O GTO ou GateTurn-Off Thyristor, como o nome indica é um Tiristor que pode ser desligado por um sinal aplicado à comporta. Com aplicações importantes na eletrônica de potência o GTO têm características adicionais que precisam ser bem conhecidas para que ele possa ser usado convenientemente. Outro componente da mesma família é o IGCT ou Integrated Gate Controlled Thyristor que também pertence à mesma família, e que merece ser analisado. A finalidade deste artigo é mostrar como funcionam esses dois dispositivos da família dos tiristores e também alguns outros que podem surgir nos próximos anos.
Nos últimos anos a família dos tiristores vem crescendo com a inclusão de novos dispositivos que apresentam características importantes para determinados tipos de aplicações. Assim, depois dos SCRs e Triacs encontramos os dispositivos de disparo como os SBSs, SUS, SIDACs, DIACs, etc e agora novos dispositivos de pot6encia como os GTOs e os IGCTs.
Os dois dispositivos da família dos tiristores não são tão novos assim, mas poucos leitores sabem utilizá-los em seus projetos. Assim, com a finalidade de ajudá-los a contar com mais recursos nos seus projetos vamos analisá-los.
O GTO
Uma das dificuldades que os projetistas encontram ao utilizar SCRs em seus projetos é que esses componentes, uma vez disparados, assim se mantém mesmo depois que o sinal de comporta tenha desaparecido.
Esse comportamento deve-se justamente à sua estrutura equivalente a dois transistores que se realimentam, conforme mostra a figura 1.
Figura 1
Conforme podemos ver, não adianta aplicar uma corrente negativa na comporta pois ela simplesmente o transistor equivalente de realimentação de modo a impedir que ele continue conduzindo. O único meio de se desligar esse circuito é fazendo com que a corrente principal caia abaixo do valor de manutenção.
No caso de um GTO, o que se faz e estruturar o componente de uma forma diferente de um SCR comum, conforme mostra a figura 2.
Figura 2
Essa estrutura leva a um componente que apresenta as seguintes diferenças em relação a um SCR comum:
- As interconexões das camadas de controle são mais finas, minimizando a distância entre a porta e o centro das regiões catódicas e aumentando assim o perímetro das regiões da porta.
- Existem regiões n- que curto-circuitam as regiões anódicas de modo a acelerar o desligamento.
- A tensão de ruptura inversa é muito baixa
O resultado disso é o GTO, um componente cujas curvas características são mostradas na figura 3.
Figura 3
Como se trata de um tipo especial de SCR o seu símbolo é semelhante, apenas observando-se a indicação de que ele pode ser desligado por um sinal aplicado à comporta. Na figura 4 mostramos os símbolos adotados para representar esse componente.
Figura 4
O disparo de um GTO, assim como seu desligamento, devem ser feitos com circuitos e formas de onda apropriadas. Na figura 5 temos o circuito usado para essa finalidade onde se observa a necessidade de uma tensão negativa para o desligamento. Assim, nos circuitos com GTOs, devem ser usados circuitos de disparo simétricos.
Figura 5
A figura 6 mostra as formas de onda que devem ser aplicadas para que tenhamos a melhor forma de disparar um GTO.
Figura 6
Veja que, para disparar o GTO é preciso aplicar um sinal que tenha uma subida rápida, ou seja, um di/dt elevado. Se o sinal for lento, apenas uma parte do dispositivo entra em condução, com uma distribuição desigual da energia, o que pode causar a queima do dispositivo.
Uma vez que a condução esteja estabelecida, deixa-se uma corrente Igon de manutenção circulando, para se assegurar que o dispositivo não desligue espontaneamente.
Para levar o GTO ao corte, deve ser aplicada uma corrente Ig elevada, cuja intensidade depende das características do dispositivo.
Essa corrente é interrompida tão logo o dispositivo desligue. No entanto, deve ser mantida por algum tempo uma tensão negativa na comporta, para se evitar que o GTO venha a ligar de forma espontânea. Na figura 7 temos um circuito típico para aplicação de um GTO, numa carga indutiva.
Figura 7
Observe a existência de dois circuitos amortecedores ou “snubbers” nessa aplicação. O primeiro é ligado em paralelo com a carga e tem por finalidade limitar a velocidade de subida da corrente anódica no disparo. Valores muito altos dessa corrente podem levar a pastilha a um curto .
O segundo é ligado em paralelo com o GTO e consiste num amortecedor para o desligamento, como ocorre normalmente nas aplicações com tiristores.
Sua finalidade é limitar a velocidade de subida da tensão anódica quando uma carga indutiva é desligada. Na figura 8 detalhamos as formas de onda que aparecem num circuito com GTO quando ele e disparado.
Figura 8
Observe que a taxa de crescimento da corrente de comporta (Ig) é limitada pela presença de indutâncias parasitas em seu circuito.
A corrente de anodo (Ia), por outro lado, tem seu valor limitado pelo circuito amortecedor.
Para o desligamento, temos as formas de onda mostradas na figura 9.
Figura 9
Observe o efeito da ressonância do circuito no desligamento.
O IGCT
Na figura 10 temos a estrutura do IGCT.
Figura 10
Conforme podemos observar o sistema de disparo que é formado pela comporta (gate) contém também o catodo (cat), daí a denominação do dispositivo de “integrated gate”.
Nesse dispositivo, toda a corrente de catodo é transferida para a comporta rapidamente de modo que a junção catódica fica quase que instantaneamente polarizada no sentido inverso e o desligamento do componente fica reduzido ao corte do transistor npn.
Uma das vantagens desse componente é que ele não necessita de um circuito amortecedor (snubber) para o desligamento. Outra vantagem está no fato de que o ganho de comporta é 1, já que toda a corrente de anodo se transfere para a comporta.
Na integração temos ainda que o IGCT e o um diodo de mesma tensão de ruptura podem ser integrados sem problemas. Na figura 11 temos a curva de operação segura (SOAR) de um IGCT. Observe que ela é análoga a de um transistor bipolar de potência.
Figura 11
Em função do que vimos é interessante fazer uma comparação das características destes dois componentes, com os componentes tradicionais de potência como o MOSFETs de Potência, IGBT e SCRs, As curvas da figura 12 mostram as principais diferenças.
Figura 12
As vantagens e desvantagens desses componentes são:
GTO
Vantagens:
- Pode operar com tensões muito altas
- Maior área de silício por kVA
Desvantagens:
- Circuito de porta complexo
- Apresenta perdas de comutação
- Exige o uso de snubbers
SCR
Vantagens:
- Maior área de silício por kVA
- Pode operar com tensões e correntes muito altas
Desvantagens:
- Não pode ser desligado pela comporta
IGBT
Vantagens:
- Maior área de silício por kVA
- Fácil de controlar
- Não precisa de snubber
Desvantagens:
- Apresenta perdas de condução
- Dificuldade de operação acima de 50 kHz
MOSFET de Potência
Vantagens:
- Fácil de controlar
- Tem boa velocidade
- Tem baixo custo
- Apresenta saída linear
Desvantagens:
- Alto custo por kVA para tensões acima de 300 V
IGCT
Vantagens:
- Pode operar com potências elevadas
- Tem boa velocidade
Desvantagens:
- Precisa de circuito snubber
Outros Dispositivos
Além dos dispositivos indicados existem outros da mesma família que começam a aparecer nas aplicações industriais.
Um deles é o MCT (Tiristor controlado por porta MOS) cuja estrutura e símbolos são mostrados na figura 13.
Figura 13
O transistor da figura é de canal P. O dispositivo, na verdade, consiste num SCR com dois transistores MOS que são usados para ligá-lo e desligá-lo.
Este tipo de transistor, apesar de ter sido desenvolvido a partir de 1992 não chegou ainda a um produto prático. Considera-se portanto que se trata de um dispositivo que não passou da fase experimental.
Dentre os obstáculos para se chegar a um componente deste tipo de uso prático destacamos a complexidade de fabricação e a impossibilidade de se chegar a um componente final capaz de manusear potências elevadas.
Um segundo dispositivo que merece destaque e que se inclui nesta família é o IEGT ou Injection Enhanced Gate Thyristor ou Tiristor de Comporta Enriquecida por Injeção. Na figura 14 temos a estrutura deste dispositivo.
Figura 14
Os IEGT apresentam vantagens de condução em relação aos IGBTs pela sua própria estrutura. No IGBT, a injeção de portadores da fonte é limitada. No caso do IECT consegue-se com que a capa da fonte tenha uma eficiência maior, através da otimização das geometrias dopadas.
As curvas de condução dos dois dispositivos são comparadas na figura 15.
Figura 15
Os IEGTs, por essas características podem se tornar os componentes que vão substituir os IGBTs em aplicações futuras.
AGT
Um dos problemas com os SCRs é que sendo disparados somente pelo catodo, no momento em que os desejarmos usar em circuitos de corrente alternada a comutação com dois deles em oposição apresenta problemas, conforme mostra a figura 16.
Figura 16
Para solucionar esse problema alguns fabricantes de dispositivos de potência como a Microsemi (www.microsemi.com) lançaram o AGT ou Anode Gate Thyristor ou Tiristor com Gate no Anodo.
Com ele, conforme mostra a figura 17, é possível fazer o controle de onda completa de uma carga de uma forma mais eficiente.
Figura 17
Os tipos disponíveis para esse componente podem controlar correntes até 50 A com tensões que chegam aos 1 200 V.
A grande vantagem do uso desse componente, conforme podemos perceber pela própria figura em que o circuito de aplicação é mostrado (figura 17), um dissipador comum pode ser usado para os dois componentes já que o anodo do SCR e o Catodo do AGT estão conectados a um ponto comum.
Conclusão
A presença da eletrônica nos controles de potência exige o emprego de dispositivos cada vez mais eficientes. Assim, o enriquecimento da família dos tiristores, como o aparecimento de novos componentes, é inevitável.
O que vimos neste artigo são alguns exemplos de novos componentes que começam a ser utilizados e alguns ainda em fase de desenvolvimento mas que certamente serão comuns nos equipamentos dos próximos anos.
O projetista deve estar pronto para saber trabalhar com esses novos componentes, conhecendo suas características, vantagens e limitações. Uma breve visão desses novos componentes foi o que demos neste artigo.
