Circuitos de Acionamento - Inversores e Conversores

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UNIDADE SEMICONDUTORES DE POTNCIASumrio

1Prof. Corradi

OBJETIVOS DA UNIDADE ............................................................................................... 2 INTRODUO................................................................................................................... 2 SEMICONDUTORES DE POTNCIA ............................................................................... 1 DIODOS DE POTNCIA .......................................................................................................... 1 SCRS (TIRISTORES)............................................................................................................. 2 TRANSISTOR DE UNIJUNO ( UJT - UNIJUNCTION TRANSISTOR ) .......................................... 3 DIAC................................................................................................................................... 4 TRIAC ................................................................................................................................ 4 TRANSISTORES BIPOLARES DE POTNCIA E DARLINGTONS .................................................... 5 MOSFET DE POTNCIA ....................................................................................................... 5 TIRISTORES GATE-TURN-OFF ( GTO ) .................................................................................. 6 IGBTS ( INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTORS ).............................................................. 7 MCTS ( MOS-CONTROLED THYRISTOR ) .............................................................................. 7 COMPARAO ENTRE AS CHAVES CONTROLADAS .................................................................. 7 EXERCCIOS ..................................................................................................................... 9

Circuitos de acionamento - Inversores e conversores

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Objetivos da unidade Nesta unidade voc vai estudar alguns dos semicondutores mais utilizados para controle de potncia. Voc ter uma viso geral e uma comparao entre os semicondutores para chaveamento mais utilizados. Esta unidade pretende capacit-lo para :

identificar quais so os principais tipos de semicondutores de potncia e selecionar um semicondutor de potncia para determinada aplicao em eletrnica de potncia.

Introduo

A evoluo da eletrnica e em especial da fsica dos semicondutores permitiu, entre outras coisas, a construo de semicondutores mais rpidos e de controle mais fcil. Alguns destes semicondutores sero estudados na presente unidade

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Semicondutores de potncia So entendidos como semicondutores de potncia, semicondutores utilizados para acionamento e controle de cargas (resistncias de aquecimento, motores eltricos, indutores em fontes chaveadas, lmpadas, etc..), compreendendo : Diodos de potncia, SCRs ( Silicon Controlled Rectifier - Retificador Controlado de Silcio ), GTOs ( Gate Turn Off Thyristor - tiristor com desligamento pela porta ), DIACs ( Diode Alternate Current - diodo de corrente alternada, TRIACs (Triode Alternate Current - triodo de corrente alternada), Transistores de potncia, MOSFETs de Potncia (Metal-Oxide-Semiconductor Field Efect Transistor - transistor de efeito de campo feito com tecnologia Metal-xido-Semicondutor), IGBTs ( Insulated Gate Bipolar Transistor - transistor bipolar com a porta isolada ) e MCTs ( Metal Oxide Semiconductor Thyristor - tiristor controlado por tecnologia Metal-xidoSemicondutor ). Diodos de potncia Um diodo uma estrutura P-N que permite a passagem de corrente em um nico sentido. A figura a seguir mostra, simplificadamente, a estrutura interna de um diodo.

Estrutura bsica de um diodo . Aplicando-se uma tenso entre as regies P e N, a diferena de potencial aparecer na regio de transio, uma vez que a resistncia desta parte do semicondutor muito maior que a do restante do semicondutor (devido concentrao de portadores). Quando se polariza reversamente um diodo, ou seja, quando se aplica uma tenso negativa no anodo (regio P) e positiva no catodo (regio N), mais portadores positivos (lacunas) migram para o lado N, e vice-versa, de modo que a largura da regio de transio aumenta, elevando a barreira de potencial. Por difuso ou efeito trmico, uma certa quantidade de portadores minoritrios penetra na regio de transio (corrente reversa), sendo, ento, acelerados pelo campo eltrico, indo at a outra regio neutra do semicondutor.Esta corrente reversa independe da tenso reversa aplicada, Circuitos de acionamento - Inversores e conversores UNIDADE 1 - 1

variando, basicamente, com a temperatura. Se o campo eltrico na regio de transio for muito intenso, os portadores em trnsito obtero grande velocidade e, ao se chocarem com tomos da estrutura, produziro novos portadores, os quais, tambm acelerados, produziro um efeito de avalanche. Dado o aumento na corrente, sem reduo significativa da tenso da juno, produz-se um pico de potncia que destri o semicondutor. Uma polarizao direta leva ao estreitamento da regio de transio e reduo da barreira de potencial. Quando a tenso aplicada superar o valor natural da barreira, cerca de 0,7V para diodos de Si, os portadores negativos do lado N sero atrados pelo potencial positivo do anodo e vice-versa, levando o semicondutor conduo. Na verdade, a estrutura interna de um diodo de potncia um pouco diferente desta apresentada, sendo vista na figura a seguir:

Estrutura tpica de um diodo de potncia. Existe neles uma regio N intermediria, com baixa dopagem ( note que na regio N+, temos 1019 eltrons por cm3 e na regio N-, temos 1014 eltrons por cm3) . O papel desta regio permitir ao componente suportar tenses mais elevadas, pois tornar maior a barreira de potencial. Esta regio de pequena densidade de dopante dar ao diodo uma significativa caracterstica resistiva quando em conduo, a qual se torna mais significativa quanto maior for a tenso suportvel pelo componente. As camadas que fazem os contatos externos so altamente dopadas, a fim de fazer com que se obtenha um contato com caracterstica hmica e no semicondutor. No estado bloqueado, pode-se analisar a regio de transio como sendo um capacitor, cuja carga aquela presente na prpria regio de transio. Na conduo no existe tal carga, no entanto, devido alta dopagem da camada P+, por difuso, existe uma penetrao de lacunas na regio N-. Alm disso, medida que cresce a corrente, mais lacunas so injetadas na regio N-, fazendo com que eltrons venham da regio N+ para manter a neutralidade de carga. Desta forma, cria-se uma carga espacial no catodo, a qual ter que ser removida (ou se recombinar) para permitir a passagem para o estado bloqueado do diodo. SCRs (tiristores) O SCR um Retificador Controlado de Silcio (Silicon Controled Rectifier),e o membro mais antigo de uma famlia que compreende DIACS, TRIACs, GTOs, SCS, PUTs, UJTs, entre outros. Por isso, quando se fala em tiristores, geralmente se trata de SCRs. Sua antecessora foi a vlvula Tiratron.

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Este semicondutor pode ser entendido como um diodo acionado por um pulso. Este pulso dado no terminal chamado de gate, ou porta. Pode-se fazer uma analogia com dois transistores ligados como na figura a seguir :

Smbolo do SCR e analogia com transistores Considerando-se uma tenso positiva aplicada entre anodo e catodo, ao receber um pulso no terminal gate, T1 satura, levando T2 conduo, o que criar uma corrente de coletor em T2, mantendo a corrente de base de T1 e conseqentemente sua conduo. Para que o SCR entre em corte, normalmente, desliga-se a alimentao entre anodo e catodo. Este semicondutor pode ser encontrado para valores de alguns Ampres at milhares de Ampres, podendo suportar tenses da mesma ordem, por este motivo, bastante utilizado em circuitos de altas potncias. Para que o disparo do tiristor seja feito a contento, a corrente de disparo Igate deve ser maior que o valor de corrente de gate mnima, fornecido pela data-sheet (folha de dados) do semicondutor. Em termos prticos, utiliza-se a relao : Igate = 3 . Igmn. Transistor de unijuno ( UJT - Unijunction Transistor ) Este semicondutor tem um emissor e duas bases, sendo utilizado para produo de pulsos. Podemos fazer analogia com o circuito da figura a seguir, onde temos um diodo e dois resistores.

Transistor de unijuno-smbolo, analogia e circuito tpico Por analogia com dois resistores e um diodo, percebemos que, para o diodo conduzir, a tenso aplicada a seu anodo deve ser maior que a queda de tenso em RB1. A relao entre RB1 e RBB (resistncia entre as bases) chamada de eta() e caracterizada como razo intrnseca de afastamento, que nada mais que um fator de diviso de tenso, sua faixa tpica de 0,5 a 0,8. A tenso necessria para o disparo do UJT obtida atravs do circuito RC srie e sua frmula fica: Circuitos de acionamento - Inversores e conversores UNIDADE 1 - 3

VB1 = Vcc . (RB1) / (RB1 +RB2) = Vcc . (RB1/ RBB) = . Vcc O perodo da oscilao dado por : T = R . C . ln . [1/ (1-)] DIAC O DIAC um semicondutor bastante utilizado na proteo de circuitos e no disparo de TRIACs. A seguir se encontra seu smbolo, bem como uma analogia com diodos Zener :

Smbolo do DIAC e analogia com dois diodos Zener O DIAC conduz quando recebe uma tenso maior que sua tenso de trabalho, sendo ela positiva ou negativa. TRIAC O TRIAC difere do SCR por ser bidirecional e por apresentar potncia de trabalho menor, sendo mais utilizado para corrente alternada. Como vemos na figura a seguir, podemos fazer uma analogia com dois SCRs em antiparalelo :

Smbolo do TRIAC e analogia com dois SCRs em antiparalelo Para se ter um disparo efetivo, deve-se efetu-lo observando-se a mesma polaridade para os terminais T2 e gate. Na figura abaixo temos um circuito tpico util