Dispositivos Tiristores e seu Funcionamento em Eletrônica de Potência

Eletrônica de potência Prof Thiago Paula Silva de Azevedo thiagoazevedocruzeirodosuledubr 2022 Chaves controladas 2 Dispositivos Tiristores Tiristores são dispositivos semicondutores de potência que possuem quatro camadas de material PNPN empregados como chaves A principal vantagem que oferecem é o controle de quantidades relativamente elevadas de potência seja em sistemas AC ou DC utilizando apenas uma pequena fração de energia para esse controle Será abordado brevemente o funcionamento das chaves SCR Silicon Controlled Rectifier retificador controlado de silício bem como DIACs e TRIACs Chaves controladas 3 Dispositivos Tiristores Possuem como principais características Dispositivo unidirecional Chave biestável cortecondução Somente conduz quando polarizado diretamente e há aplicação de um pulso no terminal da porta gate Chaves controladas 4 Dispositivos Tiristores O retificador controlado de silício SCR Silicon Controlled Rectifier Tratase de um controlador eletrônico de potência cujo uso é bastante difundido Sua estrutura básica e simbologia são apresentados abaixo Chaves controladas 5 Dispositivos Tiristores O retificador controlado de silício SCR Chaves controladas 6 Dispositivos Tiristores O retificador controlado de silício SCR O dispositivo possui três terminais o ânodo simbolizado por A positivo o cátodo simbolizado por K negativo e a porta simbolizada por G a qual é o terminal de controle O ânodo e o cátodo são os terminais de potência Quando o SCR está diretamente polarizado isto é quando o ânodo é positivo em relação ao cátodo o SCr passa para o estado ligado Ele comuta para o estado desligado quando se interrompe a corrente no ânodo Da mesma forma que o diodo o SCR bloqueia corrente na direção reversa cátodo ânodo Chaves controladas 7 Dispositivos Tiristores O retificador controlado de silício SCR Durante o estado de condução a resistência do SCR é relativamente baixa na ordem de 001 Ω a 01 Ω e durante o estado de corte a resistência reversa é relativamente alta na ordem de 100 kΩ Chaves controladas 8 Dispositivos Tiristores O retificador controlado de silício SCR A curva característica de um SCr está mostrada abaixo Chaves controladas 9 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 10 Dispositivos Tiristores O retificador controlado de silício SCR Quando o SCR estiver reversamente polarizado uma pequena corrente direta flui pelo dispositivo Na curva essa região é denominada de região de bloqueio direto Se a tensão de polarização direta for aumentada de modo que a tensão no ânodo alcance um valor crítico o SCR entra em condução e sua tensão de polarização direta cai para um valor da ordem de poucos volts 1 3V A corrente aumenta de forma correspondente limitada apenas pelos componentes em série Chaves controladas 11 Dispositivos Tiristores O retificador controlado de silício SCR O controle de disparo do SCR dáse por meio da aplicação de um sinal na porta considerando a polarização direta ânodo cátodo A característica reversa é semelhante à do diodo comum Quando reversamente polarizado há apenas uma pequena corrente de fuga só havendo valores maiores caso a tensão de polarização reversa ultrapasse o limiar de ruptura Caso isso ocorra pode haver danos ao componente se a corrente de ruptura não for limitada Chaves controladas 12 Dispositivos Tiristores O retificador controlado de silício SCR O terminal da porta perde o controle após o dispositivo passar para o estado ligado Isso significa que o dispositivo permanecerá ligado mesmo que o sinal de controle seja retirado desde que a polarização direta seja mantida Haverá comutação para o estado desligado somente se a tensão de alimentação for retirada ou quando a corrente de ânodo for reduzida a um nível abaixo da corrente de sustentação Se o dispositivo for alimentado por um sistema alternado senoidal entrará naturalmente em bloqueio durante o semiciclo negativo da tensão Circuitos de disparo 13 Ativação de tiristores Ativação térmica Se a temperatura de um tiristor for elevada há um aumento no número de pares elétronslacunas o que aumenta as correntes de fuga Esse aumento na corrente faz α1 α2 aumentar Por conta da ação regenerativa α1 α2 pode tender à unidade e o tiristor pode ser ligado Esse tipo de disparo pode causar instabilidade térmica e é normalmente evitado Ativação por luz Se for permitido que a luz atinja as junções de um tiristor os pares elétronslacunas aumentam e o tiristor pode ser ligado Os tiristores ativados por luz são acionados permitindose que a luz atinja a pastilha de silício Tensão elevada Se a tensão direta anodocatodo for maior do que a tensão direta de ruptura VBO haverá um fluxo suficiente de corrente de fuga para iniciar o disparo regenerativo Esse tipo de disparo é destrutivo e deve ser evitado Circuitos de disparo 14 Ativação de tiristores Ativação por dVdt se a taxa de aumento da tensão anodocatodo for elevada a corrente de carga das junções capacitivas poderá ser suficiente para ligar o tiristor Um valor elevado da corrente de carga talvez danifique o tiristor e o dispositivo deve ser protegido contra uma alta dvdt Os fabricantes especificam a máxima dvdt permitida dos tiristores Corrente de acionamento Se um tiristor estiver diretamente polarizado a injeção de corrente de acionamento pela aplicação de tensão positiva entre os terminais da porta e do catodo o ligará À medida que a corrente do acionamento é aumentada a tensão direta de bloqueio diminui Circuitos de disparo 15 Ativação de tiristores A Figura 98 mostra a forma de onda da corrente de anodo após a aplicação do sinal de comando de porta Existe um atraso conhecido como tempo de entrada em condução turnon time ton entre a aplicação do sinal de acionamento e a condução de um tiristor ton é definido como o intervalo de tempo entre 10 da corrente de acionamento em regime permanente 01IG e 90 da corrente em estado ligado do tiristor na condição de regime permanente 09IT Ele é a soma do tempo de atraso td e do tempo de subida tr td é definido como o tempo entre 10 da corrente de acionamento 01IG e 10 da corrente em estado ligado do tiristor 01IT Já tr é o tempo necessário para a corrente de anodo subir de 10 da corrente no estado ligado 01IT para 90 da corrente no estado ligado 09IT Esses tempos são retratados na Figura 98 Circuitos de disparo 16 Ativação de tiristores Chaves controladas 17 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 18 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 19 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 20 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 21 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 22 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 23 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 24 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 25 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 26 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 27 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 28 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 29 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 30 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 31 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 32 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 33 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 34 Dispositivos Tiristores O retificador controlado de silício SCR Perdas de potência Durante o ciclo de chaveamento podemos enumerar as seguintes fontes de perdas em um SCR Perda de potência no estado ligado Perda de potência no estado desligado Perda de potência por chaveamento Perdas por acionamento da porta Chaves controladas 35 Dispositivos Tiristores O retificador controlado de silício SCR Perdas de potência A perda de potência durante o estado desligado pode ser desprezada sob condições normais de operação Para frequências baixas de operação menores que 400 Hz a perda por chaveamento também é pequena de forma que pode ser desprezada Portanto a principal fonte de perdas ocorre no estado ligado Essa perda pode ser calculada multiplicandose a tensão no estado ligado pela corrente no estado ligado 36 OBRIGADO Prof Thiago Paula Silva de Azevedo thiagoazevedocruzeirodosuledubr