Aula_04_-_Semicondutores_de_Potncia_-_Tiristores

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Semicondutores de Potência
Tiristores
EEN502.1
Fundamentos de Eletrônica de Potência
Prof. Rondineli Rodrigues Pereira
1
Tiristores
Condução:
• Se entre anodo e catodo tivermos uma tensão positiva, 
as junções J1 e J3 estarão diretamente polarizadas, 
enquanto a junção J2 estará reversamente polarizada.
• Não haverá condução de corrente até que a tensão Vak
se eleve a um valor que provoque a ruptura da barreira 
de potencial em J2.
+
-
2
Tiristores
Condução:
• Se houver uma tensão Vgk positiva, circulará uma 
corrente através de J3, com portadores negativos indo 
do catodo para a porta. Por construção, a camada P 
ligada à porta é suficientemente estreita para que parte 
destes elétrons que cruzam J3 possuam energia 
cinética suficiente para vencer a barreira de potencial 
existente em J2, sendo atraídos pelo anodo.
+
-
3
Tiristores
Condução:
• Desta forma, a junção reversamente polarizada tem 
sua diferença de potencial diminuída e estabelece-se 
uma corrente entre anodo e catodo, que poderá 
persistir mesmo na ausência da corrente de porta.
+
-
4
Tiristores
Bloqueio:
• Quando a tensão Vak for negativa, J1 e J3 estarão 
reversamente polarizadas, enquanto J2 estará 
diretamente polarizada. Uma vez que a junção J3 é 
intermediária a regiões de alta dopagem, ela não é 
capaz de bloquear tensões elevadas, de modo que cabe 
à junção J1 manter o estado de bloqueio do 
componente.
-
+
5
Tiristores
• O tiristor manterá em condução desde que, após o 
processo dinâmico de entrada em condução, a corrente 
de anodo tenha atingido um valor superior ao limite IL, 
chamado de corrente de travamento (latching current).
• Para que o tiristor deixe de conduzir é necessário que 
a corrente por ele caia abaixo do valor mínimo de 
manutenção (IH), permitindo que se restabeleça a 
barreira de potencial J2.
6
Tiristores
7
Tiristores
• Símbolo e característica i-v em regime 
permanente:
• A corrente flui do anodo (A) para o catodo (K). Na 
condição de desligado o tiristor pode bloquear 
uma tensão de polarização direta.
8
Tiristores
• Estando o tiristor no estado de bloqueio direto, 
o mesmo pode entrar em condução com a 
aplicação de um pulso positivo de corrente no 
seu gatilho. A queda de tensão no estado ligado 
é tipicamente de 1-3 V.
9
Tiristores
• Uma vez que o dispositivo começa a conduzir o 
sinal do gatilho pode ser removido. 
• O tiristor não pode ser desligado pelo gatilho.
• A comutação é natural e ocorre quando a 
corrente do anodo fica abaixo de um valor 
determinado (holding current - IH) da ordem de 
mA.
10
Tiristores
• Na polarização reversa com tensões abaixo da 
tensão de ruptura, apenas uma pequena 
corrente passa pelo tiristor.
• As tensões de bloqueio direta e reversa 
costumam ser iguais.
11
Tiristores
• Devido ao pequeno valor da corrente na polarização 
reversa e a pequena queda de tensão no estado de 
condução comparados aos valores de tensão e corrente 
do circuito de potência, a curva característica do 
tiristor pode ser idealizada.
12
Tiristores
• Quando desligado, a corrente do tiristor fica negativa 
por um intervalo de tempo trr, antes de assumir o valor 
zero.
• Mas o parâmetro mais importante não é trr, e sim, tq.
13
Tiristores
• Durante tq uma tensão reversa deve ser mantida sobre 
o tiristor e apenas depois deste período o dispositivo 
estará em condições de bloquear uma tensão direta, 
sem entrar no estado ligado.
• Se uma tensão direta for aplicada sobre o tiristor antes 
deste intervalo de tempo passar, o dispositivo pode 
ligar prematuramente, danificando o tiristor e/ou o 
circuito.
14
Tipos de Tiristores
• 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 “tiristor”.
1. Phase-Controlled Thyristors – SCR
2. Light-Activated Silicon-Controlled Rectifiers – LASCRs
3. Bidirectional Triode Thyristor – TRIACs
4. MOS-Controlled Thyristors – MCTs
5. Gate Turn-Off Thyristors – GTOs
6. Integrated Gate-Commutated Thyristors - IGCTs
15
Proteção contra di/dt
• Um tiristor necessita de um tempo mínimo para 
repartir uniformemente a condução de corrente por 
todas as junções. 
• Se a taxa de crescimento da corrente de anodo for 
muito alta em comparação à velocidade de 
espraiamento do processo de entrada em condução, 
pode ocorrer um “ponto quente” localizado em virtude 
da alta densidade de corrente, e o dispositivo talvez 
falhe em função da temperatura excessiva.
16
Proteção contra di/dt
• Na prática, a di/dt é limitada pela adição de um 
indutor em série Ls.
• A di/dt no sentido direto é
17
𝑑𝑖
𝑑𝑡
=
𝑉𝑠
𝐿𝑠
Proteção contra dv/dt
• A taxa de crescimento da tensão pode provocar o 
ligamento não desejado do tiristor.
• Com o circuito RC conhecido como amortecedor 
(snubber), a tensão sobre o tiristor cresce 
exponecialmente.
18
Proteção contra dv/dt
• A dv/dt do circuito pode ser encontrada 
aproximadamente a partir de:
• O valor de Rs é encontrado a partir da corrente de 
descarga ITD:
19
𝑑𝑣
𝑑𝑡
=
0,632𝑉𝑠
𝜏
=
0,632𝑉𝑠
𝑅𝑠𝐶𝑠
𝑅𝑠 =
𝑉𝑠
𝐼𝑇𝐷
Tiristores
1400 V/ 392 A
1600 V/ 106 A
1200 V/ 28 A
20
GTO
• O Gate Turn-Off Thyristor – GTO, embora tenha sido 
criado no início da década de 60 por problemas de 
fraco desempenho foi pouco utilizado. 
• Com o avanço da tecnologia de construção de 
dispositivos semicondutores, novas soluções foram 
encontradas para aprimorar tais componentes, que 
hoje ocupam significativa faixa de aplicação, 
especialmente naquelas de elevada potência, uma vez 
que estão disponíveis dispositivos para 5 kV e 4 kA.
21
GTO
• O símbolo e a característica i-v em regime permanente 
do Gate Turn-Off Thyristor – GTO.
22
GTO
Condução:
• O mecanismo de disparo é semelhante ao do SCR. 
Estando o GTO diretamente polarizado, quando a 
corrente de gate é injetada, circula corrente entre gate
e catodo. 
23
GTO
Condução:
• Grande parte de tais portadores, como a camada no 
gate é suficientemente fina, deslocam-se até a 
camanda N- adjacente, atravessando a barreira de 
potencial e sendo atraídos pelo potencial do anodo, 
dando início à corrente de anodo.
24
GTO
Bloqueio:
• A aplicação de uma polarização reversa na junção gate-
catodo pode levar ao desligamento do GTO. Portadores 
livres (lacunas) presentes nas camadas centrais do 
dispositivo são atraídos pelo gate, fazendo com que seja 
possível o restabelecimento da barreira de potencial na 
junção J2.
25
GTO
• O GTO pode ser ligado por um pulso de corrente de 
curta duração no gatilho. Uma vez ligado, a corrente 
no gatilho pode ser retirada, permanecendo o GTO no 
estado ligado.
26
GTO
• O GTO pode ser desligado com a aplicação de uma 
tensão negativa entre gatilho e catodo, fazendo fluir 
uma elevada corrente negativa pelo gatilho.
• Esta corrente negativa precisa fluir apenas por alguns 
microsegundos, mas precisa possuir uma elevada 
magnitude, tipicamente 1/3 do valor da corrente de 
anodo que está sendo cortada.
27
GTO
• Curva característica idealizada:
28
GTO
• Os atuais GTOs tem problemas em tolerar o elevado 
dv/dt devido ao desligamento de cargas indutivas. 
Desta maneira, um circuito snubber para redução do 
dv/dt deve ser utilizado.
29
GTO
• A queda de tensão no GTO, no estado ligado, é de 2-
3 V. A velocidade de chaveamento está em uma faixa 
de alguns microssegundos a 25 μs.
• Possui a capacidade de trabalhar com tensões de até 
4,5 kV e correntes de alguns kA.
• O GTO é utilizado quando é necessário trabalhar com 
altas tensões e correntes com uma frequência de 
chaveamento em torno de alguns dezenas de hertz a 10 
kHz.
30
GTO
31
Parâmetros de Dimensionamento
• VDRM – Tensão Repetitiva de Pico Direta (Repetitive Peak Off-
State Voltage): É o valor máximo instantâneo da tensão direta 
de bloqueioque o tiristor pode suportar, incluindo todas as 
tensões transitórias repetitivas. Geralmente é especificada para 
uma temperatura da junção de 125°C;
• VRRM – Tensão Repetitiva de Pico Reversa (Repetitive Peak
Reverse Voltage): Indica o valor máximo instantâneo da tensão 
reversa de bloqueio que o tiristor pode suportar, incluindo 
todas as tensões transitórias repetitivas. É geralmente, 
especificada para uma temperatura da junção de 125ºC.
32
Parâmetros de Dimensionamento
• VTM – Queda de tensão em estado de condução (On State
Voltage): É o valor máximo da tensão entre anodo e catodo 
para a corrente nominal de operação considerada como do tipo 
meia onda senoidal.
• IT(RMS) – Valor Eficaz da Corrente do Tiristor (RMS On-State
Current): Representa o valor máximo eficaz da corrente de 
condução, em condições normais de operação, de forma 
repetitiva. É, geralmente, especificada para uma meia onda 
senoidal de 180º de duração.
33
Parâmetros de Dimensionamento
• IT(AV) – Valor Médio da Corrente do Tiristor (Average On-State
Current): Indica o valor médio da corrente de condução em 
condições normais de operação de forma repetitiva. É, 
geralmente, especificada para uma meia onda senoidal de 180°
de duração;
• IH – Corrente de Manutenção (Holding Current): Representa 
o menor valor de corrente para manter o tiristor em estado de 
condução. É especificada para uma temperatura da junção de 
125 ºC e é da ordem de mA.
34
Parâmetros de Dimensionamento
• IL – Corrente de Travamento (Latching Current): Significa o 
menor valor de corrente direta necessária para que o pulso de 
disparo seja retirado do gatilho. Geralmente é especificada 
para uma temperatura da junção de 125ºC e é da ordem de 
mA.
• IGT – Corrente de Disparo do Gatilho (Gate Trigger Current): 
Indica o menor valor de corrente requerida pelo gatilho para 
fazer o tiristor passar do estado de bloqueio direto para o 
estado de condução. É especificada para uma temperatura da 
junção de 125ºC e é da ordem de mA.
35
Parâmetros de Dimensionamento
• VGT – Tensão de Disparo de Gatilho (Gate Trigger Voltage): É o 
menor valor de tensão requerido para produzir a corrente IGT.
• dv/dt – Taxa de Variação de Tensão: Significa a máxima taxa de 
variação de tensão direta permissível para que o tiristor não entre 
em condução através do disparo capacitivo. Geralmente é 
especificada para uma temperatura da junção de 125 ºC.
• di/dt – Taxa de Variação da Corrente: Representa a máxima taxa de 
variação da corrente permissível para o tiristor atingir o estado de 
condução com uma densidade de condução uniforme. É, geralmente, 
especificada para uma temperatura da junção de 125ºC;
36
Circuito Integrado de Disparo 
para Tiristores
TCA 785
TCA 785
• O objetivo deste circuito integrado, do tipo CI 
Phase-Control, é gerar os comandos dos 
pulsos de disparo para os respectivos 
amplificadores de pulsos (drivers) dos SCRs. 
39
Circuito de Disparo ( Driver ) –TCA 785
-
+=
=
Registro 
de 
Sincro-
nismo
Módulo
Lógico
-
+
+A1
R4
A1 ( )
A2 ( )
+A2
R2
+U
R1
+Z
R7
14
15
4
7
3
2
Lógica coletor
aberto
extensão dos pulsos (pulsos curtos) de A1 e A2
pulsos longos para A1 e A2
pino de inibição
tensão de controle
C12[Ci]S13S6U11
11 6 13 121098
Uref
monitor de 
descarga 
de C10
comparador de controle
transistor de 
descarga
detector de zero
Vstab
I9 I10
fonte 
US+
terra
sincronismo
Usin
1
16
5
C10
[CR]
R9
[RR]
CS
resistor de rampa
capacitor de rampa
(a)
0
0
U10
U11
   
   
0 180
o
360
o
50ms 50ms
10ms 10ms
5ms 5ms
10Hz
50Hz
100Hz
tensão de sincronismo
tensão de rampa
tensão de controle
tensão de saída
tensão de saída
tensão de saída
tensão de saída
tensão de saída
tensão de saída
tensão de saída
tensão de saída
tensão de saída
tensão de saída
U10
U11
U15
U14
U2
U4
U15
U14
U2
U4
U3
U7
(pino 10)
(pino 11)
(A2 , pino 15)
(A1 , pino 14)
(A2 , pino 15)
(A1 , pino 4)
(A2 , pino 15)
(A1 , pino 14)
(A2 , pino 2)
(A1 , pino 4)
(U , pino 3)
A1+A2 =Z, pino 7
pulso curto ~30 s
pulso longo
180
o
-
 
 
pino 12 
pulso longo
180
o
+  
pino 13 
U5=Usin (entrada,pino 5)
(b)
40
Circuito de Disparo ( Driver ) –TCA 785
No diagrama em blocos deste CI Phase-Controller, tem-se que:
❑ o sinal de sincronismo deve ser conectado no pino 5 do TCA;
❑ a tensão de referência, que define o ângulo de disparo, deve ser conectado ao pino
11;
❑ através da lógica de sincronismo, a fonte de corrente Iconst, carrega linearmente o
capacitor C10, o qual gera uma rampa no pino 10;
❑ esta rampa é comparada com a tensão de referência, no Comparador de
Controle, de modo a gerar os instantes do disparo;
❑ a cada passagem pelo zero, o Detector de Zero envia um pulso para o Transistor
de Descarga, de modo a zerar a rampa no capacitor C10;
❑ a saída do Comparador de Controle define para o bloco Módulo Lógico os
diferentes tipos de sinais que irão alimentar o amplificador de pulsos;
❑ o pino 6 conectado ao potencial do terra inibe os pulsos de saída do TCA.
41
Circuito de Disparo ( Driver ) –TCA 785
-
+=
=
Registro 
de 
Sincro-
nismo
Módulo
Lógico
-
+
+A1
R4
A1 ( )
A2 ( )
+A2
R2
+U
R1
+Z
R7
14
15
4
7
3
2
Lógica coletor
aberto
extensão dos pulsos (pulsos curtos) de A1 e A2
pulsos longos para A1 e A2
pino de inibição
tensão de controle
C12[Ci]S13S6U11
11 6 13 121098
Uref
monitor de 
descarga 
de C10
comparador de controle
transistor de 
descarga
detector de zero
Vstab
I9 I10
fonte 
US+
terra
sincronismo
Usin
1
16
5
C10
[CR]
R9
[RR]
CS
resistor de rampa
capacitor de rampa
(a)
0
0
U10
U11
   
   
0 180
o
360
o
50ms 50ms
10ms 10ms
5ms 5ms
10Hz
50Hz
100Hz
tensão de sincronismo
tensão de rampa
tensão de controle
tensão de saída
tensão de saída
tensão de saída
tensão de saída
tensão de saída
tensão de saída
tensão de saída
tensão de saída
tensão de saída
tensão de saída
U10
U11
U15
U14
U2
U4
U15
U14
U2
U4
U3
U7
(pino 10)
(pino 11)
(A2 , pino 15)
(A1 , pino 14)
(A2 , pino 15)
(A1 , pino 4)
(A2 , pino 15)
(A1 , pino 14)
(A2 , pino 2)
(A1 , pino 4)
(U , pino 3)
A1+A2 =Z, pino 7
pulso curto ~30 s
pulso longo
180
o
-
 
 
pino 12 
pulso longo
180
o
+  
pino 13 
U5=Usin (entrada,pino 5)
(b)
pulso longo
180° - α
pino 13
42
Circuito de Disparo ( Driver ) –TCA 785
Nas formas de ondas, observa-se que:
❑ no cruzamento da tensão da rampa (sinal U10 - pino 10) com a tensão de 
referência(sinal U11 - pino 11) ocorre o instante correspondente ao ângulo de 
disparo;
❑ o pino 13 conectado ao terra produz sinais de saídas, sinais U2 ( pino 2) e U4
(pino 4), com duração de 180 graus menos o ângulo de disparo, com edge negativo 
no instante do disparo;
❑ o pino 12 conectado ao terra produz sinais de saídas, sinais U15 (pino 15) e U14
(pino 14) com largura igual a 180 graus menos o ângulo de disparo, com edge
positivo no instante do disparo. São denominados de Pulso Longo (Long Pulse);
❑ ao se conectar um capacitor no pino 12, os sinais anteriores U15 e U14, possuem 
um tempo que varia em função da capacitância. São denominados de Pulso Curto 
(Short-Pulse) e possuem edge positivo.
43
Circuito de Disparo ( Driver ) –TCA 785
Valor de capacitância que deve ser definida no pino 12 e correspondente duração 
de pulso (pinos 14 e 15) do TCA 785:
C12(pF) 100 220 330 680 1000
Duração (μs) 80 130 200 370 550
44
Circuito de Disparo – TCA 785
Exemplo de Circuito:
45
Circuito de Disparo – TCA 785
• A tensão de sincronismo V5 aplicada no pino 5 é obtida nos 
terminais dos diodos ligados em antiparalelo. No semiciclo
positivo o diodo D2 conduz, então V5 = + 0,7 V e no semiciclo
negativo o diodo D1 conduz, resultando V5 = - 0,7 V. 
• A tensão de controle (V11) é obtida por meio do pino 8 e 
controlada pelo potenciômetroexterno P2, em que a tensão 
pode variar de 0 até 3,1 V.
• A tensão de rampa (V10) é obtida por meio do pino 10, a partir 
da carga do capacitor externo (C10 = 10 nF), que é carregado 
por uma fonte de corrente constante, interna ao CI, e devido à 
sua característica elétrica, implica obter uma tensão em forma 
de rampa nos terminais desse capacitor.
46
Circuito de Disparo – TCA 785
Exemplo de Circuito:
47
Circuito de Disparo – TCA 785
• O sincronismo é obtido pelo transistor de descarga que curto-
circuita o capacitor C10 toda vez que um valor nulo está 
presente no pino 5 (detector de zero). A amplitude da rampa é 
controlada pelo potenciômetro externo P1, que ajusta o valor da 
corrente interna do CI.
• O circuito comparador de controle, interno ao CI, envia um 
pulso de largura igual a 550 μs (C12 = 1 nF) para a unidade 
lógica, sempre que a tensão de rampa cruza ou supera a tensão 
de controle.
• O ângulo de disparo teórico (α) pode ser controlado de 0° a 
180°. Para isso, o potenciômetro P1 (ajuste de rampa) deve ser 
ajustado até que a amplitude da rampa atinja o valor igual a 
3,1 V.
48
Circuito de Disparo – TCA 785
Formas de Onda:
Referências Bibliográficas
• Hart, D. W., “Eletrônica de Potência – Análise e Projetos de 
Circuitos”, McGraw-Hill, 2012.
• Rashid, M. H., “Eletrônica de Potência – Dispositivos, Circuitos e 
Aplicações”, Pearson, 2014.
• Mohan, N., Undeland, T. M. e Robbins, W. P., “Power Electronics –
Converters, Applications and Design”, Wiley, 2013. 
• Gimenez, S. P. e Arrabaça, D. A., “Eletrônica de Potência –
Conversores de Energia CA/CC – Teoria, Prática e Simulação”, 
Editora Érica, 2015.
• da Silva, V. F., Apostila de Eletrônica de Potência, 2013. 
49