transistores de potencia, Notas de estudo de Atualidades
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Prof. Matheus Ribeiro

TRANSISTORES DE POTÊNCIA

TRANSISTORES DE POTÊNCIA

Os transistores com altos valores nominais de tensão e corrente são denominados transistores de potência. Em eletrônica de potência, os transistores são utilizados, basicamente, como chaves para realizar o controle de potência.

Diferentemente dos diodos, que não podem ser controlados, os transistores possuem um terceiro terminal que permite realizar o controle do seu modo de operação. Para aplicações envolvendo altas potências são utilizados dois tipos de transistores: o transistor bipolar de junção (BJT) e o transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor - MOSFET).

O BJT é um transistor lento quando comparado com o MOSFET e é controlado por corrente, sendo necessário uma corrente de base significativa para mantê-lo ligado. Além disso, por ser composto de junções PN, ao passar do estado ‘ligado’ para ‘desligado’, temos condução reversa por um tempo determinado. Já o MOSFET, é um dispositivo controlado por tensão. Possui queda de tensão sobre ele no estado ‘ligado’ maior que o BJT, mas com velocidade de chaveamento muito maior com menor perda de potência.

TRANSISTORES DE POTÊNCIA

Portanto, a escolha do dispositivo de potência deve levar em conta o ciclo de trabalho (tempo de estado ‘ligado’) do transistor, com vantagem para o BJT, e a facilidade de projeto e velocidade de chaveamento, com vantagem para o MOSFET.

Na tentativa de resolver as limitações do BJT e do MOSFET, foi desenvolvido o transistor bipolar de porta isolada (insulated-gate bipolar transistor – IGBT). Estes transistores operam com baixas perdas no estado ‘ligado’, suportam velocidades de chaveamento relativamente altas e requerem circuitos de acionamento relativamente simples.

TRANSISTOR BJT

O transistor bipolar é um dispositivo de três camadas (PNP ou NPN), controlado por corrente, cuja operação é dividida em três faixas distintas.

TRANSISTORES DE POTÊNCIA

Quando a corrente de base IB é zero, o transistor opera na região de corte, ou seja, desligado. Nesse caso, o transistor funciona como uma chave aberta.

Com o aumento da corrente de base o transistor entra na faixa ativa e a corrente de coletor é diretamente proporcional à corrente de base, com ganho β (IC=β.IB). Nesta faixa de operação o transistor é usado, principalmente, para amplificação de sinais.

TRANSISTORES DE POTÊNCIA

TRANSISTOR BJT

Se submetido a um valor suficientemente alto de IB, o transistor para a região de saturação onde a corrente de coletor IC é muito alta e a tensão entre coletor e emissor VCE é aproximadamente zero.

Para assegurar a saturação, devemos ter uma corrente de base mínima dada por:

C

CCsatC B R

VI I

  

)(

Em eletrônica de potência os transistores são utilizados como chaves usando as regiões de corte (chave aberta) e saturação (chave fechada).

Usa-se a configuração emissor-comum:

TRANSISTORES DE POTÊNCIA

PERDAS NO BJT

Existem, basicamente, 4 fontes de perda de potência em transistores. Duas destas perdas são conseqüência dos estados estáveis do transistor. A perda de potência no estado ligado deve-se a perdas por condução e polarização da base. Já no estado desligado, são causadas por correntes de fuga.

CBON PPP  BsatBEB IVP  )(

CsatCEC IVP  )( onde:

leakageCCCCEOFF IVIVP 

As perdas durante a transição de estados do BJT não podem ser desprezadas, principalmente porque aumentam com o aumento da freqüência de chaveamento, limitando a operação do BJT para altas freqüências.

As perdas de energia durante as transições de disparo e desligamento são dadas por:

TRANSISTORES DE POTÊNCIA

r CCC

ONSW t IV

P  

 6 (max)

f CCC

OFFSW t IV

P  

 6 (max)

PERDAS NO BJT

  fPPtPtPP OFFSWONSWOFFOFFONONavgT  )(

Considerando todas as perdas, chegamos ao valor médio da potência dissipada:

PROTEÇÃO DE UM BJT

A proteção dos BJTs leva em consideração, principalmente, a questão térmica das junções.

TRANSISTORES DE POTÊNCIA

Sobrecorrente

O BJT operando no estado ligado possui um coeficiente de temperatura negativo, ou seja, a resistência diminui com o aumento da temperatura. Essa característica faz com que a corrente no coletor aumente, gerando maior dissipação de potência e assim por diante, culminando na destruição do dispositivo.

Como este fenômeno ocorre por cerca de alguns microssegundos, a inserção de um fusível não resolve o problema. Para tanto, pode ser utilizada uma chave que desligue o transistor quando os níveis de VCE e IC ultrapassem níveis pré-determinados.

TRANSISTORES DE POTÊNCIA

Sobretensão Para proteger o transistor contra danos por efeito da tensão de ruptura da junção, pode-se utilizar um diodo em antiparalelo conectado diretamente aos terminais do transistor.

Bloqueio de tensão inversa

Quando for utilizado em circuitos AC, deve-se utilizar um diodo em antiparalelo para proteger o transistor contra tensões inversas, já que ele não tem capacidade de bloqueio destas tensões.

Transitórios Um circuito snubber pode ser usado para limitar a tensão sobre o transistor durante o chaveamento. Se o transistor está conduzindo, a tensão sobre ele e o snubber é próxima de zero. No desligamento, o diodo passa a conduzir e o capacitor é carregado até a tensão máxima de bloqueio (da tensão direta). Portanto, o conjunto capacitor-diodo limita a taxa de variação da tensão sobre o transistor enquanto o resistor limita a corrente de descarga do capacitor.

PROTEÇÃO DE UM BJT

TRANSISTORES DE POTÊNCIA

A área de operação segura (safe operating area - SOA) representa a região da curva VCExIC dentro da qual o BJT pode operar sem ser danificado. A figura abaixo apresenta a forma típica da área de operação segura de um BJT.

ÁREA DE OPERAÇÃO SEGURA

Para a operação na região ativa, os limites são impostos pelos segmentos A, B, C e D:

A: máxima corrente de coletor permitida B: indica a potência máxima de dissipação permitida C: indica o limite de ruptura secundário, que ocorre quando há tensão e corrente elevada durante o corte D: máxima tensão suportada pelo transistor

Para operação pulsada (comum no chaveamento), os limites de IC e VCE são dados pela linha tracejada.

CONEXÃO DARLINGTON

Como o ganho dos BJTs de potência é relativamente baixo, normalmente são utilizadas conexões Darlington para elevar o ganho de corrente.

TRANSISTORES DE POTÊNCIA

B

C

E

Q1

Q2

21 BE II

1C I

1B I

2C I

21 CCC III 

2E I

  221 1   Ganho total:

Tanto o disparo quanto o desligamento dos transistores é seqüencial. Portanto, o tempo de chaveamento é maior e que mais potência é dissipada durante o processo.

TRANSISTOR MOSFET

TRANSISTORES DE POTÊNCIA

O MOSFET é um transistor composto por 3 terminais denominados porta, dreno e fonte. Diferentemente do BJT, o MOSFET é um transistor controlado por tensão, através do seu terminal porta. Não havendo tensão na porta, o MOSFET fica no estado desligado (chave aberta). Caso contrário, o dispositivo é acionado podendo operar na região ativa ou na região ôhmica (chave fechada).   A região de corte ocorre quando a tensão entre porta e fonte é menor que a tensão de limiar que coloca o dispositivo na região ativa, ou seja, VGS<VTH (para MOSFETs de potência, VTH está na faixa de 2 a 4V). Essa condição é válida desde que a tensão de ruptura BVDSS, entre dreno e fonte, não seja excedida.

Se VGS aumenta, ultrapassa VTH e o transistor passa a operar na região ativa, funcionando como um amplificador. Para um dado valor de VGS, a corrente de dreno ID se mantém praticamente constante, ou seja, ID é controlada por VGS. Esta região de operação não é utilizada em eletrônica de potência, pois a potência dissipada é muito alta.

Se a tensão VGS sobe a um valor suficientemente alto (>10V), o transistor entra na região ôhmica ou de resistência constate. Nessa região, o MOSFET fica ligado e ID aumenta proporcionalmente com o aumento da tensão entre dreno e fonte VDS, podendo ser calculada por .

DONDSONDS IRV  )()(

TRANSISTOR MOSFET

TRANSISTORES DE POTÊNCIA

Portanto, para o MOSFET operar como chave, devemos ter as seguintes condições:

Para o estado ligado: eTHGSDS VVV  0GSV

Para o estado desligado: e0DSV THGS VV

Para garantir o funcionamento na região ôhmica, pode-se utilizar VGS de até 20V. No entanto, este valor não deve ser ultrapassado para não danificar o dispositivo. Para evitar problemas, pode-se utilizar um diodo Zener entre os terminais de porta e fonte.

Quanto mais baixo o valor de RDS(on) , menor a queda de tensão no estado ligado, menor dissipação de potência e, conseqüentemente, maior capacidade de corrente do dispositivo.

Perda total:

TRANSISTORES DE POTÊNCIA

PERDAS NO MOSFET

T t

RIP ONONDSDON  )( 2

T t

IVP OFFDSSDSOFF  (max)

6 (max) rDDS

ONSW

tIV P

 

6 (max) fDDS

OFFSW

tIV P

   fPPP OFFSWONSWSW  

SWOFFONT PPPP 

Perda na condução:

Perda no corte:

Perda no chaveamento:

Comparado com o BJT, o MOSFET tem perda de potência maior em baixas freqüências devido à perda superior na condução. Com o aumento da freqüência o BJT passa a ter mais perda de potência devido ao aumento no chaveamento do transistor.

TRANSISTORES DE POTÊNCIA

Sobretensão As sobretensões não afetam o MOSFET ligado, já que ele atua como um curto- circuito. No estado desligado, o MOSFET opera na região ativa se VDS exceder BVDSS, podendo ter a tensão VDS e a corrente ID simultaneamente altas e danificar o MOSFET. A proteção para esta situação é feita pela utilização de um varistor em paralelo com o MOSFET. Quando a tensão se aproxima de BVDSS, o varistor tem a resistência diminuída e fornece um caminho para o fluxo de corrente.

O varistor (VDR) é um dispositivo no qual a resistência em função da tensão aplicada em seus terminais. Quanto maior a tensão, menor a resistência no varistor. Sua atuação é rápida, podendo ser utilizado para proteção de outros dispositivos contra surtos de tensão.

Sobrecorrente Para limitar a corrente no MOSFET e evitar o superaquecimento, basta assegurar que a corrente não ultrapasse 75% do valor nominal do transistor. Isso faz com que exista uma folga para variações na tensão da fonte ou resistência da carga. Alguns dispositivos têm, internamente, um controle de corrente embutido, que desliga o MOSFET quando ocorre aquecimento por sobrecorrente.

PROTEÇÃO DE UM MOSFET

TRANSISTORES DE POTÊNCIA

A área de operação segura representa apresenta os limites de operação do MOSFET. Os limites dependem dos valores nominais do dispositivo, para que não ocorra superaquecimento da junção (150ºC). Ainda, a duração do pulso de chaveamento deve ser levada em consideração (curva inferior: operação DC; curva superior: operação pulsada), conforme a figura.

ÁREA DE OPERAÇÃO SEGURA

A: máxima corrente ID permitida

B: potência máxima de dissipação PMAX=VDS.ID permitida

C: limite máximo de tensão BVDSS permitida

Para atingir o ponto P, o tempo do pulso de chaveamento deve ser suficientemente curto.

TRANSISTORES DE POTÊNCIA

Conexão de MOSFETs em série

Se for necessário maior capacidade de suporte para tensão, dois MOSFETs podem ser conectados em série. Para garantir o compartilhamento por igual da tensão sobre os transistores, podem ser adotados resistores de compartilhamento de tensão.

 

Conexão de MOSFETs em paralelo

Essa ligação pode ser usada para aumentar a capacidade de condução de corrente na chave. Como a corrente nos MOSFETs depende da temperatura, os transistores conectados em paralelo compartilham a corrente de forma igualitária, sem a necessidade de resistores de compartilhamento. O MOSFET que possui menor resistência RDS(on) conduz mais corrente, porém dissipa mais potência e, conseqüentemente, aumente sua resistência. Esta característica funciona para uma auto-regulação da corrente em cada MOSFET.

ASSOCIAÇÃO DE MOSFETS

TRANSISTOR IGBT

TRANSISTORES DE POTÊNCIA

O transistor bipolar de porta isolada (IGBT) combina a baixa queda de tensão no estado ligado do BJT com as excelentes características de chaveamento do MOSFET.   Funcionamento:   A operação do IGBT é muito parecida com a do MOSFET. Para colocá-lo no estado ligado, basta aplicar uma tensão positiva entre os terminais porte e emissor maior que a tensão de limiar VGE(th). O IGBT passa ao estado desligado quando houver anulação do sinal da entrada.   A seguir é apresentada uma tabela comparativa do uso dos 3 tipos de transistores de potência:  

TABELA COMPARATIVA

TRANSISTORES DE POTÊNCIA

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