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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO METAL-ÓXIDO-
SEMICONDUTOR DE POTÊNCIA (MOSFET) E TRANSISTORES 
BIPOLARES DE PORTA ISOLADA (IGBT)
Prof.: Pablo carvalho
Curso: Engenharia Elétrica
✓ O MOSFET de potência é idêntico ao MOSFET para pequenos sinais, exceto pela
capacidade nominal relacionada com a tensão e com a corrente;
✓ É um transistor de chaveamento rápido (até 100 kHz);
✓ Possui uma alta impedância de entrada;
✓ Apropriado para baixas potências (Alguns quiloWatts);
✓ Empregados em fontes chaveadas;
✓ Existem dois tipos: Canal N e Canal P;
✓ Aqueles de canal P possuem valores nominais maiores em relação à corrente e a
tensão.
Introdução
Introdução (Cont.)
✓ O dreno é ligado a carga;
✓ A tensão na porta que controla o MOSFET;
✓ A corrente da porta é, na essência, igual a zero;
✓ Requer circuitos de controle bem simples
comparativamente ao TBJ;
✓ É mais rápido que TBJ;
✓ Perdas de chaveamento do MOSFET são bem menores
que no TBJ;
✓ A queda de tensão no estado ligado é alta (em torno de 4
V, para corrente nominal).
Relaciona a tensão da fonte
e do dreno (VDS) e a
corrente de dreno (ID) para
diferentes valores de (VGS);
O MOSFET só efetivamente
conduzirá quando VGS
ultrapassar a tensão Limiar
(VTH) que de a 2 a 4 V;
O canal N atua como uma
resistência e fornece um
caminho para a corrente do
dreno para a fonte
Curvas Características VuI do MOSFET
Quanto maior VGS maior é o valor da corrente de dreno.
Na eletrônica de potência, realmente o interesse recai na operação do MOSFET como
chave (liga/desliga). Diante disto, o MOSFET deve operar, quando ligado na região
ôhmica. Nesta, a corrente de dreno (ID) aumenta proporcionalmente com a tensão
dreno-fonte (VDS).
Na referida região acima, a razão entre tensão
dreno-fonte (VDS) e a corrente de dreno (ID) é
denominada de resistência no estado ligado do
dreno para a fonte (RDS(ON)), sendo esta
praticamente constante.
( ) ( )= DDS ON DS ONV R I
Valores típicos: ( ) 0,5=DS ONR
10 a 20=GSV V
Curvas Características V I do MOSFET (Cont.)
Curva característica de transferência é a curva da corrente de dreno (ID) versus a
tensão da porta (VGS).
Curva Característica de Transferência do MOSFET
Idealmente, temos:
( )
0 para 
 para 
=
= −
D GS TH
D m GS TH GS TH
I V V
I g V V V V
Sendo:
 - a transcondutância (inclinação)mg
✓ Sem tensão na porta, o MOSFET está desligado. Assim, a corrente de dreno (ID) é
zero e a tensão de dreno-fonte (VDS). é igual da fonte de alimentação;
✓ Com uma tensão na porta, o MOSFET é ligado e a corrente de dreno é limitada pela
resistência de carga. Sendo a tensão dreno-fonte (VDS) igual a zero.
Curva Característica Ideal do MOSFET
Operação do MOSFET com Chave
Na operação como chave, o MOSFET está ligado quando opera na região ôhmica
(perda pequena). Nessa região, temos:
0DSV−DS GS THV V V e
Quando o MOSFET está ligado, a queda de tensão direta (VF) é dada por:
( )=F DDS ONV R I
Portanto, a dissipação de potência interna (PIN) é dada por:
( )
2=IN DDS ONP R I
0DSV e GS THV V
Vale mencionar que, quando o MOSFET está operando no estado desligado, a corrente
a corrente de dreno é zero (ID=0) e a tensão dreno-fonte é igual a da alimentação
(VDS=VCC). Para esta situação temos:
Perdas de Potência nos MOSFETs
De maneira similar aos TBJs, as perdas de potência em um MOSFET são dadas de 4
maneiras, a saber:
✓ Perdas na condução ou no estado ligado;
✓ Perdas por fuga ou no estado desligado;
✓ Perdas na passagem para o estado ligado (comutação desligado para ligado);
✓ Perdas na passagem para o estado desligado (comutação ligado para desligado).
Vale destacar que os MOSFETs tem perdas relativamente altas, dadas por:
Perdas de Potência nos MOSFETs (Cont.)
Perda de Potência em um MOSFET no Estado Ligado (Condução) 
( )
2= ONON DDS ON
tP R I
T
Perda de Potência em um MOSFET no Estado Desligado (Bloqueio) 
A perda de potência no MOSFET no estado desligado é dada por:
( )max=
OFF
OFF DSSDS
tP V I
T
Perda de Energia em umMOSFET na Comutação de Desligado para Ligado
A perda de energia no MOSFET durante a transição do estado desligado para o estado
ligado é dada por:
( )
( )max
6
=
DDS
rSW ON
V I
W t Sendo tr o tempo de subida da corrente de dreno
Perdas de Potência nos MOSFETs (Cont.)
Perda de Energia em umMOSFET na Comutação de Ligado para Desligado
De maneira análoga, a perda de energia no MOSFET durante a transição do estado
ligado para o estado desligado é dada por:
Sendo tf o tempo de descida da corrente do dreno.( )
( )max
6
=
DDS
fSW OFF
V I
W t
Perdas de Potência nos MOSFETs (Cont.)
Perda de Potência em um MOSFET por chaveamento (Ligar+Desligar)
A perda total ocorrida durante o chaveamento é dada por:
Vale ressaltar que, a medida que frequência cresce, as perdas por chaveamento dos
TBJs aumentam mais que as perdas nos MOSFETs. Diante disto, para baixas
frequências de chaveamento o uso do TBJ é mais conveniente, para altas frequência o
MOSFET é recomendado.
= + +T ON OFF SWP P P P
( ) ( )( )= +SW SW ON SW OFFP W W f
Perda Total de Potência em um MOSFET
A perda total ocorrida no MOSFET é dada por:
Diodo Interno de um MOSFET de Potência
Quando há a inversão da polarização da fonte (tensão da fonte maior que a tensão do
dreno) , o MOSFET não pode bloquear a tensão. Isto significa que o MOSFET não tem
capacidade de bloquear tensão inversa. Isto ocorre devido a existência de um diodo
antiparalelo em sua estrutura, denominado diodo de corpo.
Proteção de um MOSFET
Como os demais dispositivos semicondutores, o MOSFET deve ser protegido
sobretensões, sobrecorrentes e transitórios. A proteção deve atuar quando estes
estão desligados (sem tensão no gatilho). Vale ressaltar que os MOSFETs trazem,
embutidos, sensores de corrente e de temperatura e circuitos de acionamento do
gatilho, os quais anulam a tensão da porta em caso de sobrecorrentes ou de
transitórios
Proteção contra Sobretensões
As sobretensões não afetam o MOSFET quando ligado. Entretanto, no estado
desligado, as sobretensões sob os terminais dreno-fonte e sob os terminais porta-
fonte afetam-no.
A proteção contra sobretensões externas pode ser realizada com o uso de um resistor
não linear (varistor) em paralelo com o MOSFET. Em caso de um sobretensão, a
resistência do varistor diminui proporcionando um caminho para a corrente.
Proteção contra Sobrecorrentes
Uma sobrecorrente provoca a elevação de temperatura, o que poderá causa danos ao MOSFET. Assim, uma
maneira de protegê-lo é assegurar que a corrente não ultrapasse a corrente nominal. Diante disso, alguns
fabricantes empregam sensores de correntes.
Proteção de um MOSFET (Cont.)
Área de Operação Segura (SOA- Safe Operating Area)
A Área de Operação Segura (SOA) mostra os limites operacionais do MOSFET.
Exemplo1.:
MOSFET
Exemplo2:
Um MOFET tem os seguintes parâmetros: IDSS = 2mA, RDS(ON) = 0,3 ohm, ciclo de trabalho d=50%, ID= 6 A, VDS
= 100V, tr=100 ns e tf= 200 ns. Determine a perda total de potência se: a) a frequência de chaveamento for
40 kHz, b) a frequência de chaveamento for 100 kHz.
MOSFET
Exemplo3:
MOSFET
✓ O IGBT reuni as características atraentes do TBJ (Baixa queda de tensão quando
ligado) e também as do MOSFET (acionamento da porta simples e alta impedância
de entrada);
✓ O IGBT possui capacidade nominal em relação à tensão e a corrente superiores a
do MOSFET (ideal para aplicações em alta tensão);
✓ Velocidade de chaveamento em torno de 50 kHz (superior aos TBJs e inferior aos
MOSFETs);
IGBT –Transistores Bipolaresde Porta Isolada: Introdução
Introdução (Cont.)
Símbolo do IGBT de canal N Equivalente MOSFET-TBJ
Princípio de Operação
Vale destacar que o princípio de funcionamento é bastante similar ao do MOSFET. Para que o IGBT passe do
estado desligado para o estado ligado, basta polarizar positivamente o coletor (C) em relação ao emissor (E)
e, além disso, fornecer uma tensão na porta (VG) superior à tensão limiar (VGE(TH)). Para desliga-lobasta
retirar o sinal de tensão da porta.
✓ O IGBT está desligado quando não
há tensão na porta (VG=0), assim a
corrente de coletor também é
zero (IC=0);
✓ O IGBT entra em condução, quando
for aplicada uma tensão à porta
maior que a tensão limiar
(VG>VGE(TH)).
Curvas Características VuI do IGBT
As curvas características ilustram o comportamento da corrente de coletor (IC) versus a tensão coletror-
emissor (VCE).
✓ Quando ligado, um IGBT ideal, não
apresenta queda de tensão e a corrente
de coletor é dada por:
= CCC
L
VI
R
Curva Característica Ideal do IGBT
0=CEV
✓ Quando no estado desligado, o IGBT
ideal, pode bloquear qualquer tensão
positiva ou negativa.
A Perda de energia no IGBT durante o tempo de ligação é dada por:
Perdas nos IGBTs
De forma similar, a perda de energia do IGBT durante o tempo de desligamento é dada
por:
( )
( ) ( )max max
6
= CE C ONSW ON
V I
W t
Consequentemente, a potência média dissipada no IGBT é dada por:
( ) ( )= SWSW ON SW ONP W f
( )
( ) ( )max max
6
= CE C OFFSW OFF
V I
W t
Exemplo4:
IGBT
Exemplo5:
IGBT
✓ Os Transistores de Unijunção – TUJ (UJT – Unijunction Transistors) são dispositivos
de três terminais, a saber: um Emissor (E) e duas Base (B1 e B2);
✓ É constituído por uma única junção PN, apesar de ter três terminais;
✓ O TUJ, normalmente, é usado para gerar pulsos para acionar chaves
semicondutoras maiores, como por exemplo os retificadores controlados (SCRs –
Silicon Controlled rectifiers).
✓ Os terminais de controle são também os terminais de potência.
✓ O terminal B2 é usado para polarização.
Transistores de Unijunção - Introdução
Introdução (Cont.)
Símbolo do TUJ
Curva característica do TUJ
Estrutura do TUJ
✓ Sem polarização do emissor (VEB1=0), o TUJ tem uma certa resistência interna entre
as bases (B2 e B1). Esta resistência é denominada de Resistência Interbase (RB).
Introdução (Cont.)
✓ A resistência interbase à temperatura ambiente (25°C) tem uma valor na ordem de
quiloohms. Esta é composta por duas resistência conforme ilustrado na figura
abaixo. A razão entre RB1 e RB é denominada relação Standoff ( ). O valor desta
relação determina a polarização inversa experimentada pela junção PN do diodo
equivalente.
1 1
1 2
= =
+
B B
B B B
R R
R R R
O valor de está compreendido entre 0,5 e 0,8. 
Polarização de um TUJ
A polarização de um TUJ dá-se pela conexão dos terminais das bases (B2 e B1) ao
terminal positivo da fonte de alimentação (+ VBB), conforme ilustrado no circuito
abaixo. Além disso, as resistências RB1 e RB2 atuam como um divisor de tensão, de
modo que no ponto tenhamos:
1BR BB
V V=
Para polarizar diretamente o TUJ e passar
para o estado ligado, a tensão do emissor (VE)
deve ser maior que a tensão de pico (VP).
= +P b BBV V V
Sendo: (Vb) a tensão da barreira de potencial
(0,7 V para o silício).
Polarização de um TUJ (Cont.)
Vale mencionar que, após o TUJ ter passado para o estado ligado, este atua como um
diodo diretamente polarizado, e a resistência RB1 cai para um valor muito baixo ( 0).
Enquanto RB2 não é afetada.
Se VE< VP → o emissor estará inversamente polarizado→ o TUJ passará para o estado
desligado→ fluirá um pequena corrente de fuga;
✓ Resistência de B1 para B2 (RB);
✓ Resistência de E para B1 com D polarizado diretamente (RB1F);
✓ Resistência de E para B1 com D polarizado reversamente (RB1R);
✓ Resistência de E para B2 com D polarizado diretamente (RB2F);
✓ Resistência de E para B2 com D polarizado reversamente (RB2R).
Teste de um TUJ
Conforme já apresentado, o circuito equivalente de TUJ é composto por um diodo e de
dois resistores. Diante disto, pode testar o TUJ com o emprego do Ohmímetro,
avaliando 5 resistências entre seus terminais, a saber:
• RB1R e RB2R devem ser grandes;
• RB1R) é a terceira maior resistência (entre 5 a 10 k:).
✓ Quando a chave S é fechada, o capacitor C
começa a carregar, através do resistor R
( =RC);
✓ Quando a tensão do capacitor igualar a
tensão de pico (VC=VP), o TUJ é disparado;
✓ Quando o TUJ entra em condução, capacitor
descarregar através da resistência RE1 ,
desligando o TUJ;
Uso do TUJ para Disparo de Tiristores
O TUJ é um dispositivo ideal para ser empregado em osciladores de relaxamento,
usado para disparos de SCRs.
A frequência e o período de oscilação são dados por:
1
=f
T
1ln
1
=
−
T RC RC
TUJ
Exemplo: Uma fontes de 15V é ligada em B2-B1 . Se n=0,6, determine a tensão emissor
necessária para ligar o TUJ.
TUJ
✓ São dispositivos composto por quatro camadas semicondutoras PNPN;
✓ Convertem e controlam grande quantidades de potência CA ou CC;
✓ São similares em função aos diodos de junção PN, entretanto, apresentam uma capacidade de
potência muito maior (tensão – corrente);
✓ Os principais tipos são:
▪ SCR – Retificador Controlado de Silício (Silicion Controlled Rectifier);
▪ GTO – Tiristor de Desligamento por Porta (Gate-TurnOff Thyristor);
▪ Triac e Diac;
▪ MCT – Tiristor Controlado MOS (MOS-Controlled Thyristor).
Introdução aos Tiristores de Potência
Retificador Controlado de Silício – SCR 
✓ Permite o chaveamento rápido, além de manipular elevados valores de tensão e
corrente e pequena dimensão.
Estrutura Símbolo
✓ Para ser polarizado diretamente
(condução) o ânodo deve ser
positivo em relação ao cátodo e uma
tensão positiva na porta, em relação
ao cátodo , deve ser aplicada. O SCR
só é desligado quando zera a
corrente do ânodo.
Curvas Características de Tensão-Corrente de um SCR
✓ Se o SCR estiver diretamente
polarizado, uma pequena
corrente flui denominada
corrente no estado desligado.
Mas se a tensão do ânodo for
aumentada até ultrapassa o
limite critico denominado tensão
de disparo direto (VFBO). O SCR
estará no estado ligado, então a
tensão cai para um valor abaixo
(1 a 3 V).
✓ As três curvas mostram que o
valor de VFBO) pode ser
controlado pelo nível da corrente
na porta.
Curva Característica Ideal de um SCR
A curva característica ideal do SCR tem três regiões distintas, a saber:
✓ Estado de bloqueio direto (desligado);
✓ Estado de condução direta (ligado);
✓ Estado de bloqueio reverso (desligado).
Testes dos SCRs
Semelhante às demais chaves semicondutoras, o SCR pode ser testado com o emprego
de ohmímetro. Da seguinte forma:
✓ Terminal positivo no ânodo e o negativo no cátodo: Alta resistência (SCR
desligado);
✓ Na posição anterior, mas com a porta acionada: Baixa resistência (ligado);
✓ Terminal ao cátodo e o negativo no ânodo: resistência infinita (desligado);
Principais Valores Nominais para os SCRs
Valor Nominal Máximo de Corrente RMS Repetitivo (IT(RMS))
✓ Sabemos que a circulação de corrente provoca o aumento na temperatura da
junção (Tj);
✓ A corrente RMS é usada para rotular o valor nominal da chave semicondutora,
Entretanto a corrente CC (corrente média) fornecida à carga é mais importante;
✓ A corrente média nominal no estado ligado é o valor máximo de corrente média
que pode ser suportado pelo SCR (IT(med)). Veja figura a seguir.
Valores Nominais de Corrente do SCR
Principais Valores Nominais para os SCRs (Cont.)
Valor Nominal Máximo de Corrente RMS Repetitivo (Cont.)
Valores Nominais de Corrente do SCR (Cont.)
Forma de onda real Forma de onda aproximada
Valor Nominal Máximo de Corrente RMS Repetitivo (Cont.)
Principais Valores Nominais para os SCRs (Cont.)
Após a aproximação temos:
2
= m 0RMS
I tI
T
Sendo : duração do pulso;=0t
corrente máxima;=mI
período de repetição.=T
= m 0med
I tI
T
O valor médio do pulso é dado por:
Assim podemos obter o fator de forma dado por:
= RMSo
med
If
I
Para um dado fator de forma temos: =RMS o medI f I
Valores Nominais de Corrente do SCR (Cont.)
Valor Nominal Máximo de Corrente RMS Repetitivo (Cont.)
Principais Valores Nominais para os SCRs (Cont.)
Valores Nominais de Corrente do SCR (Cont.)
Normalmente, o valor nominal de uma corrente do SCR é a sua corrente RMS
repetitiva máxima. Assim temos:
( ) ( )= oT RMS T medI f I
Ângulo de Condução 
( )
Fator de 
Forma (fo)
20° 5,0
40° 3,560° 2,7
80° 2,3
100° 2,0
120° 1,8
140° 1,6
160° 1,4
180° 1,3
Valor Nominal de Corrente de Surto (IFM ou ITSM) 
Principais Valores Nominais para os SCRs (Cont.)
Valores Nominais de Corrente do SCR (Cont.)
É a corrente de pico do ânodo que um SCR pode suportar por um curto intervalo de
tempo.
✓ O valor nominal da corrente de surto pode ser de 5 a 20 vezes maior que a
corrente RMS repetitiva (IT(RMS))
Corrente de Disparo (IL) 
Principais Valores Nominais para os SCRs (Cont.)
Valores Nominais de Corrente do SCR (Cont.)
É a corrente mínima no ânodo que deve fluir pelo SCR a fim de que ele fique no estado
ligado logo após o sinal da porta ter sido removido.
Corrente de Sustentação (IH) 
Principais Valores Nominais para os SCRs (Cont.)
Valores Nominais de Corrente do SCR (Cont.)
É a corrente mínima no ânodo que deve fluir pelo SCR a fim de mantê-lo em condução,
após ter recebido a corrente de disparo.
OBS.:
1. A relação entre a corrente de sustentação e de disparo é 2:1;
2. Tanto a corrente de sustentação quando de disparo são bem menores que a
corrente RMS repetitiva.
Tensão de Bloqueio Repetitivo em Polarização Direta (VDRM)
Principais Valores Nominais para os SCRs (Cont.)
Valores Nominais de Tensão do SCR
É a tensão máxima instantânea que o SCR pode bloquear no sentido direto. Esta
tensão deve ser menor que a tensão de disparo direta (VFBO).
Tensão de Pico Repetitiva Reversa (VRRM)
Principais Valores Nominais para os SCRs (Cont.)
Valores Nominais de Tensão do SCR (Cont.)
É a tensão máxima instantânea que o SCR pode suportar, sem se romper, na direção
inversa.
Tensão de Pico Não Repetitiva Reversa (VRSM)
Principais Valores Nominais para os SCRs (Cont.)
Valores Nominais de Tensão do SCR (Cont.)
É a tensão máxima transitória que o SCR pode suportar, sem se romper, na direção
inversa.
OBS.:
Normalmente, o valor desta tensão (VRSM) é de 10 a 20% maior que a tensão de pico
repetitiva reversa (VRSM).
Classificação dos SCRs em Função da Frequência e da Velocidade de Chaveamento
Os SCRs podem ser classificados em duas categorias:
▪ SCR do tipo chaveamento lento ou controle de fase;
▪ SCR do tipo chaveamento rápido ou inversor.
Os SCRs controlados por fase levam bastante tempo para comutar para o estado
desligado. Portanto, estes devem ser empregados em baixas frequências.
Enquanto que, os SCRs inversores podem ser empregados em altas frequências, uma
vez que o tempo de desligamento não é significativo em relação ao período.
Os fabricantes fornecem: frequência máxima (fmax), os tempos de ligação (tON) e de
desligamento (tOFF).
Principais Valores Nominais para os SCRs (Cont.)
No início da condução, a corrente do ânodo fica concentrada em uma pequena área,
próxima à porta. Então, se a taxa de crescimento da corrente do ânodo for muito
elevada, ou seja, maior que a taxa de crescimento da área de condução, a pequena
área inicial irá superaquecer, consequentemente, poderá danificar o SCR.
Valores Nominais de Taxa de Variação dos SCRs
Taxa de Súbita Crítica da Corrente no Estado Ligado 
(Valor Nominal di/dt)
Os fabricantes fornecem um valor seguro para a taxa de variação da corrente de
ânodo, denominada taxa de subida crítica da corrente no estado ligado conhecida
como valor nominal di/dt, dado em A/ s. tensão
Emprego de um indutor em série com o SCR pode evitar um elevado valor de di/dt.
( )max/
pVL
di dt
Sendo : indutância em =L H
tensão de pico da fonte.=pV
Principais Valores Nominais para os SCRs (Cont.)
Um crescimento rápido da taxa da tensão direta em um SCR no estado desligado
resulta em um fluxo de corrente nas junções para a camada da porta. Isto poderá fazer
com o SCR entre em condução se o valor crítico for ultrapassado.
Valores Nominais de Taxa de Variação dos SCRs (Cont.)
Taxa de Súbita Crítica da Tensão no Estado Desligado 
(Valor Nominal dv/dt)
Quanto maior a inclinação da curva (dv/dt) maior a probabilidade de
ocorrer a entrada em condução, mesmo abaixo do valor nominal de
tensão direta.
O valor nominal de dv/dt fornece o tempo de subida máxima de um pulso
de tensão que pode ser aplicado ao SCR no estado desligado, dado em
Volts/Ps.
Principais Valores Nominais para os SCRs (Cont.)
Para evitar os disparos não programados, ou seja, visando diminuir a elevada taxa de
variação da tensão (dv/dt), são usados os Circuitos Snubber, conforme ilustrado na
figura abaixo.
( )max/
DRMV
dv dt
=
( )max/
DRM
L L
VC
R R dv dt
( )max/
DRM
S
VR
di dt
=
100 , valor apropiado SR =
Valores Nominais de Taxa de Variação dos SCRs (Cont.)
Taxa de Súbita Crítica da Tensão no Estado Desligado 
(Valor Nominal dv/dt) (Cont.)
Principais Valores Nominais para os SCRs (Cont.)
Parâmetros da Porta de um SCR
Tensão de Pico Inversa Máxima na Porta (VGRM)
É o valor máximo da tensão CC negativa que pode ser aplicado sem danificar a junção
porta-cátodo.
Corrente Máxima de Acionamento da Porta (IGTM)
É o valor máximo da corrente CC da porta permitida para passar o SCR para o estado
ligado.
Tensão Máxima de Acionamento da Porta (VGTM)
É o valor da tensão necessária para produzir a corrente máxima de acionamento da
porta (IGTM).
Principais Valores Nominais para os SCRs (Cont.)
Dissipação Máxima de Potência na Porta (PGM)
É o produto do valor máximo da corrente instantânea pela tensão da porta que pode
existir durante a polarização direta. Se IGTM e VGTM forem usadas simultaneamente em
seus limites extremos , a potência máxima será excedida.
Tensão Mínima de Acionamento da Porta (VGT)
É o valor da tensão mínima CC porta-cátodo necessária para acionar o SCR. Esta fonte
deve fornecer a corrente de porta adequada para que o SCR passe para o estado
ligado.
Corrente Mínima de Acionamento da Porta (IGT)
É o valor mínimo da corrente CC da porta necessária conduzir o SCR para o estado
ligado. Normalmente, esta corrente é de 0,1 a 50mA.
Parâmetros da Porta de um SCR (Cont.)
Principais Valores Nominais para os SCRs (Cont.)
Valor Nominal da Temperatura da Junção
Esta é a grandeza mais importante nos dispositivos semicondutores, pois além de
definir os limites máximos e mínimos também determina se o dispositivo pode
suportar um período prolongado de operação.
Assim se a temperatura da junção de um SCR for excedida, acontecerá:
✓ Queda de tensão de disparo;
✓ Aumento da corrente no estado ligado;
✓ Aumento da corrente de fuga inversa
✓ Aumento do tempo de desligamento.
OBS.:
Se a temperatura de junção cair abaixo do limite mínimo, o SCR não poderá ser
acionado.
Aumento dos Valores Nominais do SCR
É possível fazer com que os valores nominais mais elevados, através de algumas
técnicas, tais como:
✓ Uso de refrigeração externa (ventilação forçada, emprego de trocadores de calor,
refrigeração à água, etc. );
✓ Emprego de circuito auxiliares que melhores o controle da tensão e da corrente
(circuitos Snubbers RC, indutores em série, etc.;
✓ Empregando SCRs em série e em paralelo.
✓ Vale ressaltar que, a potência máxima controlada por um SCR é definida em função
da corrente direta nominal e da tensão nominal de bloqueio direta.
✓ Quando se deseja maximizar a tensão ou a corrente para alguma aplicação
específica pode-se associar dois ou mais SCRs em série, em paralelo e
combinações série-paralela.
Ligações de SCRs em Série e em Paralelo
Ligações de SCRs em Série e em Paralelo (Cont.)
SCRs em Série
✓ Quando o valor nominal de um único SCR não é suficiente para bloquear a tensão
de entrada, dois ou mais SCRs podem ser ligados em série para aumentar a
capacidade de bloqueio direta.
✓ No entanto, os SCRs compartilham a tensão de
entrada na inversamente às suas correntes de
fugas. Isto faz com que haja uma distribuição
desigual da tensão. Conforme ilustrado pela figura
abaixo.
2é menor do que a SCR .
1 2 1, pois a corrente de fuga do SCR !V V
No entanto, uma distribuição de tensão quase igualitária é conseguida através do
emprego de resistores equalizadores. Conforme a figura abaixo:
Ligações de SCRs em Série e em Paralelo (Cont.)SCRs em Série (Cont.)
.1 .2Tal que : =Eq EqR R
Uma segunda abordagem que permite a distribuição de tensão razoavelmente
uniforme. Este arranjo proposto permite tensões diferentes (V1 V2), mas fixas. Vale
registrar que o SCR com um menor corrente de fuga ficará com uma parcela maior da
tensão de bloqueio. Esta referida configuração está ilustrada na figura abaixo:
Ligações de SCRs em Série e em Paralelo (Cont.)
SCRs em Série (Cont.)
1 2 2 1Suponhamos que : SCR SCRI I V V
1 1 2 2Sendo : e= =V R I V R I
1 2 1 2Ainda temos : = + = +mV V V R I V
1 1 2 2Aplicando LKC ao M : + = +SCR SCRI I I I
1 2 2 1Temos : − = − =SCR SCRI I I I I
1 2Ou ainda : = −I I I
( )2 2 2 2 2Finalmente : 2= + − = + − = −mV V R I I V RI R I V R I 2
2 −
= m
V VR
I
Nas transições do estado ligado para desligado e vice-versa podem ocorrer
distribuição desigual de tensão, visto que um SCR pode comutar antes do outro. Uma
para evitar esta distribuição não uniforme de tensão é o emprego do circuito Snubber.
Ligações de SCRs em Série e em Paralelo (Cont.)
SCRs em Série (Cont.)
Ligações de SCRs em Série e em Paralelo (Cont.)
SCRs em Paralelo
✓ Quando o valor nominal da corrente de um único SCR é inferior a corrente da
carga, dois ou mais SCRs podem ser ligados em paralelo para aumentar a
capacidade de condução de corrente.
✓ No entanto, os SCRs podem compartilhar a corrente de
maneira desigual. A figura ao ilustra que apesar dos
dois SCRs terem a mesma capacidade nominal, mas
eles conduzem correntes diferentes.
Ligações de SCRs em Série e em Paralelo (Cont.)
SCRs em Paralelo (Cont.)
1 1 2 2Temos : + = +R I V R I V
1 2
2 1
−
=
−
V VR
I I
No entanto, pode-se conseguir um compartilhamento forçado através da inserção de
um pequeno resistor ou um indutor em série com cada SCR, de acordo com a figura
abaixo.
Ligações de SCRs em Série e em Paralelo (Cont.)
SCRs em Paralelo (Cont.)
Vale ressaltar que a equalização usando resistores não é eficiente, devido às perdas,
além disso, os resistores não fazem a compensação para os tempos desiguais na
comutação do estado ligado para desligado e vice-versa.
Um método mais eficiente de fazer a equalização é empregando um reator com
terminal central, conforme ilustrado abaixo.
Perdas de Potência nos SCRs
As perdas de potência nos SCRs acontecem das seguintes formas:
✓ Perda de potência no estado ligado;
✓ Perda de potência no estado desligado;
✓ Perda de potência por chaveamento;
✓ Perda de potência por acionamento da porta.
Perda de potência no estado desligado e por acionamento
Perdas de Potência nos SCRs (Cont.)
As perdas de potência nos SCRs quando estes estão bloqueados em ambas as direções
são pequenas assim como as perdas por acionamento forem pequenas também são
em condições normais de operação.
Perda de potência por chaveamento
As perda por chaveamento também são pequena para baixas frequências. Estas
aumentam para frequência elevadas podem ser determinadas multiplicando-se a
tensão instantânea pela corrente instantânea.
Perda de potência no estado ligado
Estas são as perdas mais expressivas nos SCRs. Para determiná-las basta multiplicar a
tensão no estado ligado pela corrente no estado ligado.
Proteção dos SCRs
De maneira semelhante aos demais chaves semicondutoras, estes devem ser
protegidos contra sobretensão, sobrecorrente e transitórios.
Proteção contra Sobretensão
As sobretensões são causadas por distúrbios de chaveamentos, produzidos pela
energia armazenada nos elementos indutivos. Estas tensões transitórias podem
exceder o valor da tensão de bloqueio direta, provocando disparos indesejados ou até
mesmo a ruptura reversa.
A proteção contra sobretensão pode ser realizada através da ligação de um diodo em
série com o SCR, assim a tensão reversa será compartilhada entre os dois dispositivos.
No entanto este procedimento torna-se ineficiente em certas ocasiões.
Proteção dos SCRs (Cont.)
Proteção contra Sobretensão (Cont.)
Outra maneira de proteger os SCRs contra sobretensões é escolher um SCR com um
valor nominal de tensão mais alto, assim tem um fator de segurança (FV).
(ou PIV do SCR)
= RRMV
VF
tensão de pico aplicada ao SCR
Vale ressaltar que, por razões econômicas, os dispositivos semicondutores são
projetados com valores nominais com um fator de segurança de tensão de 1,5.
Ainda, há outras opções que podem ser utilizadas para evitar as sobretensões no SCRs,
as quais já foram comentadas neste curso como: Circuito Snubber e o varistor.
Proteção dos SCRs (Cont.)
Proteção contra Sobrecorrente
Normalmente, a sobrecorrente está associada a uma falha na fonte ou falha no
circuito (curto-circuito).
A proteção contra sobrecorrente é feita utilizando os dispositivos convencionais para
este propósito, tais como: fusíveis de ação rápida, relés de sobrecorrente, disjuntores
de alta velocidade.
Proteção dos SCRs (Cont.)
Valor Nominal de I2t
A energia que deve ser dissipada por um fusível é oriunda da fonte ou dos elementos
de armazenamento de energia. Este energia é dada por I2t, então este produto (I2t)
define a capacidade térmica dos fusíveis e é usado na proteção do SCR. Durante as
falhas os SCRs devem suportar elevadas temperaturas da junção. O valor nominal I2t
de um SCR permite a escolha certa da proteção. Basta escolher um fusível com I2t
nominal menor I2t que do SCR.
Proteção do Circuito de Acionamento (Circuito de Controle)
O circuito de acionamento (gatilho) deve ser protegido contra transitórios de tensão.
Diante disto, os circuitos de controle e de força (potência) devem ser isolados um do
outro. Assim, o isolamento entre SCR e o circuito de controle é realizado utilizando
transformado de pulso ou acoplador óptico (optoacoplador).
Para que os circuitos que empregam SCRs, desempenham as funções corretamente, os
circuitos de acionamento devem fornecer o sinal de disparo correto no tempo certo.
Diante disto, os circuitos de controle devem atender tais requisitos:
▪ Produzir um sinal na porta de amplitude adequada e tempo de subida
suficientemente curto;
▪ Produzir um sinal na porta com duração adequada;
▪ Fornecer um controle de disparo preciso na faixa requerida;
▪ Assegurar que o acionamento não ocorra em decorrência de sinais falsos;
▪ Em aplicações CA, assegurar que o sinal na porta seja aplicado quando o SCR
estiver polarizado diretamente;
▪ Em circuitos trifásicos, fornecer pulsos que estejam 120° defasados entre as fases;
▪ Assegurar o acionamento simultâneo dos SCR em série e em paralelos.
Circuitos de Acionamento de Porta dos SCRs
Há três tipos básicos de circuitos utilizados no acionamento:
▪ Sinais CC;
▪ Sinais pulsados;
▪ Sinais CA.
Circuitos de Acionamento de Porta dos SCRs (Cont.)
A seguir estão dois circuitos que fornecem um sinal CC na porta do SCR. No entanto, o
primeiro usa duas fontes distintas, sendo uma para o circuito de controle e a outra
para o circuito de potência, enquanto o segundo circuito emprega apenas uma fonte.
Sinais CC
Circuitos de Acionamento da Porta dos SCRs (Cont.)
Obs.: Vale destacar
que a aplicação do
sinal CC constante
na porta não é
atraente devido às
perdas.
Com o intuito de reduzir as perdas de potência na porta, são utilizado circuito de
disparo que geram um único pulso. Além disso, é fácil conseguir o isolamento entre os
circuitos de potência e de controle. As figuras abaixo mostram dois tipos de circuitos.
Sinais Pulsados
Circuitos de Acionamento da Porta dos SCRs (Cont.)
Uma configuração de circuito de disparo pulsado usando Diac está ilustrado abaixo.
Sinais Pulsados (Cont.)
Circuitos de Acionamento da Porta dos SCRs (Cont.)
Outra configuração de circuito de disparo usando optoacoplador está ilustrado abaixo.
Sinais Pulsados (Cont.)
Circuitos de Acionamento da Porta dos SCRs (Cont.)
Sinais CA
Circuitos de Acionamento da Porta dos SCRs (Cont.)
Em circuito CA, é muito comum, o uso de uma única fonte tanto para o circuito de
potência quanto para o circuito de controle. Na primeira figura, temos um circuito
resistivo simples,sendo o disparo controlado por R2. O segundo esquema, a porta é
controlada por um circuito RC, Além disso, a tensão da porta esta atrasada por um
ângulo de fase que depende de (R1+ R2) e de C.
Controle de fase resistivo Controle de fase RC
Acionamento de SCRs Série e em Paralelo
Vários SCRs podem ser acionados ao mesmo tempo por uma única fonte. Nas figuras
abaixo, temos um transformador de pulso com múltiplos secundários garantindo que
todas as portas sejam acionadas simultaneamente.
Circuito de desligamento (comutação) de SCRs
✓ Para que um SCR seja desligado, a corrente do ânodo deve ser menor que a
corrente de sustentação.
✓ Em Circuito CA isto é realizado naturalmente no semiciclo negativo por é
denominado comutação natural ou comutação de linha.
✓ Em Circuito CC este processo de desligamento é realizado através de circuitos
adicionais, os quais forçam um corrente inversa por um breve período de tempo,
fazendo com que ocorra uma comutação forçada.
Assim, a desligamento de um SCR pode ser realizado das seguintes formas:
✓ Desviando a corrente do ânodo por um caminho alternativo;
✓ Curto-circuitando o ânodo com o cátodo do SCR;
✓ Polarizando reversamente o SCR (Cátodo positivo em relação ao ânodo);
✓ Forçando a corrente do ânodo a cair a zero por um período breve;
✓ Abrindo o caminho externo proveniente da tensão de alimentação do ânodo;
✓ Reduzindo a zero a tensão de alimentação, por um instante.
Capacitor de Comutação
Circuito de desligamento (comutação) de SCRs (Cont.)
No circuito abaixo, o transistor, quando acionado (conduzindo) fornece um caminho
alternativo para a corrente do ânodo, possibilitando o desligamento do SCR.
Capacitor de Comutação (Cont.)
Circuito de desligamento (comutação) de SCRs (Cont.)
No circuito apresentado pela figura abaixo, faz com que o SCR principal seja polarizado
reversamente quando o SCR2 é acionado.
Para garantir uma comutação correta,
temos que adotar:
0,693
OFF
L
tC
R
=
 tempo de desligamentoOFFt =
Comutação por Fonte Externa
Circuito de desligamento (comutação) de SCRs (Cont.)
Um circuito que Utiliza uma fonte externa é mostrado na figura abaixo. O gerador de
pulsos polariza reversamente o SCR e assim o faz com que comute (desliga).
Comutação por Ressonância
Circuito de desligamento (comutação) de SCRs (Cont.)
Um circuito LC, na ressonância natural, pode ser utilizada para desligar o SCR sem o
uso da fonte externa., conforme mostrado nas figuras abaixo.
circuito de desligamento ressonante série
circuito de desligamento ressonante paralelo
Comutação de Linha CA
Circuito de desligamento (comutação) de SCRs (Cont.)
Um circuito ilustrando a comutação de linha assim como as forma de ondas são
apresentados abaixo. Vale ressaltar que a frequência máxima na qual este circuito
pode operar depende do tempo de desligamento do SCR.
Outros tipos de Tiristores
Chave Controlada de Silício (SCS)
Assim como o SCR, a chave controlada de silício é um dispositivo com 4 camadas. No
entanto, tem duas portas.
Outros tipos de Tiristores (Cont.)
Chave Controlada de Silício (SCS)
A figura abaixo ilustra o circuito equivalente de um SCS. Esta chave pode mudar de
estado das seguintes maneiras:
✓ De maneira análoga à um SCR, ou seja, o SCS pode
passar para o estado ligado com um pulso positivo
na porta-cátodo ou com um pulso negativo na
porta-ânodo;
✓ Quando o SCS está ligado, este será desligado com
um pulso positivo na porta- ânodo ou com um
pulso negativo na porta-cátodo
Outros tipos de Tiristores (Cont.)
Tiristor de Desligamento por Porta (GTO – GateTurn-OffThyristor)
O GTO tem um princípio de funcionamento idêntico ao SCR, exceto pelo fato que o
GTO pode ser desligado por intermédio de uma corrente de porta negativa. Além sua
capacidade de desligamento é melhor que o SCR (mais rápido).
Estrutura Símbolo
Outros tipos de Tiristores (Cont.)
Tiristor de Desligamento por Porta (GTO) (Cont.)
A figura abaixo ilustra a curva característica tensãoucorrente ideal de um GTO.
Outros tipos de Tiristores (Cont.)
Tiristor de Desligamento por Porta (GTO) (Cont.)
✓ Os GTOs são aplicados em dispositivos que requerem alta velocidade de
chaveamento;
✓ Os valores nominais de tensão e corrente do GTO são menores que do SCR;
✓ Os GTOs possuem queda de tensão maior e corrente de fuga menor que o SCR;
✓ São empregados em compensadores estáticos de reativos e UPS;
✓ Tem como principal desvantagem, quando comparado ao SCR, a necessidade de
uma corrente maior na porta para mudar de estado;
✓ Requer um diodo reverso em paralelo (pequena capacidade de suporta tensão
reversa);
Outros tipos de Tiristores (Cont.)
Tiristor de Desligamento por Porta (GTO) (Cont.)
Devido as grandes perdas as quais o GTO está sujeito, assim este dispositivos
requerem circuitos auxiliares (circuitos snubbers). Além disso, este circuitos limitam o
dv/dt.
Outros tipos de Tiristores (Cont.)
Diac
Estrutura Símbolo
As figuras abaixo ilustram a estrutura física e o símbolo de um Diac.
Outros tipos de Tiristores (Cont.)
Diac (Cont.)
O Diac opera como se fosse dois diodos ligados em contraposição em série.
Estrutura Símbolo
Outros tipos de Tiristores (Cont.)
Triac
Circuito equivalente
O Triac é um Diac que opera com um terminal de controle. Assim o Triac tem três
terminais, sendo dois principais e um de gate.
Outros tipos de Tiristores (Cont.)
Triac (Cont.)
A figura abaixo ilustra a curva característica tensãoucorrente de um Triac. Vale
ressaltar que esta curva é idêntica à do SCR para as duas polaridades de tensão
aplicadas aos terminais MT1 e MT2.
Outros tipos de Tiristores (Cont.)
Tiristor Controlado MOS (MCT)
É um dispositivo semicondutor que reuni as característica do MOSFET e do SCR. Isto
significa que tem um baixa queda de tensão direta quando no estado ligado e um
tempo de desligamento pequeno.
Símbolo Circuito equivalente
Outros tipos de Tiristores (Cont.)
Tiristor Controlado MOS (MCT) (Cont.)
A figura abaixo ilustra a curva característica tensãoucorrente de umMCT.