Harmônicos e Fator de Potência

8/19/2019 Harmônicos e Fator de Potência

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Harmônicos e Fator de Potência: um Curso de Extensão

Apresentação

Este texto foi preparado para o curso de extensão "Influência dosHarmônicos nas Instalações Elétricas Industriais" promovido peloDepartamento de Engenharia Elétrica da niversidade !ederal de ato#rosso do $ul% ministrado nos dias &'% &( e &) de *unho de &))'+ ,rata-se deum curso voltado para profissionais atuantes no setor elétrico e interessadosem acompanhar as inovações tecnol.gicas decorrentes da evolução daEletrônica de /otência% especialmente as possi0ilidades do condicionamentode energia elétrica visando aprimorar a 1ualidade do produto Energia Elétrica+

Inicialmente% no cap2tulo &% fa3-se uma discussão so0re !ator de /otência eHarmônicas% vinculando-os em termos da influência das harmônicas so0re ofator de potência de um sistema+ 4 seguir% no cap2tulo 5% são apresentadasalgumas normas e regulamentações 1ue limitam a contaminação harmônica deum sistema ou a emissão de uma carga+ 6o cap2tulo 7 são apresentados oscomponentes semicondutores de potência 1ue são utili3ados em conversoresest8ticos 1ue% em 9ltima inst:ncia% são os respons8veis pelo aumento dadistorção presente na rede+ /aradoxalmente% são estes mesmos conversores1ue permitem a compensação das distorções 1uando ade1uadamenteempregados+ 6o cap2tulo ; são apontados os efeitos so0re os componentes de

um sistema elétrico e as causas da distorção harmônica+ 6os cap2tulos


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Conteúdo

1. FATOR E POT!"C#A E #$TOR%&O HAR'("#CA

&+& !4,>C DE />,6@I4 &+&+& Definição de !ator de /otência &+&+5 @aso & ,ensão e corrente senoidais &+&+7 @aso 5 ,ensão senoidal e corrente distorcida &+&+; @aso 7 ,ensão e corrente não-senoidais% mas de mesma fre1Fência+ &+5 DE$G46,4#E6$ D> 4I> !4,>C DE />,6@I4 J!/K E D4 4A,4 DI$,>CLM> D4@>CCE6,E &+5+& /erdas &+5+5 @apacidade de transmissão

). "OR'A$ RE*AT#+A$ , CORRE"TE E *#"HA: FATOR E POT!"C#A EHAR'("#CA$ E -A#A FRE/0!"C#A

5+& !4,>C DE />,6@I4 5+5 6>C4 IE@ &NNN-7-5 AII,E$ /4C4 EI$$M> DE H4CO6I@4$ DE @>CCE6,E JP&= 4/>C !4$EK 5+7 CE@>E6D4LM> IEEE /4C4 /CQ,I@4$ E CERI$I,>$ /4C4 @>6,C>AE DEH4CO6I@4$ 6> $I$,E4 EAS,CI@> DE />,6@I4 IEEE-D>$ DE />,6@I4 7+5 ,ICI$,>C 7+5+& /rinc2pio de funcionamento

7+5+5 aneiras de disparar um tiristor 7+5+7 /ar:metros 08sicos de tiristores 7+5+; @ircuitos de excitação do gate 7+5+< Cedes 4maciadoras 7+5+= 4ssociação em /aralelo de ,iristores 7+5+' 4ssociação em série de tiristores 7+5+( $o0re-tensão 7+5+) Cesfriamento 7+7 #,> - #4,E ,C6->!! ,HTCI$,>C 7+7+& /rinc2pio de funcionamento 7+7+5 /ar:metros 08sicos do #,> 7+7+7 @ondições do sinal de porta para chaveamento 7+7+; @ircuitos amaciadores Jsnu00erK

7+7+< 4ssociações em série e em paralelo 7+; ,C46$I$,>C I/>A4C DE />,6@I4 J,/K 7+;+& /rinc2pio de funcionamento 7+;+5 Qrea de >peração $egura J4>$K 7+;+7 @onexão Darlington 7+;+; étodos de redução dos tempos de chaveamento 7+< >$!E, 7+CK 7+=+& /rinc2pio de funcionamento 7+' @, - >$-@>6,C>AAED ,HTCI$,>C 7+'+& /rinc2pio de funcionamento

7+'+5 @omparação entre /-@, e 6-@,


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3. EFE#TO$ E CA2$A$ E HAR'("#CA$ "O $#$TE'A E E"ER4#A E*5TR#CA

;+& E!EI,>$ DE H4CO6I@4$ E @>/>6E6,E$ D> $I$,E4 EAS,CI@> ;+&+& otores e geradores ;+&+5 ,ransformadores ;+&+7 @a0os de alimentação

;+&+; @apacitores ;+&+< E1uipamentos eletrônicos ;+&+= 4parelhos de medição ;+&+' Celés de proteção e fus2veis ;+5 @4$4$ DE DI$,>CLM> H4CO6I@4 ;+5+& @onversores

6. F#*TRO$ PA$$#+O$

$ /4$$IG>$ 4/AI@4D>$ 4 @>6B6,> DE @4C#4$ $ /4$$IG>$ 4/AI@4D>$ U @4C#4 C4$ DE >6D4 ,IAIW46D> I6GEC$>CE$ '+&+& ,écnicas de modulação '+&+5 $2ntese de correntes em inversor com ac9mulo indutivo '+&+7 $2ntese de correntes em inversor com ac9mulo capacitivo '+&+; $2ntese de tensões '+&+< odulação vetorial

'+5 !IA,C>$ 4,IG>$ ,CI!Q$I@>$ '+5+& #eração de referências de corrente utili3ando a teoria da potência instant:nea de 4Xagi-6a0ae '+5+5 Estudo de caso com carga dese1uili0rada '+5+7 Estudo de caso com alimentação dese1uili0rada '+5+; Estudo de tensões e1uili0radas% com harmônicas '+5+< /rodução de compensação de tensão '+5+= @onsiderações so0re as teorias de potência '+7 !IA,C> 4,IG> >6>!Q$I@> '+7+& Estrutura de controle do filtro '+7+5 @onsiderações so0re o filtro de sa2da e o sistema de controle '+7+7 Cesultados experimentais '+; !IA,C>$ HVCID>$


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CAPT2*O 1

FATOR DE POTÊNCIA E DISTORÇÃO HARMÔNICA

Fator de Potência

@onsideremos% para efeito das definições posteriores o es1uema da figura &+&+

!igura &+& @ircuito genérico utili3ado nas definições de !/ e tri:ngulo de potência+

Definição de Fator de Potênia

!ator de potência é definido como a relação entre a potência ativa e a potência aparenteconsumidas por um dispositivo ou e1uipamento% independentemente das formas 1ue asondas de tensão e corrente apresentem+ >s sinais variantes no tempo devem ser

peri.dicos e de mesma fre1uência+

J&+&K

Ca!o "# Ten!ão e orrente !enoidai!

Em um sistema com ;ormas de onda senoidais% a e1uação &+& torna-se igual aocosseno da defasagem entre as ondas de tensão e de corrente JφK+ 4nalisando em termosdas componentes ativa% reativa e aparente da energia% pode-se% a partir de uma descriçãogeométrica destas componentes% mostrada na figura &+&% determinar o fator de potência

como

J&+5K

4 figura &+5 mostra sinais deste tipo% com defasagem nula+ > produto das sen.ides d8como resultado o valor instant:neo da potência+ > valor médio deste produto é a

potência ativa% e tam0ém est8 indicada na figura+ Em torno deste valor médio flutua osinal da potência instant:nea+ > valor de pico deste sinal é numericamente igual ?

potência aparente+ Ruando a defasagem é nula o produto Jpotência instant:neaK ser8sempre maior ou igual a 3ero+


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@onsiderando os valores utili3ados na figura% os valores de pico das ondas senoidais sãode 5NNG e &NN4% o 1ue condu3 a valores efica3es de &;&%;G e 'N%'4% respectivamente+> valor calculado da potência aparente é de &NXY+ Estes resultados são consistentescom os o0tidos pela figura &+5+

4 figura &+7 mostra situação semelhante mas com uma defasagem de )N graus entre ossinais+ 4 potência instant:nea apresenta-se com um valor médio Jcorrespondente ? potência ativaK nulo% como é de se esperar+ 4 amplitude da onda de potência énumericamente igual ? potência aparente+

6a figura &+; tem-se uma situação intermedi8ria% com uma defasagem de ;< graus+ 6este caso a potência instant:nea assume valores positivos e negativos% mas seu valormédio J1ue corresponde ? potência ativaK é positivo+ tili3ando a e1uação J&+5K% a

potência ativa ser8 de '%N'XY% o 1ue e1uivale ao valor indicado na figura+

!igura &+5 /otência com sinais senoidais em fase+

!igura &+7 /otência em sinais senoidais defasados de )N graus+


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!igura &+; /otência em sinais senoidais+

Ca!o $# Ten!ão !enoida% e orrente di!torida

Ruando apenas a tensão de entrada for senoidal% o !/ é expresso por

J&+7K

4 figura &+< mostra uma situação em 1ue se tem uma corrente 1uadrada Jt2pica% porexemplo% de retificador monof8sico com filtro indutivo no lado ccK+ >0serve 1ue a

potência instant:nea não é mais uma onda senoidal com o do0ro da fre1Fência dasen.ide+ 6este caso espec2fico ela aparece como uma sen.ide retificada+

6este caso% a potência ativa de entrada é dada pelo produto da tensão JsenoidalK portodas as componentes harmônicas da corrente Jnão-senoidalK+ Este produto é nulo paratodas as harmônicas exceto para a fundamental% devendo-se ponderar tal produto pelocosseno da defasagem entre a tensão e a primeira harmônica da corrente+ Desta forma% ofator de potência é expresso como a relação entre o valor C$ da componentefundamental da corrente e a corrente C$ de entrada% multiplicado pelo cosseno dadefasagem entre a tensão e a primeira harmônica da corrente+

>s valores efica3es de tensão e de corrente são% respectivamente% &;&%;G e &NN4+ Aogo%a potência aparente é de &;%&;XY+ 6o entanto% a potência média é de &5%'XY+ Este valor corresponde ao produto dos valor efica3 da tensão pelo valor efica3 da componentefundamental da onda de corrente% *8 1ue a defasagem é nula+ > valor de pico dacomponente fundamental é de &5'%7 4% correspondendo a um valor efica3 de )N 4+

4 figura &+= mostra uma decomposição da onda 1uadrada% indicando as componentesharmônicas Jaté a de sétima ordemK+ 6ote 1ue se for feito o produto da ondafundamental por 1ual1uer das harmônicas% o valor médio ser8 nulo% uma ve3 1ue sealternarão intervalos positivos e negativos de mesma 8rea+


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!igura &+< /otência em sistema com tensão senoidal e corrente não-senoidal+

!igura &+= Decomposição harmônica Jsérie de !ourierK de onda 1uadrada+

4 figura &+' mostra uma situação em 1ue a corrente est8 "defasada" da tensão+ estaforma de onda é t2pica% por exemplo% de retificadores controlados JtiristoresK% com filtroindutivo no lado cc+ 6esta situação% a componente fundamental da corrente J1ue est8"em fase" com a onda 1uadradaK apresenta uma defasagem de 7= graus em relação ao

sinal de tensão+ !a3endo o c8lculo do !/ pela e1uação J&+7K chega-se ao valor de &N%7XY% 1ue corresponde ao valor o0tido da figura+ 6ote 1ue não h8 alteração no valor da

potência aparente+


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!igura &+' /otência com onda de corrente não-senoidal+

4 relação entre as correntes é chamada de fator de forma e o termo em cosseno échamado de fator de deslocamento

/or sua ve3% o valor C$ da corrente de entrada tam0ém pode ser expresso em funçãodas componentes harmônicas

J&+;K

Define-se a ,axa de Distorção Harmônica J,DHK como sendo a relação entre o valorC$ das componentes harmônicas da corrente e a fundamental

J&+


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Ca!o Ten!ão e orrente não'!enoidai!( )a! de )e!)afre*+ênia,

> c8lculo do !/% neste caso% deve seguir a e1uação J&+&K% ou se*a% é necess8rio o0ter ovalor médio do produto dos sinais a fim de se conhecer a potência ativa+ 6um caso

genérico% tanto a componente fundamental 1uanto as harmônicas podem produ3ir potência% desde 1ue existam as mesmas componentes espectrais na tensão e na corrente%e 1ue sua defasagem não se*a )N graus+

4 figura &+( mostra sinais de tensão e de corrente 1uadrados e "defasados"+ >s valoresefica3es são% respectivamente% 5NN G e &NN 4+ > 1ue leva a uma potência aparente de5NXY+

>s valores efica3es das componentes fundamentais são% respectivamente% &(N G e )N 4+4 defasagem entre elas é de 7= graus+ $e o c8lculo da potência ativa for feitoconsiderando apenas estes componentes% o valor o0tido ser8 de &7%& XY+ 6o entanto% a

potência média o0tida da figura% e 1ue corresponde ? potência ativa% é de &&%) XY+ >motivo da discrep:ncia é devido ao valor médio a ser produ3ido por cada componenteharmônica presente tanto na tensão 1uanto na corrente+ Galores médios negativos são

poss2veis desde 1ue a defasagem entre os sinais se*a superior a )N graus+ S o 1ue ocorreneste exemplo% levando a uma potência ativa menor do 1ue a1uela 1ue seria produ3idase apenas as componentes fundamentais estivessem presentes+

!igura &+( /otência para formas de onda 1uais1uer+

esaixo ;ator de potência ?FP@ e da atadistorção da corrente

Esta an8lise é feita partindo-se de 5 situações+ 6a primeira supõe-se constante a potência ativa% ou se*a% parte-se de uma instalação ou carga dada% a 1ual precisa seralimentada+ Gerificam-se algumas conse1Fências do 0aixo !/+ 6a segunda situação%analisando a partir dos limites de uma linha de transmissão% verifica-se o ganho nadisponi0ili3ação de energia para o consumo+


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/odem ser citadas como desvantagens de um 0aixo !/ e elevada distorção% dentreoutros% os seguintes fatos

• 4 m8xima potência ativa a0sorv2vel da rede é fortemente limitada pelo !/Z

• 4s harmônicas de corrente exigem um so0redimensionamento da instalaçãoelétrica e dos transformadores% além de aumentar as perdas Jefeito pelicularKZ

• 4 componente de 7a harmônica da corrente% em sistema trif8sico com neutro% pode ser muito maior do 1ue o normalZ

• > achatamento da onda de tensão% devido ao pico da corrente% além da distorçãoda forma de onda% pode causar mau-funcionamento de outros e1uipamentosconectados ? mesma redeZ

• 4s componentes harmônicas podem excitar resson:ncias no sistema de potência%levando a picos de tensão e de corrente% podendo danificar dispositivosconectados ? linha+

Perda!

4s perdas de transmissão de energia elétrica são proporcionais ao 1uadrado da correnteefica3 1ue circula pelos condutores+ 4ssim% para uma dada potência ativa% 1uanto menor for o !/% maior ser8 a potência reativa e% conse1Fentemente% a corrente peloscondutores+ 4 figura &+) mostra o aumento das perdas em função da redução do !/+

!igura &+) 4umento das perdas devido ? redução do !/ Jcom potência ativa constanteK+

4 ta0ela I+& mostra um exemplo de redução de perdas devido ? elevação do !/+ ,oma-secomo exemplo uma instalação com consumo anual de 5NNYh% na 1ual supõe-se uma

perda de


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individualmente ou apenas na entrada de uma instalação+ 4 referência ]&+5^ estuda ocaso de um edif2cio comercial com uma instalação de =N XG4+ Gerifica o efeito de umacompensação em 1uatro situações Jem termos do posicionamento do compensadorK no

prim8rio do transformadorZ no secund8rio do transformador de entrada Jo 1ue elimina as perdas adicionais neste elementoKZ em centrais de cargas Jsu0-painéisKZ e em cada carga+

4 compensação em cada carga fa3 com 1ue a corrente 1ue circula em todo o sistemase*a praticamente senoidal J!/_&K+ !a3endo-se a compensação de um grupo de cargas%as harmônicas circulação por trechos redu3idos de ca0os+ @om a compensação nosecund8rio do transformador% a corrente ser8 distorcida em toda a instalação% mas não notransformador+ @om uma compensação na entrada% apenas o fornecedor de energia ser8

0eneficiado+

4 ta0ela I+5 mostra resultados deste estudo+

,a0ela I+5 Economia JpotencialK de energia com compensação de harmônicos em

diferentes alocações

/osicionamento da compensação/rim8riotrafo deentrada

$ecund8riotrafo deentrada

@entralde cargas

E1uipa-mento

/erdas totais sem compensação JYK (&;( (&;( (&;( (&;(

/erdas totais com compensação JYK (&5<


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!igura &+&N Efeito do aumento do !/ na ampliação da disponi0ilidade de potência ativa+

ma an8lise an8loga pode ser feita em termos de uma instalação existente% a 1ual poderia ser utili3ada para alimentação de uma carga de maior potência% ou para uma1uantidade maior de cargas+

@onsideremos a1ui aspectos relacionados com o est8gio de entrada de fontes dealimentação+ 4s tomadas da rede elétrica doméstica ou industrial possuem uma correnteJC$K m8xima 1ue pode ser a0sorvida Jtipicamente & espectro da corrente mostra oelevado conte9do harmônico+

!igura &+&& @orrente de entrada e tensão de alimentação de retificador alimentandofiltro capacitivo+ Espectro da corrente+

,a0ela &+7 @omparação da potência ativa de sa2da

@onvencional /! corrigido

/otência dispon2vel &;;N G4 &;;N G4

!ator de potência N%=< N%))Eficiência do corretor de !/ &NN[ )


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]&+&^ "anual de orientação aos consumidores so0re a nova legislação para ofaturamento de energia reativa excedente"+ $ecretaria executiva do @omitê deDistri0uição de Energia Elétrica - @>DI% Cio de Baneiro% &))utu0ro de&)) consumo de reativos além do

permitido JN%;5< G4rh por cada YhK é co0rado do consumidor+ 6o intervalo entre = e5; horas isto ocorre se a energia reativa a0sorvida for indutiva e das N ?s = horas% se forcapacitiva+

@onforme foi visto anteriormente% as componentes harmônicas da corrente tam0émcontri0uem para o aumento da corrente efica3% de modo 1ue elevam a potência aparentesem produ3ir potência ativa Jsupondo a tensão senoidalK+ 4ssim% uma correta mediçãodo !/ deve levar em conta a distorção da corrente% e não apenas a componente reativaJna fre1Fência fundamentalK+

"orma #EC 188): *imites para emissão de

Darmônicas de corrente ?17 A por ;ase@

Esta norma ]5+5^ refere-se ?s limitações das harmônicas de corrente in*etadas na rede p90lica de alimentação+ 4plica-se a e1uipamentos elétricos e eletrônicos 1ue tenhamuma corrente de entrada de até &= 4 por fase% conectado a uma rede p90lica de 0aixatensão alternada% de s e1uipamentos são classificados em ; classes

Classe A E1uipamentos com alimentação trif8sica e1uili0rada e todos os demais nãoinclu2dos nas classes seguintes+


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Classe B !erramentas port8teis+

Classe C Dispositivos de iluminação% incluindo reguladores de intensidade JdimmerK+

Classe D E1uipamento 1ue possua uma corrente de entrada com a forma mostrada na

figura 5+&+ 4 potência ativa de entrada deve ser inferior a =NNY% medida esta feitao0edecendo ?s condições de ensaio esta0elecidas na norma J1ue variam de acordo como tipo de e1uipamentoK+ m e1uipamento é inclu2do nesta classe se a corrente deentrada% em cada semi-per2odo% se encontra dentro de um envelope como mostrado nafig+ &+5% num intervalo de pelo menos )


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B8 para as harmônicas pares entre a 5a e a &Na e as 2mpares entre a 7a e a &)a% valores até&%< ve3es os dados pela ta0ela são admiss2veis para cada harmônica% desde 1ueapareçam em um intervalo m8ximo de &< segundos JacumuladoK% em um per2odo deo0servação de 5 minutos e meio+

>s valores limites para a classe são os mesmos da classe 4% acrescidos de rdem da Harmônican

Casse A8xima

corrente ]4^

Casse -8xima

corrente]4^

Casse CJ5


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Esta recomendação Jnão é uma normaK produ3ida pelo IEEE ]5+;^ descreve os principais fenômenos causadores de distorção harmônica% indica métodos de medição elimites de distorção+ $eu enfo1ue é diverso da1uele da IE@% uma ve3 1ue os limitesesta0elecidos referem-se aos valores medidos no /onto de 4coplamento @omum J/4@K%e não em cada e1uipamento individual+ 4 filosofia é 1ue não interessa ao sistema o 1ue

ocorre dentro de uma instalação% mas sim o 1ue ela reflete para o exterior% ou se*a% paraos outros consumidores conectados ? mesma alimentação+

>s limites diferem de acordo com o n2vel de tensão e com o n2vel de curto-circuito do/4@+ >0viamente% 1uanto maior for a corrente de curto-circuito JIccK em relação ?corrente de carga% maiores são as distorções de corrente admiss2veis% uma ve3 1ue elasdistorcerão em menor intensidade a tensão no /4@+ U medida 1ue se eleva o n2vel detensão menores são os limites aceit8veis+

4 grande3a ,DD J,otal Demand DistortionK é definida como a distorção harmônica dacorrente% em [ da m8xima demanda da corrente de carga demanda de &< ou 7N

minutos+ Isto significa 1ue a medição da ,DD deve ser feita no pico de consumo+

Harmônicas pares são limitadas a 5


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Harmônica 2mpares

Icc\Io P&& &&PnP&' &'PnP57 57PnP7< 7


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maiores correntesK e maior comprimento Ja fim de suportar tensões mais elevadasK+ 4figura 7+& mostra% simplificadamente% a estrutura interna de um diodo+

!igura 7+& Estrutura 08sica de um diodo semicondutor

4plicando-se uma tensão entre as regiões / e 6% a diferença de potencial aparecer8 naregião de transição% uma ve3 1ue a resistência desta parte do semicondutor é muitomaior 1ue a do restante do componente Jdevido ? concentração de portadoresK+

Ruando se polari3a reversamente um diodo% ou se*a% se aplica uma tensão negativa noanodo Jregião /K e positiva no catodo Jregião 6K% mais portadores positivos JlacunasKmigram para o lado 6% e vice-versa% de modo 1ue a largura da região de transiçãoaumenta% elevando a 0arreira de potencial+

/or difusão ou efeito térmico% uma certa 1uantidade de portadores minorit8rios penetrana região de transição+ $ão% então% acelerados pelo campo elétrico% indo até a outraregião neutra do dispositivo+ Esta corrente reversa independe da tensão reversa aplicada%variando% 0asicamente% com a temperatura+

$e o campo elétrico na região de transição for muito intenso% os portadores em tr:nsitoo0terão grande velocidade e% ao se chocarem com 8tomos da estrutura% produ3irão novos

portadores% os 1uais% tam0ém acelerados% produ3irão um efeito de avalanche+ Dado o

aumento na corrente% sem redução significativa na tensão na *unção% produ3-se um picode potência 1ue destr.i o componente+

ma polari3ação direta leva ao estreitamento da região de transição e ? redução da 0arreira de potencial+ Ruando a tensão aplicada superar o valor natural da 0arreira% cercade N%'G para diodos de $i% os portadores negativos do lado 6 serão atra2dos pelo

potencial positivo do anodo e vice-versa% levando o componente ? condução+

6a verdade% a estrutura interna de um diodo de potência é um pouco diferente destaapresentada+ Existe uma região 6 intermedi8ria% com 0aixa dopagem+ > papel destaregião é permitir ao componente suportar tensões mais elevadas% pois tornar8 menor o

campo elétrico na região de transição J1ue ser8 mais larga% para manter o e1uil20rio decargaK+


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Esta região de pe1uena densidade de dopante dar8 ao diodo uma significativacaracter2stica resistiva 1uando em condução% a 1ual se torna mais significativa 1uantomaior for a tensão suport8vel pelo componente+ 4s camadas 1ue fa3em os contatosexternos são altamente dopadas% a fim de fa3er com 1ue se o0tenha um contato comcaracter2stica ôhmica e não semi-condutor+

> contorno arredondado entre as regiões de anodo e catodo tem como função criarcampos elétricos mais suaves Jevitando o efeito de pontasK+

6o estado 0lo1ueado% pode-se analisar a região de transição como um capacitor% cu*acarga é a1uela presente na pr.pria região de transição+

6a condução não existe tal carga% no entanto% devido ? alta dopagem da camada /% pordifusão% existe uma penetração de lacunas na região 6-+ 4lém disso% ? medida 1uecresce a corrente% mais lacunas são in*etadas na região 6-% fa3endo com 1ue elétronsvenham da região 6 para manter a neutralidade de carga+ Desta forma% cria-se uma

carga espacial no catodo% a 1ual ter8 1ue ser removida Jou se recom0inarK para permitira passagem para o estado 0lo1ueado do diodo+

> comportamento din:mico de um diodo de potência é% na verdade% muito diferente dode uma chave ideal% como se pode o0servar na figura 7+5+ $uponha-se 1ue se aplica umatensão vi ao diodo% alimentando uma carga resistiva Jcargas diferentes poderão alteraralguns aspectos da forma de ondaK+

Durante t&% remove-se a carga acumulada na região de transição+ @omo ainda não houvesignificativa in*eção de portadores% a resistência da região 6- é elevada% produ3indo um

pico de tensão+ Indut:ncias parasitas do componente e das conexões tam0ém cola0oramcom a so0re-tensão+ Durante t5 tem-se a chegada dos portadores e a redução da tensão

para cerca de &G+ Estes tempos são% tipicamente% da ordem de centenas de ns+

6o desligamento% a carga espacial presente na região 6- deve ser removida antes 1ue se possa reiniciar a formação da 0arreira de potencial na *unção+ En1uanto houver portadores transitando% o diodo se mantém em condução+ 4 redução em Gon se deve ?diminuição da 1ueda ôhmica+ Ruando a corrente atinge seu pico negativo é 1ue foiretirado o excesso de portadores% iniciando-se% então% o 0lo1ueio do diodo+ 4 taxa devariação da corrente% associada ?s indut:ncias do circuito% provoca uma so0re-tensãonegativa+

Diodos r8pidos possuem trr da ordem de% no m8ximo% poucos micro-segundos% en1uantonos diodos normais é de de3enas ou centenas de micro-segundos+

> retorno da corrente a 3ero% ap.s o 0lo1ueio% devido ? sua elevada derivada e ao fatode% neste momento% o diodo *8 estar desligado% é uma fonte importante de so0retensões

produ3idas por indut:ncias parasitas associadas aos componentes por onde circula talcorrente+ 4 fim de minimi3ar este fenômeno foram desenvolvidos os diodos "soft-recoverb"% nos 1uais esta variação de corrente é suavi3ada% redu3indo os picos de tensãogerados+

Em aplicações nas 1uais o diodo comuta so0 tensão nula não se o0serva o fenômeno darecom0inação reversa+


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!igura 7+5+ Estrutura t2pica de diodo de potência+e!ormas de onda t2picas de comutação de diodo de potência+

Tiristor

> nome tiristor englo0a uma fam2lia de dispositivos semicondutores 1ue operam emregime chaveado% tendo em comum uma estrutura de ; camadas semicondutoras numase1uência p-n-p-n% apresentando um funcionamento 0iest8vel+

> tiristor de uso mais difundido é o $@C JCetificador @ontrolado de $il2cioK%usualmente chamado simplesmente de tiristor+ >utros componentes% no entanto%

possuem 0asicamente uma mesma estrutura A4$@C J$@C ativado por lu3K% tam0émchamado de A,, JAight ,riggered ,hbristorK% ,CI4@ Jtiristor triodo 0idirecionalK%DI4@ Jtiristor diodo 0idirecionalK% #,> Jtiristor comut8vel pela portaK% @, J,iristorcontrolado por >$K+

Prin6-io de f+niona)ento

> tiristor é formado por 1uatro camadas semicondutoras% alternadamente p-n-p-n% possuindo 7 terminais anodo e catodo% pelos 1uais flui a corrente% e a porta (ou gate)1ue% a uma in*eção de corrente% fa3 com 1ue se esta0eleça a corrente an.dica+ 4 figura7+7 ilustra uma estrutura simplificada do dispositivo+

$e entre anodo e catodo tivermos uma tensão positiva% as *unções B& e B7 estarãodiretamente polari3adas% en1uanto a *unção B5 estar8 reversamente polari3ada+ 6ãohaver8 condução de corrente até 1ue a tensão GaX se eleve a um valor 1ue provo1ue aruptura da 0arreira de potencial em B5 ]7+&^+

$e houver uma tensão GgX positiva% circular8 uma corrente através de B7% com

portadores negativos indo do catodo para a porta+ /or construção% a camada / ligada ? porta é suficientemente estreita para 1ue parte destes elétrons 1ue cru3am B7 possuam


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energia cinética suficiente para vencer a 0arreira de potencial existente em B5% sendoentão atra2dos pelo anodo+

!igura 7+7 !uncionamento 08sico do tiristor e seu s2m0olo+

Desta forma% a *unção reversamente polari3ada tem sua diferença de potencialdiminu2da e esta0elece-se uma corrente entre anodo e catodo% 1ue poder8 persistirmesmo na ausência da corrente de porta+

Ruando a tensão GaX for negativa% B& e B7 estarão reversamente polari3adas% en1uantoB5 estar8 diretamente polari3ada+ ma ve3 1ue a *unção B7 intermedia regiões de altadopagem% ela não é capa3 de 0lo1uear tensões elevadas% de modo 1ue ca0e ? *unção B&manter o estado de 0lo1ueio do componente+

S comum fa3er-se uma analogia entre o funcionamento do tiristor e o de uma associaçãode dois transistores% conforme mostrado na figura 7+;+


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!igura 7+; 4nalogia entre tiristor e transistores

Ruando uma corrente Ig positiva é aplicada% Ic5 e IX crescerão+ @omo Ic5 I0&% ,&condu3ir8 e teremos I05Ic& Ig% 1ue aumentar8 Ic5 e assim o dispositivo evoluir8 atéa saturação% mesmo 1ue Ig se*a retirada+ ,al efeito cumulativo ocorre se os ganhos dos

transistores forem maior 1ue &+ > componente se manter8 em condução desde 1ue% ap.so processo din:mico de entrada em condução% a corrente de anodo tenha atingido umvalor superior ao limite IA% chamado de corrente de "latching"+

/ara 1ue o tiristor deixe de condu3ir é necess8rio 1ue a corrente por ele caia a0aixo dovalor m2nimo de manutenção JIHK% permitindo 1ue se resta0eleça a 0arreira de potencialem B5+ /ara a comutação do dispositivo não 0asta% pois% a aplicação de uma tensãonegativa entre anodo e catodo+ ,al tensão reversa apressa o processo de desligamento

por deslocar nos sentidos ade1uados os portadores na estrutura cristalina% mas nãogarante% so3inha% o desligamento+

Devido a caracter2sticas construtivas do dispositivo% a aplicação de uma polari3açãoreversa do terminal de gate não permite a comutação do $@C+ Este ser8 umcomportamento dos #,>s% como se ver8 adiante+

Maneira! de di!-arar +) tiri!tor

/odemos considerar cinco maneiras distintas de fa3er com 1ue um tiristor entre emconducão

a) Tensão

Ruando polari3ado diretamente% no estado desligado% a tensão de polari3ação é aplicadaso0re a *unção B5+ > aumento da tensão GaX leva a uma expansão da região de transiçãotanto para o interior da camada do gate 1uanto para a camada 6 ad*acente+ esmo naausência de corrente de gate% por efeito térmico% sempre existirão cargas livre 1ue

penetram na região de transição Jno caso% elétronsK% as 1uais são aceleradas pelo campoelétrico presente em B5+ /ara valores elevados de tensão Je% conse1uentemente% decampo elétricoK% é poss2vel iniciar um processo de avalanche% no 1ual as cargasaceleradas% ao chocarem-se com 8tomos vi3inhos% provo1uem a expulsão de novos

portadores% os 1uais reprodu3em o processo+ ,al fenômeno% do ponto de vista docomportamento do fluxo de cargas pela *unção B5% tem efeito similar ao de uma in*eção

de corrente pelo gate% de modo 1ue% se ao se iniciar a passagem de corrente for atingidoo limiar de IA% o dispositivo se manter8 em condução+

b) Ação da corrente positiva de porta

$endo o disparo através da corrente de porta a maneira mais usual de ser ligado otiristor% é importante o conhecimento dos limites m8ximos e m2nimos para a tensão GgXe a corrente Ig% como mostrados na figura 7+=+

> valor Ggm indica a m2nima tensão de gate 1ue garante a condução de todos oscomponentes de um dado tipo% na m2nima temperatura especificada+


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> valor Ggo é a m8xima tensão de gate 1ue garante 1ue nenhum componente de umdado tipo entrar8 em condução% na m8xima temperatura de operação+

4 corrente Igm é a m2nima corrente necess8ria para garantir a entrada em condução de1ual1uer dispositivo de um certo tipo% na m2nima temperatura+

/ara garantir a operação correta do componente% a reta de carga do circuito deacionamento deve garantir a passagem além dos limites Ggm e Igm% sem exceder osdemais limites Jtensão% corrente e potência m8ximasK+

!igura 7+< @aracter2stica est8tica do tiristor+

!igura 7+= @ondições para disparo de tiristor através de controle pela porta+

c) Taxa de crescimento da tensão direta

Ruando reversamente polari3adas% a 8rea de transição de uma *unção comporta-se demaneira similar a um capacitor% devido ao campo criado pela carga espacial+@onsiderando 1ue praticamente toda a tensão est8 aplicada so0re a *unção B5 J1uando o$@C estiver desligado e polari3ado diretamenteK% a corrente 1ue atravessa tal *unção édada por


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J7+&K

>nde @ * é a capacit:ncia da *unção+

Ruando GaX cresce% a capacit:ncia diminui% uma ve3 1ue a região de transição aumentade largura+ Entretanto% se a taxa de variação da tensão for suficientemente elevada% acorrente 1ue atravessar8 a *unção pode ser suficiente para levar o tiristor ? condução+

ma ve3 1ue a capacit:ncia cresce com o aumento da 8rea do semicondutor% oscomponentes para correntes mais elevadas tendem a ter um limite de dv\dt menor+>0serve-se 1ue a limitação di3 respeito apenas ao crescimento da tensão direta JGaX NK+ 4 taxa de crescimento da tensão reversa não é importante% uma ve3 1ue as correntes1ue circulam pelas *unções B& e B7% em tal situação% não tem a capacidade de levar otiristor a um estado de condução+

@omo se ver8 adiante% utili3am-se circuitos C@ em paralelo com os tiristores com oo0*etivo de limitar a velocidade de crescimento da tensão direta so0re eles+

d) Temperatura

4 altas temperaturas% a corrente de fuga numa *unção p-n reversamente polari3ada do0raaproximadamente com o aumento de (o @+ 4ssim% a elevação da temperatura pode levara uma corrente através de B5 suficiente para levar o tiristor ? condução+

e) Energia radiante

Energia radiante dentro da 0anda espectral do sil2cio% incidindo e penetrando no cristal% produ3 consider8vel 1uantidade de pares elétron-lacuna% aumentando a corrente de fugareversa% possi0ilitando a condução do tiristor+ Este tipo de acionamento é o utili3ado nosA4$@C% cu*a aplicação principal é em sistemas 1ue operam em elevado potencial% ondea isolação necess8ria s. é o0tida por meio de acoplamentos .ticos+

Par7)etro! 89!io! de tiri!tore!

4presentaremos a seguir alguns par:metros t2picos de tiristores e 1ue caracteri3am

condições limites para sua operação ]7+5^+ 4lguns *8 foram apresentados e comentadosanteriormente e serão% pois% apenas citados a1ui+

aK ,ensão direta de ruptura JG>K

0K 8xima tensão reversa JGCK

cK 8xima corrente de anodo JIa maxK pode ser dada como valor C$% médio% de picoe\ou instant:neo+

dK 8xima temperatura de operação J,* maxK temperatura acima da 1ual% devido a um

poss2vel processo de avalanche% pode haver destruição do cristal+


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eK Cesistência térmica JCthK é a diferença de temperatura entre 5 pontos especificadosou regiões% dividido pela potência dissipada so0 condições de e1uil20rio térmico+ S umamedida das condições de fluxo de calor do cristal para o meio externo+

fK @aracter2stica I5t é o resultado da integral do 1uadrado da corrente de anodo num

determinado intervalo de tempo% sendo uma medida da m8xima potência dissip8vel pelodispositivo+ S dado 08sico para o pro*eto dos circuitos de proteção+

gK 8xima taxa de crescimento da tensão direta GaX Jdv\dtK+

hK 8xima taxa de crescimento da corrente de anodo Jdi\dtK fisicamente% o in2cio do processo de condução de corrente pelo tiristor ocorre no centro da pastilha de sil2cio% aoredor da região onde foi constru2da a porta% espalhando-se radialmente até ocupar toda asuperf2cie do catodo% ? medida 1ue cresce a corrente+ as se a corrente crescer muitorapidamente% antes 1ue ha*a a expansão necess8ria na superf2cie condutora% haver8 umexcesso de dissipação de potência na 8rea de condução% danificando a estrutura

semicondutora+ Este limite é ampliado para tiristores de tecnologia mais avançadafa3endo-se a interface entre gate e catodo com uma maior 8rea de contato% por exemplo%interdigitando" o gate+ 4 figura 7+' ilustra este fenômeno+

iK @orrente de manutenção de condução JIHK a m2nima corrente de anodo necess8ria para manter o tiristor em condução+

*K @orrente de disparo JIAK m2nima corrente de anodo re1uerida para manter o $@Cligado imediatamente ap.s ocorrer a passagem do estado desligado para o ligado e serremovida a corrente de porta+

XK ,empo de disparo JtonK é o tempo necess8rio para o tiristor sair do estado desligadoe atingir a plena condução+

lK ,empo de desligamento JtoffK é o tempo necess8rio para a transição entre o estado decondução e o de 0lo1ueio+ S devido a fenômenos de recom0inação de portadores nomaterial semicondutor+

mK @orrente de recom0inação reversa JIr1mK valor de pico da corrente reversa 1ueocorre durante o intervalo de recom0inação dos portadores na *unção+

4 figura 7+( ilustra algumas destas caracter2sticas+


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!igura 7+' Expansão da 8rea de condução do tiristor a partir das vi3inhanças da regiãode gate+

!igura 7+( @aracter2sticas do tiristor

Cir+ito! de e:itação do ;ate

a) Condução

@onforme foi visto% a entrada em condução de um tiristor é controlada pela in*eção deuma corrente no terminal da porta% devendo este impulso estar dentro da 8rea delimitada

pela figura 7+=+ /or exemplo% para um dispositivo 1ue deve condu3ir &NN 4% umacionador 1ue forneça uma tensão GgX de =G com imped:ncia de sa2da &5 ohms é

ade1uado+ 4 duração do sinal de disparo deve ser tal 1ue permita ? corrente atingir IA 1uando% então% pode ser retirada+

>0servamos ser 0astante simples o circuito de disparo de um $@C e% dado o alto ganhodo dispositivo% as exigências 1uando ao acionamento são m2nimas+

b) Comutação

$e% por um lado% é f8cil a entrada em condução de um tiristor% o mesmo não se podedi3er de sua comutação+ Aem0ramos 1ue a condição de desligamento é 1ua a correntede anodo fi1ue a0aixo do valor IH+ $e isto ocorrer% *untamente com a aplicação de umatensão reversa% o 0lo1ueio se dar8 mais rapidamente+


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6ão existe uma maneira de se desligar o tiristor através de seu terminal de controle%sendo necess8rio algum arran*o ao n2vel do circuito de anodo para redu3ir a corrente

principal+

0+&K @omutação 6atural

S utili3ada em sistemas de ca nos 1uais% em função do car8ter ondulat.rio da tensão deentrada% em algum instante a corrente tender8 a se inverter e ter8% assim% seu valordiminu2do a0aixo de IH% desligando o tiristor+ Isto ocorrer8 desde 1ue% num intervaloinferior a toff % não cresça a tensão direta GaX% o 1ue poderia lev8-lo novamente ?condução+

4 figura 7+(+& mostra um circuito de um controlador de tensão ca% alimentando umacarga CA% 0em como as respectivas formas de onda+ >0serve 1ue 1uando a corrente seanula a tensão so0re a carga se torna 3ero% indicando 1ue nenhum dos $@Cs est8 emcondução+

!igura 7+(+& @ontrolador de tensão ca com carga CA e formas de onda t2picas+

0+5K @omutação por resson:ncia da carga

Em algumas aplicações espec2ficas% é poss2vel 1ue a carga% pela sua din:mica pr.pria%faça com 1ue a corrente tenda a se inverter% fa3endo o tiristor desligar+ Isto ocorre% porexemplo% 1uando existem capacit:ncias na carga as 1uais% ressoando com as indut:nciasdo circuito produ3em um aumento na tensão ao mesmo tempo em 1ue redu3em acorrente+ @aso a corrente se torne menor do 1ue a corrente de manutenção e o tiristor

permaneça reversamente polari3ado pelo tempo suficiente% haver8 o seu desligamento+4 tensão de entrada pode ser tanto ca 1uanto cc+ 4 figura 7+(+5 ilustra talcomportamento+ >0serve 1ue en1uanto o tiristor condu3 a tensão de sa2da% voJtK é igual? tensão de entrada+ Ruando a corrente se anula e $& desliga% o 1ue se o0serva é a tensãoimposta pela carga ressonante+


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!igura 7+(+5 @ircuito e formas de onda de comutação por resson:ncia da carga+

0+7K @omutação forçada

S utili3ada em circuitos com alimentação cc e nos 1uais não ocorre reversão no sentidoda corrente de anodo+

4 idéia 08sica deste tipo de comutação é oferecer ? corrente de carga um caminhoalternativo ao tiristor% en1uanto se aplica uma tensão reversa so0re ele% desligando-o+

4ntes do surgimento dos #,>s% este foi um assunto muito discutido% 0uscando-setopologias eficientes+ @om o advento dos dispositivos com comutação pelo gate% os$@Cs tiveram sua aplicação concentrada nas aplicações nas 1uais ocorrem comutaçãonatural ou pela carga+

4 figura 7+(+7 mostra um circuito para comutação forçada de $@C e as formas de ondat2picas+ 4 figura 7+(+; mostra detalhes de operação do circuito auxiliar de comutação+

Em um tempo anterior a to% a corrente da carga Jsuposta 1uase constante% devido ?elevada constante de tempo do circuito CAK passa pelo diodo de circulação+ 4 tensãoso0re o capacitor é negativa% com valor igual ao da tensão de entrada+

Em t& o tiristor principal% $p% é disparado% conectando a fonte ? carga% levando o diodoDf ao desligamento+ 4o mesmo tempo surge uma malha formada por $p% @r% D5 e Ar% a1ual permite a ocorrência de uma resson:ncia entre @r e Ar% levando ? inversão na

polaridade da tensão do capacitor+ Em t& a tensão atinge seu m8ximo e o diodo D5desliga Jpois a corrente se anulaK+ > capacitor est8 preparado para reali3ar a comutaçãode $p+

Ruanto o tiristor auxiliar% $a% é disparado% em t5% a corrente da carga passa a serfornecida através do caminho formado por Ar% $a e @r% levando a corrente por $p a 3ero%ao mesmo tempo em 1ue se aplica uma tensão reversa so0re ele% de modo a deslig8-lo+

@ontinua a haver corrente por @r% a 1ual% em t7% se torna igula ? corrente da carga%fa3endo com 1ue a variação de sua tensão assuma uma forma linear+ Esta tensão cresceJno sentido negativoK até levar o diodo de circulação ? condução% em t;+ @omo ainda

existe corrente pelo indutor Ar% ocorre uma pe1uena oscilação na malha Ar% $a% @r e D5


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e% 1uando a corrente por $a se anula% o capacitor se descarrega até a tensão Gcc namalha formada por @r% D&% Ar% fonte e Df+

!igura 7+(+7 ,opologia com comutação forçada de $@C e formas de onda t2picas+

!igura 7+(+; Detalhes das formas de onda durante comutação+

Rede! A)aiadora!

> o0*etivo destas redes é evitar pro0lemas advindos de excessivos valores para dv\dt edi\dt% conforme descrito anteriormente+

a) O problema didt ma primeira medida capa3 de limitar poss2veis danos causados pelo crescimentoexcessivamente r8pido da corrente de anodo é construir um circuito acionador de gateade1uado% 1ue tenha alta derivada de corrente de disparo para 1ue se*a tam0ém r8pida aexpansão da 8rea condutora+

m reator satur8vel em série com o tiristor tam0ém limitar8 o crescimento da correntede anodo durante a entrada em condução do dispositivo+

4lém deste fato tem-se outra vantagem adicional 1ue é a redução da potência dissipada

no chaveamento pois% 1uando a corrente de anodo crescer% a tensão GaX ser8 redu3ida pela 1ueda so0re a indut:ncia+


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> atraso no crescimento da corrente de anodo pode levar ? necessidade de um pulsomais longo de disparo% ou ainda a uma se1uência de pulsos% para 1ue se*a assegurada acondução do tiristor+

b) O problema do dvdt

4 limitação do crescimento da tensão direta GaX % usualmente é feita pelo uso de circuitosC@% C@D% CA@D em paralelo com o dispositivo% como mostrado na figura 7+)+

JaK J0K JcK!igura 7+) @ircuitos amaciadores para dv\dt

6o caso mais simples JaK% 1uando o tiristor é comutado% a tensão GaX segue a din:micadada por C@ 1ue% além disso desvia a corrente de anodo facilitando a comutação+Ruando o $@C é ligado o capacitor descarrega-se% ocasionando um pico de corrente notiristor% limitado pelo valor de C+

6o caso J0K este pico pode ser redu3ido pelo uso de diferentes resistores para os processos de carga e descarga de @+ 6o 7o caso% o pico é limitado por A% o 1ue não tra3eventuais pro0lemas de alto di\dt+ 4 corrente de descarga de @ auxilia a entrada emcondução do tiristor% uma ve3 1ue se soma ? corrente de anodo proveniente da carga+

4 energia acumulada no capacitor é praticamente toda dissipada so0re o resistor dedescarga+

A!!oiação e) Para%e%o de Tiri!tore!

Desde o in2cio da utili3ação do tiristor% em &)


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Existem duas tecnologias 08sicas de construção de tiristores% diferindo 0asicamente no1ue se refere ? região do catodo e sua *unção com a região da porta+ 4 tecnologia dedifusão cria uma região de fronteira entre catodo e gate pouco definida% formando uma

*unção não-uniforme% 1ue leva a uma caracter2stica de disparo Jespecialmente 1uanto aotempo de atraso e ? sensi0ilidade ao disparoK não homogênea+ 4 tecnologia epitaxial

permite fronteiras 0astante definidas% implicando numa maior uniformidade nascaracter2sticas do tiristor+ @onclui-se assim 1ue% 1uando se fa3 uma associação Jsérie ou paralelaK destes dispositivos% é prefer2vel empregar componentes de construção epitaxial]7+7^+

Em ligações paralelas de elementos de 0aixa resistência% um fator cr2tico para adistri0uição de corrente são variações no fluxo concatenado pelas malhas do circuito%dependendo% pois% das indut:ncias das ligações+ >utro fator importante relaciona-se coma caracter2stica do coeficiente negativo de temperatura do dispositivo% ou se*a% umeventual dese1uil20rio de corrente provoca uma elevação de temperatura no $@C 1ue%

por sua ve3% melhora as condições de condutividade do componente% aumentando ainda

mais o dese1uil20rio% podendo lev8-lo ? destruição ]7+;^+

ma primeira precaução para redu3ir estes des0alanceamentos é reali3ar umamontagem de tal maneira 1ue todos os tiristores este*am a uma mesma temperatura% o1ue pode ser feito% por exemplo% pela montagem em um 9nico dissipador+

6o 1ue se refere ? indut:ncia das ligações% a pr.pria disposição dos componentes emrelação ao 0arramento afeta significativamente esta distri0uição de corrente+ 4rran*oscil2ndricos tendem a apresentar um menor dese1uil20rio+

Estado estacionBrio

4lém das considerações *8 feitas 1uanto ? montagem mec:nica% algumas outras providências podem ser tomadas para melhorar o e1uil20rio de corrente nos tiristores

a) !mped"ncia s#rie

4 idéia é adicionar imped:ncias em série com cada componente a fim de limitar oeventual dese1uil20rio+ $e a corrente crescer num ramo% haver8 aumento da tensão% o1ue far8 com 1ue a corrente se distri0ua entre os demais ramos+ > uso de resistoresimplica no aumento das perdas% uma ve3 1ue dado o n2vel elevado da corrente% a

dissipação pode atingir centenas de atts% criando pro0lemas de dissipação e eficiência+>utra alternativa é o uso de indutores lineares+

b) $eatores acoplados

@onforme ilustrado na figura 7+&N% se a corrente por $@C& tende a se tornar maior 1ue por $@C5% uma força contra-eletro-motri3 aparecer8 so0re a indut:ncia% proporcionalmente ao des0alanceamento% tendendo a redu3ir a corrente por $@C7+ 4omesmo tempo uma tensão é indu3ida do outro lado do enrolamento% aumentando acorrente por $@C5+ 4s mais importantes caracter2sticas do reator são alto valor dasaturação e 0aixo fluxo residual% para permitir uma grande excursão do fluxo a cada

ciclo+


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!igura 7+&N E1uali3ação de corrente com reatores acoplados

isparo

H8 duas caracter2sticas do tiristor 0astante importantes para 0oa divisão de correnteentre os componentes no momento em 1ue se deve dar o in2cio da condução o tempo deatraso JtdK e a m2nima tensão de disparo JGonminK+

> tempo de atraso pode ser interpretado como o intervalo entre a aplicação do sinal de porta e a real condução do tiristor+

4 m2nima tensão de disparo é o valor m2nimo da tensão direta entre anodo e catodo com a 1ual o tiristor pode ser ligado por um sinal ade1uado de porta+ Cecorde-se% dacaracter2stica est8tica do tiristor% 1ue 1uanto menor a tensão GaX% maior deve ser acorrente de gate para levar o dispositivo ? condução+

Diferenças em td podem fa3er com 1ue um componente entre em condução antes dooutro+ @om carga indutiva este fato não é tão cr2tico pela inerente limitação de di\dt dacarga% o 1ue não ocorre com cargas capacitivas e resistivas+ 4lém disso% como Gonmin émaior 1ue a 1ueda de tensão direta so0re o tiristor em condução% é poss2vel 1ue nemse*a fact2vel ao outro dispositivo entrar em condução+

Esta situação é cr2tica 1uando se acoplam diretamente os tiristores% sendo minimi3adaatravés dos dispositivos de e1uali3ação *8 descritos e ainda por sinais de porta deduração maior 1ue o tempo de atraso+

esi=amento

Especialmente com carga indutiva% deve-se prever algum tipo de arran*o 1ue consigamanter o e1uil20rio de corrente mesmo 1ue ha*a diferentes caracter2sticas entre ostiristores Jespecialmente relacionadas com os tempos de desligamentoK+ 4 capacit:nciado circuito amaciador limita o des0alanceamento% uma ve3 1ue a0sorve a corrente do

tiristor 1ue começa a desligar+


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Circuito de disparo

4 corrente de porta deve ser alvo de atenções+ > uso de um 9nico circuito de comando para acionar todos os tiristores minimi3a os pro0lemas de tempos de atraso+ 4lém disso%deve-se procurar usar n2veis iguais de corrente e tensão de porta% uma ve3 1ue influem

significativamente no desempenho do disparo+ /ara minimi3ar os efeitos das diferençasnas *unções porta-catodo de cada componente pode-se fa3er uso de um resistor ouindutor em série com a porta% para procurar e1uali3ar os sinais+ S importante 1ue setenha atingido a corrente de disparo JIAK antes da retirada do pulso de porta% o 1ue podelevar ? necessidade de circuitos mais ela0orados para fornecer a energia necess8ria+ma se1Fência de pulsos tam0ém pode ser empregada+

A!!oiação e) !u se*a% o tiristorcom menor condut:ncia 1uando 0lo1ueado ter8 de suportar a maior tensão+ Sinteressante% então% usar dispositivos com caracter2sticas o mais pr.ximas poss2vel+

>s estados de condução JIII e IGK não apresentam pro0lema de distri0uição de tensão+Estados II e G representam um des0alanceamento indese*ado durante os transientes dedisparo e comutação+ 6o estado II o tempo de atraso do $@C& é consideravelmentemais longo 1ue o dos outros e% assim% ter8 1ue% momentaneamente% suportar toda atensão+ > estado G resulta dos diferentes tempos de recom0inação dos componentes+ >

primeiro a se recom0inar suportar8 toda a tensão+


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!igura 7+&& ,ensões em associação de tiristores sem rede de e1uali3ação+

Estado estacionBrio

> método usual de e1uali3ar tensões nas situações I e GI é colocar uma rede resistivacom cada resistor conectado entre anodo e catodo de cada tiristor+ Estes resistoresrepresentam consumo de potência% sendo dese*8vel usar os de maior valor poss2vel+ >

pro*eto do valor da resistência deve considerar a diferença nos valores das correntes de 0lo1ueio direta e reversa+

isparo

m método 1ue pode ser usado para minimi3ar o dese1uil20rio do estado II é forneceruma corrente de porta com potência suficiente e de r8pido crescimento% para minimi3aras diferenças relativas ao tempo de atraso+ 4 largura do pulso deve ser tal 1ue garanta acontinuidade da condução de todos os tiristores+

esi=amento

/ara e1uali3ar a tensão no estado G um capacitor é ligado entre anodo e catodo de cada

tiristor+ $e a imped:ncia do capacitor é suficientemente 0aixa e\ou se utili3a a constantede tempo necess8ria% o crescimento da tensão no dispositivo mais r8pido ser8 limitadoaté 1ue todos se recom0inem+ Esta implementação tam0ém alivia a situação no disparo%uma ve3 1ue reali3a uma in*eção de corrente no tiristor% facilitando a entrada emcondução de todos os dispositivos+

as se o capacitor providencia excelente e1uali3ação de tensão% o pico de correntein*etado no componente no disparo pode ser excessivo% devendo ser limitado por meiode um resistor em série com o capacitor+ S interessante um alto valor de C e 0aixo valorde @ para% com o mesmo C@% o0ter pouca dissipação de energia+ as se o resistor for devalor muito elevado ser8 imposta uma tensão de r8pido crescimento so0re o tiristor%

podendo ocasionar disparo por dv\dt+ sa-se então um diodo em paralelo com o resistor%garantindo um caminho de carga pra o capacitor% en1uanto a descarga se fa3 por C+ >


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diodo deve ter uma caracter2stica suave de recom0inação para evitar efeitos indese*8veisassociados ?s indut:ncias parasitas das ligações+ Cecomenda-se o uso de capacitores de

0aixa indut:ncia parasita+ 4 figura 7+&5 ilustra tais circuitos de e1uali3ação+

!igura 7+&5+ @ircuito de e1uali3ação de tensão em associação série de tiristores+

Circuito de disparo

Em muitas aplicações% devido ? necessidade de isolamento elétrico entre o circuito decomando e o de potência% o sinal de disparo deve ser isolado por meio de algumdispositivo como% por exemplo% transformadores de pulso ou acopladores .ticos+

a) Transformador de pulso

6este caso% tem-se transformadores capa3es de responder apenas em alta fre1uência%mas 1ue possi0ilitam a transferência de pulsos de curta duração Jaté centenas de

microsegundosK% ap.s o 1ue o transformador satura+ @aso se*a necess8rio um pulso maislargo% ele poder8 ser o0tido por meio de um trem de pulsos% colocando-se um filtro passa-0aixas no lado de sa2da+ @om tais dispositivos deve-se prever algum tipo delimitação de tensão no secund8rio Jonde est8 conectado o gateK% a fim de evitarso0retensões+

Ruando se usar transformador de pulso é preciso garantir 1ue ele suporte pelo menos atensão de pico da alimentação+ @omo as condições de disparo podem diferircosideravelmente entre os tiristores% é comum inserir uma imped:ncia em série com a

porta para evitar 1ue um tiristor com menor imped:ncia de porta drene o sinal dedisparo% impedindo 1ue os demais dispositivos entrem em condução+ Esta imped:ncia

em série pode ser um resistor ou um capacitor% 1ue tornaria mais r8pido o crescimentodo pulso de corrente+

b) Acoplamento luminoso

> acoplamento .tico apresenta como principal vantagem a imunidade a interferênciaseletromagnéticas% além da alta isolação de potencial+ Dois tipos 08sicos de acopladoressão usados os opto-acopladores e as fi0ras .ticas+ 6o primeiro caso tem-se umdispositivo onde o emissor e o receptor estão integrados% apresentando uma isolaçãot2pica de 5


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receptor+ Eventualmente% a pr.pria carga arma3enada no capacitor do circuito amaciador Jou rede de e1uali3açãoK% através de um transformador de corrente% pode fornecer aenergia para o lado do receptor% a partir da corrente 1ue circula pelo tiristor% assegurando

potência durante todo o per2odo de condução ]7+


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4 temperatura de operação da *unção deve ser muito menor 1ue o m8ximo especificado+4o aumento da temperatura corresponde uma diminuição na capacidade de suportartensões no estado de 0lo1ueio+ ,ipicamente esta temperatura não deve exceder &5No@+

> sistema de refrigeração deve possuir redund:ncia% ou se*a% uma falha no sistema deve

pôr em operação um outro% garantindo a troca de calor necess8ria+ Existem v8riasmaneiras de implementar as trocas circulação externa de ar filtrado% circulação internade ar Jcom trocador de calorK% refrigeração com l21uido% etc+ 4 escolha do tipo deresfriamento é influenciada pelas condições am0ientais e preferências do usu8rio+

4TO 8 4ate Turn8O;; TDIristor

> #,>% em0ora tenha sido criado no in2cio da década de =N ]7+'^% por pro0lemas defraco desempenho foi pouco utili3ado+ @om o avanço da tecnologia de construção dedispositivos semicondutores% novas soluções foram encontradas para aprimorar tais

componentes% 1ue ho*e ocupam significativa faixa de aplicação% especialmente na1uelasde elevada potência% uma ve3 1ue estão dispon2veis dispositivos para #,> possui uma estrutura de ; camadas% t2pica dos componentes da fam2lia dostiristores+ $ua caracter2stica principal é sua capacidade de entrar em condução e

0lo1uear através de comandos ade1uados no terminal de gate+

> mecanismo de disparo é semelhante ao do $@C supondo-o diretamente polari3ado%1uando a corrente de gate é in*etada% circula corrente entre gate e catodo+ #rande parte

de tais portadores% como a camada de gate é suficientemente fina% desloca-se até acamada 6 ad*acente% atravessando a 0arreira de potencial e sendo atra2dos pelo

potencial do anodo% dando in2cio ? corrente an.dica+ $e esta corrente se mantiver acimada corrente de manutenção% o dispositivo não necessita do sinal de gate para manter-secondu3indo+

4 figura 7+&; mostra o s2m0olo do #,> e uma representação simplificada dos processosde entrada e sa2da de condução do componente+

4 aplicação de uma polari3ação reversa na *unção gate-catodo pode levar aodesligamento do #,>+ /ortadores livres JlacunasK presentes nas camadas centrais dodispositivo são atra2dos pelo gate% fa3endo com 1ue se*a poss2vel o reesta0elecimento da

0arreira de potencial na *unção B5+


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!igura 7+&;+ $2m0olo% processos de chaveamento e estrutura interna de #,>+

4parentemente seria poss2vel tal comportamento tam0ém no $@C+ 4s diferenças% noentanto% estão no n2vel da construção do componente+ > funcionamento como #,>depende% por exemplo% de fatores como

• facilidade de extração de portadores pelo terminal de gate - isto é possi0ilitado pelo uso de dopantes com alta mo0ilidade

• desaparecimento r8pido de portadores nas camadas centrais - uso de dopantecom 0aixo tempo de recom0inação+ Isto implica 1ue um #,> tem uma maior1ueda de tensão 1uando em condução% comparado a um $@C de mesmasdimensões+

• suportar tensão reversa na *unção porta-catodo% sem entrar em avalanche - menor dopagem na camada de catodo

• a0sorção de portadores de toda superf2cie condutora - região de gate e catodomuito interdigitada% com grande 8rea de contato+

Diferentemente do $@C% um #,> pode não ter capacidade de 0lo1uear tensõesreversas+

Existem 5 possi0ilidades de construir a região de anodo uma delas é utili3ando apenasuma camada p% como nos $@C+ 6este caso o #,> apresentar8 uma caracter2stica lentade comutação% devido ? maior dificuldade de extração dos portadores% mas suportar8tensões reversas na *unção B7+

4 outra alternativa% mostrada na figura 7+& é polari3adoreversamente+ 6o entanto% torna-o muito mais r8pido no desligamento Jcom polari3açãodiretaK+ @omo a *unção B7 é formada por regiões muito dopadas% ela não conseguesuportar tensões reversas elevadas+ @aso um #,> deste tipo deva ser utili3ado em


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circuitos nos 1uais fi1ue su*eito a tensão reversa% ele deve ser associado em série comum diodo% o 1ual 0lo1uear8 a tensão+

Par7)etro! 89!io! do =TO

>s s2m0olos utili3ados pelos diversos fa0ricantes diferem ]7+(^% em0ora as grande3as

representadas se*am% 1uase sempre% as mesmas+

• Gdrxm - ,ensão de pico% repetitiva% de estado desligado so0 condições dadas% éa m8xima tensão instant:nea permiss2vel% em estado desligado% 1ue nãoultrapasse o dv\dt m8ximo% aplic8vel repetidamente ao #,>+

• It - @orrente JC$K de condução m8xima corrente Jvalor C$K 1ue podecircular continuamente pelo #,>+

• Itcm - @orrente de condução repetitiva control8vel m8xima corrente repetitiva%cu*o valor instant:neo ainda permite o desligamento do #,>% so0 determinadascondições+

• I5t escala para expressar a capacidade de so0recorrente não-repetitiva% com

respeito a um pulso de curta duração+ S utili3ado no dimensionamento dosfus2veis de proteção+

• di\dt taxa de crescimento m8xima da corrente de anodo+• Ggrm - ,ensão reversa de pico de gate repetitiva m8xima tensão instant:nea

permiss2vel aplic8vel ? *unção gate-catodo+• dv\dt m8xima taxa de crescimento da tensão direta de anodo para catodo+• IH - corrente de manutenção @orrente de anodo 1ue mantém o #,> em

condução mesmo na ausência de corrente de porta+• IA - corrente de disparo corrente de anodo necess8ria para 1ue o #,> entre em

condução com o desligamento da corrente de gate+• tgt - tempo de disparo tempo entre a aplicação da corrente de gate e a 1ueda da

tensão GaX +


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• tg1 - tempo de desligamento tempo entre a aplicação de uma corrente negativade gate e a 1ueda da corrente de anodo Jtg1tstf K

• ts - tempo de arma3enamento

Condiç>e! do !ina% de -orta -ara ?a@ea)ento

Desde 1ue% geralmente% o #,> est8 su0metido a condições de alto di\dt% é necess8rio1ue o sinal de porta tam0ém tenha r8pido crescimento% tendo um valor de picorelativamente elevado ]7+)^+ Deve ser mantido neste n2vel por um tempo suficiente Jt&K

para 1ue a tensão GaX caia a seu valor de condução direta+ S conveniente 1ue semantenha a corrente de gate durante todo o per2odo de condução% especialmente se acorrente de anodo for pe1uena% de modo a garantir o estado "ligado"+ 4 figura 7+&=ilustra as formas de corrente recomendadas para a entrada em condução e tam0ém parao desligamento+

Durante o intervalo "ligado" existe uma grande 1uantidade de portadores nas camadascentrais do semicondutor+ 4 comutação do #,> ocorrer8 pela retirada destes portadorese% ainda% pela impossi0ilidade da vinda de outros das camadas ligadas ao anodo e aocatodo% de modo 1ue a 0arreira de potencial da *unção B5 possa se reesta0elecer+

> grande pico reverso de corrente apressa a retirada dos portadores+ 4 taxa decrescimento desta corrente relaciona-se com o temo de arma3enamento% ou se*a% otempo decorrido entre a aplicação do pulso negativo e o in2cio da 1ueda J)N[K dacorrente de anodo+ Ruanto maior for a derivada% menor o tempo+

Ruando a corrente drenada começa a cair% a tensão reversa na *unção gate-catodo cresce

rapidamente% ocorrendo um processo de avalanche+ 4 tensão negativa de gate deve sermantida pr.xima ao valor da tensão de avalanche+ 4 potência dissipada neste processo écontrolada Jpela pr.pria construção do dispositivoK+ 6esta situação a tensão GaX cresce eo #,> desliga+

/ara evitar o disparo do #,> por efeito dv\dt% uma tensão reversa de porta pode sermantida durante o intervalo de 0lo1ueio do dispositivo+

> ganho de corrente t2pico% no desligamento% é 0aixo Jde < a &NK% o 1ue significa 1ue%especialmente para os #,>s de alta corrente% o circuito de acionamento% por si s.%envolve a mano0ra de elevadas correntes+


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!igura 7+&=+ !ormas de onda t2picas do circuito de comando de porta de #,>+

Cir+ito! a)aiadore! !n+88erB

esi=amento

Durante o desligamento% com o progressivo resta0elecimento da 0arreira de potencial na *unção reversamente polari3ada% a corrente de anodo vai se concentrando em 8reas cadave3 menores% concentrando tam0ém os pontos de dissipação de potência+ ma limitaçãoda taxa de crescimento da tensão% além de impedir o gatilhamento por efeito dv\dt%implicar8 numa redução da potência dissipada nesta transição+

> circuito mais simples utili3ado para esta função é uma rede C@D% como mostrado na

figura 7+&'+

$upondo uma corrente de carga constante% ao ser desligado o #,>% o capacitor secarrega com a passagem da corrente da carga% com sua tensão vaiando de forma

praticamente linear+ 4ssim% o dv\dt é determinado pela capacit:ncia+ Ruando o #,>entrar em condução% este capacitor se descarrega através do resistor+ 4 descarga deveocorrer dentro do m2nimo tempo em condução previsto para o #,>% a fim de assegurartensão nula inicial no pr.ximo desligamento+ 4 resistência não pode ser muito 0aixa% afim de limitar a impulso de corrente in*etado no #,>+

!igura 7+&' @ircuito amaciador de desligamento tipo C@D+

4 energia arma3enada no capacitor ser8 praticamente toda dissipada em C+Especialmente em aplicações de alta tensão e alta fre1Fência% esta potência podeassumir valores excessivos+ Em tais casos deve-se 0uscar soluções ativas% nas 1uais aenergia acumulada no capacitor se*a devolvida ? fonte ou ? carga ]7+&N^+


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4 potência a ser retirada do capacitor é dada por

J7+5K

onde G é a tensão de alimentação e f s é a fre1Fência de chaveamento+

@omo exemplo% suponhamos um circuito alimentado em &NNNG% operando a &XH3 comum capacitor de &µ!+ Isto significa uma potência de s é muito menos cr2tica do 1ue para os $@C+ Isto se deve ?interdigitação entre gate e catodo% o 1ue leva a uma expansão muito mais r8pida dasuperf2cie em condução% não havendo significativa concentração de corrente em 8reas

restritas+

> pro0lema relacionado ao crescimento da corrente refere-se% para um #,>% principalmente% ? potência dissipada na entrada em condução do dispositivo+ @om cargaindutiva% dada a necess8ria existência de um diodo de livre-circulação Je o seuinevit8vel tempo de desligamentoK% durante alguns instantes em 1ue o #,> *8 seencontra condu3indo% so0re ele tam0ém existe uma tensão elevada% produ3indo um picode potência so0re o componente+ Este fato é agravado pela corrente reversa do diodo eainda pela descarga do capacitor do snu00er de desligamento Jcaso existaK+ 4 figura7+&( ilustra este comportamento+

/ara redu3ir este efeito% um circuito snu00er para o disparo pode ser necess8rio% com oo0*etivo de redu3ir a tensão so0re o #,> em sua entrada em condução% pode-se utili3arum circuito amaciador formado% 0asicamente% por um indutor com n9cleo satur8vel% 1ueatue de maneira significativa apenas durante o in2cio do crescimento da corrente% massem arma3enar uma 1uantidade significativa de energia+

A!!oiaç>e! e) !


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!igura 7+&( #,> acionando carga indutiva e amaciador para desligamento+

Transistor -ipoar de Potência ?T-P@Em0ora se*a um dispositivo tecnologicamente ultrapassado% os ,/ representaram umimportante passo no desenvolvimento de componentes de média potência% atingindotensões de 0lo1ueio da ordem de &NNNG% condu3indo correntes de desenvolvimento posterior dos >$!E, e dos I#, ocupou oespaço de aplicação dos ,/+

4 velocidade de chaveamento dos dispositivos de maior potência era relativamente

0aixa% limitando a fre1uência de chaveamento a poucos XH3+


4 figura 7+&) mostra a estrutura 08sica de um transistor 0ipolar+

!igura 7+&)+ Estrutura 08sica de transistor 0ipolar

4 operação normal de um transistor é feita com a *unção B& J-EK diretamente polari3ada% e com B5 J-@K reversamente polari3ada ]7+&&^+


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6o caso 6/6% os elétrons são atra2dos do emissor pelo potencial positivo da 0ase+ Estacamada central é suficientemente fina para 1ue a maior parte dos portadores tenhaenergia cinética suficiente para atravess8-la% chegando ? região de transição de B5%sendo% então% atra2dos pelo potencial positivo do coletor+

> controle de G0e determina a corrente de 0ase% I0% 1ue% por sua ve3% se relaciona comIc pelo ganho de corrente do dispositivo+

6a realidade% a estrutura interna dos ,/s é diferente+ /ara suportar tensões elevadas%existe uma camada intermedi8ria do coletor% com 0aixa dopagem% a 1ual define a tensãode 0lo1ueio do componente+

4 figura 7+5N+ mostra uma estrutura t2pica de um transistor 0ipolar de potência+ 4s 0ordas arredondadas da região de emissor permitem uma homogeni3ação do campoelétrico% necess8ria ? manutenção de ligeiras polari3ações reversas entre 0ase e emissor+> ,/ não sustenta tensão no sentido oposto por1ue a alta dopagem do emissor

provoca a ruptura de B& em 0aixas tensões J< a 5NGK+

!igura 7+5N+ Estrutura interna de ,/ e seu s2m0olo

> uso preferencial de ,/ tipo 6/6 se deve ?s menores perdas em relação aos /6/% o1ue ocorre por causa da maior mo0ilidade dos elétrons em relação ?s lacunas%redu3indo% principalmente% os tempos de comutação do componente+

rea de O-eração Se;+ra AOSB

4 4>$ representa a região do plano Gce x Ic dentro da 1ual o ,/ pode operar sem sedanificar+ 4 figura 7+5& mostra uma forma t2pica de 4>$+

U medida 1ue a corrente se apresenta em pulsos Jnão-repetitivosK a 8rea se expande+

/ara pulsos repetitivos deve-se analisar o comportamento térmico do componente parase sa0er se é poss2vel utili38-lo numa dada aplicação% uma ve3 1ue a 4>$% por ser


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definida para um 9nico pulso% é uma restrição mais 0randa+ Esta an8lise térmica é feitacom 0ase no ciclo de tra0alho a 1ue o dispositivo est8 su*eito% aos valores de tensão ecorrente e ? imped:ncia térmica do transistor% a 1ual é fornecida pelo fa0ricante+

!igura 7+57+ 4specto t2pico de 4>$ de ,/

4 8xima corrente cont2nua de coletor

8xima potência dissip8vel Jrelacionada ? temperatura na *unçãoK

@ Aimite de segunda ruptura

D 8xima tensão Gce

Cone:ão Dar%in;ton

@omo o ganho dos ,/ é relativamente 0aixo% usualmente são utili3adas conexõesDarlington Jfigura 7+55K% 1ue apresentam como principais caracter2sticas

- ganho de corrente β β&Jβ2&Kβ2

- ,5 não satura% pois sua *unção -@ est8 sempre reversamente polari3ada

- tanto o disparo 1uanto o desligamento são se1Fenciais+ 6o disparo% ,& liga primeiro%fornecendo corrente de 0ase para ,5+ 6o desligamento% ,& deve comutar antes%interrompendo a corrente de 0ase de ,5+

>s tempos totais dependem% assim% de am0os transistores% elevando% em princ2pio% as perdas de chaveamento+


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!igura 7+55+ @onexão Darlington+

M


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Ruando uma tensão GgsN é aplicada% o potencial positivo no gate repele as lacunas naregião /% deixando uma carga negativa% mas sem portadores livres+ Ruando esta tensãoatinge um certo limiar JGthK% elétrons livres Jgerados principalmente por efeito térmicoK

presentes na região / são atra2dos e formam um canal 6 dentro da região /% pelo 1ualtorna-se poss2vel a passagem de corrente entre D e $+ Elevando Ggs% mais portadores

são atra2dos% ampliando o canal% redu3indo sua resistência JCdsK% permitindo o aumentode Id+ Este comportamento caracteri3a a chamada "região resistiva"+

4 passagem de Id pelo canal produ3 uma 1ueda de tensão 1ue leva ao seu afunilamento%ou se*a% o canal é mais largo na fronteira com a região 6 do 1ue 1uando se liga ?região 6-+ m aumento de Id leva a uma maior 1ueda de tensão no canal e a um maiorafunilamento% o 1ue condu3iria ao seu colapso e ? extinQão da corrente >0viamente ofenômeno tende a um ponto de e1uil20rio% no 1ual a corrente Id se mantém constante

para 1ual1uer Gds% caracteri3ando a região ativa do >$!E,+ 4 figura 7+5= mostra acaracter2stica est8tica do >$!E,%

!igura 7+5$!E,+

ma pe1uena corrente de gate é necess8ria apenas para carregar e descarregar ascapacit:ncias de entrada do transistor+ 4 resistência de entrada é da ordem de &N&5ohms+

Estes transistores% em geral% são de canal 6 por apresentarem menores perdas e maiorvelocidade de comutação% devido ? maior mo0ilidade dos elétrons em relação ?slacunas+

4 m8xima tensão Gds é determinada pela ruptura do diodo reverso+ >s >$!E,s nãoapresentam segunda ruptura uma ve3 1ue a resistência do canal aumenta com o

crescimento de Id+ Este fato facilita a associação em paralelo destes componentes+


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4 tensão Ggs é limitada a algumas de3enas de volts% por causa da capacidade deisolação da camada de $i>5+

Carater6!tia de ?a@ea)ento ' ar;a ind+ti@a

a) Entrada em condução (figura %&')

4o ser aplicada a tensão de acionamento JGggK% a capacit:ncia de entrada começa a secarregar% com a corrente limitada por Cg+ Ruando se atinge a tensão limiar de conduçãoJGthK% ap.s td% começa a crescer a corrente de dreno+ En1uanto IdPIo% Df se mantém emcondução e GdsGdd+ Ruando IdIo% Df desliga e Gds cai+ Durante a redução de Gdsocorre um aparente aumento da capacit:ncia de entrada J@issK do transistor JefeitoillerK% fa3endo com 1ue a variação de Ggs se torne muito mais lenta Jem virtude do"aumento" da capacit:nciaK+ Isto se mantém até 1ue Gds caia% 1uando% então% a tensãoGgs volta a aumentar% até atingir Ggg+

!igura 7+5=+ @aracter2stica est8tica do >$!E,+

> 1ue ocorre é 1ue% en1uanto Gds se mantém elevado% a capacit:ncia 1ue drena correntedo circuito de acionamento é apenas @gs+ Ruando Gds diminui% a capacit:ncia dentredreno e source se descarrega% o mesmo ocorrendo com a capacit:ncia entre gate e dreno+4 descarga desta 9ltima capacit:ncia se d8 desviando a corrente do circuito deacionamento% redu3indo a velocidade do processo de carga de @gs% o 1ue ocorre até 1ue@gd este*a descarregado+

b) Desligamento

> processo de desligamento é semelhante ao apresentado% mas na ordem inversa+ > usode uma tensão Ggg negativa apressa o desligamento% pois acelera a descarga dacapacit:ncia de entrada+

@omo os >$!E,s não apresentam cargas estocadas% não existe o tempo dearma3enamento% por isso são muito mais r8pidos 1ue os ,/+


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!igura 7+5' !ormas de onda na entrada em condução de >$!E, com carga indutiva+

#4-T ?#nsuated 4ate -ipoar Transistor@

> I#, alia a facilidade de acionamento dos >$!E, com as pe1uenas perdas emcondução dos ,/+ $ua velocidade de chaveamento é superior ? dos transistores

0ipolares+ >s limites atuais de tensão e corrente em dispositivos 9nicos estão em tornode 5XG e &NNN4% o 1ue indica 1ue tal componente pode ser utili3ado J1uando associado

em série ou em paraleloK em aplicações de média potência ]7+&7^+


4 estrutura do I#, é similar ? do >$!E,% mas com a inclusão de uma camada /1ue forma o coletor do I#,% como se vê na figura 7+5(+

Em termos simplificados pode-se analisar o I#, como um >$!E, no 1ual a região 6- tem sua condutividade modulada pela in*eção de portadores minorit8rios JlacunasK% a partir da região /% uma ve3 1ue B& est8 diretamente polari3ada+ Esta maiorcondutividade produ3 uma menor 1ueda de tensão em comparação a um >$!E,similar+

> controle de componente é an8logo ao do >$!E,% ou se*a% pela aplicação de uma polari3ação entre gate e emissor+ ,am0ém para o I#, o acionamento é feito portensão+

4 m8xima tensão suport8vel é determinada pela *unção B5 Jpolari3ação diretaK e por B&Jpolari3ação reversaK+ @omo B& divide 5 regiões muito dopadas% conclui-se 1ue umI#, não suporta tensões elevadas 1uando polari3ado reversamente+

>s I#,s apresentam um tiristor parasita+ 4 construção do dispositivo deve ser tal 1ueevite o acionamento deste tiristor% especialmente devido ?s capacit:ncias associadas ?


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região /% a 1ual relaciona-se ? região do gate do tiristor parasita+ >s modernoscomponentes não apresentam pro0lemas relativos a este elemento indese*ado+

!igura 7+5(+ Estrutura 08sica de I#,+

4 entrada em condução é similar ao >$!E,% sendo um pouco mais lenta a 1ueda datensão Gce% uma ve3 1ue isto depende da chegada dos portadores vindos da região /+

/ara o desligamento% no entanto% tais portadores devem ser retirados+ 6os ,/s isto sed8 pela drenagem dos portadores via 0ase% o 1ue não é poss2vel nos I#,s% devido aoacionamento isolado+ 4 solução encontrada foi a inclusão de uma camada 6% na 1ual ataxa de recom0inação é 0astante mais elevada do 1ue na região 6-+ Desta forma% aslacunas presentes em 6 recom0inam-se com muita rapide3% fa3endo com 1ue% pordifusão% as lacunas existentes na região 6- refluam% apressando a extinção da cargaacumulada na região 6-% possi0llitando o resta0elecimento da 0arreira de potencial e o

0lo1ueio do componente+

'CT 8 'os8Controed TDIristor@, J>$-@ontrolled ,hbristorK é um novo tipo de dispositivo semicondutor de

potência 1ue associa as capacidades de densidade de corrente e de 0lo1ueio de tensãot2picas dos tiristores% com um controle de entrada e de sa2da de condução 0aseado emdispositivos >$+ Isto é% en1uanto um #,> tem o gate controlado em corrente% o @,opera com comandos de tensão ]7+&;^+

>s @,s apresentam uma facilidade de comando muito superior aos #,>s+ Celem0re-se o 0aixo ganho de corrente 1ue um #,> apresenta no desligamento% exigindo umcircuito de comando relativamente complexo+ 6o entanto% os @,s ainda J&))s% estando limitados avalores da ordem de 5NNNG e =NN4+


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> fato do @, ser constru2do por milhares de pe1uenas células% muito menores do 1ueas células 1ue formam os #,>s% fa3 com 1ue% para uma mesma 8rea semicondutora% acapacidade de corrente dos @,s se*a menor do 1ue um #,> e1uivalente+ as esta éuma limitação tecnol.gica atual% associada ? capacidade de constuirem-se maiores1uantidades de células com certe3a de funcionamento correto+


@onsiderando o modelo de 5 transistores para um tiristor% um @, pode serrepresentado como mostrado na figura 7+5)+ 6esta figura tam0ém se mostra uma secçãotransversal de uma célula do dispositivo+ m componente é formado pela associação em

paralelo de milhares de tais células constru2das numa mesma pastilha ]7+&$!E, respons8vel pela entrada em condução dotiristor Jon-!E,K é tam0ém de canal /% sendo levado ? condução pela aplicação de umatensão negativa no terminal de gate+ Estando o anodo positivo% a condução do on-!E,reali3a uma in*eção de portadores na 0ase do transistor 6/6% levando o componente ?

condução+ ma ve3 1ue o componente é formado pela associação de de3enas demilhares de células% e como todas elas entram em condução simultaneamente% o @,

possui excelente capacidade de suportar elevado di\dt+> @, permanecer8 em condução até 1ue a corrente de anodo caia a0aixo do valor dacorrente de manutenção Jcomo 1ual1uer tiristorK% ou então até 1ue se*a ativado o off-!E,% o 1ue se fa3 pela aplicação de uma tensão positiva no gate+4 condução do off-!E,% ao curto-circuitar a *unção 0ase-emissor do transistor /6/ Jé

poss2vel tam0ém uma estrutura 1ue curto-circuita as *unções 0ase-emissor de am0os ostransistoresK% redu3 o ganho de corrente para um valor menor do 1ue &% levando ao

0lo1ueio do @,+ 4 1ueda de tensão deve ser menor 1ue G0e+> @, não apresenta o efeito iller% de modo 1ue não se o0serva o patamar de tensãoso0re o gate% o 1ual pode ser modelado apenas como uma capacit:ncia+Esta capacidade de desligamento est8 associada a uma intensa interdigitação entre o off-!E, e as *unções% permitindo a0sorver portadores de toda superf2cie condutora doanodo Je do catodoK+4ssim como um #,> assimétrico% o @, não 0lo1ueia tensão reversa acima de poucasde3enas de volts% uma ve3 1ue as camadas n ligadas ao anodo curto-circuitam a *unçãoB&% e 1 *unção B7% por estar associada a regiões de dopagem elevada% não tem capacidadede sustentar tensões mais altas+ S poss2vel% no entanto% fa3ê-los com 0lo1ueio simétrico]7+&=^% tam0ém sacrificando a velocidade de chaveamento+> sinal de gate deve ser mantido% tanto no estado ligado 1uanto no desligado% a fim de

evitar comutações Jpor "latch-don" ou por dv\dtK indese*8veis+ 6a figura 7+7N mostra-se uma comparação entre a 1ueda de tensão entre os terminais principais% em função da densidade de corrente% para componentes J@,% I#, e>$!E,K+

6ota-se 1ue o @, apresenta tensões muito menores do 1ue os transistores% devido ?sua caracter2stica de tiristor+ >u se*a% as perdas em condução deste dispositivo sãoconsideravelmente menores% representando uma de suas principais caracter2sticas noconfronto com outros componentes+


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Figura 3.29 Circuito equivalente de MCT canal P; corte transversal de

uma célulae símbolo do componente.

antendo o off-!E, operando durante o estado 0lo1ueado% tem-se 1ue a corrente defuga circula por tal componente auxiliar% resultando numa melhoria na capacidade de

0lo1ueio% mesmo em altas temperaturas+ Devido a este desvio da corrente através do>$!E,% o limite de temperatura est8 associado ao encapsulamento% e não afenômenos de perda da capacidade de 0lo1ueio+ Isto significa 1ue é poss2vel oper8-los

em temperaturas 0em mais elevadas do 1ue os outros componentes como% por exemplo%5


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Figura 3.3 Compara!"o entre componentes para #$% com &us de tempo

de desligamento% despre'ando a resist(ncia do encapsulamento.

Co)-aração entre P'MCT e N'MCT

Figura 3.3& Circuito equivalente de MCT canal ); corte transversal de

uma célula

e símbolo do componente.

Este componente entra em condução 1uando um potencial positivo é aplicado ao gate%desligando com uma tensão negativa+ @omo o anodo est8 em contato apenas com umacamada /% este dispositivo é capa3 de sustentar tensões com polari3ação reversa+$a0e-se 1ue um >$!E, canal 6 é mais r8pido e apresenta menor 1ueda de tensão do

1ue um >$!E, canal /+4ssim% um /-@,% por ser desligado por um >$!E, canal 6 é capa3 de comutar umacorrente de anodo 5 a 7 ve3es maior do 1ue a 1ue se o0tém em um 6-@,+ Em


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contraposição% por ser ligado por um >$!E, canal /% a entrada em condução é maislenta do 1ue a 1ue se tem em um 6-@,+

S poss2vel construir @,s 1ue são ligados por um >$!E, de canal 6% e desligado por um >$!E, de canal /% como mostrado na figura 7+77+

4 1ueda no >$!E, deve ser menor 1ue N%'G% para garantir 1ue o ,/ não condu3a+Esta 1ueda de tensão se d8 com a passagem da totalidade da corrente de anodo pelo>$!E,+

Re;erências -i>io=rB;icas

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]7+&;^ 4dvances in >$-@ontrolled ,hbristor ,echnologb

G+ 4+ + ,emple

/@I% 6ovem0ro &)()% pp+ &5-&


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]7+&s e1uipamentos menossens2veis% geralmente% são os de a1uecimento Jcarga resistivaK% para os 1uais a forma deonda não é relevante+ >s mais sens2veis são a1ueles 1ue% em seu pro*eto% assumem aexistência de uma alimentação senoidal como% por exemplo% e1uipamentos decomunicação e processamento de dados+ 6o entanto% mesmo para as cargas de 0aixasuscepti0ilidade% a presença de harmônicas Jde tensão ou de correnteK podem ser

pre*udiciais% produ3indo maiores esforços nos componentes e isolantes+

'otores e =eradores

> maior efeito dos harmônicos em m81uinas rotativas Jindução e s2ncronaK é o aumentodo a1uecimento devido ao aumento das perdas no ferro e no co0re+ 4feta-se% assim% suaeficiência e o tor1ue dispon2vel+ 4lém disso% tem-se um poss2vel aumento do ru2doaud2vel% 1uando comparado com alimentação senoidal+

>utro fenômeno é a presença de harmônicos no fluxo% produ3indo alterações noacionamento% como componentes de tor1ue 1ue atuam no sentido oposto ao dafundamental% como ocorre com o


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causa do efeito pelicular% 1ue condu3 a condução da corrente para a superf2cie docondutor em fre1Fências elevadas% produ3em maior elevação de temperatura do 1ue osde gaiola convencional+

> efeito cumulativo do aumento das perdas reflete-se numa diminu

Harmônicos e Fator de Potência

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