2222

CAPÍTULO 3 - TIRISTORES :

O tiristor é um importante dispositivo semicondutor utilizado na eletrônica industrial. Onome tiristor é dado à uma família de semicondutores de 4 camadas pnpn com três junções e trêsterminais : anodo (A), catodo (K) e gate (G).

O componente principal da família dos tiristores é o SCR, que por ter uma aplicação muitogrande em eletrônica de potência, recebe em muitas bibliografias a denominação de tiristor. Deve-se, portanto, considerar que : todo SCR é um tiristor mas, nem todo tiristor é um SCR. Neste itemestuda-se as características de funcionamento de alguns tiristores, principalmente o SCR.

3.1 - SCR ( SILICON CONTROLLED RECTIFIER ) :

O SCR, como o próprio nome diz, é um dispositivo de controle de potência composto poruma estrutura de 4 camadas, com três treminais, como é mostrado na figura 3.1.

p

n

p

n

A

K

G

A

KG

j

j

j

1

2

3

a) b)Figura 3.1 : a) estrutura do SCR, b) símbolo do SCR

O gate do SCR permite controlar o momento em que a condução deve se iniciar.

Quando a tensão VA>VK as junções j1 e j3 são diretamentente polarizadas. A junção j2 estáreversamente polarizada e somente uma pequena corrente de fuga circula pelo SCR. Se VAK atingeum valor suficientemente grande que venha a romper a junção j2, o SCR conduz por sobretensão (foward breakdown voltage ), assim há o movimento de elétrons através das três junções, resultandoem uma corrente de anodo grande.

A queda de tensão de condução direta do SCR é tipicamente 1V, podendo ser menor oumaior, dependendo do nível de potência do componente.

Uma vez que o SCR está conduzindo, não há mais controle sobre o componente ou seja, ocircuito de gate perde a sua função. Para que o SCR cesse sua condução, a corrente IAK deve serlevada à um valor inferior a corrente de manutenção IH, especificada pelo fabricante, indo para entãopara o estado de bloqueio reverso.

2323

Quando VA<VK, a junção j2 fica diretamente polarizada mas, j1 e j3 reversamente polarizadasficando o SCR, reversamente polarizado.

O SCR pode ser analisado através da analogia de 2 transistores complementares pnp-npn,como mostrado na figura 3.2.

A

K

G

I

I

I

II I

A

C1

C2B1

B2G

=

= I

IT

K

Q

Q

1

2

Figura 3.2 : modelo do SCR equivalente a 2 transistores

Equancionando-se as correntes nos dois transistores Q1 e Q2, tem-se:

I I IC E CBO= +α . (3.1)

α ≅I

IC

E

(3.2)

Transistor Q1I I IC A CBO1 1 1= +α . (3.3)

Transistor Q2I I IC K CBO2 2 2= +α . (3.4)

2C1CA III ++++==== (3.5)

2CBOK21CBOA1A II.II.I ++++++++++++==== αααααααα (3.6)

Para uma corrente de gate IG,I I IK A G= + (3.7)

Portanto, a corrente de anodo IA é dada por :

( )II I I

AG CBO CBO=

+ +− +

αα α

1 1 2

1 21

.(3.8)

αααα1 : varia com IA;

αααα2 : varia com IK = IA + IG

2424

Antes da aplicação do pulso no gate existem apenas pequenas correntes de fuga devido aomovimento de alguns elétrons-livres no corpo do componente. ( ICBO1 e ICBO2 ).

Um simples pulso no gate, incrementa a corrente que por sua vez incrementará α1 e α2. Esteincremento fará com que IA aumente. Assim existe uma realimentação positiva. Se ( α1+α2 ) tendera 1, a corrente IA tenderá para o infinito. Com esta realimentação, não é mais necessário amanutenção do pulso no gate do SCR. Esta “auto-realimentação” levará os dois transistores àsaturação, fazendo com que o mesmo passe a conduzir uma corrente IAK ( que geralmente é umacorrente de carga ).

Em condições transitórias, capacitâncias transitórias das junções, mostradas na figura 3.3,influenciam nas características do SCR.

A

K

G

I

IIG

T

K

Q

Q

1

2

C

C

C

j

j

j

1

2

3

V2j

+

- i2j

Figura 3.3

Se o SCR está bloqueado, um transitório dV/dt sobre o componente provoca uma altacorrente através dos capacitores das junções. A corrente através do capacitor da junção j2, Cj2 é dadapor :

( )idQ

dt

d

dtC V V

dC

dtC

dV

dtj

j

j j j

j

j

j

2

2

2 2 2

2

2

2= = = +. . . (3.9)

Onde :Cj2 : capacitância da junção j2;Vj2 : tensão da junção j2;qj2 : carga na junção j2.

Se a taxa de subida da tensão ( dV/dt ) for grande, então ij2 se tornará grande resultando noaumento das correntes de fuga ICBO1 e ICBO2. Estes aumentos fazem com que ( α1+α2 ) tendam a 1,resultando o disparo do SCR. Esta corrente ij2 poderá danificar o componente.

2525

3.1.1 - CARACTERÍSTICA VxI :

Na figura 3.4 é mostrada a característica VxI do SCR. Na região reversa, nota-se que a curvaé semelhante àquela de um diodo normal de silício: ao aumento da tensão aplicada corresponde apassagem de uma pequena corrente ( microampères ), até se atingir a tensão de ruptura reversa, alémda qual se tem um rápido aumento da corrente e a destruição do componente.

IG

IAK

A

K

G

AKV

VG

a) b)Figura 3.4 : a) circuito , b) característica VxI

Na região direta, e na ausência da corrente de gate IG, tem-se também a passagem de umapequena corrente de fuga direta ( microampères ), até que se atinja a tensão de “break-over” (tensãode ruptura direta), à partir da qual o SCR entra em condução, assumindo então a característica deum diodo normal, com uma queda direta de cerca de 1,5V, ligeiramente crescente com o aumentoda corrente.

Quando se aplica uma corrente IG, a tensão de “break-over” cai em proporção a esta corrente;com uma corrente de gate suficientemente elevada, o SCR passa à condução com qualquer valor detensão aplicada, desde que superior ao valor da queda direta ( VH - holding voltage ).

Assim pode-se dizer que :

IG3>IG2>IG1>IG0 ⇔⇔⇔⇔ VB3<VB2<VB1<VB0

Esta corrente de gate IG é especificada pelo fabricante. Este forneçe a amplitude destacorrente e o tempo em que esta tem que ficar aplicada no gate do SCR, de forma a garantir o disparodo componente. Se a amplitude ou o tempo não forem respeitados, o SCR deixará de conduzirassim que fro retirado o pulso do gate.

Para que o SCR continue a conduzir, após ser retirado o pulso do gate, é necessário que acorrente IAK tenha um valor superior a da corrente de manutenção IH ( holding current ). Estacorrente é especificada pelo fabricante na folha de dados do componente.

VVH VB3 VB2 VB1 VBO

IAK

regiãodireta

região reversa

IH

IG3 IG2 IG1 IGO=0

VBR

2626

3.1.2 - MÉTODOS DE DISPARO E DE COMUTAÇÃO DO SCR :

a) - DISPARO :

Para que o SCR possa ser disparado, é necessário que ele esteja diretamente polarizado ouseja, a tensão de anodo VA mais positiva que a tensão de catodo VK.

Os métodos mais utilizados para se disparar um SCR, são :

a.1) - disparo por sobretensão : sem aplicar-se corrente no gate do SCR ( IG=0 ), aumenta-se o valor da tensão direta VAK, até que se atinja a tensão de “break-over” do componente. Nesteponto o SCR entra em condução e assume uma característica igual a do diodo de potência.

Este método de disparo pode ser observado na analogia a dois transistores, visto na figura3.2. As pequenas correntes de fuga ICBO1 e ICBO2, não são capazes de levar os transistores àsaturação. À medida em que a tensão VAK vai aumentando, um número maior de elétrons livres vãosendo atraídos do catodo ( pólo negativo da bateria ) para o anodo ( pólo positivo da bateria ). Aentrada do componente em condução acorre quando os elétrons livres próximos da junção 2 sãosuficientes para rompê-la, estabelecendo o fluxo de elétrons do catodo para o anodo ( fluxo inversopara a corrente ). Não é um tipo de disparo desejado uma vez que sempre irá se disparar o SCRpróximo do limite de sua tensão direta máxima.

a.2) - disparo por dV/dt : é um disparo indesejado que ocorre quando há uma variaçãobrusca na tensão VAK. O fabricante geralmente fornece o valor máximo da taxa de crescimento oudecrescimento da tensão ( dV/dt ) do componente. Utilizando-se este dado, pode-se protejer o SCRatravés da colocação de SNUBBER ( circuito RC em paralelo com o componente ). Este tipo dedisparo pode alterar as caracterísitcas elétricas do componente ou mesmo, danificá-lo.

a.3) - disparo por aumento de temperatura : este tipo de disparo também se tornaindesejado pois, implica na entrada em operação do componente em um instante não previsto. Istopode ocosionar problemas tanto no componente, quanto no sistema como um todo.

Este disparo ocorre quando o SCR está próximo de uma fonte de calor ou a própriatemperatura ambiente é relativamente elevada. As correntes de fuga observadas na figura 3.2, sãodesprezíveis. Mas, ao aproximar-se uma fonte de calor, começam a ocorrer a quebra de algumasligações covalentes no cristal de silício. Isto proporciona um aumento no número de elétrons livresque por sua vez, implica num aumento de corrente. Este torna-se ainda maior pois, existe o efeito darealimentação dos dois transistores. Em um determinado instante esta corrente é alta o suficientepara levar os transistores à saturação determinando a condução do SCR. Este disparo, geralemente,não danifica o componente.

a.4) - disparo por pulso no gate : e´o disparo tradicional do SCR. Consiste em se aplicarum pulso (CC ) no gate do SCR, durante um tempo suficiente, para que o mesmo passe para oestado de condução. Pela curva característica VxI do SCR ( figura 3.4 ), percebe-se que quantomaior a intensidade desta corrente, menor será a tensão VAK em que o SCR irá disparar. Ofabricante já fornece este valor de corrente, de maneira que o componente sempre entre emcondução com uma tensão VAK bem menor que a tensão de “break-over”.

2727

a.5) - disparo por luz ou radiação : é um tipo de disparo específico para um tiristorconhecido como LASCR ( Light Actived Silicon Controlled Rectifier ). No gate deste componente,existe uma janela que quando inside-se luz provoca o disparo do componente.

b) - COMUTAÇÃO :

Comutar um SCR significa levá-lo do estado de condução, para o estado de bloqueio. Sãomuitos os tipos de comutação utilizados para se comutar um SCR. O tipo de comutação depende,necessariamente da fonte que está alimentando o circuito onde está o componente e, deve-seobservar que a comutação do componente irá ocorrer quando a corrente IAK for menor que acorrente de manutenção IH ( IAK ≅ zero ) ou, quando aplicar-se uma tensão revera sobre os terminaisdo SCR ( VAK < 0 ). Assim pode-se citar alguns tipos de comutação :

b.1) - comutação natural : ocorre geralmente em circuitos cuja fonte de alimentação ésenoidal (CA). Seja a carga resistiva ou indutiva, exite um instante em que a corrente naturalmenteirá passar por zero. Uma vez que isto ocorre, o SCR comuta.Os conversores CA/CC ( retificadores )apresentam este tipo de comutação.

b.2) - comutação forçada : ocorre quando a fonte de alimentação do circuito é CC. Assimsão criados meios para que a corrente IAK

passe por zero, num determinado instante, ou sejaaplicada uma tensão revers sobre o SCR. Dentre estes métodos pode-se citar :

•••• - comutação pela carga : a própria carga força a corrente à passagem por zero. Estacarga deve ter, necessariamente, uma característica subamortecida;

•••• - comutação por tensão reversa : através de configuração apropriada, aplica-se numdeterminado instante uma tensão reversa sobre os terminais do SCR. Esta tensão éprovocada pela colocação de um capacitor em paralelo ou em série com o SCR;

•••• - auto-comutação : o disparo do componente provoca, após um certo tempo a comutaçãodo mesmo;

•••• - comutação por impulso auxiliar : utiliza-se um SCR auxiliar para comutar o SCRprincipal. Após um certo tempo, o SCR auxiliar também comuta;

•••• - comutação por impulso complementar : uma vez que o SCR já esteja conduzindo, esteé comutado através do disparo de seu complementar;

•••• - comutação por pulso de corrente : utlizado para comutar o GTO ( Gate Turn-OFF ).Aplica-se um pulso negativo com elevada ampltude mas, com tempo muito pequeno,provocando a comutação do componente.

Todos os métodos de comutação forçada com excessão deste último, utilizam circuitossubamortecidos ( LC ) para proporcionar a oscilação da corrente IAK. Isto torna o circuito com SCRbastante complexo e caro. Deve-se procurar alternativas para esta situação ( transistores, GTO,IGBT ).

2828

3.1.3 - TERMINOLOGIAS DO SCR :

Neste item são apresentadas as principais terminologias par o SCR, encontradas noscatálogos de fabricantes.

a) - anodo-catodo :

a.1) - tensão de disparo ( VBO ) : é o mínimo valor de tensão direta que fará com que ocomponente entre em condução;

a.2) - dV/dt : é o mínimo valor da taxa de crescimento da tensão aplicada no sentido direto,que provocará a condução do SCR;

a.3) - IH : corrente de manutenção que permite ao componente continuar em condução;a.4) - IT(rms) : máximo valor de corrente eficaz que o SCR pode conduzir;a.5) - Itsm : corrente de surto;a.6) - di/dt : valor máximo da taxa de crescimento da corrente, que o SCR pode suportar, em

condução, sem ser danificado;

b) - gate-catodo :

b.1) - VGT : tensão CC necessária para produzir a corrente de gate IG para o disparo do SCR;b.2) - IGT : corrente de disparo necessária para “disparar” o SCR;b.3) - PGM : potência de pico do gate;b.4) - PG(AV) : máximo valor permitido para a dissipação de potência de gate que a junção do

gate do SCR pode suportar.

c) - temperatura :

c.1) - TJ : temperatura de operação;c.2) - Tstg : temperatura de armazenamento do componente, sem ocasionar danificação;c.3) - TC : temperatura do invólucro do dispositivo sob condições específicas de carga.

EXEMPLO : SCR TIC106D :

VBO : 400VVBR : 400VIT : 5AITSM : 30AIGT : 0.2A (TPULSO ≤ 300µs)PG(AV) ; 0.3WPGM : 1.3WTJ : - 40°C a 110°CTSTJ : - 40°C a 125°CTC : 230°C

3.1.4 - CARACTERÍSITCAS TÉRMICAS DO SCR :

2929

a) - Perdas no SCR :

O comportamento de um SCR ou de um Diodo é função da temperatura da junção central.Acima de 125°C para os SCR´s e, 150°C para os Diodos, existe risco de destruição daspropriedades do semicondutor. A elevação da temperatura em um SCR ou no Diodo, se deve àenergia elétrica dissipada. As características térmicas estão relacionadas com as perdas produzidasnos períodos em que existe corrente e tensão no componente. Assim, a dissipação de potência emum SCR pode ser dividida em cinco partes :

a) - dissipação no estado de bloqueio no sentido direto : pouca dissipação devido aobaixo valor da corrente direta ( IAK ), apesar da tensão VAK se geralemente elevada;

b) - dissipação durante o chaveamento do estado de bloqueio direto para o estado decondução : a potência instantânea neste período é muito alta mas, durante um apenas umpequeno intervalo de tempo (µs), o que forneçe uma potência média baixa;

c) - dissipação durante o estado de condução : onde há maior dissipação de energia peloSCR;

d) - dissipação durante o chaveamento do estado de condução para o estado debloqueio reverso : também apresentam uma pequena dissipação de energia, semelhanteao item b;

e) - dissipação devido a polarização do gate : esta dissipação é desprezível, quandocomparda com as dissipações em bloqueio e condução.

Na figura 3.5, são ilustradas as etapas a, b, c e d :

a b c dFigura 3.5 : curvas de tensão, corrente e potência dissipada

b) - Potência média :

t

t

IFUGA VCONDUÇÃO

VDIRETA ICARGA

VREVERSA

-IRR

-IFUGA

POTÊNCIAS

3030

A dissipação no componente é calculada em função do valor médio da corrente, fazendo-seinstantâneamente o produto da corrente pela tensão.

As curvas de potência média são baseadas em uma forma de onda, que é o que restou de ummeia onda senoidal, resultante do atraso no disparo do componente. Existem também curvasbaseadas em formas de onda retangulares , ilustradas na figura 3.6.

Figura 3.6

Na figura 3.6, são apresentadas as curvas características de potência média, para o SCR BstL45, tanto com alimentação senoidal quanto não senoidal ( quadrada )

c) - Resistência térmica :

A temperatura de junção é um dos parâmetros mais importantes de um componentesemicondutor. Ultrapassado o seu valor máximo, o componente perde suas características definidasnas folhas de dados.

O calor resultante da potência dissipada na junção, flui pelas partes que compõem ocomponente, pelo dissipador e, finalmente, é irradiado para o ambiente. Assim, pode-se definir umcircuito elétrico equivalente, mostrado na fiugra 3.7.

T

T

T

T

∆r

θR

θR

θR

jc

cs

sa

s

c

j

a

Pmédia

- resistência diferencial

-

- temperatura cápsula-dispositivo

- temperatura de junção

resistência térmica junção-cápsula

- resistência térmica cápsula-dissipador

- temperatura do dissipador

- resistência térmica dissipador-ambiente

- temperatura ambiente

Figura 3.7 : circuito elétrico equivalente

( )T T P r R R RJ A MÉ DIA JC CS SA− = + + +. ∆ θ θ θ (3.10)

3131

Onde : RθθθθCA = RθθθθCS + RθθθθAS

∆∆∆∆r : resistência fictícia que leva em conta o fato de que em regime pulsado, o valor de picoda temperatura é maior do que em regime contínuo de mesmo valor médio de potência ( fator decorreção ). O fabricante fornece o valor da resisência térmica diferencial na forma de um gráfico emfunção do ângulo de condução, como está mostrado na figura 3.8.

Figura 3.8

O valor de RθJC é fornecido pelo fabricante, pois depende das características internas dodispositivo. A resistência RθCS, é afetada pelos procedimentos de montagem, embora algunsfabricantes forneçam este dado para determinadas condições de montagem.

Alguns fabricantes de SCR´s, já apresentam um valor total para a resistência RθCA, aplicávela cada tipo de dissipador e determinadas condições de ventilação. A figura 3.9 mostra a curva querelaciona a resitência térmica cápsula-ambiente para o SCR Bst L45, montado em um dissipadortipo PK20 ( Icotron S/A ).

3232

Figura 3.9

O dissipador de potência é um importante elemento para que a temperatura no componente,possa ser melhor dissipada e, consequentemente, não seja atingida a máxima temperatura de junção.

Uma forma de se determinar o fluxo de ar necessário em um dissipador, é dado através dascurvas Itmédio x Tamb. ( forma de onda senoidal e quadrada ) dados pelo fabricante. Na figura 3.10a(senoidal) e 3.10b ( quadrada ), dá-se esta relação de corrente, temperatura e fluxo de ar, paradissipadores KK32.

3333

Figura 3.10

Montando-se dois módulos de SCR, no mesmo dissipador, o circuito elétrico equivalente édado na figura 3.11. Cada módulo de SCR, tem sua resistência à passagem do calor. Para efeito de

3434

análise e cálculo, supõe-se que existe uma perfeita simetria entre os SCR´s do módulos. Observarque quando se fala em módulo, deve-se entender que existem dois SCR´s no mesmo.

θR cs(1/2)

θR sa

Ptotal

∆r(1/2) ∆r(1/2)

θR jc(1/2)

θR cs(1/2)

θR jc(1/2)

Figura 3.11

OBS : cada módulo contribui com a sua resistência térmica equivalente, sendo utilizado paracálculo, a associação térmica do dois módulos.

P n PTOTAL T= . (3.11)

T T PR r

nRJ A TOTAL

JCCA− =

++

.

θθ

∆(3.12)

Onde :PTOTAL : potência total no dissipador;PT : potência dissipada em um dos SCR’s;n : quantidade de SCR’s por dissipador

3535

3.1.5 - ESPECIFICAÇÕES DE CORRENTE E TENSÃO :

Estas especificações são geralmente determinadas na pior condição, ou seja, quando atemperatura da junção é máxima. Após estes testes, já não são garantidos vários parâmetros doSCR.

a) - Corrente :As especificações de corrente de um SCR podem ser divididas em duas classes :

especificação de corrente recorrente e epscificação de corrente não recorrente.a.1) - Correntes recorrentes : ou periódicas são aquelas em que o componente é aplicado de

uma maneira tal, que o máximo valor de temperatura de junção não é excedido.

*Corrente média ( IT(AV) ) : é apresentada na forma de curva de degradação, parametrizadapelo ângulo de condução ( λ ). A curva é apresentada na forma de TC x ITAV ( TC :temperatura deencapsulamento ), mostrada na figura 3.12 para o caso de um SCR Bst L45.

Figura 3.12.

Se, por exemplo , a temperatura da cápsula aumentar, não será possível manter a corrente, noseu valor médio original pois, a temperatura máxima da junção será excedida. Deve-se, então,diminuir o valor médio da corrente.Para se obter um mesmo valor médio de corrente, que se temquando o ângulo de condução é grande, deve-se ter um pico de corrente maior para um ângulo decondução menor. Isto acarreta num maior aquecimento de junção durante a condução.

( )II

MÉ DIOMAX= +2

1.

. cosπ

α (3.13)

3636

*Corrente eficaz ( ITRMS ) : a especificação do valor eficaz da corrente é sempre utilizadono dimensionamento de um circuito, apesar de não ser muito visível ao projetista, visto que ele estáinteressado no valor da corrente média fornecida à carga. Mas, uma vez especificada a correntemédia, o valor da corrente eficaz já estará determinada.

I I dTRMS MAX=

∫1

22 2

12

.. .sen .

πθ θ

α

π(3.14)

I ITRMS MAX= − +

.

.

sen

.

1

4 4

2

8

12α

πα

π(3.15)

O patamar onde o valor médio é limitado, para cada ângulo de condução, corresponde aovalor eficaz máximo permitido para o componente. A especificação do valor eficaz da corrente deum SCR é necessária para evitar aquecimento excessvio das partes resistivas que compõem ocomponente ( juntas, terminais, etc. ).

a.2) - Correntes não-recorrentes :ou não-periódicas, são aquelas em que se permite que amáxima temperatura de junção seja excedida por um breve período de tempo. Isto geralmenteocorre quando há uma sobrecarga ou uma falha no funcionamento do circuito. Desta forma, osSCR´s ficam sujeitos à temperaturas de junção maiores que a especificada.

*Corrente de surto ( ITSM ) : o valor de ITSM é determinado experimentalemtne, fazendocom que o componente conduza semiciclos senoidais de corrente em 60Hz, com amplituda igual aomáximo valor eficaz especificado. A seguir é aplicado um meio-ciclo de corrente acidental. Logoapós, segue-se um meio-ciclo de onda senodal em 60Hz, de tensão reversa, com uma amplitudeigual à especificação de bloqueio não repetitivo. Se após este teste o componente não perder suacapacidade de bloqueio, eleva-se o valor da corrente acidental aplicada, repetindo-se oprocedimento. Prossegue-se até que ocorra uma falha. Avaliando-se o limite de sobrevivência de umnúmero elevado de amostras, estabelece-se o valor de ITSM. Na figura 3.13 está ilustrado este teste.

Figura 3.13 : curvas de corrente e tensão do SCR para determinação de ITSM

ITSM

ITRMS

VRSM

3737

*Capacidade térmica de corrente ( I2t ) : a especificação desta grandeza é dada na figura3.14. É utilizada para se especificar a capacidade térmica dos fusíveis de proteção.

I2t ( fusível ) < I2t ( SCR )

Figura 3.14

O valor da corrente eficaz é dado por :

II

tRMSPP

S

= (3.16)

Para um tempo tS, obtém-se o valor da corrente de pico permito ( IPP ). Assim, determina-seo valor da corrente eficaz I.

O valor de I2t é dado por :

I t I tRMS S2 2= . (3.17)

Esta especificação presume que o fusível irá eliminar uma falha em menos do que meio-ciclo. Entretanto, antes que isso ocorra, o SCR estará sujeito à temperaturas elevadas.

*Taxa de crescimento de corrente de anodo ( di/dt ) : esta taxa determina o máximo di/dtque o SCR pode suportar. Valores típicos de di/dt são 200A/µs para SCR´s de controle de fase (retificadores ) e, 800A/µs para SCR´s utilizados em inversores.

Quando um SCR é disparado, através de uma corrente de gate, inicialmente o fluxo decorrente se concentra em uma área próxima ao gate. A área de concentração de corrente se espalhapor toda a área de catodo a uma taxa aproximada de 0.1mm/µs. Se a corrente de anodo aumentarmuito rapodamente, haverá um aquecimento localizado nesta área preferencial, face à elevadadensidade de corrente, resultando em temperaturas extremamente elevadas, podendo causar adestruição do componente.

Este di/dt geralmente ocorre no instatne de chaveamento do SCR. Assim coloca-se umindutor em série com o SCR limitando o crescimento indesejado da corrente.

IPP

IRMS

tS

3838

b) - Tensão :

As especificações de tensão também podem ser classificadas em : tensão direta e tensãoreversa.

b.1) -Tensão direta : quando o SCR é polarizado diretamente.

*Tensão direta repetitiva máxima ( VDRM ) : é a máxima tensão direta repetitiva que o Scrpode suportar, sem que passe do estado de bloqueio direto para o estado de condução ( IG = 0 ).

*Tensão direta de surto máxima ( VDSM ) : é a máxima tensão direta, não repetitiva, que oSCR pode suportar, sem passar do estado de bloqueio direto para o estado de condução. Este valorde corrente, se ultrapassado, danifica o componente. A figura 3.15 mostra as duas especificaçõesdadas.

Figura 3.15 : aplicação das especificações de VDRM e VDSM

A : região de operação normal do SCR;B : região onde o SCR pode disparar mas não se danifica;C : região onde o SCR pode disparar e pode ser danificado.

*Taxa de crescimento da tensão direta ( dV/dt ) : se houver variação muito rápida datensão VAK, esta variação pode ocasionar uma corrente suficiente para que, somada à corrente defuga que circula pelo SCR ( ICBO ), provoque o disparo acidental do mesmo. Uma maneira de selimitar este dV/dt é o de se colcar um circuito “SNUBBER”, já visto anteriormente.

b.2) -Tensão reversa : quando o SCR é polarizado reversamente, ele atinge uma valor detensão reversa que desencadeia um fenômeno de ruptura, que se ultrapassado, provoca a destruiçãodo componente.

*Tensão reversa repetitiva máxima ( VRRM ) : é a máxima tensão reversa repetitiva que oSCR pode suportar, sem que ocorra a ruptura.

*Tensão reversa de surto máxima : ( VRSM ) : é a máxima tensão reversa, não repetitiva,que o SCR pode suportar sem que ocorra a ruptura ( às vezes pode ocorrer ).

VAK

t

VDSM

VDRM

A B C

3939

3.1.7 - TEMPOS DE DISPARO E DE COMUTAÇÃO :

Observando a figura 3.16, abaixo, tem-se que :

Figura 3.16

a) - Tempo de disparo ( tON ) : como o SCR não entra em condução imediatamente após aaplicação do pulso na gate, pode-se definir o tempo de disparo como sendo o intervaloentre o ponto no início do pulso de gate e o instante em que a tensão no SCR sobe a umvalor especificado, durante o chaveamento de um SCR do estado de bloqueio ao estadode condução. Este tempo também representa a duração mínima que deve ter o pulso decorrente de gate IG. Logo :

t t tON d r= + (3.18)

Onde :td : tempo de atraso ( delay time ) - 0.90.IG ≤≤≤≤ td ≤≤≤≤ 0.10.IA;tr : tempo de crescimento ( rise time ) - 0.10.IA ≤≤≤≤ tr ≤≤≤≤ 0.90.IA

b) - Tempo de comutação ( tOFF ) : é o intervalo de tempo entre o instante em que acorrente do SCR cai à zero, e o instante em que o mesmo está em condições de sernovamente disparado. Este tempo é importante em circuitos cuja alimentação é CC, vistoque há a necessidade de se utilizar métodos de comutação forçada para o SCR. O valorde tOFF é utilizado para calcular os elementos passivos ( indutor e capacitor ) que irãorealizar o processo de comutação forçada do SCR.

t

t

tON

IG

IA

0.9IG

0.9IA

0.1IA

tdtr

4040

O tempo de comutação é definido por :

t t tOFF S f= + (3.19)

Onde :

tS : tempo de armazenamento ( storage time ) - é devido à recombinação da cargasarmazenadas próximas da junção. Este tempo é determinado à partir do instante em que a correnteIAK se anula, até o instante em que ela atinge um valor negativo IRR. Pode-se dizer que tS é o própriotempo de recuperação reversa do SCR tRR.

tf : tempo de descida ( fall time ) - este tempo é determinado à partir do instante em que acorrente IAH é igual à IRR, até o instante em que IAK se anula. Neste instante o SCR deve estar emcondições de ficar sujeito à uma tensão direta, podendo ou não ser novamente disparado. A figura3.17 observa-se o tempo de comutação tOFF.

Figura 3.17

Os SCR´s que possuem tempos de comutação acima de 50µs, são chamados de SCR´s derede (lentos ), sendo utilizados principalmente, em retificadores ( conversores CA/CC ). Os SCR´srápidos (abaixo de 50µs são utilizados em aplicações de alta frequência ( conversores CC/CC eCC/CA ).

IAK tftS

t

tOFF

- IRR

4141

3.1.7 - CONEXÕES SÉRIE E PARALELO DO SCR :

a) - Conexão série :

Para aplicação em alta tensão, dois ou mais SCR´s devem ser conectados em série de modo adividir a tensão total aplicada . Na figura 3.18 são apresentadas as características de dois SCR’s, àprincípio idênticos, mas que na verdade, apresentam características diferentes.

Figura 3.18

No caso de diodos de potência, apenas a tensão reversa é dividida entre os componentes. Jáno caso dos SCR´s, a tensão direta também é importante uma vez que o SCR pode estar sujeito àuma tensão VAK diferente de zero ( geralmente alta ), quando é disparado.

Esta tensão direta é normalmente dividida, colocando-se resistores em paralelo com osSCR´s, como é mostrado na figura 3.19, abaixo.

C1 R1

C1 C1R1R1

T1

T2

Tn

R R RI I I

I I IIT T1

1

T2

2 n

IT

Tn

+ -VT1

+ -VT2

Figura 3.19 : conexão série de SCR’s

VAK

IAK

T2 T1

-V1 -V2

ISVT1 = VT2

IT2

IT1

4242

Para se obter tensões iguais nos componentes ( VT1 = VT2 ), necessariamente as correntes sãodiferentes ( IT1 ≠ IT2).

Sendo nS o número de SCR´s conectados em série; ID1 a corrente através do SCR T1 e ascorrentes IT2=IT3=IT4=ITn, onde IT1 < IT2. Nota-se que o SCR T1 por apresentar uma menor correntede bloqueio direto, suporta uma maior tensão de bloqueio direto do que os outros SCR´s. Se I1 é acorrente através do resistor R1, que está em paralelo com T1, e as correntes através dos outrosresitores I2=I3=I4=In , tem-se que :

∆I I I I I I I I IT T T T T= − = − − + = −1 2 2 1 1 2 (3.20)

Ou :

I I IT2 1= − ∆ (3.21)

A tensão sobre o SCR T1 é :

VV n R I

nTS S T

S1

1=

+ −( ). .∆(3.22)

A tensão VD1 será máxima quando ∆IT for máxima. Para IT1 igual a zero :

VV n R I

nTS S D

S1

21=

+ −( ). .(3.23)

Durante o estado de bloqueio reverso, as diferenças entre as cargas armazenadas nos SCR´s,causam diferenças nas tensões reversas. O SCR com menor tempo de recuperação reversa ( trr ),terá um maior transitório de tensão. As capacitâncias da junções que controlam dos SCR´s,normalmente não são suficientes para suportarem estes transitórios. Assim, torna-se necessário acolocação de capacitores (C1) sobre os SCR´s, como mostrado nas figura 3.15. Os resistores ( R1 ),colocados em série com os capacitores limitam a descarga da corrente. A variação da tensão sobre oSCR T1 é dada por :

∆ ∆∆

V R IQ Q

C

Q

CD= =−

=. 2 1

1 1

(3.24)

Onde Q1 é a carga armazenada no SCR T1 e Q2, a carga armazenada nos demais SCR´s ( Q2

= Q3 = Q4 = Qn e Q1 < Q2 ). Substituindo a equação 1.74 na equação 1.72, tem-se que :

( )V

nV

n Q

CTS

SS

11

1 1= +

−

.

.∆(3.25)

4343

O pior caso ocorre quandoQ1 é igual a zero. Assim :

( )V

nV

n Q

CTS

SS

12

1

1 1= +

−

.

.(3.26)

b) - Conexão paralelo :

Quando os SCR´s são conectados em paralelo, a corrente de carga nã é dividida igualmenteentre eles devido às diferenças nas suas características. Se um SCR suporta uma maior corrente queos outros, isto ocasiona um aumento na dissipação de potência deste SCR, que por sua vez aumentaa temperatura de junção, diminuindo a resistência interna. A consequência disto é a destruição docomponente pelo aumento da corrente. Quando este SCR queima, os demias SCR´s em paralelo têmque assumir correntes maiores, o que ocasionará a destruição deles.

Para se forçar uma equalização de correntes boa entre os SCR´s, conecta-se em série comcada um, uma pequena resistência. Pode-se também utilizar indutores magnéticamente acoplados.Se a corrente pelo SCR T1 aumenta, uma tensão com polaridade invertida será induzida no indutorligado em série com o SCR T2, diminuindo a impedância no ramo deste SCR oque, por sua vez,ocasionará o aumento da corrente po T2.. Estes métodos de equalização de corrente pode ser vistonas figura 3.20a e 3.20b.

TR

R

1

2TI I

II

T

T

1

2

12 I

T

R

R

1

2TI

II

T

1

2

12

L

L

T

a bFigura 3.20

4444

3.2 - GTO ( GATE-TURN-OFF ) :

Em muitas aplicações de eletrônica de potência, os SCR´s são considerados como chavesideais. Eles suportam altas tensões reversas ( e diretas quando em não condução ), e altas correntesdiretas, apresentando uma pequena queda de tensão direta. A sua principal característica está no seudisparo que é realizado através de um sinal positivo aplicado em seu gate.

A principal desvantagem está na impossibilidade de se desligar o componente através dopróprio gate. A inclusão desta capacidade de “desligamento” em um SCR, requer modificações nocomponente e algumas limitações de operação do mesmo.

O componente ( tiristor ) que apresenta esta capacidade de “desligamento” através do seuterminal de gate é chamado de GTO ( Gate turn-off ).

3.2.1 - Características do GTO :,

Existem três diferenças significativas entre o GTO e o SCR que podem ser observadasatravés da figura 3.21 :

Figura 3.21 : Estrutura interna do GTO.

a) - as estruturas do gate e do catodo são altamente interligadas com muitos tipos de formasgeométricas sendo utilizadas no desenvolvimento ( lay-out ) do gate e do catodo,incluindo estruturas involutes. Estas modificações visam aumentar a periferia do catodoe diminuir a distância do gate a região central do catodo;

4545

b) - as áreas do catodo apresentam o formato de “ilhas “, e são formadas através do desgasteda camada de silício ao redor destas “ilhas “. Quando o GTO é encapsulado, todas as“ilhas” do catodo são conectadas diretamente à um dissipador de calor metálico,formando o próprio catodo;

c) - a maior diferença está na região de anodo do GTO. Em intervalos regulares, na região p(p1), são introduzidas regiões do tipo n+, permitindo o contato com a região n-, que formaa região n1. As regiões n+ são otimizadas de forma a permitir que se tenha um “ anodopequeno “, aumentando-se assim a velocidade de “desligamento” do GTO. AlgunsGTO’s são desenvolvidos sem este “anodo pequeno” de forma a permitir bloqueio emtensões reversas.

A característica do GTO, na região direta é idêntica a do SCR. Mas, na região reversa, oGTO não apresenta uma capacidade de bloqueio elevada ( 20V a 30V ), devido ao “anodopequeno”. O símbolo do GTO é mostrado na figura 3.22.

A

KG

Figura 3.22 : Símbolo do GTO.

* Característica de “desligamento” :

Na analogia a dois transistores ( figura 3.23 ), se ambos estão saturados ( Q1 e Q2 ), significadizer que o componente está conduzindo. Para provocar o seu “desligamento”, basta que a correntede base IB2 (Q2 ) se torne menor que o valor necessário para manter o transistor saturado.

A

K

G

I

I

I

II I

A

C1

C2B1

B2G

=

= I

IT

K

Q

Q

1

2

Figura 3.23 : Circuito equivalente a dois transistores para o Tiristor

I IB C2 2 2⟨ / β (3.27)

Logo o transistor Q2, após o processo de realimentação, cortará, fazendo com que o GTOtambém deixe de operar. Assim :

4646

I I IB A G2 1= −α . (3.28)

A corrente IC2 é :

( )I IC A2 11= −α . (3.29)

Como :

II

BC

22

2

22

21

⟨

=−

β

βα

α

(3.30)

Tem-se :

II

GA

OFF

⟩β

(3.31)

βOFF : ganho de desligamento do GTO

Este ganho não é grande ( tipicamente ≤ 5 ), portanto há a necessidade de pulso de corrente,negativa, com grande amplitude para se desligar o componente. Esta amplitude de corrente élimitada pelo fenômeno “ Crowding” e, portanto, existe uma corrente máxima de anodo que garanteo desligamento seguro do componente.

Os GTO’s são utilizados em aplicações de média a alta potência. Geralmente são utilizados“Snubbers” para proteger o componente no desligamento, principalmente contra sobre-correntes; jáque o gate não desliga para correntes que excedem o valor máximo especificado.

* Características de Chaveamento do GTO :

A figura 3.24 mostra as formas de onda relativas as características de chaveamento do GTO.O intervalo t1, representa o disparo do GTO ( turn-on ). O processo de disparo é semelhante

ao do SCR. Deve-se aplicar um pulso de corrente, positiva, no gate do componente, especificadopelo fabricante e, após o disparo total do componente, apenas uma pequena corrente ( “backparchcurrent” ) circula pelo mesmo. Esta corrente é necessária pois evita que algumas ilhas do catodoparem de conduzir ( quando IG é zero ). Se a corrente de anodo aumenta rapidamente, não há tempopara que estas ilhas voltem a conduzir novamente, assim as outras ilhas ficam sobrecarregadas e oGTO é destruído por avalanche térmica.

O intervalo t2, representa a comutação ( turn-off ) do GTO. Aplica-se uma alta correntenegativa no gate do GTO. Esta corrente varia em torna de 1/3 a 1/5 do valor da corrente de anodo,mas durante um intervalo de tempo muito pequeno. Como pode ser observado, existem váriosintervalos de tempo no processo de comutação do GTO:

4747

Figura 3.24 : Características de disparo e de comutação do GTO.

- tS - storage time : a corrente negativa IG é utilizada para remover cargas armazenadasnas regiões p2 e n2 em direção a periferia das ilhas dos catodos ( figura 3.21 ). Quandouma quantidade suficiente de cargas armazenadas foram removidas, a corrente de anodocomeça a decrescer;

- tf - fall time : quando as cargas são removidas, a corrente decresce rapidamente ( tfi ).Este tempo cessa quando o excesso de portadores na junção gate-catodo são eliminados ea junção recupera sua capacidade de bloqueio reverso;

- tw2 - gate-cathode junction avalanche breakdown time : neste período a tensão VGK

torna-se negativa e a corrente ( negativa ) IG começa a decrescer rapidamente ( dIG/dt ) provocando aruptura por avalanche da junção gate-catodo. Esta ruprtura por avalanche é desejável somente nesteintervalo, de forma a retirar o máximo possível, as muitas cargas armazenadas no gate e na regiãop2;

- ttail - anode tail-currente time : é o intervalo de tempo em que circula uma corrente deanodo para o gate (tail currente - corrente de cauda ), devido à diferença de potencial entre ambos.Este intervalo contribui com a maior dissipação de potência, durante o turn-off do GTO. Isto porqueo intervalo é relativamente longo e a tensão sobre o GTO é relativamente alta. Quando a corrente deanodo fica abaixo de IH, a tensão VGK cai a um valor mínimo e o GTO pode ser novamentedisparado.

4848

O GTO, portanto, permite algumas vantagens sobre o SCR, como :

a) - eliminação de circuitos de comutação forçada;b) - redução de ruídos - eliminação dos circuitos de comutação ( ressonância );c) - chaveamento para o estado de bloqueio mais rápido, permitindo operação em altas

frequências;d) - maior eficiência.

Apesar do GTO ocupar uma posição privilegiada em termos de potência, o valor da correntede pico necessária para comuta-lo ainda é bastante elevada.

3.3 - TRIAC ( TRIODE AC SWITCH ) - TIRISTOR BIDIRECIONAL :

Este componente conduz tanto direto quanto reversamente polarizado. É geralmenteutilizado em controle de fase CA, onde controla-se o valor eficaz ( rms ) da tensão CA que estasendo fornecida para a carga. O TRIAC pode ser considerado como sendo dois SCR´s ligados emanti-paralelo, mas com apenas um gate em comum, como mostrado na figura 3.25.

p

n

A

Gp

n

nn

A

1

2

G

A

A

1

2

G

A1

A2

a) b) c)Figura 3.25 : a) Estrutura do TRIAC; b) Símbolo do TRIAC; c) Circuito equivalente a 2 SCR´s.

Pode-se notar que o TRIAC é um elemento de cinco camadas, tendo dois caminhos P-N-P-Nentre os terminais principais A1 e A2 , podendo portanto conduzir nos dois sentidos.

O TRIAC pode ser levado ao estado de condução, pela aplicação de um pulso positivo ounegativo, no terminal de gate, embora seja mais confiável levá-lo ao estado de condução aplicandoum pulso positivo no gate, quando A2 é positivo e, um pulso negativo no gate, quando A1 é positivo.Assim, existem quatro modos possíveis de operação do TRIAC ( operação em quatro quadrantes ),mostradas na tabela da figura 3.26.

4949

QUADRANTES VA2 VG

I + +II + -III - -IV - +

Figura 3.26 : Modos de operação do TRIAC.

a) - Operação no Quadrante I :

G

A1

A2

P1

P2

N3

N4 N5

N1 N2

SCR1

SCR2

+

+

Figura 3.27 : Estrutura do TRIAC para operação no quadrante I.

•••• ANÁLISE :

1) - Tensão positiva em A2 ⇒ há a polarização direta do SCR1 formado por P2 - N3 - P1 - N2

;2) - O SCR2 formado por P1 - N3 - P2 - N4 , está polarizado reversamente ( não conduz );

3) - Quando o gate G for positivo, a junção formada por P1 - N2 será polarizada diretamente.Com isso, o SCR1 vai conduzir e o TRIAC passará a conduzir de A2 para A1 .

5050

b) - Operação no Quadrante II :

G

A1

A2

P1

P2

N3

N4 N5

N1 N2

SCR 1SCR2

+

- SCRAUXILIAR

Figura 3.28 : Estrutura do TRIAC para operação no quadrante II.•••• ANÁLISE :

1) - Tensão positiva em A2 ⇒ há a polarização direta do SCR1 ( P2 - N3 - P1 - N2 );

2) - Quando o gate G for negativo, a junção P1 - N1 ( SCR auxiliar ) é diretamentepolarizada, onde A1 funciona como gate de SCR;

3) - Quando o SCR auxiliar conduz, apresenta uma baixa queda de tensão, ficando à umpotencial VA ( agora G está positivo ). Desta forma a junção P1 - N2 do SCR1 épolarizada diretamente, levando o TRIAC à condução de A2 para A1 .

•••• OBSERVAÇÃO :

I e II QUADRANTES : condução do SCR1 ;III e IV QUADRANTES : condução do SCR2 .

5151

•••• APLICAÇÕES DO TIRISTOR DE POTÊNCIA :

a ) - RETIFICADOR TRIFÁSICO DE MEIA-ONDA CONTROLADO :

a) - Circuito Retificador; b) - Formas de Onda.

5252

b) - INVERSOR TRIFÁSICO EM PONTE :

a) - Inversor trifásico em ponte; b) - Formas de onda para disparo em 180º

5353

c ) - TRANSMISSÃO DE ALTA TENSÃO EM CORRENTE CONTÍNUA :

HVDC : HIGH-VOLTAGE DIRECT-CURRENT

a) - Tranmissão HVDC - Diagrama Global; b) - Terminal do Conversor.

5454

c) - SISTEMA BÁSICO DE TRAÇÃO ELÉTRICA EM LOCOMOTIVA :

Arranjo básico de uma locomotiva acionada por sistema Tiristorizado.

5555

d) - ELETROEROSÃO :

Circuito típico para inversão periódica de corrente.

5656

e) - CONTROLE DE POTÊNCIA DE CARGAS RESISTIVAS :

a) - TRIAC; b) - conexão em catodo comum; c) - ponte de diodos com SCR;d) - Controle do Ângulo de Fase; e) - Controle de Ciclo Integral.