CURSO TÉCNICO EM MECATRÔNICA

DISPOSITIVOS DE POTÊNCIA

Francisco Andreson de Mesquita da Silva

Emerson Thadeu da Silva Souza

Agosto de 2014

SUMÁRIO

APRESENTAÇÃO..................................................................................................................... 03

DESENVOLVIMENTO.............................................................................................................. 04

CONSIDERAÇÕES FINAIS......................................................................................................... 11

REFERÊNCIAS DE PESQUISA.................................................................................................... 12

APRESENTAÇÃO

Um dos conceitos da eletrônica de potência é utilização de novas tecnologias no

tratamento da energia elétrica visando obter maior ganho e uma melhor qualidade. Para obterem

essas melhorias na eletrônica de potência utilizam-se dispositivos semicondutores operando por

meio de chaveamentos para realizar o controle do fluxo de energia e a conversão de formas de

onda de tensões e correntes entre fontes e cargas.

Neste trabalho estaremos apresentando alguns desses componentes eletrônicos de

potência, no intuito de ampliar nosso conhecimento dos mesmos.

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O Transístor Bipolar

A principal função do transistor é poder controlar a corrente. Ele é construído em uma

estrutura de cristais semicondutores, formando duas camadas de cristais do mesmo tipo

intercaladas por uma camada de cristal do tipo oposto, que controla a passagem de corrente entre

as outras duas. As extremidades são denominadas de emissor e coletor, e a camada central é

chamada de base. Essa característica viabiliza dois modos de criação.

Características Construtivas

- O emissor é fortemente dopado, com grande número de portadores de carga. O nome

emissor vem da propriedade de emitir portadores de carga.

- A base tem uma dopagem média e é muito fina, não conseguindo absorver todos os

portadores emitidos pelo emissor.

- O coletor tem uma dopagem leve e é a maior das camadas, sendo o responsável pela coleta

dos portadores vindos do emissor.

- Da mesma forma que nos diodos, são formadas barreiras de potencial nas junções das

camadas P e N.

- O comportamento básico dos transístores em circuitos electrónicos é fazer o controle da

passagem de corrente entre o emissor e o coletor através da base. Para isto é necessário polarizar

corretamente as junções do transístor.

2. Funcionamento

Polarizando diretamente a junção base-emissor e inversamente a junção base-coletor, a corrente

de coletor IC passa a ser controlada pela corrente de base IB.4

Um aumento na corrente de base IB provoca um aumento na corrente de coletor IC e vice-versa.

A corrente de base sendo bem menor que a corrente de coletor, uma pequena variação

de IB provoca uma grande variação de IC, Isto significa que a variação de corrente de coletor é um

reflexo amplificado da variação da corrente na base. O fato de o transístor possibilitar a

amplificação de um sinal faz com que ele seja considerado um dispositivo dativo. Este efeito

amplificação, denominado ganho de corrente pode ser expresso matematicamente pela relação

entre a variação de corrente do coletor e a variação da corrente de base, isto é:

MOSFET

É encontrado principalmente em MP3 players, rádios para automóveis, caixas amplificadas, sons

residenciais, computadores, entre outros eletrônicos. O MOSFET (Metal Oxide Semiconductor

Field Effect Transistor) que também é conhecido como transistor de efeito de campo de

semicondutor de óxido metálico faz parte de uma classe diferente de transistores de efeito de

campo em circuitos digitais ou analógicos que, por ter uma rápida comutação, se torna especial

para altas frequências. Uma de suas melhores características é a sua possibilidade de suportar alta

corrente, é um componente muito utilizado na eletrônica de potência. Ele é composto de um

canal de material semicondutor. O terminal de comporta é uma camada de polisilício colocada

sobre o canal, mas separada deste por uma fina camada de dióxido de silício isolante.

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Quando uma tensão é aplicada entre os terminais comporta (gate) e fonte (source), o campo

elétrico gerado penetra através do óxido e cria uma espécie de "canal invertido" no canal original

abaixo dele. Assim, ele cria um condutor através do qual a corrente elétrica possa passar. Ao variar

a tensão entre a comporta e a fonte, a condutividade dessa camada é modulada e é possível

controlar o fluxo de corrente entre o dreno e a fonte.

De forma geral quando um componente é substituído por um MOSFET, o circuito opera de forma

mais eficiente e menos calor é gerado e uma maior potência pode ser transferida para a saída o

que resulta em uma maior potência do som produzido e uma melhor qualidade do áudio, evitando

interferências e gerando melhor eficiência.

GTO – Gate Turn-Off Tiristor

Foi criado no início da década de 60, e pelo seu péssimo desempenho foi pouco utilizado. Com o

avanço da tecnologia e a criação de novos semicondutores, houve um aprimoramento em seus

componentes que possibilitou em uma faixa de aplicação, especialmente naquelas de elevada

potência, uma vez que estão, disponíveis dispositivos para 5000V, 4000A. O GTO é um tiristor

disparado da mesma maneira que o SCR, mas tendo a vantagem adicional de ser bloqueado pela

injeção de um pulso negativo de corrente no gate.

A corrente negativa aplicada ao gate deve durar um certo tempo para que haja o bloqueio e a

amplitude dessa corrente deve ser capaz de bloquear o componente. Como exemplo, um GTO de

2500V, 600A necessita de uma corrente negativa de e de 150mA, para bloqueá-lo. Atualmente

encontra-se GTO com valores de até 2500A e 4500V, com uma frequência máxima de

chaveamento de alguns kHz.

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Princípio de funcionamento

A característica principal do GTO é a sua capacidade de entrar em condução e bloquear através de

comandos adequados no terminal de gate. O mecanismo de disparo é semelhante ao do SCR:

supondo-o diretamente polarizado, quando a corrente de gate é injetada, circula corrente entre

gate e catodo. Grande parte de tais portadores, como a camada de gate é suficientemente fina,

desloca-se até a camada N adjacente, atravessando a barreira de potencial e sendo atraídos pelo

potencial do anodo, dando início à corrente anódica. Se esta corrente se mantiver acima da

corrente de manutenção, o dispositivo não necessita do sinal de gate para manter-se conduzindo.

A figura seguinte mostra o símbolo do GTO e uma representação simplificada dos processos de

entrada e saída de condução do componente. A aplicação de uma polarização reversa na junção

gate-catodo pode levar ao desligamento do GTO. Portadores livres (lacunas) presentes nas

camadas centrais do dispositivo são atraídos pelo gate, fazendo com que seja possível o

restabelecimento da barreira de potencial na junção J2.

Símbolo, processos de chaveamento e estrutura interna de GTO.

Fatores Característicos do GTO

Aparentemente seria possível tal comportamento do GTO também no SCR. Porém as diferenças

destes estão no nível da construção do componente. O funcionamento como GTO depende, por

exemplo, de fatores como:

– Facilidade de extração de portadores pelo terminal de gate - isto é possibilitado pelo uso de

dopantes com alta mobilidade.

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– Desaparecimento rápido de portadores nas camadas centrais - uso de dopante com baixo tempo

de recombinação. Isto implica que um GTO tem uma maior queda de tensão quando em

condução, comparado a um SCR de mesmas dimensões.

– Suportar tensão reversa na junção porta-catodo, sem entrar em avalanche

– Menor dopagem na camada de catodo.

– Absorção de portadores de toda superfície condutora - região de gate e catodo muito

interdigitada, com grande área de contato.

Estrutura interna de GTO rápido (sem bloqueio reverso)

TRANSISTOR IGBT

O transistor bipolar de gatilho isolado (IGBT – insulated gate bipolar transistor) é um dispositivo

que combina as características de atuação rápida e de alta capacidade de potência do transistor

bipolar com a característica de controle de tensão pelo gatilho do MOSFET. Em termos mais

simples, as características coletor-emissor são similares àquelas dos transistores bipolares, mas as

formas de controle são as mesmas do MOSFET.

Em termos simplificados, pode-se analisar o IGBT como um MOSFET, no qual a região N- tem sua

condutividade modulada pela injeção de portadores minoritários (lacunas), a partir da região P+,

uma vez que J1 está diretamente polarizada. Esta maior condutividade produz uma menor queda

de tensão em comparação a um MOSFET similar.

O controle de componente é análogo ao do MOSFET, ou seja, pela aplicação de uma polarização

entre gatilho e emissor. Para o IGBT, o acionamento também ocorre por tensão. A máxima tensão

suportável é determinada pela junção J2 (polarização direta) e por J1 (polarização reversa). Como

J1 divide duas regiões muito dopadas, conclui-se que um IGBT não suporta tensões elevadas

quando polarizado reversamente.8

Estrutura básica do IGBT.

CARACTERÍSTICA I×V

Na polarização direta, são qualitativamente idênticas às de junção bipolar, exceto que o

parâmetro de controle é uma tensão de entrada, isto é, a tensão gatilho-fonte, no lugar de uma

corrente de entrada. As características de um IGBT canal P são as mesmas, embora com

polaridades invertidas.

CIRCUITO EQUIVALENTE E ESTRUTURAS

Podemos comparar um IGBT a um circuito formado por um transistor de efeito de campo que

controla a corrente de base de um transistor bipolar, veja figura abaixo.

Circuito equivalente ao IGBT. Outra forma de representar o circuito equivalente a um IGBT

Nesta representação temos um transistor PNP excitado por MOSFET de canal N numa

configuração pseudo-Darlington. O transistor JFET foi incluído no circuito equivalente para

representar a contração no fluxo de corrente entre os poços p.

Atualmente existem duas estruturas básicas utilizadas na construção dos IGBTs, as quais são: 9

Estruturas básicas do IGBT.

A primeira é denominada estrutura PT e a segunda NPT, que foi desenvolvida pela Siemens.

A estrutura PT (Punch Through = socada através) tem camadas epitaxiais características e uma

região N+ dopada (camada buffer) e uma região N- sobre um substrato dopado com polaridade p.

O tempo de vida dos portadores de carga é minimizado pela forte difusão de metal, ou por

radiação de alta energia. O material de base da estrutura NPT (Non Punch Through) é um wafer

homogêneo dopado com impurezas N-. Do lado de trás, uma camada p especialmente formada é

criada durante o processamento do wafer. Neste caso, não é necessário limitar o tempo de vida

dos portadores de carga. Em ambos os casos a estrutura de célula de um IGBT típico é formada do

lado frontal.

CARACTERÍSTICAS DE COMUTAÇÃO

OS IGBTs são componentes usados principalmente como comutadores em conversores de

frequência, inversores, etc. Nestas aplicações normalmente uma carga indutiva é ligada e

desligada, podendo com isso aparecer tensões inversas elevadas contras as quais o dispositivo

deve ser protegido. Esta proteção é feita com o uso de diodos. Quando o IGBT liga novamente, o

fluxo de corrente no diodo funciona inicialmente como um curto. A carga armazenada tem que ser

removida inicialmente para que o diodo bloqueie a tensão. Isso faz com que apareça uma corrente

que se soma à corrente da carga, a qual é chamada de corrente reversa de recuperação do diodo

ou Irr. O máximo da corrente Irr ocorre quando as somas das tensões instantâneas sobre o IGBT e

o diodo igualam a tensão de alimentação.

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CONSIDERAÇÕES FINAIS

Após os estudos feitos podemos notar a importância dos dispositivos eletrônicos de potência,

no controle e processamento da energia, a constante evolução tecnológica e suas características

individuais que atendem as mais diversas necessidades:

Residencial e comercial: iluminação – reatores eletrônicos; computadores pessoais; equipamentos

eletrônicos de entretenimento; elevadores; sistemas ininterruptos de energia (“nobreak”);

equipamentos de escritório.

Industrial: acionamento de bombas, compressores, ventiladores, máquinas ferramenta e outros

motores; iluminação; aquecimento indutivo; soldagem.

Transporte: veículos elétricos; carga de baterias; locomotivas; metrô.

Sistemas Elétricos: transmissão em altas tensões C; fontes de energia alternativa (vento, solar,

etc.); armazenamento de energia.

Aeroespaciais: sistema de alimentação de satélites; sistema de alimentação de naves;

Telecomunicações: carregadores de baterias; fontes de alimentação C; sistemas ininterruptos de

energia (UPS).

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REFERENCIAS

ARVM, Transistores bipolares, Disponível em:

<http://www.arvm.org/exames/trasistor> Acesso em 01/08/2014> Acesso em 01/08/2014

Magazine Luiza, O que é Mosfet? Disponível em:

<http://www.magazineluiza.com.br/portaldalu/mosfet-o-que-e/505/> Acesso em 01/08/2014

Instituto Newton C. Braga, Como funciona o MOSFET (ART977),Disponível em:

<http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/6417-art977> Acesso em

01/08/2014

Instituto Newton C. Braga, Conheça o GTO e IGCT (ART122) Acesso em 01/08/2014 Disponível em:

<http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/878-conheca-o-gto-e-igct-

art122.html> Acesso em 01/08/2014

Ebah, Eletrônica de Potência, Disponível em:

<http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAwOgAG/eletronica-potencia> Acesso em 01/08/2014

Instituto Newton C. Braga, Como funciona o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) (ART1018),

Disponível em:

<http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/6336-art1018> Acesso em

01/08/2014

O IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), Disponível em:

<http://www.gta.ufrj.br/grad/01_1/igtb/Pagina_IGBT.htm> Acesso em 01/08/2014

Ebah, Eletrônica de Potência, Disponível em:

<http://www.ebah.com.br/content/ABAAABKLYAC/eletronica-potencia> Acesso em 01/08/2014.

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