A necessidade de dispositivos semicondutores cada vez mais potentes e robustos tem levado ao aparecimento de diversos dispositivos importantes para as aplicações industriais.
Todos conhecem componentes como o IGBT, MOSFETs de potência, SCRs, etc mas existem ainda alguns componentes menos comuns que estão ocupando espaços importantes em aplicações específicas. É o caso do IGCT de que tratamos neste artigo.
Um componente de alta potência utilizado no controle de altas tensões e altas correntes com potências que chegam aos milhões de watts é o IGCT.
IGCT significa Integrated Gate-Comutated Thyristor ou Tiristor Comutado por Comporta Integrada.
Ao lado dos diversos dispositivos hoje utilizados nas aplicações industriais, o IGCT ocupa uma faixa especial de aplicações, nas quais potências extremamente elevadas devem ser comutadas.
A tabela abaixo mostra que os principais dispositivos semicondutores de comutação usados na indústria são divididos em dois grandes grupos:
| Tiristores | Transistores |
| GTO - Gate Turn-Off Thyristor | Transistor Bipolar |
| MCT - MOS-Controlled Thyristor | MOSFET de Potência |
| MTO -MOS Turn-Off Thyristor | Transistor Darlington Bipolar |
| FCT -Field-Controlled Thyristor | IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor |
| EST - Emitter-Switched Thyristor | |
| IGT - Insulated Gate Thyristor | |
| IGTT - Insulated Gate Turn-Off Thyristor | |
| GCT - Gate-Commutated Thyristor | |
| IGCT - Integrated Gate-Commutated Thyristor |
Que dispositivo usar dependem muito das aplicações.
Antigamente, os transistores tinham características bem diferentes dos tiristores o que levava o projetista a ter poucas opções de escolhas conforme as aplicações.
No entanto, hoje em dia é possível fabricar tiristores e transistores com características otimizadas muito próximas.
Assim, as desvantagens que levavam a escolher um ou outro numa aplicação diminuíram e com isso em muitos casos tanto faz usarmos um ou outro.
No entanto, os tiristores, quando se trata do controle de potências muito altas tem algumas vantagens importantes e nesse ponto entra em ação o IGCT.
Trata-se de um dispositivo semicondutor de muito alta potência que apresenta características que o torna ideal para comutação. Suas principais características são:
* Pode operar com tensões muito altas
* Pode controlar correntes muito intensas
* Tem uma comutação muito rápida
* Apresenta perdas muito baixas
* Tem alta velocidade de comutação
* É altamente confiável
* Tem uma construção compacta
Como Funciona
Para entendermos melhor como funciona o IGCT vamos partir inicialmente de seu "primo" da geração anterior de componentes, o GCT.
Quando o GCT está no estado de condução, ele funciona exatamente como um SCR, onde temos uma estrutura regenerativa equivalente a dois transistores, um NPN e um PNP, conforme mostra a figura 1.
No entanto, no estado de não condução (bloqueio) a junção comporta-catodo é polarizada no sentido inverso e isso faz com que o dispositivo deixe de conduzir, conforme mostra a figura 2.
É importante observar que enquanto o GCT pode passar do estado de condução para não condução instantaneamente, outros componentes como o GTO, devem passar por um estado intermediário que é mostrado na figura 3.
Esse estado intermediário exige o emprego de circuitos snubbers eficientes para minimizar a tensão reaplicada ao dispositivo, ou seja, diminuir a taxa de crescimento da tensão dV/dt., para os quais eles são muito sensíveis.
A idéia básica na tecnologia do IGCT é ter uma estrutura que elimine na característica do componente a zona em que ele se comporta como um GTO.
Isso é conseguido comutando a corrente de anodo antes que a carga de comporta seja removida da base n do anodo.
Em outras palavras, levando em conta a estrutura equivalente de transistores, isso é feito antes que o transistor PNP perceba que o transistor NPN parou de conduzir.
Na figura 4 mostramos o que ocorre então com as características do componente neste caso.
É claro que isso é importante pois permite que o dispositivo comute rapidamente sem a necessidade de snubbers. Essa característica o torna muito melhor que componentes como o MOSFETs de potência e os IGBTs.
Um ponto importante na tecnologia que leva a este dispositivo é garantir que o circuito drive de comporta deve ser capaz de manusear toda a corrente de anodo e isso bem rapidamente, antes que o transistor de anodo "perceba" o processo de comutação.
Para essa finalidade é fundamental que o circuito de gate tenha uma indutância muito baixa, tão baixa que em alguns casos, a construção exige não só o emprego de uma estrutura coaxial como também a montagem em placas multi-camadas.
Diversas empresas fabricam esses dispositivos com correntes e tensões que permitem o controle de potências da ordem de centenas de quilowatts ou mesmo megawatts.
Aplicação Prática
As topologias dos circuitos em que os componentes semicondutores de potência são usados variam em função de suas características.
Assim, na figura 5 temos uma comparação de circuitos de aplicação que utilizam GTOs, IGBTs e IGCTs.
Observe que o IGCT oferece a solução que emprega menos componentes externos, o que é muito importante tanto em termos de custo como de confiabilidade da aplicação.
Um ponto importante a ser considerado quando se fala em confiabilidade de um dispositivo não é apenas o número de componentes externos que a aplicação precisa para ser implementada.
Assim, é comum que se especifique numa aplicação o número de Falhas num Intervalo de tempo o Failures in Time, abreviadamente FIT.
Esse número aumenta quando mais dispositivos são usados pois devem ser considerados não só os componentes mas o número de juntas soldadas, número de chips, conexões, etc.
Assim, para uma aplicação que tenha um FIT igual a 10 (10 falhas em 100 milhões de horas de aplicação do dispositivo) se considerarmos os componentes periféricos e a montagem em sí o número FIT pode subir para 500.
Deve-se ainda considerar que os IGBTs, na verdade são dispositivos multi-chips, ou seja, num único IGBT temos diversas pastilhas ligadas em paralelo o que aumenta o FIT desse componente.
No caso do IGCT temos uma grande vantagem quando se considera essa confiabilidade.
Não só o número de componentes externos é pequeno como também a montagem do próprio dispositivo, independentemente da corrente, é monolítica.
Um gráfico interessante é o mostrado na figura 6 que compara a potência a ser controlada num inversor trifásico com o número de componentes externos e chips para as três tecnologias atualmente usadas.
Veja que para o caso dos IGBTs, dada a necessidade de se ligar módulos em paralelo no controle de potências elevadas o número de componentes externos (e portanto sujeitos à falhas) cresce quase que exponencialmente, o que não ocorre com os GTOs e muito menos com os GCTs.
Clamps e Snubbers
Na comutação de cargas indutivas de potências muito altas, as tensões geradas podem facilmente danificar os dispositivos semicondutores usados.
Da mesma forma, as correntes intensas que circulam no momento da comutação também podem ser perigosas.
Para proteger os circuitos são usadas diversas configurações, denominadas comumente "snubbers" e "clamps".
Snubber vem de uma palavra inglesa "snubba" que significa "limitar o crescimento" enquanto que clamp significa "parar o movimento de alguma coisa".
Assim, os circuitos snubbers são usados para limitar a taxa de crescimento de uma tensão ou corrente não devendo ser confundidos com os circuitos clamp que limitam a intensidade da corrente, evitando que ultrapasse determinados limites, conforme mostra a figura 7.
Um circuito comutador ideal não precisa de snubbers ou clamps podendo operar em qualquer velocidade com qualquer tensão ou corrente.
Mas, isso não ocorre na prática, principalmente quando comutamos cargas indutivas.
O que determina basicamente que tipo de snubber e clamp deve ser usado numa aplicação é a característica de comutação do dispositivo e a indutância da carga comutada.
Para dispositivos como os SCRs, IGBTs, e outros a utilização do snubber é obrigatória com qualquer carga indutiva.
No entanto, as características dos IGCTs permitem que esses circuitos sejam reduzidos e até eliminados em alguns casos.
Assim, os snubbers que limitam a taxa de crescimento da corrente (di/dt) são essenciais nos circuitos com IGCTs mas não são obrigatórios os snubber que limitam a taxa de crescimento da tensão (dV/dt).
Esses snubbers são importantes para manter o dispositivo dentro da área de operação segura conforme mostra o exemplo dado na figura 8.
Evidentemente, esta característica depende do dispositivo considerado.
Circuitos de Disparo e Perdas
Como os IGCTs são muito rápidos praticamente não existem tempos de turn-on e turn-off (liga-desliga) mas tão somente pequenos tempos min-on e min-off a serem considerados, o que não ocorre com GTOs e tiristores, os quais são responsáveis por perdas.
Assim, as perdas permitidas são basicamente determinadas pela capacidade de refrigeração do dispositivo.
Quando comparados aos IGBTs as perdas dos IGCTs são de duas a três vezes menores, o que permite que eles operem em freqüências muito mais altas.
Os IGCTs atualmente disponíveis operam com tensões de 3 a 8 kV e correntes de 200 a 4000 A tipicamente. A faixa de freqüências depende da tensão podendo chegar a 1 kHz com tipos de menores tensões a 3 kHz com os tipos para maiores tensões.
Quanto aos circuitos de disparo, os IGCTs precisam de circuitos menores, pois exigem menos potência.
Conclusão
Os IGCTs são o resultado do aperfeiçoamento de diversas tecnologias para o controle de altas potências.
Com eles, os projetos de circuitos de controles para médias e altas potências, chegando a faixa dos Megawatts podem ser realizados com facilidade.
Equipamentos para controle e transmissão de energia podem ser agora facilmente implementados com o uso desses novos dispositivos.
