Portfólio de Eletrônica de Potência R7

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TIRISTORES
Descrição da Atividade
	Realize uma pesquisa sobre os tiristores de potência e os circuitos e equipamentos nos quais esses tiristores são aplicados. Descreva os circuitos de disparo e controle aplicados aos tiristores de potência
Introdução
	Os tiristores pertencem à família de dispositivos semicondutores de potência, sendo amplamente utilizados em circuitos eletrônicos de potência, operando como chaves biestáveis, passando do estado de não condução para o de condução. 
	Os tiristores convencionais são projetados sem a capacidade de desligamento controlado pela porta, chamada também de gatilho, sendo assim, conseguem passar de seu estado de condução para o de não condução somente quando a corrente é levada a zero por outros meios. Os tiristores de desligamento pela porta (GTOs) são projetados para conseguir controle tanto de entrada tanto de entrada em condução quanto de desligamento.
	O tiristor é um dispositivo semicondutor de quatro camadas de estruturas PNPN com três junções PN. Ele tem três terminais: anodo, catodo e porta (gatilho). A figura abaixo mostra o símbolo do tiristor e a seção transversal das três junções PN. 
Tipos de tiristores
	Os tiristores são fabricados quase exclusivamente por difusão. A corrente de anodo necessita de um tempo finito para se propagar por toda a área da junção, a partir do ponto perto da porta, quando o sinal de acionamento é iniciado para ligar o tiristor. Os fabricantes utilizam várias estruturas de porta para controlar a di/dt, o tempo de entrada em condução e do de desligamento. Os tiristores podem ser facilmente ligados com um pulso curto. Para desligar, ele necessitam de circuitos específicos de acionamento ou estruturas internas especiais a fim de auxiliar no processo. Existem várias versões de tiristor com capacidade de desligamento, e o objetivo de qualquer dispositivo novo é melhorar essa capacidade. Com o surgimento de novos dispositivos com capacidade de ligar e desligar, aquele com apenas a capacidade de ligar é chamado de “tiristor convencional”, ou simplesmente de “tiristor”. Outros membros desta família dos tiristores ou SCR adquiriram outros nomes baseados em acrônimos. O uso de termo tiristor é geralmente destinado ao tipo convencional. Dependendo da constituição física e do comportamento de ligar e desligar, os tiristores podem ser genericamente classificados em 13 categorias:
Tiristores controlados por fase - SCRs –
Tiristores bidirecionais controlados por fase – BCTs –
Tiristores assimétricos de chaveamento rápido – ASCRs –
Retificadores controlados de silício ativados por luz – LASCRs –
Tiristores tríodos bidirecionais – TRIACs –
Tiristores de condução reversa – RCTs –
Tiristores de desligamento pela porta - GTOs – 
	Tiristores controlados por FET – FET-CTHs –
Tiristores desligados por MOS – MTOs – 
Tiristores de desligamento (controle) pelo emissor – ETOs –
Tiristores de comutação por porta integrada – IGCTs –
Tiristores controlados por MOS – MCTs –
Tiristores de indução estática – SITHs – 
Tiristores controlados por fase - SCRs –
	Esse tipo de tiristor geralmente opera na frequência da rede e é desligado por comutação de sinal. Um tiristor inicia a condução no sentido direto quando um pulso de corrente é aplicado da porta para o catodo, e rapidamente trava em condução plena com uma pequena queda de tensão. Ele não consegue forçar sua corrente de volta a zero por intermédio de seu sinal de acionamento; em vez disso, ele conta com o comportamento natural do circuito para que a corrente chegue a zero. Quando a corrente de anodo chega à zero, o tiristor recupera sua capacidade de tensão reversa de bloqueio em algumas dezenas de microsegundos e consegue bloquear a tensão direta até que o próximo pulso de acionamento seja aplicado. Esse tipo é o conversor mais adequado para aplicações de chaveamento em baixa velocidade, sendo também conhecido como tiristor conversor. Como um tiristor é basicamente um dispositivo controlado feito de silício, ele também é chamado de retificador controlado de silício (SCR).
	Por seu baixo custo, alta eficiência, robustez e capacidade de alta tensão e corrente, esses tiristores são amplamente utilizados em conversores CC-CA com alimentação principal em 50 ou 60 Hz e em aplicações de baixo custo em que a capacidade de desligamento não é um fator importante. Muitas vezes a capacidade de desligamento não oferece vantagens suficientes para justificar um custo maior e as perdas dos dispositivos. Eles são utilizados em quase todas as transmissões de alta tensão CC (HVDC) e em uma grande porcentagem de aplicações industriais.
Tiristores bidirecionais controlados por fase – BCTs –
	
	O BCT é um novo conceito para controle de fase em alta potência. Seu símbolo é mostrado na figura acima, letra (a). Ele é um dispositivo único, que reúne as vantagens de ter dois tiristores em um só encapsulamento, o que permite o projeto de um equipamento mais compacto, além de simplificar o sistema de refrigeração e aumentar a confiabilidade do sistema. Os BCTz possibilitam que os projetistas atendam exigências maiores com relação a tamanho, integração, confiabilidade e custo do produto final. Eles são adequados para aplicações como compensadores estáticos de volt-ampére reativo (VAR), chaves estáticas, partidas suaves e acionamentos de motores. A especificação máxima de tensão pode chegar a 6,5KV em 1,8 KA, e a especificação máxima de corrente pode atingir 3KA a 1,8KV.
	O comportamento elétrico de um BCT corresponde ao de dois tiristores em antiparalelo integrados em uma pastilha de silício, como a figura acima, letra (b). Cada metade tem desempenho semelhante ao de um tiristor correspondente em pastilha completa, com relação ás suas propriedades estáticas e dinâmicas. A pastilha BCT tem regiões de anodo e catodo em cada face. Os tiristores A e B estão identificados na pastilha pelas letras A e B respectivamente.
	Um BCT tem duas portas: uma para acionamento da corrente direta e uma para a corrente reversa. Esse tiristor é ligado com um pulso de corrente em uma de suas portas, e desligado se a corrente de anodo cair abaixo da corrente de manutenção por conta do comportamento natural da tensão ou da corrente.
Tiristores assimétricos de chaveamento rápido – ASCRs –
	Esses tiristores são utilizados em aplicações de chaveamento de alta velocidade com comutação forçada (inversores ressonantes). Eles têm tempo de desligamento rápido, geralmente de 5 a 50 μs, dependendo da faixa de tensão. A queda de tensão direta em estado ligado varia aproximadamente como uma função inversa do tempo de desligamento tq. Esse tipo de tiristor é também conhecido como tiristor inversor.
	Esses tiristores têm dv/dt elevada, normalmente de 1000 V/μs. O desligamento rápido e a di/dt, elevada são muito importante para a redução do tamanho e do peso dos componentes do circuito de comutação ou reativo. A tensão no estado ligado de um tiristor de 1800V, 200A, é geralmente de 1,7 V. Os tiristores inversores com uma capacidade de bloqueio reverso muito limitada, normalmente de 10V, e um tempo de desligamento muito rápido, entre 3 e 5μs, são em geral conhecidos como tiristores assimétricos. Tiristores de chaveamento rápido de vários tamanhos como mostrado na figura acima. 
Retificadores controlados de silício ativados por luz – LASCRs –
	Esse dispositivo é ligado através de radiação direta de luz sobre a pastilha de silício. Os pares de elétrons-lacunas que são criados por conta da radiação produzem uma corrente de disparo sob a influência do campo elétrico. A estrutura da porta é projetada para apresentar sensibilidade suficiente para acionamento a partir de fontes luminosas normais (LED, como exemplo) e para que se obtenha elevadas capacidades de dv/dt e di/dt.
	Os LASCRs são utilizados em aplicações de transmissão de alta tensão e alta corrente (HVDC) e de compensação estática de potência reativa ou compensação VAR. Um LASCR ofereceisolamento elétrico completo entre a fonte de disparo por luz e o dispositivo de chaveamento de um conversor de potência, que flutua em um potencial que chega a algumas centenas de quilovolts. A faixa de tensão de um LASCR pode ser de até 4 KV, em 1500 A, com uma potência de disparo por luz de menos de 100mW. A di/dt típica é 250 A/μs e dv/dt pode chegar a 2000 V/ μs.
Tiristores tríodos bidirecionais – TRIACs –
	Um TRIAC consegue conduzir em ambos os sentidos, e é normalmente utilizado em controle de fase CA (controladores de tensão CA). Ele pode ser considerado dois SCRs conectados em antiparalelo com uma conexão de porta em comum, como mostrado na figura acima (a). Seu símbolo é apresentado na letra (b) e as características v-i na letra (c).
	Como o TRIAC é um dispositivo bidirecional, seus terminais não podem ser chamados de anodo e catodo. Se o terminal MT2 for positivo em relação ao MT1, O TRIAC pode ser ligado pela aplicação de um sinal de porta positivo entre a porta G e o terminal MT1. Se o terminal MT2 for negativo em relação ao MT1, ele é ligado pela aplicação de um sinal de porta negativo entre a porta G e o terminal MT1. Não é necessário ter ambas as polaridades dos sinais de porta, pois um TRIAC pode ser ligado tanto por um sinal de porta positivo quanto por um negativo. Na prática as sensibilidades variam de um quadrante para o outro, e os TRIACs normalmente são operados no quadrante 1+ (tensão e corrente de porta positivas) ou no quadrante 3- (tensão e correntes negativas).
Tiristores de condução reversa – RCTs –
	Em muitos circuitos de conversores e inversores, um diodo antiparalelo é conectado a um SCR para permitir um fluxo de corrente reversa por conta da carga indutiva e para melhorar a condição de desligamento do circuito de comutação. O diodo grampeia a tensão reversa de bloqueio do SCR em 1 ou 2 V em condições de regime permanente. No entanto, em condições transitórias, a tensão reversa pode chegar a 30V em virtude da tensão induzida na indutância parasita do circuito dentro do dispositivo.
	Um RCT é um compromisso entre as características do dispositivo e as exigências do circuito; ele pode ser considerado um tiristor com um diodo em antiparalelo incorporado, como mostra a figura acima. Um RCT também é conhecido como ASCR. A tensão direta de bloqueio varia de 400 a 2000V, e a faixa de corrente vai até 500A. A tensão reversa de bloqueio é geralmente de 30 a 40 V. Com a relação de corrente direta através do tiristor quanto á corrente reversa de um diodo é fixa para determinado dispositivo, as suas aplicações ficam limitadas a projetos de circuitos específicos.
Tiristores de desligamento pela porta GTOs –
Um GTO, do mesmo modo que um SCR pode ser ligado pela aplicação de um sinal de porta positivo. Entretanto, um GTO pode ser desligado por um sinal de porta negativo. Um GTO é um dispositivo sem travamento e pode ser construído com especificações de corrente e tensão semelhantes ás de um SCR. Um GTO é ligado pela aplicação de um pulso positivo de curta duração, e desligado por um pulso negativo de curta duração em sua porta. Os GTOs têm as seguintes vantagens sobre os SCRs:
Eliminação dos componentes do circuito de comutação forçada, o que resulta em redução de custo, peso e volume;
Redução de ruído acústico e eletromagnético por conta da eliminação dos indutores de comutação;
Desligamento mais rápido, o que permite altas frequências de chaveamento;
Conversores mais eficientes.
	Um GTO tem ganho baixo durante o desligamento, em geral seis, e necessita de um pulso relativamente alto de corrente negativa para desligar. Ele tem uma tensão maior do que os SCRs no estado ligado. A tensão no estado ligado de um GTO típico de 1200 V, 550 A, é normalmente de 3,4 V. 
	Os GTOs são utilizados em especial em conversores fonte de tensão, nos quais é necessário um diodo de recuperação rápida em antiparalelo para cada GTO. Assim, os GTOs normalmente não precisam de capacidade de tensão reversa. Esses GTOs são conhecidos como GTOs assimétricos. Isso se consegue por meio de uma camada intermediária, constituída por uma camada n+ fortemente dopada na extremidade da camada n. Os GTOs assimétricos têm queda de tensão menor e especificações mais elevadas de tensão e corrente.
Tiristores controlados por FET – FET-CTHs –
	Um dispositivo FET-CTH é a soma de um MOSFET com um tiristor em paralelo, como na figura acima. Se uma tensão suficiente for aplicada na porta do MOSFET, em geral de 3 V, uma corrente de disparo para o tiristor é gerada internamente. Ele tem uma alta velocidade de chaveamento e elevadas di/dt e dv/dt.
	Esse dispositivo pode ser acionado como os tiristores convencionais, mas não pode ser desligado por meio de controle de porta. Ele encontra aplicações onde o acionamento ótico é usado para fornecer isolação elétrica entre a entrada ou o sinal de controle e o dipositivo de chaveamento do conversor de potência.
Tiristores desligados por MOS – MTOs – 
	
	Ele é a soma de um GTO com um MOSFET, que juntos superam as limitações da capacidade de desligamento do GTO. A principal desvantagem dos GTOs é que eles necessitam de um circuito de comando com pulso elevado de corrente para a porta com baixa impedância. O circuito de porta deve fornecer uma corrente de desligamento cuja amplitude de pico típica é de 35% da corrente a ser controlada. O MTO proporciona a mesma funcionalidade que o GTO, mas utiliza um comando de porta que precisa fornecer apenas o nível de tensão necessário para ligar e desligar os transistores MOS. 
	Entrada em condução: da mesma forma que um GTO, o MTO é ativado pela aplicação de um pulso de corrente na porta de acionamento. O pulso de acionamento liga o transistor NPN, Q1, que em seguida, liga o transistor PNP, Q2, e retém o MTO ligado.
	Desligamento: Um pulso de tensão é aplicado na porta do MOSFET. Ligando os MOSFETs, forma-se um curto-circuito entre o emissor e a base do transistor NPN, Q1, o que interrompe o processo de retenção.
Tiristores de desligamento (controle) pelo emissor – ETOs –
	O ETO é um dispositivo híbrido MOS-GTO que agrega as vantagens do GRO ás do MOSFET. O ETO tem duas portas: uma normal para acionamento e uma com um MOSFET em série para o desligamento. ETOs de alta potência com especificação de corrente de até 4 KA e especificação de tensão de até 6KV têm sido apresentados. 
	Entrada em condução: Um ETO é ligado pela aplicação de tensões positivas nas duas portas. Uma tensão positiva na porta 2 liga o MOSFET Qe em série com o catodo, e desliga o MOSFET Qg conectado na porta. Uma corrente de injeção na porta GTO (através da porta 1) liga o ETO por conta da existência do GTO.
	Desligamento: Quando um sinal de tensão negativa é aplicado ao MOSFET Qe em série com o catodo, ele desliga e transfere toda a corrente para fora do catodo (emissor n do transitor npn do GTO) na direção da base via o MOSFET Qg conectado na porta. Isso interrompe o processo de travamento regenerativo e resulta em um desligamento rápido.
Tiristores de comutação por porta integrada – IGCTs –
	O IGCT integra um tiristor comutado pela porta GCT, com o circuito de acionamento em uma placa de circuito impresso de várias camadas. O IGCT é um GTO de chaveamento dissipativo com um pulso de corrente de porta muito grande é rápido, tão grande quanto a corrente máxima, que tira toda a corrente de catodo para a porta em cerca de 1μs a fim de garantir um desligamento rápido.
	Entrada em condução: Semelhante a um GTO, o IGCT é ligado pela aplicação de uma corrente de disparo em sua porta.
	Desligamento: O IGCT é desligado por uma placa de acionamento de várias camadas que consegue fornecer um pulso de desligamento com crescimento rápido, por exemplo, uma corrente de porta de 4 KA/μs com uma tensão porta-catodo de apenas 20 V. Com essa taxa de corrente de porta, o lado de catodo do transistor NPN é totalmente desligado em cerca de 1 μs, e o lado do transitor PNP é efetivamente deixado comuma base aberta e desligado quase de imediato. Por conta da duração muito curta do pulso, a energia de acionamento é bastante reduzida, e o consumo de energia do acionamento, minimizado. A necessidade de potência de acionamento é reduzida por um fator de cinco em comparação á do GTO. Para aplicar uma corrente de porta alta e que cresce rapidamente, o IGCT incorpora um reforço especial a fim de reduzir a indutância do circuito de porta ao mínimo possível. Esse recurso também é necessário para circuitos de acionamento do MTO e do ETO.
Tiristores controlados por MOS – MCTs –
	Um MCT reúne as características de um tiristor regenerativo de quatro camadas com uma estrutura de porta MOS. Da mesma forma que o IGBT, que agrega as vantagens da junção bipolar com as estruturas de efeito de campo, um MCT é um aperfeiçoamento em relação a um tiristor com um par de MOSFETs para ligar e desligar. 
	Entrada em condução: Quando o MCT de canal p está em estado de bloqueio direto, ele pode ser ligado pela aplicação de um pulso negativo em sua porta com relação ao anodo. Já quando um MCT de canal n está em estado de bloqueio direto, ele pode ser ligado pela aplicação d um pulso positivo em sua porta com relação ao catodo. Um MCT permanece no estado ligado até que a corrente do dispositivo seja invertida ou um pulso de desligamento seja aplicado em sua porta.
	Desligamento: Quando um MCT de canal p está no estado ligado, ele pode ser desligado pela aplicação de um pulso positivo em sua porta com relação ao anodo. Já quando um MCT de canal n está no estado ligado, ele pode ser desligado pela aplicação de um pulso negativo em sua porta com relação ao catodo.
	O MCT pode ser operado como dispositivo controlado pela porta se sua corrente for menor do que o pico da corrente controlável. A tentativa de desligar o MCT com correntes mais altas do que o pico de sua corrente controlável nominal pode resultar na destruição do dispositivo.
Tiristores de indução estática – SITHs – 
	Conhecido também como diodo controlado por campo. É um dispositivo de portadores minoritários. Consequentemente tem baixa resistência ou queda de tensão no estado ligado e pode ser fabricado para faixas mais elevadas de tensão e corrente. Ele tem velocidade alta de chaveamento e capacidades elevadas de dv/dt e di/dt. O tempo de chaveamento é da ordem de 1 a 6μs. Já a faixa de tensão pode ir até 2500 V, e a faixa de corrente é limitada a 500 A.
	Entrada de condução: É normalmente ligado pela aplicação de uma tensão de porta positiva em relação ao catodo. O SITH liga rapidamente, desde que a corrente e a tensão do comando de porta sejam suficientes. 
	Desligamento: Um SITH normalmente é desligado pela aplicação de uma tensão de porta negativa quanto ao catodo. Se uma tensão suficientemente negativa for aplicada na porta, uma camada de depleção se forma em torno da porta p+. A camada de depleção em J2 gradualmente se estende para dentro do canal. Uma barreira de potencial é criada no canal, estreitando-o e removendo os portadores em excesso. Se a tensão de porta for suficientemente grande, a camada de depleção das regiões adjacentes á porta se funde no canal e acaba desligando o fluxo da corrente de elétrons ali. Por fim, a camada de depleção interrompe completamente o canal. Por fim, a camada de depleção interrompe completamente o canal.
Exemplos geral do uso de tiristores:
	
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
http://newtoncbraga.com.br/index.php/almanaque/1300-alm203.html
http://pwp.net.ipl.pt/deea.isel/galhardo/epotexto/ficheiros/ch10/ch10s7/ch10s7.htm
RASHID, M. H. Eletrônica de potência: dispositivos, circuitos e aplicações. Tradução Leonardo Abramowicz. 4. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2014.
file:///C:/Users/moises/Downloads/Tiristores%20(1).pdf
https://pt.wikipedia.org/wiki/Tiristor
http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/ee832/exp2-2002.pdf
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