Interruptores Semicondutores Nikolas Libert Aula 8A Eletrônica de Potência ET53B Tecnologia em Automação Industrial
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Transistor MOSFET 14
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
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
Comparação de diversos interruptores. 17
Referências AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência, Prentice Hall, 1ª ed., São Paulo, 2000 18