4 - TRANSISTORES DE POTÊNCIA :

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1 4 TANTO POTÊNA : 4.1 ntrodução : Os transistores de potência apresentam características de chaveamento controlada. Os transistores, utilizados como elementos de chaveamento, operam na região de saturação, apresentando uma baixa queda de tensão de condução ( 0 ). A velocidade de chaveamento dos transistores modernos é muito maior do que a dos tiristores, sendo largamente utilizados em conversores / e /A, apresentando, internamente, um diodo conectado em antiparalelo ( manter um caminho para a corrente ). ntretanto, as especificações de tensão e corrente ainda são menores que a dos tiristores, sendo então aplicados em baixa e média potência. Os transistores de potência podem ser divididos em : a) transistor de junção bipolar JT; b) metaloxidesemiconductor fieldeffect transistor MOFT; c) static induction transistor T; d) insulatedgate bipolar transistor GT stes transistores são considerados como chaves ideais em técnicas de conversão de potência. O chaveamento de um transistor é mais simples que o chaveamento de um tiristor por comutação forçada. ntretanto, a escolha entre um transistor bipolar e um MOFT em um circuito de conversão não é óbvia, mas qualquer um deles pode substituir o tiristor, contanto que suas especificações de tensão e corrente satisfaçam as condições impostas pelo conversor. Na prática, os transistores apresentam certas limitações e são restritos a algumas aplicações. As características e a avaliação de cada tipo deverá ser examinada para determinar o componente mais adequado para uma aplicação particular. 4.2 Transistor de Junção ipolar JT O transistor bipolar é formado pela adição de uma segunda região p ou n em uma junção pn. Podese obter assim, um transistor NPN ou PNP. O transistor apresenta três terminais : coletor ( ), base ( ) e emissor ( ); e duas junções : coletorbase ( ) e baseemissor ( ). p n n p p n Figura 4.1 : transistor NPN e PNP. 51

2 4.2.1 aracterísticas de Operação : xistem três configurações básicas de operação para o transistor bipolar : a) asecomum : b) oletorcomum : c) missorcomum : A Figura 4.2 : onfigurações para o Transistor ipolar : a) asecomum; b) oletorcomum; c) missorcomum sta última configuração é a mais utilizada para a operação do transistor como chave. 52

3 xistem três regiões de operação para o transistor : corte (), saturação (A) e região ativa (). Na região de corte, o transistor está desligado ou a corrente não é grande o suficiente para ligálo e as junções estão reversamente polarizadas. Na região ativa, o transistor funciona como um amplificador onde é amplificada pelo ganho de corrente β e a diminuição da queda. A junção coletorbase está reversamente polarizada e a junção baseemissor, diretamente polarizada. Na região de saturação, a corrente de base é suficientemente grande, fazendo com que a tensão seja muito baixa. Assim, o transistor opera como chave. Ambas as junções estão diretamente polarizadas. A curva mostrada na figura 4.3 dá a característica de transferência x. corte ativa saturação (AT) 0.5 (AT) Figura 4.3 : aracterística de transferência do transistor. O transistor pode ser representado pelo seguinte modelo : O β Figura 4.4 : Modelo simplificado do transistor. = (4.1) = β. (4.2) O β..( 1 β) (4.3) 53

4 . 1 β β (4.4) α β = 1 (4.5) β α. (4.6) No circuito da figura 4.5, o transistor opera com chave. Assim, temse : Figura 4.5 : Transistor operando como chave. = ;... = β. (4.7) = =. =. β. (4.8) =. β. β (4.9) omo : β. (4.10). = 0 (4.11) Logo : = = (4.12) nquanto, a junção está reversamente polarizada e o transistor está na região ativa. A máxima corrente de coletor cmax na região ativa, é determinada quando é igual à zero. 54

5 MAX MAX = = MAX β = (4.13) O processo continua até que a junção é diretamente polarizada, apresentando uma queda variando de 0,4 a 0,5. Assim, o transistor vai para a saturação. A saturação de um transistor pode ser definida como o ponto acima do qual algum aumento na corrente de base não provoca uma aumento significativo na corrente de coletor. Na saturação : Na saturação : AT ( ) AT ( ) = = AT ( ) β ( AT) (4.14) Normalmente, o circuito a transistor na configuração chave, é definido por quanto é maior que AT, para garantir a saturação. A razão entre e AT é definido por fator de sobreacionamento overdrive factor OF. OF = AT ( ) (4.15) a razão : AT ( ) = β β. forç ado (4.16) F A potência total dissipada nas duas junções é : P =.. (4.17) T aracterísticas de chaveamento : A junção diretamente polarizada apresenta duas capacitâncias em paralelo : capacitância da camada de depleção e a capacitância de difusão. A junção reversamente polarizada, apresenta apenas a capacitância da camada de depleção. m condições permanentes, estas capacitâncias não apresentam problemas. ntretanto, em condições transitórias, elas influenciam nas características de ligar e desligar o transistor. O modelo do transistor para condições transitórias é mostrado na figura

6 cb ib r be be r be o = rce gm. be ie i c gm = be Figura 4.6 : Modelo dinâmico do transistor. cb : capacitância be : capacitância gm : transcondutância rce : resistência rbe : resistência cb : feito Miller evido as capacitâncias internas, o transistor não liga e também não desliga instantâneamente, como pode ser visto na figura kt (1k)T t 1 AT 2 AT 0,9 AT e = 1 AT t 0,1 AT td tr tn ts tf to t Figura 4.7 : aracterística de chaveamento do Transistor ipolar. Quando varia de zero até 1 e a corrente de base vai para 1, a corrente de coletor não responde imediatamente. xiste um atraso ( delay time td ) antes que alguma corrente comece a circular. ste atraso é necessário para se carregar a capacitância da junção para uma tensão direta ( 0,7 ). Após este atraso, a corrente cresce para o valor csat. O tempo de subida ( rise time tr ), depende da constante de tempo determinada pela capacitância ( be ). 56

7 A corrente de base é normalmente maior do que a necessária para saturar o transistor. omo resultado, há um excesso de carga armazenada na região da base. sta carga extra, que é chamada de carga de saturação, é proporcional ao excesso de. Assim a corrente e ( corrente de excesso ) é dada por : AT ( ) e = = OF. AT β ( ) ( AT) (4.18) e = ( AT).( OF 1 ) (4.19) A capacitância de saturação Q é : Q = τ. e = τ. ( AT).( OF 1 ) (4.20) τs : constante de tempo de armazenamento do transistor. Quando a tensão vai de 1 para 2, e é igual a 2, a corrente não muda durante o tempo de armazenamento ( storage time ts ). ste é o tempo necessário para se remover a carga de saturação da base. esde que é positiva e aproximadamente 0.7, somente a corrente de base inverte sua direção devido a mudança de polaridade de. A corrente reversa 2, ajuda a descarregar a base. em esta corrente, o tempo necessário seria muito grande. Uma vez a carga extra removida, a capacitância da junção carrega, agora, com uma tensão 2 e a corrente de base tornase zero. O tempo de descida ( fall time tf ) depende da constante de tempo, que é determinada pela capacitância de polarização reversa da junção. O tempo necessário para se ligar o transistor é : ton = td tr O tempo necessário para se desligar o transistor é : toff = ts tf aracterística térmica O circuito térmico equivalente de um transistor é mostrado na figura 2.6. T j θjc T c θcs Ts P T θsa Figura 4.8 : ircuito térmico do transistor. Ta 57

8 T = T P. c j T θ jc T = T P. s c T θcs T = T P. a s T θsa T T = P.( ) j a T θjc θcs θsa (4.21) θj : resistência térmica entre junção e invólucro; θ : resistência térmica entre invólucro e dissipador; θa : resistência térmica entre dissipador e ambiente. A máxima dissipação de potência P T é normalmente especificada à temperatura T = 25. e a temperatura ambiente T A é aumentada à um valor T jmax igual a 150, por exemplo, a dissipação de potência do transistor é zero. Por outro lado, se a temperatura da junção T é de 0, o componente pode dissipar a potência máxima, o que não é prático. Portanto, a temperatura ambiente e as resistências térmicas devem ser consideradas quando da análise do circuito. Os fabricantes fornecem as curvas de degradação térmica e de segunda quebra. Para explorar o transistor inteiramente, sem superaquecimento no chaveamento, devese utilizar a característica apresentada na figura 4.9, que mostra a área útil de operação. Quando chaveado entre dois estados de operação ( corte e saturação ), é fundamental que os valores instantâneos de corrente e tensão caiam dentro do retângulo mostrado na figura. Observar que a escala na área útil de operação é logarítmica. 200 (A) 10µs ms 10ms 1ms 100µs ÁA PAO 0, ( ) Figura 4.9 : Típica área útil de utilização. As perdas durante o chaveamento podem ser grandes, pois tensão e corrente no transistor podem ser altas, e o produto dessas duas grandezas define a potência perdida, que, por sua vez, multiplicada pelo tempo de chaveamento, fornece a energia perdida. Grandes frequências no chaveamento diminuem essas perdas, sendo que estas dependem da carga, dos parâmetros do circuito, bem como da variação da corrente de base. 58

9 4.2.4 Tensões de ruptura : Uma tensão de ruptura é definida como a máxima tensão absoluta entre dois terminais, com o terceiro terminal em aberto, curtocircuitado ou polarizado tanto direta quanto reversamente. Na ruptura a tensão permanece constante enquanto que a corrente cresce rapidamente. As tensões de ruptura que se seguem são fornecidas pelos fabricantes : a) 0 : máxima tensão entre emissor e base, com coletor aberto; b) ou X : máxima tensão entre coletor e emissor para uma tensão negativa aplicada entre a base e o emissor; c) 0(U) : máxima tensão de sustentação entre o coletor e o emissor com a base aberta. sta grandeza é especificada para corrente e tensão de coletor máximas, aplicadas simultâneamente sobre o transistor, com um valor especificado de carga indutiva Operação em série e paralelo : ligados em : emelhante ao que ocorre com os s, os transistores de potência podem ser a) série : de forma a aumentar a sua capacidade de tensão. É importante observar que os transistores associados devem ser ligados e desligados ao mesmo tempo, evitando a destruição dos mesmos por alta tensão entre coletor e emissor. stes transistores devem ter o mesmo ganho, transcondutância, tensão limite, tensão direta, ton e toff. a mesma forma, as características da base ( ou gate ) devem ser idênticas; b) paralelo : de forma a aumentar a capacidade de corrente de carga. omo, na prática, fica difícil obter dois transistores com as mesmas características, podese utilizar o mesmo método da associação de dois ou mais s, utilizandose resistores e indutores de equalização. c) arlington : uma das principais limitações dos transistores bipolares de potência é o baixo valor do ganho de corrente β ( muitas vezes inferior a 10 ), o que coloca problemas ao circuito de comando da base. Apesar da corrente de base ser elevada, a tensão baseemissor é relativamente pequena, situandose entre 1 e 2 volts, e assim, se a tensão da fonte controlada pelo transistor for elevada, o ganho de potência é elevado. O método clássico de aumentar o ganho em corrente dos transistores bipolares é a utilização de transistores arlington. A montagem arlington é constituída pela ligação de dois transistores NPN de acordo com a figura

10 1 Q Q 2 2 Figura 4.10 : onfiguração arlington. A corrente de base do transistor Q 2 que condiciona a corrente de coletor 2, é a corrente de emissor do transistor Q 1 = = β.( β. ) β. = β. β. ( 4.22 ) esta forma, obtémse um ganho que é o produto dos ganhos dos dois transistores. A montagem arlington apresenta, entretanto, alguns inconvenientes : o primeiro, é uma má estabilidade com a temperatura. As correntes de fuga variam acentuadamente com a temperatura, devido ao fato da corrente de fuga de Q 1 ser amplificada pelo transistor Q 2. Para remediar este inconveniente, devem ser colocadas resistências de estabilização de pequeno valor. As potências dissipadas nestas resistências são pequenas, pois as tensões a que elas são submetidas são de baixo valor; o segundo, é uma queda de tensão direta superior à de um só transistor. om efeito, a tensão de saturação da montagem é igual à soma da tensão 2 ( cuja ordem é de grandeza é de 1 volt ) e da tensão de saturação 1 ( de ordem de grandeza de alguns décimos de volt ) Proteções d/dt e di/dt para o transistor : Os transistores necessitam de tempos ton e toff. e os tempos td e tr são desprezados, as formas de onda de tensão e corrente típicas de um transistor bipolar, apresentam a forma mostrada na figura (AT t (AT) tr AGA tf t Figura 4.11 : aracterística de tensão e corrente do Transistor ipolar. 60

11 urante o turnon ( tr ), a corrente cresce e o di/dt é : di dt L AT = = ( ) ( 4.23 ) tr tr urante o turnoff, a tensão cresce e, o d/dt é : d dt = = ( 4.24 ) tf tf As condições di/dt e d/dt preservam as características de chaveamento do transistor e devem ser satisfeitas durante o turnon e o turnoff. ircuitos de proteção são normalmente utilizados de forma a manter os limites de di/t e d/dt. Um circuito típico é apresentado na figura L L L Q Figura 4.12 : ircuito de proteção contra d/dt e di/dt para o transistor bipolar. Análise : considerando a corrente de carga circulando pelo diodo de retorno, o transistor T 1 é ligado. Para esta situação, temse o seguinte circuito equivalente : L L i Q i Figura 4.13 : ircuito equivalente quando T 1 é ligado. 61

12 0 t tr : a corrente i c cresce até L, enquanto que a corrente i decresce até zero, comutando o diodo de retorno. A taxa de crescimento da corrente di/dt é : di ( AT ) = = L = tr. ( 4.25 ) dt L tr ( AT ) tr t tf : o capacitor se carregará à uma tensão s, devido a corrente de carga L agora circular por e pelo diodo. O circuito equivalente para esta situação é dada na figura L L Figura 4.14 : ircuito para carga do capacitor. A taxa de crescimento de tensão d/dt que aparecerá sobre o transistor é : d dt tf ( AT) ( AT) = = =. ( 4.26 ) tf Uma vez a tensão cs igual à, o diodo de retorno fica diretamente polarizado. Assim há a formação de um circuito ressonante L, cuja característica é a de um circuito com amortecimento crítico, mostrado na figura O fator de amortecimento δ é dado por : α δ = ω 0 ( 4.27 ) Assim, δ deve ser igual a 1, logo : 1 L = = 2. ( 4.28 ) 2. L L. 62

13 L L L Figura 4.15 : circuito equivalente L. O capacitor descarrrega através do transistor e isto aumenta a taxa di/dt. sta taxa pode ser evitada através de um resistor colocado em paralelo com o capacitor, ao invés de ser colocado em paralelo com o diodo. A corrente de descarga do capacitor é dada na figura i τ T = 1/fs t Figura 4.16 : aracterística de descarga. A escolha de deve levar em conta a constante de tempo de descarga τ (. ). Usualmente o tempo de descarga equivale a 1/3 do período de chaveamento T. Assim : 3. τ s = T = = fs 3.. fs ( 4.29 ) 63

14 4.3 Transistor MOFT : O transistor bipolar é um dispositivo de corrente controlada e, necessita de corrente de base para manter a corrente de coletor. esde que depende de, o ganho β tornase altamente dependente da temperatura da junção do transistor. O transistor de potência MOFT é um dispositivo de tensão controlada e, necessita apenas de uma pequena corrente de entrada. A velocidade de chaveamento é muito alta ( nanosegundos ). MOFT s de potência são utilizados em conversores de baixa potência e alta frequência. stes transistores apresentam problemas de descargas eletrostáticas, necessitando de cuidados especiais. Os MOFT s podem ser divididos em dois tipos : a) MOFT de epleção; b) MOFT de ntensificação. O MOFT de epleção pode ser de canal n ou p. O canal n é formado por um substrato de silício tipo p, com duas regiões altamente dopadas de silício tipo n com baixa resistência de conexão. O gate é isolado do canal n por uma fina camada de Óxido de ilício. Os três terminais são : gate ( G ); dreno ( ) e fonte ( ). O substrato é normalmente ligado à fonte (). A tensão entre gate e fonte ( G ) pode ser, também, positiva ou negativa. A figura 4.17 mostra a estrutura básica de um com canal tipo n, e seu respectivo símbolo. óxido metal G G n n n substrato p canal metal G G strutura ímbolo Figura 4.17 : strutura e símbolo do MOFT de canal n. * ANÁL : G < 0 : os elétrons do canal n são repelidos aumentando assim a camada de depleção próxima da camada óxida. Assim, há uma diminuição na área do canal n ( estrangulamento ), sendo estabelecida uma alta resistência. este modo, não há circulação de corrente. Para igual a zero, a tensão G é chamada de tensão de estrangulamento ( pinchoff ) P. 64

15 G > 0 : o canal n tornase largo, reduzindo drasticamente a resistência sendo assim, estabelecida a corrente. O MOFT com canal p tem a s polaridades das tensões e correntes invertidas. O MOFT de ntensificação não tem um canal físico com o de epleção. Para G < 0, a tensão atrai os elétrons ( portadores minoritários ) do substrato p que são acumulados próximos da camada óxida. e G T ( tensão limiar ), uma quantidade suficiente de elétrons acumulados formam um canal n, virtual, e a corrente circula através do transistor. O mesmo ocorre para o MOFT de ntensificação tipo p, onde as polaridades de tensão e corrente são invertidas aracterísticas de regime permanente : Os MOFT s são circuitos de tensão controlada e possuem alta impedância de entrada. O gate produz uma pequena corrente de fuga, na ordem de alguns nanoampères. O ganho de corrente, que é dado por : β= G ( 4.30 ) é da ordem de ste não é um parâmetro importante. A transcondutância g m, que é definida por : define a característica de transferência e é uma importante parâmetro. g m = ( 4.31 ) G A característica de transferência para uma MOFT de ntensificação de canal n é dada abaixo, na figura T G Figura 4.18 : aracterística de transferência 65

16 A característica de saída para o mesmo MOFT é dada na figura GÃO LNA GÃO ATUAÇÃO G4 = G T G3 G2 G = T G1 Figura 4.19 : aracterística de saída. xistem três regiões de operação para o MOFT : região de corte; região de saturação e região linear. Na região linear ( G T ), a corrente varia proporcionalmente com a tensão. evido a alta corrente e a baixa tensão, os MOFT s de potência são operados na região linear para efeito de chaveamento. Na região de saturação ( G T ), a corrente permanece praticamente constante para alguma variação de, sendo utilizados, nesta região, para amplificação. A saturação ocorre quando = G T. O modelo, em regime permanente, do MOFT tanto para o tipo epleção quanto o ntensificação, é mostrado na figura G 1 G G G 1 G G r o gmṿ G a) circuito b) circuito equivalente Figura 4.20 : Modelo do transistor MOFT em regime permanente. 66

17 A transcondutância ( gm ) e a resistência de saída ( r 0 ) são dadas por : g r 0 m = G = = = cte ( 4.32 ) aracterísticas de chaveamento : em nenhum sinal no gate, um MOFT pode ser representado como dois diodos conectados em série com os terminais opostos ou, como um transistor NPN. A estrutura do gate tem capacitâncias parasitas : gatefonte ( gs ) e gatedreno ( gd ). O transistor NPN tem junção reversamente polarizada entre dreno e fonte, oferecendo uma capacitância ds. A figura 4.21 mostra o circuito equivalente para um MOFT com um transistor bipolar parasita em paralelo. dg ds G Q gs be Figura 4.21 : MOFT com transistor bipolar parasita. A resistência entre base e emissor be do transistor parasita é pequena. O MOFT também pode ter um circuito equivalente com um diodo interno, como mostrado na figura A capacitância parasita ds depende da tensão aplicada. dg G ds gs Figura 4.22 : MOFT com diodo interno. 67

18 O circuito equivalente para o MOFT no chaveamento é mostrado na figura 4.23, bem como as formas de onda e tempos característicos. dg G gs gs ds r ds gm.gs G 1 GP T t t td(on) tr td(off) a) b) tf Figura 4.23 : a) Modelo transitório; b) característica de chaveamento. td(on) : tempo necessário para carregar a capacitância gs à tensão de condução T ; tr : tempo necessário para carregar o capacitor de entrada de T até a tensão GP, que é a tensão necessária para levar o transistor à região linear; td(off) : é o tempo necessário para gs descarregar desde 1 até GP ; tf : tempo necessário para a capacitância gs descarregar até T. e G T, o MOFT desliga. 4.4 GT ( nsullated Gate ipolar Transistor ) : ste componente associa as vantagens do transistor bipolar ( baixa perda durante a condução ), com as do MOFT ( alta impedância de entrada ). evido a sua estrutura, a resistência entre dreno e fonte ( ) do GT é controlada de forma que o mesmo se comporte como um transistor bipolar. O símbolo do GT é mostrado na figura G G Figura 4.24 : símbolo do transistor GT canal n. 68

19 O GT é um componente controlado por tensão, semelhante ao MOFT. Apresenta baixas perdas tanto no chaveamento quanto durante a condução, apresentando características semelhantes ao MOFT, tais como : facilidade de acionamento, capacidade e ruggedness. m termos de velocidade, o GT é mais rápido que o transistor bipolar mas, mais lento que o MOFT. A especificação de corrente máxima para um GT é de 400A em 1200, e sua frequência de chaveamento pode ser superior a 20kHz. Os GT s são utilizados em aplicações de média potência : acionamento de motores A e ; fontes de potência; relês estáticos; etc. 69