Interruptores Semicondutores

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1 Interruptores Semicondutores Nikolas Libert Aula 8A Eletrônica de Potência ET53B Tecnologia em Automação Industrial

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. 2

3 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) de Potência Tipos: NPN PNP Coletor Emissor Coletor Emissor N Base Base Emissor P N Emissor P Base Base Coletor N P Coletor - A tensão VCE deve ser positiva (Tensões reversas máximas de 20 V) - A tensão VCE deve ser negativa (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 fechada: Corrente alta saindo pela base e queda de tensão de 1~2 V entre emissor e coletor. -Chave aberta: Corrente nula entrando na base. -Chave aberta: Corrente nula saindo da base. 3

4 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) de Potência Necessidade de circuito de polarização, para abertura e fechamento da chave (controle da corrente de base). VB ib RB VB ib=0 RB Baixa corrente de base (chave aberta) RC RC RC VB ib>>0 RB Alta corrente de base (chave fechada) 4

5 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) de Potência Exemplo. Como usar um TBJ como chave para descarregar o capacitor? Se VB = 0 V: VB R R RC i B =0 a chave estará aberta. ib Se VB = : RB V CC 0,7 ib= RB Se for escolhido um RB adequado, a chave estará fechada. 5

6 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) de Potência E agora? i B =0 ib a chave estará aberta. RB Se VB = : R RC R VB Se VB = 0 V: A corrente ib não dependerá apenas de RB, mas também de RC e R. É melhor o uso de um transistor PNP 6

7 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) de Potência Com transistor PNP i B =0 ib a chave estará aberta. R RB RC R VB Se VB = : A lógica fica invertida. Nível lógico baixo: chave fechada Nível lógico alto: chave aberta Se VB = 0 V: V CC 0,7 ib = RB Se for escolhido um RB adequado, a chave estará fechada. 7

8 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) de Potência TBJ de Potência: baixo ganho de corrente. Contornável com par Darlington (ganhos superiores a cem vezes). C B E Desvantagens: Queda de tensão VCE pode atingir 2~5 V. Menor velocidade de chaveamento. 8

9 Transistor Bipolar de Junção (TBJ) de Potência Condução. Bloqueio. Chaveamento. R Perdas de potência: Perda no chaveamento: Circuito Snubber 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. 9

10 Transistor MOSFET Transistor de Efeito de Campo Metalóxido-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). 10

11 Transistor MOSFET Tipos: Canal N Canal P Dreno D Fonte S G Porta Porta G S Fonte D Dreno - A tensão VDS deve ser positiva (a existência do diodo intrínseco não permite tensões negativas) - A tensão VDS deve ser negativa (a existência do diodo intrínseco não permite tensões positivas) - Chave fechada: Tensão VGS acima do limiar VTH. - Chave fechada: Tensão VGS abaixo do limiar VTH (que tem valor negativo). -Chave aberta: Tensão VGS abaixo do limiar VTH. -Chave aberta: Tensão VGS acima do limiar VTH (que tem valor negativo). 11

12 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. VDD ig 0 G D VG<VTH RD RD VG VDD RD VDD VG>VTH S (chave aberta) (chave fechada) 12

13 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. 13

14 Transistor MOSFET 14

15 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. 15

16 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 G (1400 V/1000 A) Baixa máxima tensão reversa (10 V). C E 16

17 Comparação de diversos interruptores. 17

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