UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação
Departamento de Sistemas e Controle de Energia
Eletrônica de
Potência
José Antenor Pomilio
Publicação FEEC 01/98
Fevereiro de 1998
Revisado em Janeiro de 2002
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apostila, Notas de estudo de Eletrônica
Apostila de eletrônica de Potência
Tipologia: Notas de estudo
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Departamento de Sistemas e Controle de Energia
Eletrônica de
Potência
José Antenor Pomilio
Publicação FEEC 01/
Fevereiro de 1998
Revisado em Janeiro de 2002
ii
Apresentação
O texto que se segue foi elaborado para a disciplina "Eletrônica de Potência"
ministrada nos cursos de pós-graduação em Engenharia Elétrica na Faculdade de Engenharia
Elétrica e de Computação da Universidade Estadual de Campinas.
Este é um material que vem sofrendo freqüentes atualizações, em função da constante
evolução tecnológica na área da Eletrônica de Potência, além do que, o próprio texto pode
ainda conter eventuais erros, para os quais pedimos a colaboração dos estudantes e
profissionais que eventualmente fizerem uso do mesmo, enviando ao autor uma comunicação
sobre as falhas detectadas.
Os resultados experimentais incluídos 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 referências bibliográficas.
Textos semelhantes foram, ou estão sendo produzidos referentes às disciplinas de
"Fontes Chaveadas" e “Condicionamento de Energia Elétrica e Dispositivos FACTS”.
Campinas, 21 de Janeiro de 2002
José Antenor Pomilio
José Antenor Pomilio é Engenheiro Eletricista, Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP (1983, 1986 e 1991, respectivamente). É professor junto à Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da UNICAMP desde 1984. Participou do Grupo de Eletrônica de Potência do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (CNPq) entre 1988 e 1993, sendo chefe do Grupo entre 1988 e
- Realizou um estágio de pós-doutoramento junto ao Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Pádua, Itália, em 1993/94. Foi “Liaison” da IEEE Power Electronics Society para a Região 9 (América Latina) em 1998/1999. Foi eleito “Member at Large” do Comitê de Administração da IEEE Power Electronics Society para o triênio 2000/2002. Foi editor da Revista Eletrônica de Potência (99/2000). É presidente da Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência (2000-2002).
iv
2. TÉCNICAS DE MODULAÇÃO DE POTÊNCIA
2.1 CONTROLE POR CICLOS INTEIROS
2.2 CONTROLE DE FASE
2.3 MODULAÇÃO POR ONDA QUADRADA
2.3.1 Modulação com onda quase-quadrada. 2.4 MODULAÇÃO MULTINÍVEL 2.5 MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO - MLP 2.6 MODULAÇÃO EM FREQÜÊNCIA - MF 2.7 MODULAÇÃO POR LIMITES DE CORRENTE - MLC (HISTERESE) 2.8 MODULAÇÃO MLP COM FREQÜÊNCIA DE PORTADORA VARIÁVEL 2.9 ELIMINAÇÃO DE HARMÔNICAS 2.10 OUTRAS TÉCNICAS DE MODULAÇÃO 2.10.1 Controle “One-cycle” 2.10.2 Controle de carga 2.10.3 Modulação Delta 2.11 MODULAÇÃO VETORIAL 2.11.1 Saturação 2.12 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
3. CONVERSORES CA-CC - RETIFICADORES 3.1 RETIFICADORES NÃO CONTROLADOS 3.1.1 Retificadores não-controlados com entrada trifásica 3.2 FATOR DE POTÊNCIA 3.2.1 Definição de Fator de Potência 3.2.2 Desvantagens do baixo fator de potência (FP) e da alta distorção da corrente 3.3 NORMAS IEC 1000-3-2: DISTÚRBIOS CAUSADOS POR EQUIPAMENTO CONECTADO À REDE PÚBLICA DE BAIXA TENSÃO 3.4 RETIFICADORES COM ALTO FATOR DE POTÊNCIA 3.4.1 Soluções passivas 3.4.2 Soluções ativas para retificadores com alto FP 3.5 COMUTAÇÃO 3.6 RETIFICADORES CONTROLADOS 3.6 ASSOCIAÇÃO DE RETIFICADORES 3.7 RETIFICADOR MLP 3.7.1 Equações básicas 3.7.2 Absorção de reativos 3.7.3 Controle da corrente CC 3.8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 4. CONVERSORES CC-CC PARA ACIONAMENTO DE MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA 4.1 PRINCÍPIOS DE ACIONAMENTO DE MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA 4.1.1 Equações estáticas 4.1.2 Equações dinâmicas 4.1.3 Quadrantes de operação 4.2 TOPOLOGIAS DE CONVERSORES PARA ACIONAMENTO DE MCC 4.2.1 Conversor Classe A 4.2.2 Conversor Classe B 4.2.3 Conversor Classe C 4.2.4 Conversor Classe D
v
4.2.5 Conversor Classe E 4.3 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
5. TOPOLOGIAS BÁSICAS DE FONTES CHAVEADAS 5.1 CONVERSOR ABAIXADOR DE TENSÃO (STEP-DOWN OU BUCK): VO<E 5.1.1 Modo de condução contínua (MCC) 5.1.2 Modo de condução descontínua (MCD) 5.1.3 Dimensionamento de L e de C 5.2 CONVERSOR ELEVADOR DE TENSÃO (STEP-UP OU BOOST): VO>E 5.2.1 Modo de condução contínua 5.2.2 Modo de condução descontínua 5.2.3 Dimensionamento de L e de C 5.3 CONVERSOR ABAIXADOR-ELEVADOR (BUCK-BOOST) 5.3.1 Modo de condução contínua 5.3.2 Modo de condução descontínua 5.3.3 Cálculo de L e de C 5.4 CONVERSOR CUK 5.4.1 Dimensionamento de C 5.4.2 Dimensionamento de L 5.4.3 Cálculo de L 5.4.4 Cálculo de Co (capacitor de saída) 5.5 CONVERSOR SEPIC 5.6 CONVERSOR ZETA 5.7 CONVERSORES COM ISOLAÇÃO 5.7.1 ConversorCuk 5.7.2 Conversores SEPIC e Zeta isolados 5.7.3 Conversor fly-back (derivado do abaixador-elevador) 5.7.4 Conversor “forward” (derivado do abaixador de tensão) 5.7.5 Conversor “push-pull” 5.8 CONSIDERAÇÃO SOBRE A MÁXIMA TENSÃO DE SAÍDA NO CONVERSOR ELEVADOR DE TENSÃO 5.9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 6. CONVERSORES CC-CA COMO FONTES DE ALIMENTAÇÃO COM FREQUÊNCIA FIXA 6.1 REQUISITOS DE QUALIDADE NA ALIMENTAÇÃO DE EQUIPAMENTOS SENSÍVEIS 6.2 CLASSIFICAÇÃO DAS UPS 6.3 OUTRAS CARACTERÍSTICAS DE UPS 6.3.1 Forma de onda da saída 6.3.2 Isolação elétrica 6.3.3 Paralelismo 6.4 COMPONENTES DE UMA UPS ESTÁTICA 6.4.1 Retificador 6.4.2 Inversor 6.4.3 A chave estática ou “by-pass” 6.5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 6.5.1 Linha prioritária 6.5.2 Inversor prioritário 6.6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
vii
10.2.3 Carga RL 10.3 VARIADORES DE TENSÃO TRIFÁSICO 10.3.1 Carga resistiva 10.3.2 Carga indutiva (em Y sem neutro) 10.3.3 Carga RL 10.4 EXEMPLO DE APLICAÇÃO 10.4.1 Linha sem compensação 10.4.2 CCT atuando e saída de carga 10.4.3 CCT atuando, saída de carga e atuação do RCT 10.5 CICLOCONVERSORES COM COMUTAÇÃO NATURAL 10.6 CONVERSOR EM MATRIZ 10.7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
11. DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS DE DISSIPAÇÃO DE CALOR PARA DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA 11.1 INTRODUÇÃO 11.2 CÁLCULO DA POTÊNCIA DISSIPADA 11.2.1 Diodos 11.2.2 Tiristores 11.2.3 Transistores 11.3 COMPORTAMENTO EM REGIME PERMANENTE: POTÊNCIA MÉDIA 11.3.1 Dissipador de calor 11.4 COMPORTAMENTO EM REGIME TRANSITÓRIO: POTÊNCIA DE PICO 11.5 CÁLCULO DE DISSIPADORES 11.6 FONTES DE CALOR DISTRIBUÍDAS 11.7 REFRIGERAÇÃO FORÇADA 11.8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Eletrônica de Potência - Cap. 1 J. A. Pomilio
DSCE – FEEC – UNICAMP (^2001) 1-
1. COMPONENTES SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA
A figura 1.1 mostra uma distribuição dos componentes semicondutores, indicando limites (1994) para valores de tensão de bloqueio, corrente de condução e freqüência de comutação. Obviamente estes limites evoluem com o desenvolvimento tecnológico e servem como uma ilustração para a verificação, numa primeira aproximação, das faixas de potência em que cada componente pode ser utilizado.
Tiristores
GTO
IGBT
MCT
TBP
MOSFET
Tensão
5kV
4kV
3kV
2kV
1kV
1kA 2kA 3kA
Corrente
Frequência
1kHz 10kHz 100kHz
1MHz
Figura 1.1 Limites de operação de componentes semicondutores de potência.
1.1 Breve Revisão da Física de Semicondutores
A passagem de corrente elétrica em um meio depende da aplicação de um campo elétrico e da existência de portadores livres (usualmente elétrons) neste meio. Em metais, como o cobre ou a prata, a densidade de portadores livres (elétrons) é da ordem de 10 23 /cm 3 , enquanto nos materiais isolantes, como o quartzo ou o óxido de alumínio, o valor é da ordem de 10^3 /cm 3. Os chamados semicondutores, como o silício, tem densidades intermediárias, na faixa de 10^8 a 10^19 /cm 3. Nos condutores e nos isolantes, tais densidades são propriedades dos materiais, enquanto nos semicondutores estas podem ser variadas, seja pela adição de “impurezas” de outros materiais, seja pela aplicação de campos elétricos em algumas estruturas de semicondutores.
1.1.1 Os portadores: elétrons e lacunas
Átomos de materias com 4 elétrons em sua camada mais externa (C, Ge, Si, etc.), ou ainda moléculas com a mesma propriedade, permitem o estabelecimento de ligações muito
Eletrônica de Potência - Cap. 1 J. A. Pomilio
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1.1.2 Semicondutores dopados
Quando se faz a adição de átomos de materiais que possuam 3 (como o alumínio ou o boro) ou 5 elétrons (como o fósforo) em sua camada de valência à estrutura dos semicondutores, os átomos vizinhos a tal impureza terão suas ligações covalentes incompletas ou com excesso de elétrons, como mostra a figura 1.4.
Si
Si Si
Si
Si
Si Si Si
Bo
ligação incompleta Si
Si Si
Si
Si
Si Si Si
P
em excessoelétron
Figura 1.4 – Semicondutores dopados
Neste caso não tem-se mais o equilíbrio entre elétrons e lacunas, passando a existir um número maior de elétrons livres nos materiais dopados com elementos da quinta coluna da tabela periódica, 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 elétrons e prótons é a mesma. Quando a lacuna introduzida pelo boro captura um elétron livre, tem-se a movimentação da lacuna. Neste caso diz-se que as lacunas são os portadores majoritários , sendo os elétrons os portadores minoritários. Já no material tipo N, a movimentação do elétron excedente deixa o átomo ionizado, o que o faz capturar outro elétron livre. Neste caso os portadores majoritários são os elétrons, enquanto os minoritários são as lacunas. As dopagens das impurezas (10 19 /cm 3 ou menos), tipicamente são feitas em níveis muito menores que a densidade de átomos do material semicondutor (10^23 /cm 3 ), de modo que as propriedades de ionização térmica não são afetadas. Mesmo em um material dopado, o produto das densidades de lacunas e de elétrons (po e no, respectivamente) é igual ao valor ni^2 dado pela equação (1.1), embora aqui po ≠ no. Além da ionização térmica, tem-se uma quantidade adicional de cargas “livres”, relativas às próprias impurezas. Pelos valores indicados anteriormente, pode-se verificar que a concentração de átomos de impurezas é muitas ordens de grandeza superior à densidade de portadores gerados por efeito térmico, de modo que, num material tipo P, po Na, onde Na é a densidade de impurezas “aceitadoras” de elétrons. Já no material tipo N, n (^) o Nd , onde Nd é a densidade de impurezas “doadoras” de elétrons. Em qualquer dos materiais, a densidade dos portadores minoritários é proporcional ao quadrado da densidade “intrínseca”, ni , e é fortemente dependente da temperatura.
o
2 i o p
n n ≈ , p (^) o ≈ Na (1.2)
o
2 i o n
n p ≈ , n (^) o ≈ Nd (1.3)
Eletrônica de Potência - Cap. 1 J. A. Pomilio
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1.1.3 Recombinação
Uma vez que a quantidade n (^) i é determinada apenas por propriedades do material e pela temperatura, é necessário que exista algum mecanismo que faça a recombinação do excesso de portadores à medida que novos portadores são criados pela ionização térmica. Tal mecanismo inclui tanto a recombinação propriamente dita de um elétron com uma lacuna em um átomo de Si, quanto a captura dos elétrons pela impureza ionizada., ou, adicionalmente, por imperfeições na estrutura cristalina. Tais imperfeições fazem com que os átomos adjacentes não necessitem realizar 4 ligações covalentes. Pode-se definir o “tempo de vida” de um portador como o tempo médio necessário para que o elétron ou a lacuna sejam “neutralizados” pela consecussão de uma ligação 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 potência, esta não é uma boa simplificação. Quando ocorre um significativo aumento na temperatura do semicondutor, tem-se um aumento no tempo de recombinação do excesso de portadores, o que leva a um aumento nos tempos de comutação dos dispositivos de tipo “portadores minoritários”, como o transistor bipolar e os tiristores. Já em situações de alta dopagem (10^17 /cm 3 ou superior), a taxa de recombinação aumenta,o que leva a um crescimento da queda de tensão sobre o dispositivo quando este está em condução. Uma vez que este “tempo de vida” dos portadores afeta significantemente o comportamento dos dispositivos de potência, a obtenção de métodos que possam controlá-lo é importante. Um dos métodos que possibilita o “ajuste” deste tempo é a dopagem com ouro, uma vez que este elemento funciona como um “centro” de recombinação, uma vez que realiza tal operação com grande facilidade. Outro método é o da irradiação de elétrons de alta energia, bombardeando a estrutura cristalina de modo a deformá-la e, assim, criar “centros de recombinação”. Este último método tem sido preferido devido à sua maior controlabilidade (a energia dos elétrons é facilmente controlável, permitindo estabelecer a que profundidade do cristal se quer realizar as deformações) e por ser aplicado no final do processo de construção do componente.
1.1.4 Correntes de deriva e de difusão
Quando um campo elétrico for aplicado a um material semicondutor, as lacunas se movimentarão no sentido do campo decrescente, enquanto os elétrons seguirão em sentido oposto. Esta corrente depende de um parâmetro denominado “mobilidade”, que depende do material e do tipo de portador. A mobilidade dos elétrons é 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 movimentação de portadores é por “difusão”, quando existem regiões adjacentes em que há diferentes concentrações de portadores. O movimento aleatório dos portadores tende a equalizar sua dispersão pelo meio, de modo que tende a haver uma migração de portadores das regiões mais concentradas para as mais dispersas.
1.2 Diodos de Potência
Um diodo semicondutor é uma estrutura P-N que, dentro de seus limites de tensão e de corrente, permite a passagem de corrente em um único sentido. Detalhes de funcionamento, em geral desprezados para diodos de sinal, podem ser significativos para componentes de
Eletrônica de Potência - Cap. 1 J. A. Pomilio
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O contorno arredondado entre as regiões de anodo e catodo tem como função criar campos elétricos mais suaves (evitando o efeito de pontas). No estado bloqueado, pode-se analisar a região de transição como um capacitor, cuja carga é aquela presente na própria região de transição. Na condução não existe tal carga, no entanto, devido à alta dopagem da camada P+, por difusão, existe uma penetração de lacunas na região N-. Além disso, à medida que cresce a corrente, mais lacunas são injetadas na região N-, fazendo com que elétrons venham da região N+ para manter a neutralidade de carga. Desta forma, cria-se uma carga espacial no catodo, a qual terá que ser removida (ou se recombinar) para permitir a passagem para o estado bloqueado do diodo. O comportamento dinâmico de um diodo de potência é, na verdade, muito diferente do de uma chave ideal, como se pode observar na figura 1.6. Suponha-se que se aplica uma tensão vi ao diodo, alimentando uma carga resistiva (cargas diferentes poderão alterar alguns aspectos da forma de onda). Durante t1, remove-se a carga acumulada na região de transição. Como ainda não houve significativa injeção de portadores, a resistência da região N- é elevada, produzindo um pico de tensão. Indutâncias parasitas do componente e das conexões também colaboram com a sobre-tensão. Durante t2 tem-se a chegada dos portadores e a redução da tensão para cerca de 1V. Estes tempos são, tipicamente, da ordem de centenas de ns. No desligamento, a carga espacial presente na região N- deve ser removida antes que se possa reiniciar a formação da barreira de potencial na junção. Enquanto houver portadores transitando, o diodo se mantém em condução. A redução em Von se deve à diminuição da queda ôhmica. Quando a corrente atinge seu pico negativo é que foi retirado o excesso de portadores, iniciando-se, então, o bloqueio do diodo. A taxa de variação da corrente, associada às indutâncias do circuito, provoca uma sobre-tensão negativa.
Anodo
Catodo
N+
N _
P+ 10e19 cm-
10e14 cm-
10e19cm-
10 u
Depende
250 u substrato
da tensão
i (^) D
vD
v (^) i
+Vr
-Vr
Qrr
t
t
t
t4 t
-Vr
i=Vr/R
Von
trr dir/dt
Vfp
Vrp
dif/dt
vi
vD
i (^) D R
Figura 1.6 - Estrutura típica de diodo de potência e formas de onda típicas de comutação de diodo de potência.
Eletrônica de Potência - Cap. 1 J. A. Pomilio
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A figura 1.7 mostra resultados experimentais de um diodo de potência “lento” (retificador) em um circuito como o da figura 1.6, no qual a indutância é desprezível, como se nota na figura (a), pela inversão quase imediata da polaridade da corrente. A corrente reversa é limitada pela resistência presente no circuito. Já na entrada em condução, a tensão aplicada ao circuito aparece instantaneamente sobre o próprio diodo, o que contribui para limitar o crescimento da corrente. Quando esta tensão cai, a corrente vai assumindo seu valor de regime.
(a) (b) Figura 1.7 - Resultados experimentais das comutações de diodo: (a) desligamento; (b) entrada em condução.
Diodos rápidos possuem t (^) rr da ordem de, no máximo, poucos micro-segundos, enquanto nos diodos normais é de dezenas ou centenas de micro-segundos. O retorno da corrente a zero, após o bloqueio, devido à sua elevada derivada e ao fato de, neste momento, o diodo já estar desligado, é uma fonte importante de sobretensões produzidas por indutâncias parasitas associadas aos componentes por onde circula tal corrente. A fim de minimizar este fenômeno foram desenvolvidos os diodos “soft-recovery”, nos quais esta variação de corrente é suavizada, reduzindo os picos de tensão gerados. Em aplicações nas quais o diodo comuta sob tensão nula, como é o caso dos retificadores com filtro capacitivo, praticamente não se observa o fenômeno da recombinação reversa.
1.3 Diodos Schottky
Quando é feita uma junção entre um terminal metálico e um material semicondutor, o contato tem, tipicamente, um comportamento ôhmico, ou seja, a resistência do contato governa o fluxo da corrente. Quando este contato é feito entre um metal e uma região semicondutora com densidade de dopante relativamente baixa, o efeito dominante deixa de ser o resistivo, passando a haver também um efeito retificador. Um diodo Schottky é formado colocando-se um filme metálico em contato direto com um semicondutor, como indicado na figura 1.8. O metal é usualmente depositado sobre um material tipo N, por causa da maior mobilidade dos portadores neste tipo de material. A parte metálica será o anodo e o semicondutor, o catodo. Numa deposição de Al (3 elétrons na última camada), os elétrons do semicondutor tipo N migrarão para o metal, criando uma região de transição na junção.
Eletrônica de Potência - Cap. 1 J. A. Pomilio
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Se houver uma tensão Vgk positiva, circulará uma corrente através de J3, com portadores negativos indo do catodo para a porta. Por construção, a camada P ligada à porta 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.
A
Anodo
A K G
Gate G
K Catodo
Vcc Rc (carga)
Rg Vg
Rg Vg
CH
Vcc Rc
P N- P N+
J1 J2 J
Figura 1.9 - Funcionamento básico do tiristor e seu símbolo.
Desta forma, a junção reversamente polarizada tem sua diferença de potencial diminuída e estabelece-se uma corrente entre anodo e catodo, que poderá persistir mesmo na ausência da corrente de porta. Quando a tensão Vak for negativa, J1 e J3 estarão reversamente polarizadas, enquanto J2 estará diretamente polarizada. 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. É comum fazer-se uma analogia entre o funcionamento do tiristor e o de uma associação de dois transistores, conforme mostrado na figura 1.10. Quando uma corrente Ig positiva é aplicada, Ic2 e Ik crescerão. Como Ic2 = Ib1, T conduzirá e teremos Ib2=Ic1 + Ig, que aumentará Ic2 e assim o dispositivo evoluirá até a saturação, mesmo que Ig seja retirada. Tal efeito cumulativo ocorre se os ganhos dos transistores forem maior que 1. O componente se manterá em condução desde que, após o processo dinâmico de entrada em condução, a corrente de anodo tenha atingido um valor superior ao limite IL, chamado de corrente de "latching". Para que o tiristor deixe de conduzir é necessário que a corrente por ele caia abaixo do valor mínimo de manutenção (IH), permitindo que se restabeleça a barreira de potencial em J2. Para a comutação do dispositivo não basta, pois, a aplicação de uma tensão negativa entre anodo e catodo. Tal tensão reversa apressa o processo de desligamento por deslocar nos sentidos adequados os portadores na estrutura cristalina, mas não garante, sozinha, o desligamento. Devido a características construtivas do dispositivo, a aplicação de uma polarização reversa do terminal de gate não permite a comutação do SCR. Este será um comportamento dos GTOs, como se verá adiante.
Eletrônica de Potência - Cap. 1 J. A. Pomilio
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P N P
N P N
A
K
G
A
K
G
Ia
Ik
T
T
Ib
Ic
Ig Ib
Ic
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 condução:
a) Tensão Quando polarizado diretamente, no estado desligado, a tensão de polarização é aplicada sobre a junção J2. O aumento da tensão Vak leva a uma expansão da região de transição tanto para o interior da camada do gate quanto para a camada N adjacente. Mesmo na ausência de corrente de gate, por efeito térmico, sempre existirão cargas livre que penetram na região de transição (no caso, elétrons), as quais são aceleradas pelo campo elétrico presente em J2. Para valores elevados de tensão (e, consequentemente, de campo elétrico), é possível iniciar um processo de avalanche, no qual as cargas aceleradas, ao chocarem-se com átomos vizinhos, provoquem a expulsão de novos portadores, os quais reproduzem o processo. Tal fenômeno, do ponto de vista do comportamento do fluxo de cargas pela junção J2, tem efeito similar ao de uma injeção de corrente pelo gate, de modo que, se ao se iniciar a passagem de corrente for atingido o limiar de IL, o dispositivo se manterá em condução. A figura. 1. mostra a característica estática de um SCR.
b) Ação da corrente positiva de porta Sendo o disparo através da corrente de porta a maneira mais usual de ser ligado o tiristor, é importante o conhecimento dos limites máximos e mínimos para a tensão Vgk e a corrente Ig, como mostrados na figura 1.12. O valor Vgm indica a mínima tensão de gate que garante a condução de todos os componentes de um dado tipo, na mínima temperatura especificada. O valor Vgo é a máxima tensão de gate que garante que nenhum componente de um dado tipo entrará em condução, na máxima temperatura de operação. A corrente Igm é a mínima corrente necessária para garantir a entrada em condução de qualquer dispositivo de um certo tipo, na mínima temperatura. Para garantir a operação correta do componente, a reta de carga do circuito de acionamento deve garantir a passagem além dos limites Vgm e Igm, sem exceder os demais limites (tensão, corrente e potência máximas).
c) Taxa de crescimento da tensão direta 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 desligado e polarizado diretamente), a corrente que atravessa tal junção é dada por:
Eletrônica de Potência - Cap. 1 J. A. Pomilio
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e) Energia radiante Energia radiante dentro da banda espectral do silício, incidindo e penetrando no cristal, produz considerável quantidade de pares elétron-lacuna, aumentando a corrente de fuga reversa, possibilitando a condução do tiristor. Este tipo de acionamento é o utilizado nos LASCR, cuja aplicação principal é em sistemas que operam em elevado potencial, onde a isolação necessária só é obtida por meio de acoplamentos óticos.
1.4.3 Parâmetros básicos de tiristores
Apresentaremos a seguir alguns parâmetros típicos de tiristores e que caracterizam condições limites para sua operação. Alguns já foram apresentados e comentados anteriormente e serão, pois, apenas citados aqui.
- Tensão direta de ruptura (VBO)
- Máxima tensão reversa (VBR)
- Máxima corrente de anodo (Iamax): pode ser dada como valor RMS, médio, de pico e/ou instantâneo.
- Máxima temperatura de operação (Tjmax): temperatura acima da qual, devido a um possível processo de avalanche, pode haver destruição do cristal.
- Resistência térmica (R (^) th ): é a diferença de temperatura entre 2 pontos especificados ou regiões, dividido pela potência dissipada sob condições de equilíbrio térmico. É uma medida das condições de fluxo de calor do cristal para o meio externo.
- Característica I2t: é o resultado da integral do quadrado da corrente de anodo num determinado intervalo de tempo, sendo uma medida da máxima potência dissipável pelo dispositivo. É dado básico para o projeto dos circuitos de proteção.
- Máxima taxa de crescimento da tensão direta Vak (dv/dt).
- Máxima taxa de crescimento da corrente de anodo (di/dt): fisicamente, o início do processo de condução de corrente pelo tiristor ocorre no centro da pastilha de silício, ao redor da região onde foi construída a porta, espalhando-se radialmente até ocupar toda a superfície do catodo, à medida que cresce a corrente. Mas se a corrente crescer muito rapidamente, antes que haja a expansão necessária na superfície condutora, haverá um excesso de dissipação de potência na área de condução, danificando a estrutura semicondutora. Este limite é ampliado para tiristores de tecnologia mais avançada fazendo-se a interface entre gate e catodo com uma maior área de contato, por exemplo, 'interdigitando" o gate. A figura 1.13 ilustra este fenômeno.
- Corrente de manutenção de condução (IH): a mínima corrente de anodo necessária para manter o tiristor em condução.
- Corrente de disparo (IL): mínima corrente de anodo requerida para manter o SCR ligado imediatamente após ocorrer a passagem do estado desligado para o ligado e ser removida a corrente de porta.
- Tempo de disparo (t (^) on ): é o tempo necessário para o tiristor sair do estado desligado e atingir a plena condução.
- Tempo de desligamento (toff): é o tempo necessário para a transição entre o estado de condução e o de bloqueio. É devido a fenômenos de recombinação de portadores no material semicondutor.
- Corrente de recombinação reversa (Irqm): valor de pico da corrente reversa que ocorre durante o intervalo de recombinação dos portadores na junção.
Eletrônica de Potência - Cap. 1 J. A. Pomilio
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P
N-
P
N N
A
K G
Contato metálico
Catodo
G P N N
P G
Gate circular Gate interdigitado
Figura 1.13 - Expansão da área de condução do tiristor a partir das vizinhanças da região de gate.
A figura 1.14 ilustra algumas destas características.
dv/dt di/dt Tensão direta de bloqueio
Corrente de fuga direta Von
ton
toff
Corrente de fuga reversa
Tensão reversa de bloqueio
Irqm
Figura 1.14 Tensões e correntes características de tiristor.
1.4.4 Circuitos de excitação do gate
a) Condução Conforme foi visto, a entrada em condução de um tiristor é controlada pela injeção de uma corrente no terminal da porta, devendo este impulso estar dentro da área delimitada pela figura 1.12. Por exemplo, para um dispositivo que deve conduzir 100 A, um acionador que forneça uma tensão Vgk de 6 V com impedância de saída 12 ohms é adequado. A duração do sinal de disparo deve ser tal que permita à corrente atingir IL quando, então, pode ser retirada. Observamos ser bastante simples o circuito de disparo de um SCR e, dado o alto ganho do dispositivo, as exigências quando ao acionamento são mínimas.
b) Comutação Se, por um lado, é fácil a entrada em condução de um tiristor, o mesmo não se pode dizer de sua comutação. Lembramos que a condição de desligamento é que a corrente de anodo fique abaixo do valor IH. Se isto ocorrer juntamente com a aplicação de uma tensão reversa, o bloqueio se dará mais rapidamente. Não existe uma maneira de se desligar o tiristor através de seu terminal de controle, sendo necessário algum arranjo no nível do circuito de anodo para reduzir a corrente principal.