Autores:
Fábio Soares Gomes
Leandro Carneiro da Silva Annibal
Marina Cruz
Pablo Pastore
Índice
I.
Introdução
II.
Princípio de Funcionamento
III.
Parâmetros Básicos do GTO
IV. Condições
do Sinal de Gate para Chaveamento
V. Vantagens do Uso do GTO
VI. Circuitos Amaciadores (Snubber)
6.1 Desligamento
6.2 Entrada
em Condução
VII. Associações
em Série e em Paralelo
VIII.Referências Bibliográficas
I.
Introdução
Todos
os tiristores só se desligam quando a corrente cai abaixo da
corrente de
manutenção, o que exige circuitos especiais de desligamento em certos
casos. O GTO
permite o desligamento pelo gate, por pulso negativo de alta
corrente, daí o nome (Gate
Turn Off, desligamento
pelo gate).
Estruturalmente,
é similar ao SCR, mas a dopagem e a geometria da
camada do gate permite
minimizar o sobre-aquecimento durante o desligamento (o que destruiria um
SCR). O desligamento é feito em geral através de descarga de um
capacitor.
O
GTO, embora tenha sido criado no início da década de 60, foi pouco
utilizado no início por problemas de fraco desempenho. 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 5000V, 4000A.
II.
Princípio
de Funcionamento
O
GTO possui uma estrutura de 4 camadas, típica dos componentes da
família
dos tiristores. Sua característica principal é sua capacidade de entrar
em condução e
bloquear através de comandos adequados no terminal de
gate.
O
mecanismo de disparo é semelhante ao do SCR: supondo-o diretamente
polarizado, quando a corrente de gate é injetada, circula corrente entre
gate e catodo. Grande parte
de tais portadores desloca-se até a camada N
adjacente (já que a camada de gate é suficientemente
fina), atravessando
a barreira de potencial e sendo atraídos pelo potencial do anodo, dando
início
à corrente anódica. Se esta corrente se mantiver acima da
corrente de manutenção, o dispositivo não
necessita do sinal de gate
para manter-se conduzindo.
A
figura 1 mostra o símbolo do GTO e uma representação simplificada
dos
processos de entrada e saída de condução do componente.
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.
Figura
1. Símbolo, processos de chaveamento e estrutura interna de GTO.
Aparentemente,
seria possível tal comportamento também no SCR. As
diferenças, no
entanto, estão no nível da construção do componente. O funcionamento
do GTO é
possível devido a alguns fatores, como por exemplo:
-
Facilidade
de extração de portadores pelo terminal de gate. Isto
é
possibilitado pelo uso de dopantes com alta mobilidade
-
Desaparecimento
rápido de portadores nas camadas centrais. Uso de dopante com
baixo tempo de recombinação. Isto implica
que um GTO tem uma maior queda de tensão quando em
condução,
comparado a um SCR de mesmas dimensões
-
Suportar
tensão reversa na junção porta-catodo, sem entrar em avalanche. Menor dopagem na camada de catodo;
-
Absorção
de portadores de toda superfície condutora. Região
de gate e catodo
muito interdigitada, com grande área de contato.
Diferente
do SCR, um GTO pode não ter capacidade de bloquear
tensões
reversas.
Existem
duas possibilidades de construir a região de anodo. Uma
delas
é utilizando apenas uma camada p+, como nos SCR. Neste caso o GTO
apresentará uma característica
lenta de comutação, devido à maior
dificuldade de extração dos portadores, mas suportará tensões
reversas
na junção J3.
A outra alternativa, mostrada na figura 2, é introduzir regiões n+ que
penetrem na região p+ do anodo, fazendo contato entre a região intermediária
n- e o terminal de
anodo. Isto, virtualmente, curto-circuita a junção J1
quando o GTO é polarizado reversamente. No
entanto, torna-o muito mais rápido
no desligamento (com polarização direta). Como a junção J3 é
formada
por regiões muito dopadas, ela não consegue suportar tensões reversas
elevadas. Caso um GTO
deste tipo deva ser utilizado em circuitos nos quais
fique sujeito a tensão reversa, ele deve ser
associado em série com um
diodo, o qual bloqueará a tensão.
Figura 2. Estrutura interna do GTO.
III.
Parâmetros
Básicos do GTO
Os
símbolos utilizados pelos diversos fabricantes diferem, embora as
grandezas representadas sejam, quase sempre, as mesmas.
-
Vdrxm
- Tensão de pico, repetitiva, de estado desligado.
Sob condições
dadas, é a máxima tensão instantânea permissível, em estado
desligado, que não
ultrapasse o dv/dt máximo, aplicável
repetidamente ao GTO;
-
It
- Corrente (RMS) de condução. É o máximo valor RMS de corrente que pode circular continuamente pelo GTO;
-
Itcm
- Corrente de condução repetitiva controlável. Corrente
máxima
repetitiva, cujo valor instantâneo ainda permite o desligamento do
GTO, sob determinadas
condições;
-
I2t
- escala para expressar a capacidade de sobrecorrente
não-repetitiva,
com respeito a um pulso de curta duração. É utilizado no
dimensionamento dos
fusíveis de proteção;
-
di/dt
- taxa de crescimento máxima da corrente de anodo;
-
Vgrm
- Tensão reversa de pico de gate repetitiva. Tensão
máxima
instantânea permissível aplicável à junção gate-catodo;
-
dv/dt
- máxima taxa de crescimento da tensão direta de anodo para
catodo;
-
IH
- corrente de manutenção. Corrente de anodo que mantém o
GTO
em condução mesmo na ausência de corrente de porta;
-
IL
- corrente de disparo. Corrente de anodo necessária para
que o
GTO entre em condução com o desligamento da corrente de gate;
-
tgt
- tempo de disparo. Ttempo entre a aplicação da corrente
de
gate e a queda da tensão Vak;
-
tgq
- tempo de desligamento. Tempo entre a aplicação de uma
corrente negativa de gate e a queda da corrente de anodo (tgq=ts+tf);
-
ts
- tempo de armazenamento.
IV.
Condições
do Sinal de Gate para Chaveamento
Desde
que o GTO esteja submetido a condições de alto di/dt, é
necessário que
o sinal de gate também tenha rápido crescimento, tendo um valor de pico
relativamente
elevado. Deve ser mantido neste nível por um tempo
suficiente (tw1) para que a tensão
Vak caia a seu
valor de condução direta. É conveniente que se mantenha a corrente de
gate durante todo o período de condução, especialmente se a corrente de
anodo for pequena, de modo a
garantir o estado "ligado". A
figura 3 ilustra as formas de corrente recomendadas para a
entrada em
condução e também para o desligamento.
Durante
o intervalo "ligado" existe uma grande quantidade
de portadores
nas camadas centrais do semicondutor. A comutação do GTO ocorrerá pela
retirada destes
portadores e, ainda, pela impossibilidade da vinda de
outros das camadas ligadas ao anodo e ao
catodo, de modo que a barreira de
potencial da junção J2 possa se restabelecer.
O
grande pico reverso de corrente apressa a retirada dos portadores. A
taxa
de crescimento desta corrente relaciona-se com o temo de armazenamento, ou
seja, o tempo
decorrido entre a aplicação do pulso negativo e o início
da queda (90%) da corrente de anodo. Quanto
maior for a derivada, menor o
tempo.
Quando
a corrente drenada começa a cair, a tensão reversa na junção
gate-catodo cresce rapidamente, ocorrendo um processo de avalanche. A tensão
negativa de gate deve
ser mantida próxima ao valor da tensão de
avalanche. A potência dissipada neste processo é controlada
(pela própria
construção do dispositivo). Nesta situação a tensão Vak
cresce e o GTO
desliga.
Para
evitar o disparo do GTO por efeito dv/dt, uma tensão reversa de
porta
pode ser mantida durante o intervalo de bloqueio do dispositivo.
O
ganho de corrente típico, no desligamento, é baixo (de 5 a 10), o
que
significa que, especialmente para os GTOs de alta corrente, o circuito de
acionamento, por si só,
envolve a manobra de elevadas correntes.
Figura
3. Formas de onda típicas do circuito de comando de porta de GTO.
V.
Vantagens do Uso do GTO
Os GTOs têm algumas vantagens sobre os SCRs, como por exemplo:
-
Eliminação de componentes de comutação em comutações forçadas, resultando em reduções de custo,
peso e volume;
-
Redução de ruídos acústicos e eletromagnéticos, devido à eliminação de "estrangulamentos"de
comutação;
-
Desligamento mais rápido, permitindo maiores freqüências de chaveamento;
-
Melhoria na eficiência dos conversores.
A principal diferença entre o GTO e o GATT (Gate Assisted
Turn Off Thyristor) é o de que o GTO pode ser desligado através da
aplicação de
corrente negativa no gate, enquanto que o anodo é polarizado positivamente com respeito ao catodo.
Por outro lado,
para o GATT ser desligado, o catodo precisa ser polarizado positivamente com respeito
ao anodo, e uma polarização negativa no
gate só irá reduzir o tempo do processo de desligamento
Em aplicações de baixa potência, os GTOs têm as seguintes vantagens
sobre os transistores bipolares:
-
A capacidade de uma maior barreira de potencial;
-
Um alto ganho "on-state" (corrente de anodo / corrente de gate), normalmente 600;
-
Curta duração de sinal de pulso no gate. Sob condições de oscilações, os GTOs entram em uma alta
saturaçao,
devido à ação regenerativa. Por outro lado, os BJTs tendem a sair do modo de saturação
VI.
Circuitos
Amaciadores (Snubber)
O
objetivo destas redes é evitar problemas advindos de excessivos
valores
para dv/dt e di/dt.
6.1 Desligamento
Durante
o desligamento, com o progressivo restabelecimento da barreira
de
potencial na junção reversamente polarizada, a corrente de anodo vai se
concentrando em áreas
cada vez menores, concentrando também os pontos de
dissipação de potência. Uma limitação da taxa de
crescimento da tensão,
além de impedir o disparo por efeito dv/dt, implicará numa redução da
potência dissipada nesta transição.
O
circuito mais simples utilizado para esta função é uma rede RCD,
como
mostrado na figura 4.
Supondo
uma corrente de carga constante, ao ser desligado o GTO, o
capacitor se
carrega com a passagem da corrente da carga, com sua tensão variando de
forma
praticamente linear. Assim, o dv/dt é determinado pela capacitância.
Quando o GTO entrar em
condução, este capacitor se descarrega através
do resistor. A descarga deve ocorrer dentro do mínimo
tempo em condução
previsto para o GTO, a fim de assegurar tensão nula inicial no próximo
desligamento. A resistência não pode ser muito baixa, a fim de limitar a
impulso de corrente
injetado no GTO.
Figura
4. Circuito amaciador de desligamento tipo RCD.
A
energia armazenada no capacitor será praticamente toda dissipada
em R.
Especialmente em aplicações de alta tensão e alta freqüência, esta
potência pode assumir
valores excessivos. Em tais casos deve-se buscar
soluções ativas, nas quais a energia acumulada no
capacitor seja
devolvida à fonte ou à carga.
A
potência a ser retirada do capacitor é dada por:
onde
V é a tensão de alimentação e fs é a freqüência de
chaveamento.
Como
exemplo, suponhamos um circuito alimentado em 1000V,
operando a 1kHz com
um capacitor de 1mF. Isto significa uma potência de 500W!
6.2 Entrada
em Condução
A
limitação de di/dt nos GTOs é muito menos crítica do que para os
SCR.
Isto se deve à interdigitação entre gate e catodo, o que leva a uma
expansão muito mais rápida
da superfície em condução, não havendo
significativa concentração de corrente em áreas restritas.
O
problema relacionado ao crescimento da corrente refere-se, para um
GTO, à
potência dissipada na entrada em condução do dispositivo. Com carga
indutiva, dada a
necessária existência de um diodo de livre-circulação
(e o seu inevitável tempo de desligamento),
durante alguns instantes em
que o GTO já se encontra conduzindo, sobre ele também existe uma tensão
elevada, produzindo um pico de potência sobre o componente. Este fato é
agravado pela corrente
reversa do diodo e ainda pela descarga do capacitor
do snubber de desligamento (caso exista). A
figura 5 ilustra este
comportamento.
Figura
5. GTO acionando carga indutiva e amaciador para desligamento.
Para
reduzir este efeito, um circuito snubber para o disparo pode ser
necessário,
com o objetivo de reduzir a tensão sobre o GTO em sua entrada em condução,
pode-se
utilizar um circuito amaciador formado, basicamente, por um
indutor com núcleo saturável, que atue
de maneira significativa apenas
durante o início do crescimento da corrente, mas sem armazenar uma
quantidade significativa de energia.
VII.
Associações
em Série e em Paralelo
Nas
situações em que um componente único não suporte a tensão ou a
corrente de uma dada aplicação, é necessário associar componentes em série
ou em paralelo. Nestes
casos os procedimentos são similares àqueles
empregados para os SCRs.
Quando
a corrente de carga, ou a margem de sobre-corrente necessária,
não pode
ser suportada por um único tiristor, é essencial a ligação em
paralelo. A principal
preocupação neste caso é a equalização da
corrente entre os dispositivos, tanto em regime, como
durante o
chaveamento. Diversos fatores influem na distribuição homogênea da
corrente, desde
aspectos relacionados à tecnologia construtiva do
dispositivo, até o arranjo mecânico da montagem
final.
Existem
duas tecnologias básicas de construção de tiristores, diferindo
basicamente no que se refere à região do catodo e sua junção com a
região de gate. A tecnologia de
difusão cria uma região de fronteira
entre catodo e gate pouco definida, formando uma junção
não-uniforme,
que leva a uma característica de disparo (especialmente quanto ao tempo
de atraso e à
sensibilidade ao disparo) não homogênea. A tecnologia
epitaxial permite fronteiras bastante
definidas, implicando numa maior
uniformidade nas características do tiristor. Conclui-se assim que,
quando se faz uma associação (série ou paralela) destes dispositivos,
é preferível empregar
componentes de construção epitaxial.
Em
ligações paralelas de elementos de baixa resistência, um fator
crítico
para a distribuição de corrente são variações no fluxo concatenado
pelas malhas do circuito,
dependendo, pois, das indutâncias das ligações.
Outro fator importante relaciona-se com a
característica do coeficiente
negativo de temperatura do dispositivo, ou seja, um eventual
desequilíbrio
de corrente provoca uma elevação de temperatura no SCR que, por sua vez,
melhora as
condições de condutividade do componente, aumentando ainda
mais o desequilíbrio, podendo levá-lo à
destruição.
Uma
primeira precaução para reduzir estes desbalanceamentos é realizar
uma
montagem de tal maneira que todos os tiristores estejam a uma mesma
temperatura, o que pode ser
feito, por exemplo, pela montagem em um único
dissipador.
No
que se refere à indutância das ligações, a própria disposição dos
componentes em relação ao barramento afeta significativamente esta
distribuição de corrente. Arranjos
cilíndricos tendem a apresentar um
menor desequilíbrio.
Quando
o circuito opera com tensão superior àquela suportável por um
único
tiristor, é preciso associar estes componentes em série, com precauções
para garantir a
distribuição equilibrada de tensão entre eles. Devido a
diferenças nas correntes de bloqueio,
capacitâncias de junção, tempos
de atraso, quedas de tensão direta e recombinação reversa, redes de
equalização externa são necessárias, bem como cuidados quanto ao
circuito de disparo.
A
figura 6 indica uma possível distribuição de tensão numa associação
de 3 tiristores, nas várias situações de operação.
Figura
6. Tensões em associação de tiristores sem rede de equalização.
Durante
os estados de bloqueio direto e reverso (I e VI), diferenças
nas características
de bloqueio resultam em desigual distribuição de tensão em regime. Ou
seja, o
tiristor com menor condutância quando bloqueado terá de suportar
a maior tensão. É interessante,
então, usar dispositivos com características
o mais próximas possível.
Os
estados de condução (III e IV) não apresentam problema de
distribuição
de tensão. Estados II e V representam um desbalanceamento indesejado
durante os
transientes de disparo e comutação. No estado II o tempo de
atraso do SCR1 é consideravelmente mais
longo que o dos outros e, assim,
terá que, momentaneamente, suportar toda a tensão. O estado V
resulta
dos diferentes tempos de recombinação dos componentes. O primeiro a se
recombinar suportará
toda a tensão.
VIII.
Referências Bibliográficas
-
Eletrônica de Potência
J. A. Pomilio
Publicação FEEC 01/98, Fevereiro de 1998, Revisado em Janeiro de 2000
-
Power Electronics - Devices, Drivers and Applications
B. W. Willians
MacMillan, 1987
-
Basic Principles of Power Electronics
K. Heumann
Springer-Verlag, 1986
-
Power Electronics - Circuits, Devices and Applications, 2nd. Edition
M. H. Rashid
Prentice Hall, 1993
-
Power Electronics, 3rd. Edition
C. W. Lander
McGraw-Hill, 1993