Como Funcionam os IGCTs e ESBTs (ART3983)

Os IGCTs e ESBTs são componentes da família dos tiristores como os SUS, SBS, Diacs, PUTS, SIDACs e LASCs abordados nos artigos anteriores (ART3980, ART3981 e ART3982) usados no disparo de tiristores e também em outras funções. Neste artigo abordamos seus princípios de funcionamento.

ART1034S

IGCT

IGCT significa Integrated Gate Controlled Thyristor, ou tiristores com comporta controlada integrada.

Trata-se de um dispositivo da família dos tiristores, destinado a aplicações no controle de potência. Na figura 1 temos a estrutura do IGCT que tem o mesmo símbolo do SCR.

 

Figura 1 – Estrutura do IGCT
Figura 1 – Estrutura do IGCT

 

 

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.

 

ESBT

O ESBT ou Emitter-Switched Bipolar Transitor (Transistor Bipolar Comutado por Emissor) consiste num dispositivo que apresenta características ideais para aplicações de comutação em circuitos de alta tensão e alta velocidade.

Esses novos dispositivos possuem uma estrutura combinada com uma parte bipolar que permite obter uma tensão de ruptura muito alta, chegando aos 2 500 V e uma parte de MOSFET de potência que permite uma velocidade de comutação muito alta, chegando aos 150 kHz na configuração em cascata.

A ideia básica é dada pela conexão de um transistor bipolar em série com um MOSFET de potência, conforme mostra a figura 2.

 

Figura 2 – O ESBT
Figura 2 – O ESBT

 

 

Na figura 3 temos o símbolo adotado para o novo dispositivo.

 

Figura 3 – Símbolo do ESBT
Figura 3 – Símbolo do ESBT

 

 

Quando os dois transistores são ligados da maneira indicada, o disparo é feito pela aplicação de uma tensão na comporta (gate) do MOSFET de potência.

Com isso, obtém-se perdas no estado ON muito baixas devido a baixa tensão VCEsat dos transistores bipolares em relação da VDSon dos transistores MOSFETs.

Também é possível minimizar as perdas de comutação devido à velocidade muito maior de comutação dos Power MOSFETs quando comparados com os tempos longos de desligamentos (Ts + Tf) de um transistor bipolar.

Para entendermos como funciona um transistor deste tipo analisemos os estados em que ele está ligado e desligado, substituindo o MOSFET de comutação de emissor por uma chave, conforme mostra a figura 4.

 

Figura 4 – Funcionamento do ESBT
Figura 4 – Funcionamento do ESBT

 

 

Neste dispositivo o sinal de controle, que faz a comutação do dispositivo, não é aplicado a sua base, mas sim no emissor. A base do transistor é polarizada de forma fixa de modo a determinar a corrente principal no dispositivo.

Como essa corrente é fixa, ela não influi na comutação do dispositivo. Assim, quem determina a velocidade de comutação é a ação do MOSFET. Como a queda de tensão nesse dispositivo é muito baixa, quando comparada ao VCE(sat) do transistor bipolar mais as perdas de entrada a saturação ocorre rapidamente.

A chave é o MOSFET que é controlado por um sinal externo aplicado a sua comporta

Para desligar o dispositivo, basta interromper a corrente de emissor. Desta forma, como não temos a influência do tempo de resposta do transistor bipolar, o desligamento é muito rápido.

O desligamento pelo emissor tem o mesmo efeito, com uma ação muito rápida. A corrente de dreno do MOSFET cai praticamente a zero instantaneamente, o que faz com que o transistor Bipolar também deixe de conduzir.

Assim, para comutar o transistor bipolar, o que se faz é utilizar um MOSFET que tem uma resposta mais rápida, ligado no seu emissor.