Resumo do livro “Eletrônica de Potência” de Muhammad Rashid

Capitulo 2 – Diodos semicondutores de potência

Introdução

O diodo atua como uma chave, podendo realizar diversas funções, como: chaves

em retificadores, comutação em reguladores chaveados, inversão de carga em

capacitores e transferência de energia entre componentes, isolação de tensão,

realimentação de energia da carga para a fonte de alimentação e recuperação de energia

armazenada.

Os diodos de potência são similares aos diodos de sinal de junção pn, porem

possuem maior capacidade de potência, tensão e corrente que os diodos de sinal, mas

sua resposta em frequência é baixa se comparada a este.

Curvas características dos diodos

Os diodos de potência é um dispositivo de junção pn. Esta junção é realizada por

fusão, difusão e crescimento epitaxial.

Quando o potencial no anodo é positivo em relação ao cátodo, diz-se que o

diodo está diretamente polarizado e conduz. Quando neste estado, a queda de tensão é

relativamente pequena e depende do processo de fabricação do mesmo. Quando o

potencial do cátodo é maior que no anodo, o diodo está reversamente polarizado. Nesta

condição, surge uma pequena corrente reversa, ou corrente de fuga, da ordem de micro

a miliampères, aumentando lentamente em amplitude com a tensão até a tensão de

avalanche, ou tensão Zener.

A curva mostrada acima pode ser expressada pela equação do diodo Schockley,

dada por:

ID=I S (eVD /nV T−1 )

em que ID = corrente através do diodo, em A;

VD = tensão do diodo, com anodo positivo em relação ao anodo, em V;

IS = corrente de fuga, tipicamente na faixa de 10-6 a 10-15 A;

n = constante empírica conhecida como coeficiente de emissão ou fator de

idealidade, varia de 1 a 2 e depende do material do diodo.

VT é uma constante chamada tensão térmica e é dada por:

V T=kTq

em que q = carga do eletron: 1,6022∙10-19 C;

T = temperatura absoluta em kelvin;

k = constante de Boltzmann: 1,3806∙10-23 J/K.

A uma temperatura de 25°C, temos que VT = 25,8 mV.

A corrente de fuga IS é constante e varia para cada diodo. Assim a curva da

figura 2 pode ser dividida em três regiões: região de polarização direta, onde VD > 0;

região de polarização reversa, onde VD < 0; região de ruptura reversa, onde VD < -VZK.

Região de polarização direta. Quando VD > 0, a corrente ID será muito pequena se VD

for menor que um valor especifico VTD (tipicamente 0,7 V). Se VT > VTD, referida como

tensão de limiar, tensão de corte ou tensão de ligamento, então o diodo conduzirá

plenamente.

Região de polarização reversa. Quando VD < 0, então a corrente ID será dada por:

ID=I S (e−|VD|/nV T−1)≈−I S

já que o termo exponencial se torna muito pequeno. Indicando que a corrente do diodo

ID no sentido reverso é igual a constante IS.

Região de ruptura reversa. Na região de ruptura reversa, a tensão é maior que 1000 V.

A amplitude da tensão reversa excede a tensão de ruptura reversa (VBR). A corrente

reversa aumenta rapidamente com uma pequena variação da tensão além de VBR. A

operação na região de ruptura não será destrutiva se a dissipação de potência estiver

dentro de um “nível seguro”, dado pelo fabricante. Mas deve-se limitar a corrente

reversa na região de ruptura para limitar a dissipação de potência a um valor

permissível.

Curvas características da recuperação reversa

A corrente na junção diretamente polarizada se deve aos portadores majoritários

e minoritários. Um diodo conduzindo que tem sua corrente reduzida a zero por qualquer

motivo, continuará conduzindo devido aos portadores minoritários que permanecem

armazenados na junção pn e no semicondutor propriamente dito. Pois estes requerem

um certo tempo para se recombinarem com cargas opostas e serem neutralizados. Este

tempo é chamado de tempo de recuperação reversa do diodo. O tempo de recuperação trr

é medido a partir do cruzamento inicial com o zero da corrente do diodo até 25% da

corrente reversa máxima, IRR. O trr consiste de duas componentes, ta e tb, onde ta

representa do cruzamento com o zero até a corrente máxima de pico IRR e acontece

devido ao armazenamento de cargas na região de depleção da junção, e tb representa da

corrente máxima até 25% de IRR e ocorre devido ao armazenamento de carga no material

semicondutor. A relação tb/ta é conhecida como fator de suavidade.

t rr=t a+t b

O pico da corrente reversa pode ser expresso por:

IRR=tadidt

O trr depende da temperatura da junção, da taxa de decaimento da corrente direta

e da corrente direta antes da comutação.

A carga de recuperação reversa QRR é a quantidade de portadores de carga que

fluem no sentido reverso devido a mudança da condição de direta para bloqueio reverso.

A carga armazenada, que é a área abrangida pelo caminho da corrente de

recuperação, é aproximadamente:

QRR=12IRR ta+

12IRR t b=

12IRR trr

ou

IRR=2QRRt rr

Se tb for desprezível, quando comparado a ta, o que normalmente é o caso, então

trr ≈ ta, logo:

t rr≈ √ 2QRR

di /dt

e

IRR=√2QRRdidt

Nota-se então que o tempo de recuperação reversa trr e a corrente de recuperação

IRR dependem de QRR e do di/dt reverso. A carga armazenada é dependente da corrente

direta do diodo IF.

Se um diodo estiver na condição de polarização reversa e chaveia para a

condição de polarização direta, é necessário um certo tempo para que isso ocorra e este

intervalo é conhecido como tempo de recuperação direta ou tempo de religamento. Se a

taxa de crescimento da corrente direta for grande e estiver concentrada em uma pequena

área, o diodo pode falhar. Assim o tempo de recuperação direta limita a taxa de

crescimento da corrente direta e a velocidade do chaveamento.

Tipos de diodo de potencia

Dependendo das características de recuperação e de fabricação, os diodos são

classificados em três categorias: diodos padrão ou genéricos, diodos de recuperação

rápida e diodos Schottky.

Diodos genéricos. Possuem tempo de recuperação reversa alto, cerca de 25µs, e são

utilizados em aplicações de baixa velocidade onde o tempo de recuperação reversa não

é crítico. Cobrem uma área de menos de 1 A até milhares de amperes, com faixa de

tensão de 50 V até aproximadamente 5 kV.

Diodos de recuperação rápida. Possuem tempo de recuperação baixo, cerca de 5 µs, e

são comumente utilizados em conversores CC-CC e CC-CA, onde a velocidade de

recuperação é de suma importância. Cobrem uma área de menos de 1 A até centenas de

amperes, com faixa de tensão de 50 V até aproximadamente 3 kV.

Diodos Schottky. O problema do armazenamento de carga na junção é reduzido com

diodo Schottky. Isso é obtido fazendo uma “barreira de potencial” com um contato entre

metal e semicondutor. Uma camada de metal é depositada sobre uma fina camada

epitaxial de silício tipo n. A barreira de potencial atua como uma junção pn, assim a

ação retificadora depende apenas dos portadores majoritários, não havendo portadores

minoritários para se recombinarem. A recuperação deve-se apenas à capacitância

própria da junção semicondutora.

Sua carga recuperada é muito menor que a de um diodo de junção pn

equivalente, pois acontece devido a capacitância da junção e é independente do di/dt

reverso. Sua queda de tensão no sentido direto é relativamente baixa.

Sua corrente de fuga é maior que a de diodos de junção pn. Um diodo Schottky

com tensão de condução relativamente baixa possui corrente de fuga relativamente alta

e vice-versa. Assim a máxima tensão disponível é limitada a 100 V. Suas especificações

de corrente variam de 1 a 300 A. São utilizados em fontes de alimentação CC de altas

correntes e baixas tensões.

Efeitos do tempo de recuperação direto e reverso

Observando a figura 4, se a chave CH for ligada em t = 0, e permanecer ligada

por tempo suficiente, uma corrente I0 = VS/R fluirá pela carga e o diodo de comutação

Dm será polarizado reversamente. Desligando a chave em t = t1, Dm conduzirá e uma

corrente circulará por ele. Fechando novamente CH em t = t2, Dm se comportará como

um curto-circuito e a taxa de crescimento da corrente direta da chave e do diodo D1 e a

taxa de decaimento da corrente direta em Dm seriam muito elevadas, o pico da corrente

reversa IRR do diodo Dm poderia ser muito elevado e vir a danificar ambos diodos. Tal

problema é resolvido colocando um indutor de limitação de di/dt, LS, mostrado na figura

5. Os diodos requerem um certo tempo antes que toda a área se torne condutiva, e di/dt

deve ser mantido baixo para se alcançar o tempo limite de ligamento, ou tempo de

recuperação direta trf.