pois tornar menor o campo eltrico na regio de transio (que ser mais larga, para manter o equilbrio de carga). Esta regio de pequena densidade de dopante dar ao diodo uma significativa caracterstica resistiva quando em conduo, a qual se torna mais significativa quanto maior for a tenso suportvel pelo componente. As camadas que fazem os contatos externos so altamente dopadas, a fim de fazer com que se obtenha um contato com caracterstica hmica e no semicondutor. O contorno arredondado entre as regies de anodo e catodo tem como funo criar campos eltricos mais suaves (evitando o efeito de pontas). No estado bloqueado, pode-se analisar a regio de transio como um capacitor, cuja carga aquela presente na prpria regio de transio. Na conduo no existe tal carga, no entanto, devido alta dopagem da camada P+, por difuso, existe uma penetrao de lacunas na regio N-. Alm disso, medida que cresce a corrente, mais lacunas so injetadas na regio N-, fazendo com que eltrons venham da regio N+ para manter a neutralidade de carga. Desta forma, cria-se uma carga espacial no catodo, a qual ter que ser removida (ou se recombinar) para permitir a passagem para o estado bloqueado do diodo. O comportamento dinmico de um diodo de potncia , na verdade, muito diferente do de uma chave ideal, como se pode observar na figura 1.6. Suponha-se que se aplica uma tenso vi ao diodo, alimentando uma carga resistiva (cargas diferentes podero alterar alguns aspectos da forma de onda).



Durante t1, remove-se a carga acumulada na regio de transio. Como ainda no houve significativa injeo de portadores, a resistncia da regio N- elevada, produzindo um pico de tenso. Indutncias parasitas do componente e das conexes tambm colaboram com a sobre-tenso. Durante t2 tem-se a chegada dos portadores e a reduo da tenso para cerca de 1V. Estes tempos so, tipicamente, da ordem de centenas de ns. No desligamento, a carga espacial presente na regio N- deve ser removida antes que se possa reiniciar a formao da barreira de potencial na juno. Enquanto houver portadores transitando, o diodo se mantm em conduo. A reduo em Von se deve diminuio da queda hmica. Quando a corrente atinge seu pico negativo que foi retirado o excesso de portadores, iniciando-se, ento, o bloqueio do diodo. A taxa de variao da corrente, associada s indutncias do circuito, provoca uma sobre-tenso negativa.

Anodo

Catodo

N+

N_

P+ 10e19 cm-3

10e14 cm-3

10e19cm-3

10 u

Depende

250 usubstrato

da tenso

i D

v D

v i

+Vr

-Vr

Qrr

t1

t2

t3

t4

t5

-Vr

i=Vr/R

Von

trr

dir/dt

Vfp

Vrp

dif/dt

vi

v D

i D

R

Figura 1.6 - Estrutura tpica de diodo de potncia e formas de onda tpicas de comutao de diodo de potncia.

A figura 1.7 mostra resultados experimentais de um diodo de potncia lento (retificador) em um circuito como o da figura 1.6, no qual a indutncia desprezvel, como se nota na figura (a), pela inverso quase imediata da polaridade da corrente. A corrente reversa limitada pela resistncia presente no circuito. J na entrada em conduo, a tenso aplicada ao circuito aparece instantaneamente sobre o prprio diodo, o que contribui para limitar o crescimento da corrente. Quando esta tenso cai, a corrente vai assumindo seu valor de regime.



(a) (b) Figura 1.7 - Resultados experimentais das comutaes de diodo: (a) desligamento;

(b) entrada em conduo. Canal 1: Corrente; Canal 2: tenso vak

Diodos rpidos possuem trr da ordem de, no mximo, poucos micro-segundos, enquanto nos diodos normais de dezenas ou centenas de micro-segundos. O retorno da corrente a zero, aps o bloqueio, devido sua elevada derivada e ao fato de, neste momento, o diodo j estar desligado, uma fonte importante de sobre-tenses produzidas por indutncias parasitas associadas aos componentes por onde circula tal corrente. A fim de minimizar este fenmeno foram desenvolvidos os diodos soft-recovery, nos quais esta variao de corrente suavizada, reduzindo os picos de tenso gerados. Em aplicaes nas quais o diodo comuta sob tenso nula, como o caso dos retificadores com filtro capacitivo, praticamente no se observa o fenmeno da recombinao reversa.

1.3 Diodos Schottky

Quando feita uma juno entre um terminal metlico e um material semicondutor, o contato tem, tipicamente, um comportamento hmico, ou seja, a resistncia do contato governa o fluxo da corrente. Quando este contato feito entre um metal e uma regio semicondutora com densidade de dopante relativamente baixa, o efeito dominante deixa de ser o resistivo, passando a haver tambm um efeito retificador. Um diodo Schottky formado colocando-se um filme metlico em contato direto com um semicondutor, como indicado na figura 1.8. O metal usualmente depositado sobre um material tipo N, por causa da maior mobilidade dos portadores neste tipo de material. A parte metlica ser o anodo e o semicondutor, o catodo. Numa deposio de Al (3 eltrons na ltima camada), os eltrons do semicondutor tipo N migraro para o metal, criando uma regio de transio na juno. Note-se que apenas eltrons (portadores majoritrios em ambos materiais) esto em trnsito. O seu chaveamento muito mais rpido do que o dos diodos bipolares, uma vez que no existe carga espacial armazenada no material tipo N, sendo necessrio apenas refazer a barreira de potencial (tipicamente de 0,3V). A regio N+ tem uma dopagem relativamente alta, a fim de reduzir as perdas de conduo, com isso, a mxima tenso suportvel por estes diodos de cerca de 100V. A aplicao deste tipo de diodos ocorre principalmente em fontes de baixa tenso, nas quais as quedas sobre os retificadores so significativas. Na figura 1.4.(b) tem-se uma forma de onda tpica no desligamento do componente. Note que, diferentemente dos diodos convencionais, assim que a corrente se inverte a tenso comea a crescer, indicando a no existncia dos portadores minoritrios no dispositivo.



Substrato tipo P

Tipo N

N+

Al

SiO2

Al contatohmicocontatoretificador

(a) (b) Figura 1.8 - (a) Estrutura de diodo Schottky; (b) Forma de onda tpica no desligamento. Canal 1:

Corrente; Canal 2: tenso vak

1.4 Tiristor

O nome tiristor engloba uma famlia de dispositivos semicondutores que operam em regime chaveado, tendo em comum uma estrutura de 4 camadas semicondutoras numa seqncia p-n-p-n, apresentando um funcionamento biestvel. O tiristor de uso mais difundido o SCR (Retificador Controlado de Silcio), usualmente chamado simplesmente de tiristor. Outros componentes, no entanto, possuem basicamente uma mesma estrutura: LASCR (SCR ativado por luz), tambm chamado de LTT (Light Triggered Thyristor), TRIAC (tiristor triodo bidirecional), DIAC (tiristor diodo bidirecional), GTO (tiristor comutvel pela porta), MCT (Tiristor controlado por MOS).

1.4.1 Princpio de funcionamento O tiristor formado por quatro camadas semicondutoras, alternadamente p-n-p-n, possuindo 3 terminais: anodo e catodo, pelos quais flui a corrente, e a porta (ou gate) que, a uma injeo de corrente, faz com que se estabelea a corrente andica. A figura 1.9 ilustra uma estrutura simplificada do dispositivo. Se entre anodo e catodo tivermos uma tenso positiva, as junes J1 e J3 estaro diretamente polarizadas, enquanto a juno J2 estar reversamente polarizada. No haver conduo de corrente at que a tenso Vak se eleve a um valor que provoque a ruptura da barreira de potencial em J2. Se houver uma tenso Vgk positiva, circular uma corrente atravs de J3, com portadores negativos indo do catodo para a porta. Por construo, a camada P ligada porta suficientemente estreita para que parte destes eltrons que cruzam J3 possua energia cintica suficiente para vencer a barreira de potencial existente em J2, sendo ento atrados pelo anodo.



A

Anodo

A KG

Gate G

K Catodo

Vcc Rc (carga)

Rg Vg

RgVg

CH

RcVcc

P N- P N+

J1 J2 J3

Figura 1.9 - Funcionamento bsico do tiristor e seu smbolo.

Desta forma, a juno reversamente polarizada tem sua diferena de potencial diminuda e estabelece-se uma corrente entre anodo e catodo, que poder persistir mesmo na ausncia da corrente de porta. Quando a tenso Vak for negativa, J1 e J3 estaro reversamente polarizadas, enquanto J2 estar diretamente polarizada. Uma vez que a juno J3 intermediria a regies de alta dopagem, ela no capaz de bloquear tenses elevadas, de modo que cabe juno J1 manter o estado de bloqueio do componente. comum fazer-se uma analogia entre o funcionamento do tiristor e o de uma associao de dois transistores, conforme mostrado na figura 1.10. Quando uma corrente Ig positiva aplicada, Ic2 e Ik crescero. Como Ic2 = Ib1, T1 conduzir e teremos Ib2=Ic1 + Ig, que aumentar Ic2 e assim o dispositivo evoluir at a saturao, mesmo que Ig seja retirada. Tal efeito cumulativo ocorre se os ganhos dos transistores forem maior que 1. O componente se manter em conduo desde que, aps o processo dinmico de entrada em conduo, a corrente de anodo tenha atingido um valor superior ao limite IL, chamado de corrente de "latching". Para que o tiristor deixe de conduzir necessrio que a corrente por ele caia abaixo do valor mnimo de manuteno (IH), permitindo que se restabelea a barreira de potencial em J2. Para a comutao do dispositivo no basta, pois, a aplicao de uma tenso negativa entre anodo e catodo. Tal tenso reversa apressa o processo de desligamento por deslocar nos sentidos adequados os portadores na estrutura cristalina, mas no garante, sozinha, o desligamento. Devido a caractersticas construtivas do dispositivo, a aplicao de uma polarizao reversa do terminal de gate no permite a comutao do SCR. Este ser um comportamento dos GTOs, como se ver adiante.

P

N

PN

P

N

A

K

G

A

K

G

Ia

Ik

T2

T1Ib1

Ic2

Ig Ib2

Ic1

Figura 1.10 - Analogia entre tiristor e transistores bipolares



1.4.2 Maneiras de disparar um tiristor Podemos considerar cinco maneiras distintas de fazer com que um tiristor entre em conduo:

a) Tenso Quando polarizado diretamente, no estado desligado, a tenso de polarizao aplicada sobre a juno J2. O aumento da tenso Vak leva a uma expanso da regio de transio tanto para o interior da camada do gate quanto para a camada N adjacente. Mesmo na ausncia de corrente de gate, por efeito trmico, sempre existiro cargas livres que penetram na regio de transio (no caso, eltrons), as quais so aceleradas pelo campo eltrico presente em J2. Para valores elevados de tenso (e, consequentemente, de campo eltrico), possvel iniciar um processo de avalanche, no qual as cargas aceleradas, ao chocarem-se com tomos vizinhos, provoquem a expulso de novos portadores, os quais reproduzem o processo. Tal fenmeno, do ponto de vista do comportamento do fluxo de cargas pela juno J2, tem efeito similar ao de uma injeo de corrente pelo gate, de modo que, se ao se iniciar a passagem de corrente for atingido o limiar de IL, o dispositivo se manter em conduo. A figura. 1.11 mostra a caracterstica esttica de um SCR.

b) Ao da corrente positiva de porta Sendo o disparo atravs da corrente de porta a maneira mais usual de ser ligado o tiristor, importante o conhecimento dos limites mximos e mnimos para a tenso Vgk e a corrente Ig, como mostrados na figura 1.12. O valor Vgm indica a mnima tenso de gate que garante a conduo de todos os componentes de um dado tipo, na mnima temperatura especificada. O valor Vgo a mxima tenso de gate que garante que nenhum componente de um dado tipo entrar em conduo, na mxima temperatura de operao. A corrente Igm a mnima corrente necessria para garantir a entrada em conduo de qualquer dispositivo de um certo tipo, na mnima temperatura. Para garantir a operao correta do componente, a reta de carga do circuito de acionamento deve garantir a passagem alm dos limites Vgm e Igm, sem exceder os demais limites (tenso, corrente e potncia mximas).

c) Taxa de crescimento da tenso direta Quando reversamente polarizadas, a rea de transio de uma juno comporta-se de maneira similar a um capacitor, devido ao campo criado pela carga espacial. Considerando que praticamente toda a tenso est aplicada sobre a juno J2 (quando o SCR estiver desligado e polarizado diretamente), a corrente que atravessa tal juno dada por:

( )I

d C Vdt

C dVdt

VdCdtj

j akj

akak

j=

= + (1.4)

Onde Cj a capacitncia da juno.



Vak

Ia

Von

IIL

H

Vbo

VbrIg2 > Ig1 > Ig=0

Figura 1.11 - Caracterstica esttica do tiristor.

Mxima tenso de gate

Mxima potnciaInstantnea de gate

Ig

Vgk

6V

0,5A00

Igm

Vgm

Vgo

Limite debaixa corrente

Limite dealta corrente

Reta de cargado circuito de acionamento

Figura 1.12 - Condies para disparo de tiristor atravs de controle pela porta.

Quando Vak cresce, a capacitncia diminui, uma vez que a regio de transio aumenta de largura. Entretanto, se a taxa de variao da tenso for suficientemente elevada, a corrente que atravessar a juno pode ser suficiente para levar o tiristor conduo. Uma vez que a capacitncia cresce com o aumento da rea do semicondutor, os componentes para correntes mais elevadas tendem a ter um limite de dv/dt menor. Observe-se que a limitao diz respeito apenas ao crescimento da tenso direta (Vak > 0). A taxa de crescimento da tenso reversa no importante, uma vez que as correntes que circulam pelas junes J1 e J3, em tal situao, no tem a capacidade de levar o tiristor a um estado de conduo. Como se ver adiante, utilizam-se circuitos RC em paralelo com os tiristores com o objetivo de limitar a velocidade de crescimento da tenso direta sobre eles.

d) Temperatura A altas temperaturas, a corrente de fuga numa juno p-n reversamente polarizada dobra aproximadamente com o aumento de 8o C. Assim, a elevao da temperatura pode levar a uma corrente atravs de J2 suficiente para levar o tiristor conduo.

e) Energia radiante Energia radiante dentro da banda espectral do silcio, incidindo e penetrando no cristal, produz considervel quantidade de pares eltrons-lacunas, aumentando a corrente de fuga reversa, possibilitando a conduo do tiristor. Este tipo de acionamento o utilizado nos LASCR, cuja aplicao principal em sistemas que operam em elevado potencial, onde a isolao necessria s obtida por meio de acoplamentos ticos.



1.4.3 Parmetros bsicos de tiristores Apresentaremos a seguir alguns parmetros tpicos de tiristores e que caracterizam condies limites para sua operao. Alguns j foram apresentados e comentados anteriormente e sero, pois, apenas citados aqui. Tenso direta de ruptura (VBO) Mxima tenso reversa (VBR) Mxima corrente de anodo (Iamax): pode ser dada como valor RMS, mdio, de pico e/ou

instantneo. Mxima temperatura de operao (Tjmax): temperatura acima da qual, devido a um possvel

processo de avalanche, pode haver destruio do cristal. Resistncia trmica (Rth): a diferena de temperatura entre 2 pontos especificados ou regies,

dividido pela potncia dissipada sob condies de equilbrio trmico. uma medida das condies de fluxo de calor do cristal para o meio externo.

Caracterstica I2t: o resultado da integral do quadrado da corrente de anodo num determinado intervalo de tempo, sendo uma medida da mxima potncia dissipvel pelo dispositivo. dado bsico para o projeto dos circuitos de proteo.

Mxima taxa de crescimento da tenso direta Vak (dv/dt). Mxima taxa de crescimento da corrente de anodo (di/dt): fisicamente, o incio do processo de

conduo de corrente pelo tiristor ocorre no centro da pastilha de silcio, ao redor da regio onde foi construda a porta, espalhando-se radialmente at ocupar toda a superfcie do catodo, medida que cresce a corrente. Mas se a corrente crescer muito rapidamente, antes que haja a expanso necessria na superfcie condutora, haver um excesso de dissipao de potncia na rea de conduo, danificando a estrutura semicondutora. Este limite ampliado para tiristores de tecnologia mais avanada fazendo-se a interface entre gate e catodo com uma maior rea de contato, por exemplo, 'interdigitando" o gate. A figura 1.13 ilustra este fenmeno.

Corrente de manuteno de conduo (IH): a mnima corrente de anodo necessria para manter o tiristor em conduo.

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

Tempo de disparo (ton): o tempo necessrio para o tiristor sair do estado desligado e atingir a plena conduo.

Tempo de desligamento (toff): o tempo necessrio para a transio entre o estado de conduo e o de bloqueio. devido a fenmenos de recombinao de portadores no material semicondutor.

Corrente de recombinao reversa (Irqm): valor de pico da corrente reversa que ocorre durante o intervalo de recombinao dos portadores na juno.

P

N-

PN N

A

K

G

Contato metlico

Catodo

GP

NN

P G

Gate interdigitadoGate circular

Figura 1.13 - Expanso da rea de conduo do tiristor a partir das vizinhanas da regio de gate.



A figura 1.14 ilustra algumas destas caractersticas.

di/dtdv/dt

Tenso direta de bloqueio

Corrente de fuga direta Von

ton

toff

Corrente de fuga reversa

Tenso reversa de bloqueio

Irqm

Figura 1.14 Tenses e correntes caractersticas de tiristor.

1.4.4 Circuitos de excitao do gate a) Conduo Conforme foi visto, a entrada em conduo de um tiristor controlada pela injeo de uma corrente no terminal da porta, devendo este impulso estar dentro da rea delimitada pela figura 1.12. Por exemplo, para um dispositivo que deve conduzir 100 A, um acionador que fornea uma tenso Vgk de 6 V com impedncia de sada 12 ohms adequado. A durao do sinal de disparo deve ser tal que permita corrente atingir IL quando, ento, pode ser retirada. Observamos ser bastante simples o circuito de disparo de um SCR e, dado o alto ganho do dispositivo, as exigncias quando ao acionamento so mnimas.

b) Comutao Se, por um lado, fcil a entrada em conduo de um tiristor, o mesmo no se pode dizer de sua comutao. Lembramos que a condio de desligamento que a corrente de anodo fique abaixo do valor IH. Se isto ocorrer juntamente com a aplicao de uma tenso reversa, o bloqueio se dar mais rapidamente. No existe uma maneira de se desligar o tiristor atravs de seu terminal de controle, sendo necessrio algum arranjo no nvel do circuito de anodo para reduzir a corrente principal.

b.1) Comutao Natural utilizada em sistemas de CA nos quais, em funo do carter ondulatrio da tenso de entrada, em algum instante a corrente tender a se inverter e ter, assim, seu valor diminudo abaixo de IH, desligando o tiristor. Isto ocorrer desde que, num intervalo inferior a toff, no cresa a tenso direta Vak, o que poderia lev-lo novamente conduo. A figura 1.15 mostra um circuito de um controlador de tenso CA, alimentando uma carga RL, bem como as respectivas formas de onda. Observe que quando a corrente se anula a tenso sobre a carga se torna zero, indicando que nenhum dos SCRs est em conduo.



vi(t)

i(t)

vL

L

R

S1

S2

5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms

200V

-200V

40A

-40A

200V

-200V

vi(t)

i(t)

vL(t)

Figura 1.15 - Controlador de tenso CA com carga RL e formas de onda tpicas.

b.2) Comutao por ressonncia da carga Em algumas aplicaes especficas, possvel que a carga, pela sua dinmica prpria, faa com que a corrente tenda a se inverter, fazendo o tiristor desligar. Isto ocorre, por exemplo, quando existem capacitncias na carga as quais, ressoando com as indutncias do circuito produzem um aumento na tenso ao mesmo tempo em que reduzem a corrente. Caso a corrente se torne menor do que a corrente de manuteno e o tiristor permanea reversamente polarizado pelo tempo suficiente, haver o seu desligamento. A tenso de entrada pode ser tanto CA quanto CC. A figura 1.16 ilustra tal comportamento. Observe que enquanto o tiristor conduz a tenso de sada, vo(t), igual tenso de entrada. Quando a corrente se anula e S1 desliga, o que se observa a tenso imposta pela carga ressonante.

b.3) Comutao forada utilizada em circuitos com alimentao CC e nos quais no ocorre reverso no sentido da corrente de anodo. A idia bsica deste tipo de comutao oferecer corrente de carga um caminho alternativo ao tiristor, enquanto se aplica uma tenso reversa sobre ele, desligando-o. Antes do surgimento dos GTOs, este foi um assunto muito discutido, buscando-se topologias eficientes. Com o advento dos dispositivos com comutao pelo gate, os SCRs tiveram sua aplicao concentrada nas aplicaes nas quais ocorre comutao natural ou pela carga.

Carga Ressonante

L io(t) vo(t) Vcc

S1

0 i o

v o Vcc

Figura 1.17 Circuito e formas de onda de comutao por ressonncia da carga.



A figura 1.18 mostra um circuito para comutao forada de SCR e as formas de onda tpicas. A figura 1.19 mostra detalhes de operao do circuito auxiliar de comutao. Em um tempo anterior a to, a corrente da carga (suposta quase constante, devido elevada constante de tempo do circuito RL) passa pelo diodo de circulao. A tenso sobre o capacitor negativa, com valor igual ao da tenso de entrada. No instante to o tiristor principal, Sp, disparado, conectando a fonte carga, levando o diodo Df ao desligamento. Ao mesmo tempo surge uma malha formada por Sp, Cr, D1 e Lr, a qual permite a ocorrncia de uma ressonncia entre Cr e Lr, levando inverso na polaridade da tenso do capacitor. Em t1 a tenso atinge seu mximo e o diodo D1 desliga (pois a corrente se anula). O capacitor est preparado para realizar a comutao de Sp. Quanto o tiristor auxiliar, Sa, disparado, em t2, a corrente da carga passa a ser fornecida atravs do caminho formado por Lr, Sa e Cr, levando a corrente por Sp a zero, ao mesmo tempo em que se aplica uma tenso reversa sobre ele, de modo a deslig-lo.

Vcc

Lr

Cr +Vc

ic

Lo

Ro

+

Vo

iT

Sp

Sa

D1

D2

Df

200V

-200V

-60A

60A

0

vC

vo

i T

i C

Figura 1.18 Topologia com comutao forada de SCR e formas de onda tpicas.

Continua a haver corrente por Cr, a qual, em t3, se torna igual corrente da carga, fazendo com que a variao de sua tenso assuma uma forma linear. Esta tenso cresce (no sentido negativo) at levar o diodo de circulao conduo, em t4. Como ainda existe corrente pelo indutor Lr, ocorre uma pequena oscilao na malha Lr, Sa, Cr e D2 e, quando a corrente por Sa se anula, o capacitor se descarrega at a tenso Vcc na malha formada por Cr, D1, Lr, fonte e Df.

200V-60A

60A

-200V

0

iT

ic

vo

vc

to t1 t2 t3 t4 t5

Figura 1.19 - Detalhes das formas de onda durante comutao.



1.4.5 Redes Amaciadoras O objetivo destas redes evitar problemas advindos de excessivos valores para dv/dt e di/dt, conforme descritos anteriormente.

a) O problema di/dt Uma primeira medida capaz de limitar possveis danos causados pelo crescimento excessivamente rpido da corrente de anodo construir um circuito acionador de gate adequado, que tenha alta derivada de corrente de disparo para que seja tambm rpida a expanso da rea condutora. Um reator saturvel em srie com o tiristor tambm limitar o crescimento da corrente de anodo durante a entrada em conduo do dispositivo. Alm deste fato tem-se outra vantagem adicional que a reduo da potncia dissipada no chaveamento pois, quando a corrente de anodo crescer, a tenso Vak ser reduzida pela queda sobre a indutncia. O atraso no crescimento da corrente de anodo pode levar necessidade de um pulso mais longo de disparo, ou ainda a uma seqncia de pulsos, para que seja assegurada a conduo do tiristor.

b) O problema do dv/dt A limitao do crescimento da tenso direta Vak, usualmente feita pelo uso de circuitos RC, RCD, RLCD em paralelo com o dispositivo, como mostrado na figura 1.20. No caso mais simples (a), quando o tiristor comutado, a tenso Vak segue a dinmica dada por RC que, alm disso, desvia a corrente de anodo facilitando a comutao. Quando o SCR 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. No 3o caso, o pico limitado por L, o que no traz eventuais problemas de alto di/dt. A corrente de descarga de C auxilia a entrada em conduo do tiristor para obter um Ia>IL, uma vez que se soma corrente de anodo proveniente da carga. A energia acumulada no capacitor praticamente toda dissipada sobre o resistor de descarga.

R

C C

R1R2

DD L

R

C

(a) (b) (c) Figura 1.20 - Circuitos amaciadores para dv/dt.

1.4.6 Associao em Paralelo de Tiristores Desde o incio da utilizao do tiristor, em 1958, tm crescido constantemente os limites de tenso e corrente suportveis, atingindo hoje faixas de 5000 V e 4000 A. H, no entanto, diversas aplicaes nas quais necessria a associao de mais de um destes componentes, seja pela elevada tenso de trabalho, seja pela corrente exigida pela carga.



Quando a corrente de carga, ou a margem de sobre-corrente necessria, no pode ser suportada por um nico tiristor, essencial a ligao em paralelo. A principal preocupao neste caso a equalizao da corrente entre os dispositivos, tanto em regime, como durante a comutao. Diversos fatores influem na distribuio homognea da corrente, desde aspectos relacionados tecnologia construtiva do dispositivo, at o arranjo mecnico da montagem final. Existem duas tecnologias bsicas de construo de tiristores, diferindo basicamente no que se refere regio do catodo e sua juno com a regio da porta. A tecnologia de difuso cria uma regio de fronteira entre catodo e gate pouco definida, formando uma juno no-uniforme que leva a uma caracterstica de disparo (especialmente quanto ao tempo de atraso e sensibilidade ao disparo) no homognea. A tecnologia epitaxial permite fronteiras bastante definidas, implicando numa maior uniformidade nas caractersticas do tiristor. Conclui-se assim que, quando se faz uma associao (srie ou paralela) destes dispositivos, prefervel empregar componentes de construo epitaxial. Em ligaes paralelas de elementos de baixa resistncia, um fator crtico para a distribuio de corrente so variaes no fluxo concatenado pelas malhas do circuito, dependendo, pois, das indutncias das ligaes. Outro fator importante relaciona-se com a caracterstica do coeficiente negativo de temperatura do dispositivo, ou seja, um eventual desequilbrio de corrente provoca uma elevao de temperatura no SCR que, por sua vez, melhora as condies de condutividade do componente, aumentando ainda mais o desequilbrio, podendo lev-lo destruio. Uma primeira precauo para reduzir estes desbalanceamentos realizar uma montagem de tal maneira que todos os tiristores estejam a uma mesma temperatura, o que pode ser feito, por exemplo, pela montagem em um nico dissipador. No que se refere indutncia das ligaes, a prpria disposio dos componentes em relao ao barramento afeta significativamente esta distribuio de corrente. Arranjos cilndricos tendem a apresentar um menor desequilbrio.

1.4.6.1 Estado estacionrio Alm das consideraes j feitas quanto montagem mecnica, algumas outras providncias podem ser tomadas para melhorar o equilbrio de corrente nos tiristores:

a) Impedncia srie A idia adicionar impedncias em srie com cada componente a fim de limitar o eventual desequilbrio. Se a corrente crescer num ramo, haver aumento da tenso, o que far com que a corrente se distribua entre os demais ramos. O uso de resistores implica no aumento das perdas, uma vez que dado o nvel elevado da corrente, a dissipao pode atingir centenas de watts, criando problemas de dissipao e eficincia. Outra alternativa o uso de indutores lineares.

b) Reatores acoplados Conforme ilustrado na figura 1.21, se a corrente por SCR1 tende a se tornar maior que por SCR2, uma fora contra-eletro-motriz aparecer sobre a indutncia, proporcionalmente ao desbalanceamento, tendendo a reduzir a corrente por SCR1. Ao mesmo tempo uma tenso induzida do outro lado do enrolamento, aumentando a corrente por SCR2. As mais importantes caractersticas do reator so alto valor da saturao e baixo fluxo residual, para permitir uma grande excurso do fluxo a cada ciclo.



.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

(a)

(c)

(d)

.

.

(b)

SCR1

SCR2

Figura 1.21 - Equalizao de corrente com resistores e com reatores acoplados

1.4.6.2 Disparo H duas caractersticas do tiristor bastante importantes para boa diviso de corrente entre os componentes no momento em que se deve dar o incio da conduo: o tempo de atraso (td) e a mnima tenso de disparo (VONmin). O tempo de atraso pode ser interpretado como o intervalo entre a aplicao do sinal de gate e a real conduo do tiristor. A mnima tenso de disparo o valor mnimo da tenso direta entre anodo e catodo com a qual o tiristor pode ser ligado por um sinal adequado de porta. Recorde-se, da caracterstica esttica do tiristor, que quanto menor a tenso Vak, maior deve ser a corrente de gate para levar o dispositivo conduo. Diferenas em td podem fazer com que um componente entre em conduo antes do outro. Com carga indutiva este fato no to crtico pela inerente limitao de di/dt da carga, o que no ocorre com cargas capacitivas e resistivas. Alm disso, como VONmin maior que a queda de tenso direta sobre o tiristor em conduo, possvel que outro dispositivo no consiga entrar em conduo. Esta situao crtica quando se acoplam diretamente os tiristores, sendo minimizada atravs dos dispositivos de equalizao j descritos e ainda por sinais de porta de durao maior que o tempo de atraso.

1.4.6.3 Desligamento Especialmente com carga indutiva, deve-se prever algum tipo de arranjo que consiga manter o equilbrio de corrente mesmo que haja diferentes caractersticas entre os tiristores (especialmente relacionadas com os tempos de desligamento). A capacitncia do circuito amaciador limita o desbalanceamento, uma vez que absorve a corrente do tiristor que comea a desligar.

1.4.6.4 Circuito de disparo A corrente de gate deve ser alvo de atenes. O uso de um nico circuito de comando para acionar todos os tiristores minimiza os problemas de tempos de atraso. Alm disso, deve-se procurar usar nveis iguais de corrente e tenso de gate, uma vez que influem significativamente no desempenho do disparo. Para minimizar os efeitos das diferenas nas junes gate-catodo de cada componente pode-se fazer uso de um resistor ou indutor em srie com o gate, para procurar equalizar os sinais. importante que se tenha atingido a corrente de disparo (IL) antes da retirada



do pulso de gate, o que pode levar necessidade de circuitos mais elaborados para fornecer a energia necessria. Uma seqncia de pulsos tambm pode ser empregada.

1.4.7 Associao em srie de tiristores Quando o circuito opera com tenso superior quela suportvel por um nico tiristor, preciso associar estes componentes em srie, com precaues para garantir a distribuio equilibrada de tenso entre eles. Devido a diferenas nas correntes de bloqueio, capacitncias de juno, tempos de atraso, quedas de tenso direta e recombinao reversa, redes de equalizao externa so necessrias, bem como cuidados quanto ao circuito de disparo. A figura 1.22 indica uma possvel distribuio de tenso numa associao de 3 tiristores, nas vrias situaes de operao. Durante os estados de bloqueio direto e reverso (I e VI), diferenas nas caractersticas de bloqueio resultam em desigual distribuio de tenso em regime. Ou seja, o tiristor com menor condutncia quando bloqueado ter de suportar a maior tenso. interessante, ento, usar dispositivos com caractersticas o mais prximas possvel. Os estados de conduo (III e IV) no apresentam problema de distribuio de tenso. Estados II e V representam um desbalanceamento indesejado durante os transientes de disparo e comutao. No estado II o tempo de atraso do SCR1 consideravelmente mais longo que o dos outros e, assim, ter que, momentaneamente, suportar toda a tenso. O estado V resulta dos diferentes tempos de recombinao dos componentes. O primeiro a se recombinar suportar toda a tenso.

1.4.7.1 Estado estacionrio O mtodo usual de equalizar tenses nas situaes I e VI colocar uma rede resistiva com cada resistor conectado entre anodo e catodo de cada tiristor. Estes resistores representam consumo de potncia, sendo desejvel usar os de maior valor possvel. O projeto do valor da resistncia deve considerar a diferena nos valores das correntes de bloqueio direta e reversa.

T1

T2

T3

1200V

5mA 10mA 50A 10A 10mA 10mA

1000V

50V

150V

1200V

6V

5V

1.0V

1.1V

0.9V

0.9V

1.0V

0.8V

0.7V

0.7V

1200V

100V

900V

200V

+ + + +

+ +

Bloqueiodireto

Conduoparcial

Conduodireta

Conduoreversa

Recuperaoreversa

parcial

Bloqueioreverso

I II III IV V VI

Figura 1.22 - Tenses em associao de tiristores sem rede de equalizao.

1.4.7.2 Disparo Um mtodo que pode ser usado para minimizar o desequilbrio do estado II fornecer uma corrente de porta com potncia suficiente e de rpido crescimento, para minimizar as diferenas



relativas ao tempo de atraso. A largura do pulso deve ser tal que garanta a continuidade da conduo de todos os tiristores.

1.4.7.3 Desligamento Para equalizar a tenso no estado V, um capacitor ligado entre anodo e catodo de cada tiristor. Se a impedncia do capacitor suficientemente baixa e/ou se utiliza a constante de tempo necessria, o crescimento da tenso no dispositivo mais rpido ser limitado at que todos se recombinem. Esta implementao tambm alivia a situao no disparo, uma vez que realiza uma injeo de corrente no tiristor, facilitando a entrada em conduo de todos os dispositivos. Mas se o capacitor providencia excelente equalizao de tenso, o pico de corrente injetado no componente no disparo pode ser excessivo, devendo ser limitado por meio de um resistor em srie com o capacitor. interessante um alto valor de R e baixo valor de C para, com o mesmo RC, obter pouca dissipao de energia. Mas se o resistor for de valor muito elevado ser imposta uma tenso de rpido crescimento sobre o tiristor, podendo ocasionar disparo por dv/dt. Usa-se ento um diodo em paralelo com o resistor, garantindo um caminho de carga para o capacitor, enquanto a descarga se faz por R. O diodo deve ter uma caracterstica suave de recombinao para evitar efeitos indesejveis associados s indutncias parasitas das ligaes. Recomenda-se o uso de capacitores de baixa indutncia parasita. A figura 1.23 ilustra tais circuitos de equalizao.

RCRCRC

D D D

Rs Rs RsEqualizao esttica

EqualizaoDinmica

Figura 1.23 - Circuito de equalizao de tenso em associao srie de tiristores.

1.4.7.4 Circuito de disparo Em muitas aplicaes, devido necessidade de isolamento eltrico entre o circuito de comando e o de potncia, o sinal de disparo deve ser isolado por meio de algum dispositivo como, por exemplo, transformadores de pulso ou acopladores ticos, como mostra a figura 1.24.

a) Transformador de pulso Neste caso, tm-se transformadores capazes de responder apenas em alta freqncia, mas que possibilitam a transferncia de pulsos de curta durao (at centenas de microssegundos), aps o que o transformador satura. Caso seja necessrio um pulso mais largo, ele poder ser obtido por meio de um trem de pulsos, colocando-se um filtro passa-baixas no lado de sada. Com tais dispositivos deve-se prever algum tipo de limitao de tenso no secundrio (onde est conectado o gate), a fim de evitar sobre-tenses. Quando se usar transformador de pulso preciso garantir que ele suporte pelo menos a tenso de pico da alimentao. Como as condies de disparo podem diferir consideravelmente entre os tiristores, comum inserir uma impedncia em srie com o gate para evitar que um tiristor com menor impedncia de gate drene o sinal de disparo, impedindo que os demais dispositivos entrem em conduo. Esta impedncia em srie pode ser um resistor ou um capacitor, que tornaria mais rpido o crescimento do pulso de corrente.



b) Acoplamento luminoso O acoplamento tico apresenta como principal vantagem a imunidade a interferncias eletromagnticas, alm da alta isolao de potencial. Dois tipos bsicos de acopladores so usados: os opto-acopladores e as fibras ticas. No primeiro caso tem-se um dispositivo no qual o emissor e o receptor esto integrados, apresentando uma isolao tpica de 2500 V. J para as fibras ticas, o isolamento pode ser de centenas de kV. A potncia necessria para o disparo provida por duas fontes: uma para alimentar o emissor (em geral a prpria fonte do circuito de controle) e outra para o lado do receptor. Eventualmente, a prpria carga armazenada no capacitor do circuito amaciador (ou rede de equalizao), atravs de um transformador de corrente, pode fornecer a energia para o lado do receptor, a partir da corrente que circula pelo tiristor, assegurando potncia durante todo o perodo de conduo.

+Vcc

Pulsos

+V

Req. .

Req

+

Pulsos

Figura 1.24 Circuitos de acionamento de pulso.

1.4.8 Sobre-tenso As funes gerais da proteo contra sobre-tenso so: assegurar, to rpido quanto possvel, que qualquer falha em algum componente afete apenas aquele tiristor diretamente associado ao componente; aumentar a confiabilidade do sistema; evitar reaes na rede (como excitao de ressonncias). Estas sobre-tenses podem ser causadas tanto por aes externas como por distribuio no homognea das tenses entre os dispositivos. Em aplicaes onde as perdas provocadas pelos resistores de equalizao devem ser evitadas, a distribuio de tenso pode ser realizada pelo uso de retificadores de avalanche controlada, que tambm atuam no caso de sobre-tenses. Uma possvel restrio ao uso de supressores de sobre-tenso (geralmente de xido metlico, os varistores), que a falha em um certo componente (um curto em um tiristor) pode levar a uma sobrecarga nos demais supressores, provocando uma destruio em cascata de todos. A fim de evitar disparos indesejados dos tiristores em virtude do aumento repentino da tenso, superando o limite de dv/dt ou o valor da mxima tenso direta de bloqueio, deve-se manter uma polarizao negativa no terminal da porta, aumentado o nvel de tenso suportvel.

1.4.9 Resfriamento As caractersticas do tiristor so fornecidas a uma certa temperatura da juno. O calor produzido na pastilha deve ser dissipado, devendo transferir-se da pastilha para o encapsulamento, deste para o dissipador e da para o meio de refrigerao (ar ou lquido). Este conjunto possui uma capacidade de armazenamento de calor, ou seja, uma constante de tempo trmica, que permite sobrecargas de corrente por perodos curtos. Tipicamente esta constante da ordem de 3 minutos para refrigerao a ar.



A temperatura de operao da juno deve ser muito menor que o mximo especificado. Ao aumento da temperatura corresponde uma diminuio na capacidade de suportar tenses no estado de bloqueio. Tipicamente esta temperatura no deve exceder 120oC. O sistema de refrigerao deve possuir redundncia, ou seja, uma falha no sistema deve por em operao um outro, garantindo a troca de calor necessria. Existem vrias maneiras de implementar as trocas: circulao externa de ar filtrado, circulao interna de ar (com trocador de calor), refrigerao com lquido, etc. A escolha do tipo de resfriamento influenciada pelas condies ambientais e preferncias do usurio.



1.5 GTO - Gate Turn-Off Thyristor

O GTO, embora tenha sido criado no incio da dcada de 60, por problemas de fraco desempenho foi pouco utilizado. Com o avano da tecnologia de construo de dispositivos semicondutores, novas solues foram encontradas para aprimorar tais componentes, que hoje ocupam significativa faixa de aplicao, especialmente naquelas de elevada potncia, uma vez que esto disponveis dispositivos para 5000V, 4000A.

1.5.1 Princpio de funcionamento O GTO possui uma estrutura de 4 camadas, tpica dos componentes da famlia dos tiristores. Sua caracterstica principal sua capacidade de entrar em conduo e bloquear atravs de comandos adequados no terminal de gate. O mecanismo de disparo semelhante ao do SCR: supondo-o diretamente polarizado, quando a corrente de gate injetada, circula corrente entre gate e catodo. Grande parte de tais portadores, como a camada de gate suficientemente fina, desloca-se at a camada N adjacente, atravessando a barreira de potencial e sendo atrados pelo potencial do anodo, dando incio corrente andica. Se esta corrente se mantiver acima da corrente de manuteno, o dispositivo no necessita do sinal de gate para manter-se conduzindo. A figura 1.25 mostra o smbolo do GTO e uma representao simplificada dos processos de entrada e sada de conduo do componente. A aplicao de uma polarizao reversa na juno gate-catodo pode levar ao desligamento do GTO. Portadores livres (lacunas) presentes nas camadas centrais do dispositivo so atrados pelo gate, fazendo com que seja possvel o restabelecimento da barreira de potencial na juno J2.

A K

G

P+ N- P N+

Rg

Vg

VccRg

P+ N- P N+

RgVg

VccRg

J2

J1

J3

Regio deTransio

Entrada em conduo

Desligamento

Figura 1.25 - Smbolo, processos de comutao e estrutura interna de GTO. A figura do GTO foi obtida na AN-315, International Rectifier, 04/82.

Aparentemente seria possvel tal comportamento tambm no SCR. As diferenas, no entanto, esto no nvel da construo do componente. O funcionamento como GTO depende, por exemplo, de fatores como:



facilidade de extrao de portadores pelo terminal de gate - isto possibilitado pelo uso de dopantes com alta mobilidade

desaparecimento rpido de portadores nas camadas centrais - uso de dopante com baixo tempo de recombinao. Isto implica que um GTO tem uma maior queda de tenso quando em conduo, comparado a um SCR de mesmas dimenses.

suportar tenso reversa na juno porta-catodo, sem entrar em avalanche - menor dopagem na camada de catodo

absoro de portadores de toda superfcie condutora - regio de gate e catodo muito interdigitada, com grande rea de contato.

Diferentemente do SCR, um GTO pode no ter capacidade de bloquear tenses reversas. Existem 2 possibilidades de construir a regio de anodo: uma delas utilizando apenas uma camada p+, como nos SCR. Neste caso o GTO apresentar uma caracterstica lenta de comutao, devido maior dificuldade de extrao dos portadores, mas suportar tenses reversas na juno J2. A outra alternativa, mostrada na figura 1.26, introduzir regies n+ que penetrem na regio p+ do anodo, fazendo contato entre a regio intermediria n- e o terminal de anodo. Isto, virtualmente, curtocircuita a juno J1 quando o GTO polarizado reversamente. No entanto, torna-o muito mais rpido no desligamento (com polarizao direta). Como a juno J3 formada por regies muito dopadas, ela no consegue suportar tenses reversas elevadas. Caso um GTO deste tipo deva ser utilizado em circuitos nos quais fique sujeito a tenso reversa, ele deve ser associado em srie com um diodo, o qual bloquear a tenso.

anodo

metalizao do gate

metalizao do catodoplaca decontato do

catodo

p+ p+p+n+ n+

n-

p

n+n+ n+

J1

J2

J3

Figura 1.26 - Estrutura interna de GTO rpido (sem bloqueio reverso)

1.5.2 Parmetros bsicos do GTO Os smbolos utilizados pelos diversos fabricantes diferem, embora as grandezas representadas sejam, quase sempre, as mesmas. Vdrxm - Tenso de pico, repetitiva, de estado desligado: sob condies dadas, a mxima tenso

instantnea permissvel, em estado desligado, que no ultrapasse o dv/dt mximo, aplicvel repetidamente ao GTO.

It - Corrente (RMS) de conduo: mxima corrente (valor RMS) que pode circular continuamente pelo GTO.



Itcm - Corrente de conduo repetitiva controlvel: mxima corrente repetitiva, cujo valor instantneo ainda permite o desligamento do GTO, sob determinadas condies.

I2t: escala para expressar a capacidade de sobrecorrente no-repetitiva, com respeito a um pulso de curta durao. utilizado no dimensionamento dos fusveis de proteo.

di/dt: taxa de crescimento mxima da corrente de anodo. Vgrm - Tenso reversa de pico de gate repetitiva: mxima tenso instantnea permissvel

aplicvel juno gate-catodo. dv/dt: mxima taxa de crescimento da tenso direta de anodo para catodo. IH - corrente de manuteno: Corrente de anodo que mantm o GTO em conduo mesmo na

ausncia de corrente de porta. IL - corrente de disparo: corrente de anodo necessria para que o GTO entre em conduo com o

desligamento da corrente de gate. tgt - tempo de disparo: tempo entre a aplicao da corrente de gate e a queda da tenso Vak. tgq - tempo de desligamento: tempo entre a aplicao de uma corrente negativa de gate e a

queda da corrente de anodo (tgq=ts+tf) ts - tempo de armazenamento

1.5.3 Condies do sinal de porta para chaveamento Desde que, geralmente, o GTO est submetido a condies de alto di/dt, necessrio que o sinal de porta tambm tenha rpido crescimento, tendo um valor de pico relativamente elevado. Deve ser mantido neste nvel por um tempo suficiente (tw1) para que a tenso Vak caia a seu valor de conduo direta. conveniente que se mantenha a corrente de gate durante todo o perodo de conduo, especialmente se a corrente de anodo for pequena, de modo a garantir o estado "ligado". A figura 1.27 ilustra as formas de corrente recomendadas para a entrada em conduo e tambm para o desligamento. Durante o intervalo "ligado" existe uma grande quantidade de portadores nas camadas centrais do semicondutor. A comutao do GTO ocorrer pela retirada destes portadores e, ainda, pela impossibilidade da vinda de outros das camadas ligadas ao anodo e ao catodo, de modo que a barreira de potencial da juno J2 possa se restabelecer. O grande pico reverso de corrente apressa a retirada dos portadores. A taxa de crescimento desta corrente relaciona-se com o tempo de armazenamento, ou seja, o tempo decorrido entre a aplicao do pulso negativo e o incio da queda (90%) da corrente de anodo. Quanto maior for a derivada, menor o tempo. Quando a corrente drenada comea a cair, a tenso reversa na juno gate-catodo cresce rapidamente, ocorrendo um processo de avalanche. A tenso negativa de gate deve ser mantida prxima ao valor da tenso de avalanche. A potncia dissipada neste processo controlada (pela prpria construo do dispositivo). Nesta situao a tenso Vak cresce e o GTO desliga. Para evitar o disparo do GTO por efeito dv/dt, uma tenso reversa de porta pode ser mantida durante o intervalo de bloqueio do dispositivo. O ganho de corrente tpico, no desligamento, baixo (de 5 a 10), o que significa que, especialmente para os GTOs de alta corrente, o circuito de acionamento, por si s, envolve a manobra de elevadas correntes.



IgVgk

Ifgm

Ifg

t

w1t

r

t gq

t s

Irg

dIrgdt Vrg (tenso negativa

Vr

avalanchedo circuito de comando)

Figura 1.27 - Fo

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