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Capítulo 3: Transístores de Potência

Profa. Dr Dr..  – Ing. Vera Lúcia D. S. Franco Engenharia Mecatrônica

Transistor de Potência -Os transistores com altos valores nominais de tensão e corrente são conhecidos como transistores de potência –   semicondutor  –  PNP,   PNP, NPN, 3 camadas com duas  junções. -Os transistores possuem dois tipos básicos de aplicação: -Amplificação e chaveamento -Em eletrônica de potência em que o objetivo principal é o controle eficaz de  potência eles eles são utilizados como chaves. -Os diodos são chaves que não podem ser controlados, pois têm apenas dois termi ter minai nais, s, já os transi transisto stores res têm 3 termin terminais ais,, dois atuam atuam como como conta contato to de uma chave e o terceiro é usado para ligar e desligar a chave. - Assim o circuito de controle pode ser independente do circuito que está sendo controlado.

Tra rans nsis isto torres ma mais is ut util iliz izad ados os : - Transist Transistor or bipolar de junção junção (Bipolar Junctio Junctionn Transi ransistor stor BJT) –  controlado   controlado por  corrente.

Tra rannsi sist stor or de ef efeeit itoo de cam ampo po met etal al-ó -óxi xiddo-s -sem emic icon onddut utor or (m (meeta tall-ox oxid ideesemico sem icondu nducto ctorr field-e field-eff ffect ect trans transist istor or - MOSFET) MOSFET),, controla controlado do por tensão tensão,, est estee  possui uma frequência de chaveamento muito mais mais elevada que os BJT BJTs. s. -A invenção do IGBT do  IGBT (insulate-gate-bipolar transistor) foi transistor)  foi criado para resolver as limitações típicas dos Mosfets e dos BJTs. BJTs. Os IGBTs são próprios para tarefas que envolvem alta tensão, trabalham com  perdas baixas no estado ligado, requerem circuitos acionadores simples e suportam velocidades de chaveamento relativamente altas.

Transistores Bipolares de Junção de Potência (BJTs) Os transistores de potência são encontrados no mercado em dois tipos NPN e PNP. PNP.  Neste caso iremos concentrar no NPN, uma vez que tem valores nominais de tensão e corrente mais alto.

O coletor e o emissor não podem ser invertido, pois suas características e os valores nominais mudam significativamente quando esses terminais são invertidos. Para controle de potência o transistor é usado como chave.

Um transistor NPN e o seu símbolo

Curva característica V-I de um BJT

Curva característica idealizada de um transistor  A maioria das aplicações de transistores de potência utiliza a configuração emissor comum (funcionando como chave). -Três regiões de operação: corte, saturação e a região ativa. - Se IB = 0, IC é desprezível, neste caso o transistor se encontra na região de corte ou seja desligado: neste caso a junção coletor-base como base – emissor está reversamente polarizado e o transistor é uma chave aberta.

Se a corrente de base IB for suficiente para acionar o transistor até a saturação: IC   muito grande e VCE  é aproximadamente zero, neste caso o transistor é uma chave fechada e as duas junções estão diretamente polarizadas. Na saturação ambas  junções estão diretamente polarizadas  Na operação da região ativa a junção base-emissor está diretamente polarizada e enquanto a junção coletor-base fica inversamente polarizada. A região ativa é usada  para amplificação. Os BJTs não podem bloquear mais do que 20 V na direção inversa, por isso não são usados em controles de potência AC, a menos que um diodo reverso seja ligado em  paralelo entre o emissor e coletor.

Polarização de um transistor - Transistor funcionando como chave, a corrente da base será fornecida pelo circuito de controle conectado entre a base e o emissor. O coletor e o emissor  atuam como terminais de potência da chave.

Reta de carga DC  –  todos os pontos de operação do circuito

VCC –  ICR C –  VCE = 0 VCE= VCC –  ICR C IC(sat) = (VCC –  VCE(sat))/R C IC

0 então VCC = VCE

VCC/R C

Saturação

Ponto de corte

Perdas de potência nos transistores -Perdas na condução ou no estado ligado; -Perdas por fuga ou no estado desligado; -Perdas por passagem para o estado ligado durante a ligação; -Perdas por passagem para o estado desligado durante o desligamento da chave. -* As perdas durante o chaveamento não podem ser desprezadas, pois são significativas.

Perdas de potência na base PB = VBB(sat).IB

Perdas no coletor PC = VCE(sat).IC

Perdas no estado ligado Pon = VCE(sat).IC + VBE(sat).IB Se as perdas de potência na base forem pequenas, quando comparada às perdas de potência no coletor, estas podem ser desprezadas e o cálculo da potência no estado ligado fica assim: Pon = VCE(sat).IC

Perdas nos estado desligado Poff  = VCE.IC  VCC.Ileakage

Perdas de energia durante a ligação de um transistor W ( sw



on ) 

V CC   I C (max) 6

.T r 

Onde: Tr  –  tempo de subida da corrente de coletor ( de 1 a 2 ms).

Perdas de energia durante o desligamento W ( sw



off  ) 

V CC   I C (max) 6

.T   f  

Sendo: Tf A dissipação média total do transistor é dada por: PT(AVG) ={Pon. Ton + Poff.Toff + W(sw-on) + W(sw-off)}.f 

Teste de um transistor -Feito com Ohmímetro. -Diretamente polarizados as junções base-emissor e base coletor devem ter  resistência relativamente pequena, enquanto devem registrar uma resistência muito maior na polarização inversa. -A resistência entre o coletor e o emissor (R CE) também pode ser testada. Essa resistência nas duas direções é muito maior do que a resistência direta de cada uma das funções. -R CE –   nos transistores de silício pode ter uma leitura infinita em alguns ohmímetros. Os transistores de potência com defeito apresentam muitas vezes um curto entre o coletor e emissor, mesmo quando ambas as junções passaram no teste. -Tipo do transistor –  com ohmímetro- terminal positivo ligado a base e o negativo ao emissor, a leitura da resistência é baixa no transistor NPN e alta no PNP.

Proteção de um transistor -Condições térmicas são importantes -Proteção contra sobrecorrente -IC aumenta com VCE – dissipação de potência VCE.IC e como conseqüência há um aumento da temperatura na junção, a resistência diminui e I C aumenta e neste caso há dissipação de energia, e aumento exagerado da temperatura. -Uma maneira de proteger o transistor basta desligar o dispositivo quando V CE e IC ultrapassam o nível de referência. -A proteção contra grandes defeitos pode-se utilizar chave em paralelo que curto-circuite o transistor 

Proteção contra sobretensão. -diodo em antiparalelo ligado diretamente nos terminais do transistor.

Proteção de bloqueio de tensão inversa -Utilizar um diodo em antiparalelo se for utilizado em um circuito AC. -Circuito Snubber - É usado para limitar a tensão no dispositivo durante os transitórios de chaveamento.

Circuito Snubber 

Valores nominais de um transistor -Tensão de saturação coletor  – emissor (VCE(sat)) -Ganho de corrente DC  –  (hFE) -hFE = IC/IB –  transistores de potência fica na faixa de 5 e 50. -Velocidade de chaveamento -tempo de chaveamento de 1ms (ligado ) e 2ms (desligado) -Tensão de bloqueio: valores para os transistores de potência disponíveis no mercado é na faixa de 1400 V. -Valores de corrente de coletor : é a corrente contínua máxima permissível (I Cmax) -Valor máximo permissível de temperatura na junção: normalmente é de 125º. -Dissipação de potência: o valor nominal máximo de potência de um transistor é especificado como PD(max)

-Área de Operação segura (SOA)  –  (safe operating area  –  SOA) - Para garantir uma operação segura do transistor, os fabricantes especificam limites na curva VCE versus IC para definir a área de operação segura.

Área de operação segura de um BJT

-Ruptura Secundária -Os BJTs apresentam falhas para certas condições de tensão e de corrente altas. Se uma tensão e uma corrente altas ocorrerem simultaneamente durante o corte, a dissipação de potência provocará a falha do dispositivo.

Ruptura secundária

Transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor de potência (MOSFET) -Transistor de chaveamento rápido caracterizado por alta impedância de entrada e apropriado para baixas potências e altas frequências de chaveamento (aprox. 100KHz). -O MOSFET possui 3 terminais: a porta G, a fonte S e o dreno D. A fonte está sempre em um potência próximo da porta. O dreno é ligado à carga. - Para condução deste dispositivo, o dreno torna-se positivo em relação à fonte e uma fonte de tensão pequena positiva (V GS). Não havendo tensão na porta, a chave fica desligada, ou seja, é tensão da porta que controla as condições de ligado e desligado. -Em ambas condições (ligado/desligado), a resistência de entrada é extremamente alta, e neste caso a corrente de porta é zero, pelo isolamento resistivo da porta, isso propicia circuitos de controle de porta bem simples e eficientes quando comparados com aqueles para acionar um BJT. O MOSFET consegue transições mais rápidas entre os estados ligados e desligados do que um BJT e por isso substitui os BJTs em aplicações de altas frequências de chaveamento. -A queda de tensão no estado ligado é de 4V  –  perdas elevadas.

Transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor de potência (MOSFET)

Símbolo de um MOSFET

Curva característica de um MOSFET

-Se o MOSFET for usado como chave, deverá ser operado na região não- saturada  para que seja assegurada uma queda de tensão baixa no dispositivo quando ele estiver no estado ligado. - o MOSFET possui três regiões distintas de operação: a região de corte, a região ativa e a região de resistência constante. -Região de corte ou desligado

VGS < VTH

-O MOSFET deve ser operado de tal modo que a tensão do dreno-fonte V DS seja mantida abaixo de BVDSS (tensão de ruptura). -Na região ativa o MOSFET funciona como amplificador não utilizada na eletrônica de potência. -A região que interessa em eletrônica de potência é a região ôhmica, em que a corrente de dreno aumenta de maneira diretamente proporcional à tensão de drenofonte e o MOSFET fica no estado ligado. Esta região é similar áquela de saturação do BJT, a relação da tensão VDS   com a corrente ID   denominada resistência no estado ligado do dreno para a fonte (R DS(on)) é praticamente constante.

R DS(on) = VDS/ID

resistência no estado ligado para a fonte R DS(on)

- Valor típico: de R DS é 0,5 ohms . - Para garantir que o MOSFET permaneça na região ôhmica é melhor usar um valor de VGS mais alto do que o necessário na região ativa. (valor em torno de 10V não podendo passar de 20 V).

Curva característica de transferência do MOSFET

ID = 0 ID = gm(VGS – VTH)

VGSVTH

Sendo que gm é a transcundutância: inverso de R=V/I ou seja gm = I/V (unidade é Siemens). * Taxa de variação da corrente de dreno em relação a tensão aplicada na  porta/fonte (VGS).

Curva característica ideal do MOSFET

Correspondem aos dois estados de uma chave ligado e desligado

Um MOSFET como chave Quando o MOSFET funciona como chave na condição de ligado é forçado a operar na região ôhmica. Isso garante que a queda de tensão no dispositivo seja  baixa, de tal modo que a corrente de dreno fique determinada pela carga, assim as  perdas são pequenas. -Condições para operação do MOSFET na região ôhmica é dada por: VDSVlimiar(GGTH). O IGBT  passará para o estado desligado no momento em que houver a anulação do sinal de tensão na porta.

Curvas características de tensão –  corrente de IGBT Quando não houver tensão aplicada na porta o IGBT estará no seu estado desligado, IC = 0 e a tensão que passa através da chave é igual a da fonte. Se VG>VGGTH for aplicada à porta o IGBT passa para o estado ligado e I C é diferente de zero. IC é limitada pela tensão da fonte e R carga , no estado ligado a tensão na chave pode ser considerado igual a zero(semicondutor ideal).

Curva característica ideal do IGBT O IGBT no estado ligado não apresenta tensão, enquanto a corrente é determinada  por IC = VS/R L. No estado desligado o IGBT pode bloquear qualquer tensão  positiva ou negativa.

Curva característica ideal do IGBT

Exemplo 3.10  Na figura abaixo a fonte de tensão é de 220 V e a resistência de carga é igual a 5 ohms. O IGBT é operado na frequência de 1kHz. Determine, para o pulso, o tempo no estado ligado, caso a potência requerida seja de 5 kW.

T  

1

 f  

V  L ( avg )

 P  L



1ms





V S .T ON  T 

V  L ( avg )  R L 2

 P  L



2

V S  .T ON   R L .T 

 Na figura abaixo a fonte de tensão é de 220 V e a resistência de carga é igual a 5 ohms. O IGBT é operado na frequência de 1kHz. Determine, para o pulso, o tempo no estado ligado, caso a potência requerida seja de 5 kW.

1

T  

 f  

V  L ( avg )

 P  L



1ms





V S .T ON  T 

V  L ( avg )

2

 R L 2

 P  L

Exemplo 3.10

T ON  



V S  .T ON   R L .T 

 P  L . R L .T  2 S 

V 

5000.5.1(10 3 ) 



2

220



0,52ms

Transistor de unijunção (UJTs) Este é um dispositivo de três terminais. Um deles é o emissor (E) e os demais, as duas bases: a base um (B 1) e a base dois (B2). -Emissor é feito de um material P -Corpo principal de um material N -É utilizado para gerar pulsos de acionamentos para dispositivos maiores (Ex: SCR, e triacs)

O UJT: a) estrutura; b) símbolo esquemático; c) curva característica

Seus terminais de controle são também terminais de potência. O terminal B 2 é usado para polarização. Sem polarização de emissor no terminal E, V EB1  = 0 e o UJT tem uma certa resistência interna B2 e B1. Essa resistência é denominada de resistência interbase (R B) e, à temperatura de 25º C, tem um valor na ordem de quiloohms. É composta  por duas resistências R B1 e R B2  (figura do próximo slide). A relação de R B1 e R B2 é denominada relação de standoff  h porque é o valor dessa relação que determina a  polarização inversa experimentada pela junção equivalente do diodo PN. h  

 R B1  R B



 R B1  R B1  R B 2

O valor de h fica entre 0,5 e 0,8. O valor típico para maioria dos UJTs é de 0,6.

Polarização de um UJT Seus terminais B2 e B1, são polarizados positivamente com a fonte V BB, e as resistências RB2 e RB1 atuam como divisores de tensão, de tal modo que no ponto h ela seja: V RB1 = h VBB

Polarização de um UJT

Portanto, para polarizar o diodo diretamente e passar o UJT para o estado ligado, a tensão de emissor V E deve ser maior do que o valor denominado tensão de pico (VP), que é dado por: VP = V b + h VBB ; onde V b é a barreira de potencial da junção PN (0,7 para silício). Depois de passado para o estado ligado, o UJT atua como um diodo diretamente  polarizado e a resistência RB1 cai para um valor muito baixo, quase igual a zero.

Circuitos equivalentes do UJT: a) ligado; b) desligado

O uso de um UJT para disparar um tiristor O UJT é o dispositivo ideal para utilização em osciladores de relaxamento usados  para o disparo de um SCR. - Quando a chave for fechada, o capacitor C começará a carregar, através do resistor R, a uma velocidade que depende da constante de tempo T = RG. - Quando a tensão do capacitor (V C = VE) alcançar a tensão de pico V P, o UJT será disparado. É como se fosse colocada uma resistência baixa em paralelo com C, o que resulta na descarga do capacitor de maneira muito rápida, através de R 1. Isso faz com que o UJT passe para o estado desligado e que o C comece a carregar  novamente, para a repetição do ciclo.

Circuito com UJT para disparo de um tiristor 

O surto de corrente pode ser usado para acionar um tiristor ou para ligar um transistor. A frequência de oscilação é dada, aproximadamente, por: f = 1/T; onde T , é o tempo necessário para o UJT passar para o estado ligado, e dado por: 1 T   RC  ln  RC  1 h  



