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Interruptores SemicondutoresInterruptores Semicondutores

Nikolas Libert

Aula 8A

Eletrônica de Potência ET53BTecnologia em Automação Industrial

DAELT ● Nikolas Libert ● 2

Transistor Bipolar de Junção (TBJ) de Potência

Transistor Bipolar de Junção (TBJ) de Potência Diferenças em relação aos transistores

convencionais:

– Ganho de corrente mais baixo (5 a 50 vezes).

– Altas tensões de bloqueio direto (até a faixa de 1400V).

– Correntes nominais mais altas.

Devem operar na região de saturação

Controle do chaveamento por corrente de base.



Tipos:

Coletor

Base

Emissor

N

P

N

Coletor

Emissor

Base

Coletor

Emissor

BaseBase

P

N

P

Emissor

Coletor

NPN PNP

- A tensão VCE deve ser positiva (Tensões reversas máximas de 20 V)

- Chave fechada: Corrente alta entrando na base e queda de tensão de 1~2 V entre coletor e emissor.

-Chave aberta: Corrente nula entrando na base.

- A tensão VCE deve ser negativa (Tensões reversas máximas de 20 V)

- Chave fechada: Corrente alta saindo pela base e queda de tensão de 1~2 V entre emissor e coletor.

-Chave aberta: Corrente nula saindo da base.



Necessidade de circuito de polarização, para abertura e fechamento da chave (controle da corrente de base).

RB

RC

VCC

iBVB

RB

RC

VCC

iB=0VB

RB

RC

VCC

iB>>0VB

Baixa corrente de base(chave aberta)

Alta corrente de base(chave fechada)



Exemplo. Como usar um TBJ como chave para descarregar o capacitor?

RBRC

VCC

iBVB

R

VCC

R

VCCSe VB = 0 V:

a chave estará aberta.

iB=0

Se VB = VCC:

Se for escolhido um RB adequado, a chave estará

fechada.

iB=V CC−0,7

RB



E agora?

RB

RC

iBVB

VCC

R

VCC

R

Se VB = 0 V:


iB=0

Se VB = VCC:

A corrente iB não dependerá apenas de RB, mas também de RC e R.

É melhor o uso de um transistor PNP



Com transistor PNP

RB

RC

iBVB

VCC

R

VCC

R

Se VB = VCC:


iB=0

Se VB = 0 V:

Se for escolhido um RB adequado, a chave estará

fechada.

iB=V CC−0,7

RB

A lógica fica invertida.Nível lógico baixo: chave fechada

Nível lógico alto: chave aberta



TBJ de Potência: baixo ganho de corrente.

– Contornável com par Darlington (ganhos superiores a cem vezes).

Desvantagens:

– Queda de tensão VCE pode atingir 2~5 V.

– Menor velocidade de chaveamento.

C

B

E



Perdas de potência:

– Condução.

– Bloqueio.

– Chaveamento.

Perda no chaveamento:

– Componente mais crítica.

– Um dos limitantes da frequência máxima de operação.

– Pode ser necessário o uso de um circuito snubber para que a dissipação de potência no chaveamento não danifique o transistor.

R

Circuito Snubber


Transistor MOSFET

Transistor de Efeito de Campo Metal-óxido-semicondutor (MOSFET) Similar aos MOSFETs de pequenos sinais, com

valores nominais de tensão e corrente mais altos.

Alta impedância de entrada.

Mais rápidos que TBJs para valores similares de tensão e corrente.

Controle do chaveamento por tensão.

Recomendável para baixas potências (alguns kW) e altas frequências (até 100 kHz).


Transistor MOSFET

Tipos:

Dreno

S

Porta

D

Fonte

G

Canal N Canal P

- A tensão VDS deve ser positiva (a existência do diodo intrínseco não permite tensões negativas)

- Chave fechada: Tensão VGS acima do limiar VTH.

-Chave aberta: Tensão VGS abaixo do limiar VTH.

- A tensão VDS deve ser negativa(a existência do diodo intrínseco não permite tensões positivas)

- Chave fechada: Tensão VGS abaixo do limiar VTH (que tem valor negativo).

-Chave aberta: Tensão VGS acima do limiar VTH (que tem valor negativo).

Fonte

Porta

DrenoD

SG


Transistor MOSFET

Polarização muito mais simples que para TBJ.

Alta impedância de entrada:

– Corrente que entra na porta pode ser desconsiderada.

Controle por tensão, e não corrente.R

D

VDD

iG≈0VG

S

D

G

RD

VDD

VG<VTH

RD

VDD

VG>VTH

(chave aberta) (chave fechada)


Transistor MOSFET

Perdas de potência: Condução, bloqueio e chaveamento.

Perda na condução:

– Componente mais crítica.

– Alta queda de tensão entre dreno e fonte (maior que para TBJ).

– Para baixas frequências, perdas no TBJ são menores.

– RDS(ON): Resistência interna do MOSFET na condução.

– MOSFETs com baixo valor de RDS(ON) possuem menores perdas na condução.


Transistor MOSFET


Transistor MOSFET

Dimensionamento:

– Tensão máxima no interruptor.

– Cálculo da corrente média.

– Cálculo da corrente eficaz.

– Escolher um transistor disponível.

– Observar a RDS(ON) e os tempos de chaveamento.

– Calcular Perdas.● Condução.● Comutação.● Total.

– Cálculo Térmico.


Transistor IGBT

Transistor Bipolar de Porta Isolada

Componente intermediário entre MOSFET e TBJ.

Chaveamento mais rápido que TBJ (até 50 kHz).

Queda de tensão menor que nos MOSFETs.

Alta impedância de entrada.

Circuito de acionamento de porta simples.

Altos valores de tensão e corrente nominais (1400 V/1000 A)

Baixa máxima tensão reversa (10 V). E

C

G


Comparação de diversos interruptores.


Referências

AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência, Prentice Hall, 1ª ed., São Paulo, 2000

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