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FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO - UNICAMP EE-833 ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
TIRISTORES e RETIFICADORES CONTROLADOS
TEORIA
2.1 Introdução
Como vimos na teoria de conversores ac-dc estes tem aumentado bastante de uso principalmente na entrada dos sistemas de potências de fonte chaveadas para converter a rede em um sinal dc. Entretanto, algumas aplicações, tais como carregadores de bateria e algumas classes de driver ac e dc de motores é necessário que a voltagem dc seja controlada.
Deve-se notar que os retificadores não controlados é uma subclasse dos conversores controlados.
Um conversor controlado completo é mostrado na figura 2.1 a) na forma de diagrama de bloco. Para uma dada voltagem de linha ac, a voltagem média no lado dc pode ser controlada de uma voltagem máxima positiva até uma voltagem mínima negativa. A corrente dc I (^) d não pode mudar de direção, como será visto. Portanto, um conversor deste tipo só pode operar em dois quadrantes (no plano V (^) d – I (^) d)
A figura 2.1 b) mostra que Vd e I (^) d positivo implica em retificação onde o fluxo de potência é do lado ac para o lado dc. No modo inversor, Vd torna-se negativa (I (^) d ainda é positiva) e a potência é transferida do lado dc para o lado ac.
Fig. 2.1 a) Conversor controlado b) Operação em dois quadrantes
Antes de estudarmos os conversores controlados vamos revisar de maneira rápida o principal componente deste conversor, o tiristor.
Vd
Id
a) b)
Vd
Id
Retificação
Inversão
1 ou 3 fases 50/60Hz
2.2 O Tiristor
O nome tiristor engloba uma família de dispositivos semicondutores que operam em regime chaveado, tendo em comum uma estrutura de quatro camadas semicondutoras numa seqüência p-n-p-n, apresentando um funcionamento biestável.
O tiristor de uso mais difundido é o SCR (Retificador Controlado de Silício), usualmente chamado simplesmente de tiristor. Outros componentes, no entanto, possuem basicamente a mesma estrutura: LASCR (SCR ativado por luz), TRIAC (tiristor triodo bidirecional), DIAC (tiristor diodo bidirecional), GTO (tiristor comutável pela porta), MCT (Tiristor controlado por MOS).
2.2.1 Princípio de funcionamento
O tiristor é 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 injeção de corrente, faz com que se estabeleça a corrente anódica. A figura 2.2 ilustra uma estrutura simplificada do dispositivo.
Se entre anodo e catodo tivermos uma tensão positiva, as junções J1 e J3 estarão diretamente polarizadas, enquanto a junção J2 estará reversamente polarizada. Não haverá condução de corrente até que a tensão Vak se eleve a um valor que provoque a ruptura da barreira de potencial em J2 [2.1].
A
Anodo
Gate G
K
Catodo
Vcc
Rc (carga)
Rg Vg^ CH
A K G Rg Vg
Vcc Rc P+ N- P N+
J1 J2 J
Fig. 2.2 Funcionamento básico do tiristor
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 dos elétrons que cruza J possua energia cinética suficiente para vencer a barreira de potencial existente em J2, sendo então atraídos pelo anodo.
um comportamento dos GTOs, como se verá adiante.
Vak
Ia
Von
I
I L
H
Vbo
Vbr
Ig2 > Ig1 > Ig=
Fig. 2.4 Característica estática do tiristor.
A figura 2.4 mostra um circuito com transistores que é equivalente a um tiristor. A resistência RPN representa a uma corrente de fuga presente no tiristores reais. Os resistores RP e RN reduzem o ganho de corrente ( β) dos transistores para os valores menores no modelo equivalente.
Fig. 2.5 Circuito equivalente
A figura 2.6 mostra o gráfico da corrente I versus a tensão V 0 deste circuito para uma corrente de gate (I (^) 1) de 20uA.
A1:(0.00,-418.34n) A2:(-14.71m,-576.71n) DIFF(A):(14.71m,158.38n)
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Date: August 18, 2005 Page 1 Time: 09:27:
(A) tiristor
-10V -5V 0V 5V 10V -I(Rl) V(Vo)
16mA
14mA
12mA
10mA
8mA
6mA
4mA
2mA
0A
-2mA
Fig. 2.6 Curva característica
2.2.2 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 livres 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, conseqüentemente, 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 I (^) L, o dispositivo se manterá em condução.
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 potências máximas).
e) Energia radiante
Energia radiante dentro da banda espectral do silício, incidindo e penetrando no cristal, produz considerável quantidade de pares elétrons-lacunas, 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.
Máxima tensão de gate
Máxima potência
Instantânea de gate
Ig
Vgk
6V
0 0,5A
Igm
Vgm
Vgo
Limite de
baixa corrente
Limite de
alta corrente
Reta de carga
do circuito de acionamento
Fig. 2.7 Condições para disparo de tiristor através de controle pela porta.
2.2.3 Parâmetros básicos de tiristores
Apresentaremos a seguir alguns parâmetros típicos de tiristores e que caracterizam condições limites para sua operação [2.2]. Alguns já foram apresentados e comentados anteriormente e serão, pois, apenas citados aqui. a) Tensão direta de ruptura (VBO) b) Máxima tensão reversa (VBR) c) Máxima corrente de anodo (Ia max) : pode ser dada como valor RMS, médio, de pico e/ou instantâneo. d) Máxima temperatura de operação (Tj max) : temperatura acima da qual pode haver destruição do cristal. e) Resistência térmica (Rth) : 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. f) 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. g) Máxima taxa de crescimento da tensão direta Vak (dv/dt). h ) 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 2. ilustra este fenômeno.
P
N-
P
N N
A
K G
Contato metálico
G
Catodo
G P N N
P (^) G
Gate circular Gate interdigitado
Fig. 2.8 Expansão da área de condução do SCR a partir das vizinhanças da região de gate.
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) Desligamento 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 I (^) H. 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 ao nível do circuito de anodo para reduzir a corrente principal.
b.1) Comutação Natural É utilizada em sistemas de CA nos quais, em função do caráter ondulatório da tensão de entrada, em algum instante a corrente tenderá a se inverter e terá, assim, seu valor diminuído abaixo de IH, desligando o tiristor. Isto ocorrerá desde que, num intervalo inferior a toff, não cresça a tensão direta Vak, o que poderia levá-lo novamente à condução.
A figura 2.10 mostra um circuito de um controlador de tensão ca, alimentando uma carga RL, bem como as respectivas formas de onda. Observe que quando a corrente se anula a tensão sobre a carga se torna zero, indicando que nenhum dos SCRs está em condução.
vi(t)
i(t)
v L
L
R
S
S
5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms
200V
-200V
40A
-40A
200V
-200V
vi(t)
i(t)
vL(t)
Fig. 2.10 Controlador de tensão CA com carga R (^) L e formas de onda típicas
b.2) Comutação por ressonância da carga
Em algumas aplicações específicas, é possível que a carga, pela sua dinâmica própria, faça com que a corrente tenda a se inverter, fazendo o tiristor desligar. Isto ocorre, por exemplo, quando existem capacitâncias na carga as quais, ressoando com as indutâncias do circuito produzem um aumento na tensão ao mesmo tempo em que reduzem a corrente. Caso a corrente se torne menor do que a corrente de manutenção, e o tiristor permaneça reversamente polarizado pelo tempo suficiente, haverá o seu desligamento. A tensão de entrada pode ser tanto CA quanto CC. A figura 2.11 ilustra tal comportamento em um circuito com entrada e saídas unidirecionais. Observe que enquanto o tiristor conduz a tensão de saída, vo(t) é igual à tensão de entrada. Quando a corrente se anula e S1 desliga, o que se observa é a tensão imposta pela carga ressonante a qual.
Carga
Ressonante
L
io(t)
vo(t)
Vcc
S
0
i o
vo
Fig.2.11 Circuito e formas de onda de comutação por ressonância da carga.
b.3) Comutação forçada
Antes do surgimento dos GTOs, este foi um assunto muito discutido, buscando-se topologias eficientes. Com o advento dos dispositivos com comutação pelo gate, os SCRs tiveram sua aplicação concentrada nas aplicações nas quais ocorre comutação natural ou pela carga. Atualmente este é um tema praticamente obsoleto.
É utilizada em circuitos com alimentação CC e nos quais não ocorre reversão no sentido da corrente de anodo. A idéia básica deste tipo de comutação é oferecer à
200V
-60A
60A
-200V
i (^) T
ic
vo
vc
to (^) t1 t2 t3^ t4^ t
Fig. 2.13 Detalhes das formas de onda durante comutação.
2.1.1 Redes Amaciadoras (snubbers)
O objetivo destas redes é evitar problemas advindos de excessivos valores para dv/dt e di/dt, conforme descrito anteriormente.
a) O problema di/dt
Uma primeira medida capaz de limitar possíveis danos causados pelo crescimento excessivamente rápido da corrente de anodo é construir um circuito acionador de gate adequado, que tenha alta derivada de corrente de disparo para que seja também rápida a expansão da área condutora.
Um reator saturável em série com o tiristor também limitará o crescimento da corrente de anodo durante a entrada em condução do dispositivo.
Além deste fato tem-se outra vantagem adicional que é a redução da potência dissipada no chaveamento, pois, quando a corrente de anodo crescer, a tensão Vak será reduzida pela queda sobre a indutância.
O atraso no crescimento da corrente de anodo pode levar à necessidade de um pulso mais longo de disparo, ou ainda a uma seqüência de pulsos, para que seja assegurada a condução do tiristor.
b) O problema do dv/dt
A limitação do crescimento da tensão direta Vak , usualmente é feita pelo uso de circuitos RC, RCD, RLCD em paralelo com o dispositivo, como mostrado na figura 2.14.
R
C
C
R
R
D
D L
R
C
(a) (b) (c)
Fig. 2.14 Circuitos amaciadores para dv/dt
No caso mais simples (a), quando o tiristor é comutado a tensão Vak segue a dinâmica dada por RC que, além disso, desvia a corrente de anodo facilitando a comutação. Quando o SCR é 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 3 o^ caso, o pico é limitado por L, o que não traz eventuais problemas de alto di/dt. A corrente de descarga de C auxilia a entrada em condução do tiristor, uma vez que se soma à corrente de anodo proveniente da carga.
A energia acumulada no capacitor é praticamente toda dissipada sobre o resistor de descarga.
2.1.1.1 Circuito de disparo
Em muitas aplicações, devido à necessidade de isolamento elétrico entre o circuito de comando e o de potência, o sinal de disparo deve ser isolado por meio de algum dispositivo como, por exemplo, transformadores de pulso ou acopladores óticos.
2.2 Pontes retificadoras
Os circuitos retificadores controlados constituem a principal aplicação dos tiristores em conversores estáticos. Possuem vasta aplicação industrial, no acionamento de motores de corrente contínua, em estações retificadoras para alimentação de redes de transmissão CC, no acionamento de locomotivas, etc.
Analisaremos aqui pontes retificadoras monofásicas, embora o estudo das pontes trifásicas não seja substancialmente diferente. Para potência superior a 10 kW geralmente se usam pontes trifásicas (ou mesmo hexafásicas).
Estudaremos ainda o TCA 780, um dos CIs dedicados ao acionamento de tiristores em sistemas com controle de fase.
A Figura 2.16 mostra três estruturas de pontes retificadoras monofásicas.
vi(t)
vo(t) (^) vi(t)
vo(t) (^) vi(t)
vo(t)
T1 (^) T
D1 (^) D
T
T
D
D
T1 T
T3 T
(a) (^) (b) (c)
vi(t)=Vp.sin(wt)
D
Fig.2.16- Pontes retificadoras monofásicas: a) Semi-controlada simétrica; b) Semi-controlada assimétrica; c) totalmente controlada
A principal vantagem das pontes semi-controladas é o uso de apenas 2 tiristores, sendo indicadas quando o fluxo de energia será apenas da fonte para a carga. Neste circuito a tensão de saída, vo(t) pode assumir apenas valores (instantâneos e médios) positivos. Sempre que a tensão de saída tender a se inverter haverá um caminho interno que manterá esta tensão em zero, desconectando a carga da rede.
Quando a carga for resistiva, a forma de onda da corrente de linha será a mesma da tensão sobre a carga (obviamente sem a retificação). Com carga indutiva, a corrente irá se alisando à medida que aumenta a constante de tempo elétrica da carga, tendo, no limite, uma forma plana. Vista da entrada, a corrente assume uma forma retangular.
a ) Ponte semi-controlada assimétrica Na ponte assimétrica existe um caminho de livre-circulação formado pelos diodos D1 e D2. Supondo a polaridade da tensão da entrada como indicada, o disparo de T conecta a entrada à carga (indutiva) através do tiristor e D2. Quando a tensão de entrada se inverter, D1 entrará em condução e T1 cortará (Enquanto, devido ao tempo de desligamento do tiristor, T1, D1 e D2 conduzirem, a fonte estará curto-circuitada, com sua corrente sendo limitada pela impedância da fonte). Quando T2 for disparado, D1 cortará.
O intervalo de condução de cada SCR é de ( π−α). Cada diodo conduz por ( 2π−α). A figura 2.17 mostra formas de onda para este conversor.
vo(t)
vg1(t) vg2(t)
iT1(t)
iT2(t)
iD1(t)
iD2(t)
Corrente de entrada 0
Fig. 2.17 Formas de onda de ponte retificadora semi-controlada assimétrica, com carga altamente indutiva.
c) Ponte totalmente controlada Seu principal uso é no acionamento de motor de corrente contínua quando é necessária uma operação em dois quadrantes do plano tensão x corrente, sendo possível devolver energia da carga para a fonte. Nestes circuitos não pode haver inversão de polaridade na corrente, mas a tensão sobre a carga pode se tornar negativa, desde que exista um elemento indutivo que mantenha a circulação de corrente pelos tiristores, mesmo quando reversamente polarizados.
Os pares de componentes T1 e T4, T2 e T3 devem ser disparados simultaneamente, a fim de garantir um caminho para a corrente através da fonte.
No caso de corrente descontínua (corrente da carga vai a zero dentro de cada semi- ciclo da rede), os tiristores desligarão quando a corrente cair abaixo da corrente de manutenção. No caso de condução contínua, o par de tiristores desligará quando a polaridade da fonte se inverter e for disparado outro par de tiristores.
Assim, se houver inversão na polaridade da tensão de entrada mas não for acionado o outro par de SCRs, a tensão nos terminais do retificador será negativa. A figura 2. mostra formas de onda para o circuito.
0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms
200V
-200V
vo(t)
iT1(t)=iT4(t)
iT2(t)=iT3(t)
0A
0A
Io
Io
Fig. 2.19 Formas de onda para ponte totalmente controlada, monofásica, alimentando carga indutiva.
A corrente de entrada apresenta-se como uma onda quadrada, com sua componente fundamental defasada de um ângulo α em relação à tensão.
Quando se faz o acionamento de um motor CC, a carga comporta-se como um circuito RL ao qual se adiciona uma fonte de tensão CC, que representa a força contra-eletro-motriz de armadura, como mostrado na figura 2.20. Em situações em que a constante de tempo é pequena, ou então a tensão Ea é elevada, é possível que a corrente se anule, fazendo com que os tiristores comutem dentro de um semi-ciclo da rede. Em tal situação, como não há corrente, a tensão vista nos terminais da máquina, vo(t), será a própria tensão de armadura. A tensão vo(t) será igual à tensão de entrada (retificada) apenas enquanto os tiristores conduzirem.
vi(t)
vo(t)
T1 T
T3 (^) T
Ea
Ra
La
ia(t)
Fig. 2.20 Retificador monofásico totalmente controlado, acionando motor CC.
2.3 Referências bibliográficas
[2.1] SCR Manual Grafham, D.R. e Golden, F.b., editors General Electric, 6o ed., 1979, USA. [2.2] SCR Designers Handbook Rice, L.R., editor Westinghouse Electric Co., 1970, USA [2.3] Firing System and Overvoltage Protection for Thyristor Valves in Static VAR Compensators Hausles, M. e outros Brown Boveri Review, 4-1987, pp. 206-
