Transistor SCR E IGBT, Ponte Retificadora

Sumário

1. Introdução...............................................................................................

2. Características básicas do SCR ....................................................

3. SCR ideal ..............................................................................................

4. Tiristor IGBT .............................................................................................

4.1 Operação física do IGBT ..............................................................

5. Ponte Retificadora Trifásica .................................................................

1. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DO SCR

O Tiristor SCR (Silicon Controlled Rectifier) foi desenvolvido por um grupo de engenheiros do Bell Telephone Laboratory (EUA) em 1957. É o mais conhecido e aplicado dos Tiristores existentes. Tiristor é o nome genérico dado à família dos componentes compostos por quatro camadas semicondutoras (PNPN).

Os Tiristores SCR’s funcionam analogamente a um diodo, porém possuem um terceiro terminal conhecido como Gatilho (Gate ou Porta). Este terminal é responsável pelo controle da condução (disparo). Em condições normais de operação, para um SCR conduzir, além de polarizado adequadamente (tensão positiva no Ânodo), deve receber um sinal de corrente no gatilho, geralmente um pulso.

A principal aplicação que os SCR têm é a conversão e o controle de grandes quantidades de potência em sistemas C e CA, utilizando apenas uma pequena potência para o controle. Isso se deve à sua ação de chaveamento rápido, ao seu pequeno porte e aos altos valores nominais de corrente e tensão em que podem operar. Algumas características dos SCR’s:

• São chaves estáticas bi-estáveis, ou seja, trabalham em dois estados: não condução e condução, com a possibilidade de controle.

• Em muitas aplicações podem ser considerados chaves ideais, mas há limitações e características na prática.

• São compostos por 4 camadas semicondutoras (P-N-P-N), três junções (P-N) e 3 terminais (Ânodo, Cátodo e Gatilho).

• São semicondutores de silício. O uso do silício foi utilizado devido a sua alta capacidade de potência e capacidade de suportar altas temperaturas.

• Apresentam alta velocidade de comutação e elevada vida útil;

• Possuem resistência elétrica variável com a temperatura, portanto, dependem da potência que estiverem conduzindo.

• São aplicados em controles de relés, fontes de tensão reguladas, controles de motores,

Choppers (variadores de tensão C), Inversores C-CA, Ciclo-conversores (variadores de freqüência), carregadores de baterias, circuitos de proteção, controles de iluminação e de aquecedores e controles de fase, entre outras.

Tiristor SCR – Retificador Controlado de Silício 5

Figura 1.2 – Um tipo de estrutura interna das camadas de um SCR

2. SCR IDEAL:

Um SCR ideal se comportaria com uma chave ideal, ou seja, enquanto não recebesse um sinal de corrente no gatilho, seria capaz de bloquear tensões de valor infinito, tanto com polarização direta como reversa. Bloqueado, o SCR ideal não conduziria qualquer valor de corrente.

Quando disparado, ou seja, quando comandado por uma corrente de gatilho IGK, o SCR ideal se comportaria como um diodo ideal, como podemos observar nas retas 1 e 3. Nesta condição, o SCR ideal seria capaz de bloquear tensões reversas infinitas e conduzir, quando diretamente polarizado, correntes infinitas sem queda de tensão e perdas de energia por Efeito Joule.

Assim como para os diodos, tais características seriam ideais e não se obtêm na prática. Os SCR reais têm, portanto, limitações de bloqueio de tensão direta e reversa e apresentam fuga de corrente quando bloqueados. Quando habilitados têm limitações de condução de corrente, pois apresentam uma pequena resistência à circulação de corrente e queda de tensão na barreira de potencial das junções que provocam perdas de energia por Efeito Joule e consequente aquecimento do componente.

3. TIRISTOR IGBT

Transistores Bipolares de Potência (TBP) são semicondutores que permitem o controle de elevadas correntes.

Apresentam baixas perdas no estado de condução; Exigem elevadas correntes de base (desvantagem); Facilitam a acionamento e elevam a impedância de entrada dos MOSFETs.

Possuem pequenas perdas de condução dos TBPs e apresentam velocidade semelhante aos TBPs.

Utilizado para a comutação de carga de alta corrente em regime de alta velocidade.

3.1 OPERAÇÃO FÍSICA DO IGBT

Na figura a seguir, apresentamos a estrutura de um típico IGBT de canal tipo N. Todas as discussões apresentadas aqui estão relacionadas com o dispositivo de canal tipo N, pois o canal tipo P é análogo e possui uma operação física dual àquela apresentada para o de canal tipo N.

Sua estrutura muito semelhante àquela apresentada por um transistor MOSFET. Onde, no caso o IGBT, teremos uma dupla difusão de uma região do tipo P e uma do tipo N.

Abaixo da região da porta (Gate), uma camada de inversão pode ser formada a partir da aplicação de uma certa tensão entre a porta e o emissor (emitter), tal como é feito em um MOSFET para fazê-lo entrar em condução.

A principal diferença entre essa estrutura do IGBT e a de um MOSFET é a inclusão de um substrato P+ (O símbolo “+” foi colocado para indicar que esta região é fortemente dopada, enquanto que o símbolo “-” indica que a região é fracamente dopada) onde é conectado o terminal de coletor (collector). Esta mudança tem como efeito a inclusão de características bipolares ao dispositivo. Esta camada P+ tem como objetivo a inclusão de portadores positivos – lacunas – na região de arrastamento (Drift region) como é feito em um transistor bipolar do tipo pnp.

Na estrutura do IGBT, é importante notar que o terminal de porta está conectado à duas regiões – isoladas do material semicondutor através de uma camada isolante de óxido de silício (SiO2) – ao