A Eletrônica de Potência

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Dispositivos semicondutores utilizados na eletrônica de potência

Diodos de potência

O diodo de potência consiste de um substrato tipo N altamente dopado, sobre o qual é acrescida uma camada epitaxial tipo N levemente dopada. Finalmente a junção PN é formada, difundindo-se na camada epitaxial uma região P altamente dopada.

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O diodo de potência possui características elétricas similares ao do diodo de silício convencional. No entanto, é um componente construído para conduzir centenas de ampères, quando diretamente polarizado, e suporta tensões reversas de até alguns milhares de volts. A queda de tensão direta de um diodo de potência de silício típico situa-se entre 1,0 e 2,0 volts. (Gráfico 1)

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Encapsulamento do diodo de potência é usualmente metálico, de forma a facilitar a dissipação do calor gerado durante o funcionamento do dispositivo para o meio ambiente.

Tiristores

O termo tiristor caracteriza a família de semicondutores com quatro camadas alternadas do tipo PNPN. O membro mais importante desta família á o dispositivo conhecido como diodo controlado de silício, ou SCR (em inglês Silicon Controlled Rectifier). O uso generalizado do SCR fez com que este passasse a ser designado pelo seu nome ou tiristor. É usual, portanto empregar os termos SCR e tiristor como  sinônimos.

O tiristor é uma chave elétrica unidirecional, sem contatos móveis, capaz de conduzir grandes correntes e controlado apenas por correntes muito pequenas, na faixa de miliamperes.

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Fig. 1.2

Os terminais de anodo (A) e catodo (K) têm função idêntica de um diodo comum de silício: a corrente pode circular do anodo para o catodo e não no sentido reverso. O terminal de gatilho (G) é o terminal de controle do disparo do dispositivo. Um pequeno pulso de corrente no gatilho é suficiente para fazer o tiristor conduzir.

O funcionamento do tiristor pode ser melhor compreendido por meio de seu circuito equivalente formado por dois transistores, um NPN e outro PNP (Fig. 13)

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CIRCUITO EQUIVALENTE DO TIRISTOR

iE1 – CORRENTE DE EMISSOR DE T1 iA – CORRENTE DE ANODO iB1 – CORRENTE DE BASE DE T1 iC2 – CORRENTE DE COLETOR DE T2 iC1 – CORRENTE DE COLETOR DE T1 iG – CORRENTE DE GATILHO iB2 – CORRENTE DE BASE DE T2 iE2 – CORRENTE DE EMISSOR DE T2 T1 – TRANSISTOR 1 T2 – TRANSISTOR 2

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Quando o circuito é inicialmente polarizado, com tensão positiva no anodo e negativa no cátodo, e com o gatilho aberto, os dois transistores permanecem em estado de corte.

Aplicando-se um pulso de corrente iG no gatilho, haverá uma corrente na base do transistor T2 levando-o à condução. A corrente de coletor iC2 de T2 circula pela base de T2 que também entra em condução. A corrente de coletor iC1 de T1, por sua vez, passa a circular pela base de T2, criando-se assim um processo regenerativo de condução de ambos os transistores.

Se a corrente de gatilho iG for então removida, os dois transistores sustentam o processo de condução, atingindo ambos a saturação. Esta condição corresponde à condução do tiristor.

O gatilho, entretanto, não consegue desligar o tiristor. Desta forma, após o disparo, este terminal perde o controle sobre o estado do dispositivo. Existem três formas diferentes para desligar o tiristor:

1) Corte da corrente de anodo.

2) Redução da corrente de anodo a níveis muito baixo (menor que a corrente de manutenção, iH) de modo que o efeito regenerativo da corrente deixe de existir e o tiristor é desligado.

3) Inversão da polarização de anodo, forçando a corrente de anodo a circular em sentido contrário.

Onde

(1) e (2) são chamados de comutação natural

(3) é chamado de comutação forçada

O tiristor pode ser ligado (disparado) de quatro maneiras diferentes:

1) Pulso de corrente no gatilho com o anodo mais positivo que o catodo (polarização direta).

2) Tensão de ruptura ou disparo por avalanche (gatilho desligado).

3) Variação rápida da tensão de anodo (gatilho desligado).

4) Pulso de luz no gatilho (nos fototiristores).

Destes quatro processos, apenas o primeiro (1), disparo com pulso no gatilho, é mais empregado na prática. Os processos (2) e (3) devem ser evitados, porque podem danificar o dispositivo. O disparo pela luz (4) apenas é empregado em circuitos especiais de controle.

Característica de anodo-catodo do tiristor

No estado desligado, a resistência interna do tiristor é muito alta e a corrente de ânodo é quase nula; ou seja, o dispositivo equivale a uma chave aberta.

No estado ligado, a resistência interna do tiristor é quase nula, e a corrente é determinada apenas pela resistência externa, que fecha o circuito com o dispositivo e a fonte. Neste caso o tiristor equivale a uma chave fechada.

Quando Ligado, o tiristor apresenta uma queda de tensão de aproximadamente 1 volt, praticamente independente da corrente de anodo.