Tiristores -Aula 1 - Ricardo Pelisson

Notas de Aula de Eletrônica de Potência - Ricardo Pelisson

Aula 1

Tiristor

O nome tiristor engloba uma família de dispositivos semicondutores que operam em regime chaveado, tendo em comum uma estrutura de 4 camadas semicondutoras numa sequência 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 uma mesma estrutura: LASCR (SCR ativado por luz), também chamado de LTT (Light Triggered Thyristor), TRIAC (tiristor triodo bidirecional), DIAC (tiristor diodo bidirecional), GTO (tiristor comutável pela porta), MCT (Tiristor controlado por MOS).

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 3.3 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 [3.1].
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.

Figura 3.3 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 intermedia 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.

Características básicas do SCR

O Tiristor SCR (Silicon Controlled Rectifier) foi desenvolvido por um grupo de engenheiros do Bell Telephone Laboratory (EUA) em 1957. É o mais conhecido e aplicado dos Tiristores existentes. Tiristor é o nome genérico dado à família dos componentes compostos por quatro camadas semicondutoras (PNPN).
Os Tiristores SCR’s funcionam analogamente a um diodo, porém possuem um terceiro
terminal conhecido como Gatilho (Gate ou Porta). Este terminal é responsável pelo controle da condução (disparo). Em condições normais de operação, para um SCR conduzir, além de polarizado adequadamente (tensão positiva no Ânodo), deve receber um sinal de corrente no gatilho, geralmente um pulso.
A principal aplicação que os SCR têm é a conversão e o controle de grandes quantidades de potência em sistemas CC e CA, utilizando apenas uma pequena potência para o controle. Isso se deve à sua ação de chaveamento rápido, ao seu pequeno porte e aos altos valores nominais de corrente e tensão em que podem operar.

Algumas características dos SCR’s:

#São chaves estáticas bi-estáveis, ou seja, trabalham em dois estados: não condução e condução, com a possibilidade de controle.
#Em muitas aplicações podem ser considerados chaves ideais, mas há limitações e características na prática.
#São compostos por 4 camadas semicondutoras (P-N-P-N), três junções (P-N) e 3 terminais (Ânodo, Cátodo e Gatilho).
#São semicondutores de silício. O uso do silício foi utilizado devido a sua alta capacidade de potência e capacidade de suportar altas temperaturas.
#Apresentam alta velocidade de comutação e elevada vida útil;
#Possuem resistência elétrica variável com a temperatura, portanto, dependem da potência que estiverem conduzindo.
#São aplicados em controles de relés, fontes de tensão reguladas, controles de motores, Choppers (variadores de tensão CC), Inversores CC-CA, Ciclo-conversores (variadores de freqüência), carregadores de baterias, circuitos de proteção, controles de iluminação e de aquecedores e controles de fase, entre outras.

Simbologia

Tipos de encapsulamento

Polarização Direta

Tensão do Ânodo positiva em relação ao Cátodo
J1 e J3 polarizadas diretamente
J2 polarizada reversamente: apresenta maior barreira de potencial
Flui pequena Corrente de Fuga Direta de Ânodo para Cátodo, IF (Forward Current).
Bloqueio Direto – DESLIGADO

Abaixo podemos ver um exemplo de polarização direta e uma analogia com diodos.

Polarização Reversa

# Tensão de Cátodo positiva em relação ao Ânodo
# J2 diretamente polarizada
# J1 e J3 reversamente polarizadas: apresentam maiores barreiras de potencial
# Flui pequena Corrente de Fuga Reversa de Cátodo para Ânodo, IR (Reverse Current).
# Bloqueio Reverso – DESLIGADO

Abaixo podemos ver um exemplo de polarização reversa e uma analogia com diodos.

Modos de disparo de um tiristor
Um SCR é disparado (entra em condução) quando aumenta a Corrente de Ânodo IA, através de uma das seguintes maneiras:

Corrente de Gatilho IGK:

É o procedimento normal de disparo do SCR. Quando estiver polarizado diretamente, a injeção de um sinal de corrente de gatilho para o cátodo (IG ou IGK), geralmente na forma de um pulso, leva o SCR ao estado de condução. A medida que aumenta a corrente de gatilho para catodo, a tensão de bloqueio direta diminui até que o SCR passa ao estado de condução.
A Figura X apresenta um circuito para disparo do SCR. Enquanto diretamente polarizado o SCR só começa a conduzir se receber um comando através de um sinal de corrente (geralmente um pulso) em seu terminal de gatilho (Gate ou Porta). Esse pulso polariza diretamente o “segundo diodo formado pelas camada N e P” e possibilita a condução.
Enquanto tivermos corrente entre ânodo e cátodo o SCR continua conduzindo, sendo ele
cortado (bloqueado) somente quando a mesma for praticamente extinta. Nesta condição, as barreiras de potencial formam-se novamente e o SCR precisará de um novo sinal de corrente no gatilho para voltar ao estado de condução.
Polarizado reversamente o SCR funciona como um diodo, bloqueando a passagem de corrente, mesmo quando efetuado um pulso em seu Gatilho.

Fig. X Exemplo de circuito de disparo de um SCR

Como entre o gatilho e o cátodo há uma junção PN, temos uma tensão de proximadamente 0,7V. Desta forma, analisando o circuito da figura X abaixo, podemos determinar os requisitos para o circuito de disparo do SCR.



Assim, a tensão VDISPARO necessária para proporcionar a corrente de disparo IG através da resistência limitadora RG pode ser dada por:

Tensão de disparo que é igual a corrente do gate multiplicada pela resistência do gate somado a 0,7.
Um SCR pode disparar por ruído de corrente no gatilho. Para evitar estes disparos indesejáveis devemos utilizar um resistor RGK entre o gatilho e o cátodo que desviará parte do ruído, como indica a figura X abaixo. Em alguns tipos de SCR, a resistência RGK já vem internamente no componente para diminuir sua sensibilidade.

Figura X Característica estática do tiristor.

Figura X Condições para disparo de tiristor através de controle pela porta.

b) Corrente de Retenção e Corrente de Manutenção

Para entrar em condução o SCR deve conduzir uma corrente suficiente, cujo valor mínimo recebe o nome de Corrente de Retenção IL (Latching Current). O SCR não entrará em condução se a Corrente de Gatilho IGK for suprimida antes que a Corrente de Ânodo IA atinja o valor da Corrente de Retenção IL.
Uma vez retirada a corrente de gatilho, a mínima Corrente de Ânodo IA para manter o SCR em condução é chamada Corrente de Manutenção IH (Holding Current). Se a Corrente de Ânodo for menor que a Corrente de Manutenção, as barreiras de potencial formam-se novamente e o SCR entrará em Bloqueio.
A Corrente de Retenção é maior que a Corrente de Manutenção (IL > IH). O valor de IL é em geral de duas a três vezes a corrente de manutenção IH. Ambas diminuem com o aumento da temperatura e vice-versa.
É por este motivo que dizemos que o SCR é uma Chave de Retenção (ou Travamento)
porque uma vez em condução, permanece neste estado enquanto a Corrente de Ânodo IA for maior que a Corrente de Manutenção (IA > IH), mesmo sem corrente no gatilho (IGK).

c) SobreTemperatura

O aumento brusco da temperatura aumenta o número de pares elétrons-lacunas no
semicondutor provocando maior corrente de fuga, o que pode levar o SCR ao estado de condução. O disparo por aumento de temperatura deve ser evitado.

d) SobreTensão VAK

Se a tensão direta ânodo-cátodo VAK for maior que o valor da tensão de ruptura direta
máxima VDRM (VBO), fluirá uma corrente de fuga suficiente para levar o SCR ao estado de condução.
Isto acontece porque o aumento da tensão VAK em polarização direta acelera os portadores de carga na junção J2 que está reversamente polarizada, podendo atingir energia suficiente para provocar a avalanche e disparar o SCR. Este fenômeno faz com que muitos elétrons choquem-se e saiam das órbitas dos átomos do semicondutor ficando disponíveis para condução e permitindo o aumento da corrente de fuga no SCR e levando-o ao estado de condução.
O disparo por sobretensão direta diminui a vida útil do componente e, portanto, deve ser
evitado.
A aplicação de uma sobretensão reversa, ou seja, uma tensão ânodo-cátodo maior que o
valor da tensão de ruptura reversa máxima (VRRM ou VBR) danificará o componente.

c) Taxa de crescimento da tensão direta (Degrau de tensão dv/dt)

Quando reversamente polarizadas, a área de transição de uma junção comporta-se de maneira similar a um capacitor, devido ao campo criado pela carga espacial. Considerando que praticamente toda a tensão está aplicada sobre a junção J2 (quando o SCR estiver desligado e polarizado diretamente), a corrente que atravessa tal junção é dada em função da capacitância da junção:
Quando Vak cresce, a capacitância diminui, uma vez que a região de transição aumenta de largura. Entretanto, se a taxa de variação da tensão for suficientemente elevada, a corrente que atravessará a junção pode ser suficiente para levar o tiristor à condução.
Uma vez que a capacitância cresce com o aumento da área do semicondutor, os componentes para correntes mais elevadas tendem a ter um limite de dv/dt menor. Observe-se que a limitação diz respeito apenas ao crescimento da tensão direta (Vak>0). A taxa de crescimento da tensão reversa não é importante, uma vez que as correntes que circulam pelas junções J1 e J3, em tal situação, não tem a capacidade de levar o tiristor a um estado de condução.
Como se verá adiante, utilizam-se circuitos RC em paralelo com os tiristores com o objetivo de limitar a velocidade de crescimento da tensão direta sobre eles.

e) Energia radiante (Luz ou Radiação)

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.

Parâmetros básicos de tiristores

A seguir alguns parâmetros típicos de tiristores e que caracterizam condições limites para sua operação [3.2]. 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, devido a um possível processo de avalanche, 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 3.7 ilustra este fenômeno.
i) Corrente de manutenção de condução (IH): a mínima corrente de anodo necessária para manter o tiristor em condução.
j) 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.
k) Tempo de disparo (ton): é o tempo necessário para o tiristor sair do estado desligado e atingir a plena condução.
l) 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.
m) Corrente de recombinação reversa (Irqm): valor de pico da corrente reversa que ocorre durante o intervalo de recombinação dos portadores na junção.

A figura X ilustra algumas destas características.

Figura 3.7 Expansão da área de condução do tiristor a partir das vizinhanças da região de gate.

Figura 3.8: Características do tiristor

Perdas em condução

Analogamente ao diodo, podemos representar o SCR por seu circuito elétrico equivalente:

O SCR conduzindo dissipa uma potência elétrica em forma de calor que pode ser calculada por:

Onde:
E0 - tensão em condução;
ITmed e ITef - respectivamente, as componentes média e eficaz da corrente do SCR.
r0 ou rF - resistência em condução.

O cálculo térmico é efetuado da mesma forma já estudada quanto a diodos.