Diodos de Potncia

Um diodo semicondutor uma estrutura P-N que, dentro de seus limites de tenso e de corrente, permite a passagem de corrente em um nico sentido. Detalhes de funcionamento, em geral desprezados para diodos de sinal, podem ser significativos para componentes de maior potncia, caracterizados por uma maior rea (para permitir maiores correntes) e maior comprimento (a fim de suportar tenses mais elevadas). A figura 1.1 mostra, simplificadamente, a estrutura interna de um diodo.

Figura 1 Estrutura bsica de um diodo semicondutor

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 componente (devido concentrao de portadores).Quando se polariza reversamente um diodo, ou seja, 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. So, ento, acelerados pelo campo eltrico, indo at a outra regio neutra do dispositivo. Esta corrente reversa independe da tenso reversa aplicada, variando, basicamente, com a temperatura.Na verdade, a estrutura interna de um diodo de potncia um pouco diferente desta apresentada. Existe uma regio N intermediria, com baixa dopagem. O papel desta regio permitir ao componente suportar tenses mais elevadas, pois tornar menor o campo eltrico na regio de transio (que ser mais larga, para manter o equilbrio de carga).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.O contorno arredondado entre as regies de anodo e catodo tem como funo criar campos eltricos mais suaves (evitando o efeito de pontas).No estado bloqueado, pode-se analisar a regio de transio como 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.O comportamento dinmico de um diodo de potncia , na verdade, muito diferente do de uma chave ideal, como se pode observar na figura 1.1. No desligamento, a carga espacial presente na regio N- deve ser removida antes que se possa reiniciar a formao da barreira de potencial na juno. Enquanto houver portadores transitando, o diodo se mantm em conduo. A reduo em Vonse deve diminuio da queda hmica. Quando a corrente atinge seu pico negativo que foi retirado o excesso de portadores, iniciando-se, ento, o bloqueio do diodo. A taxa de variao da corrente, associada s indutncias do circuito, provoca uma sobre-tenso negativa.Diodos rpidos possuem trrda ordem de, no mximo, poucos micro-segundos, enquanto nos diodos normais de dezenas ou centenas de micro-segundos.O retorno da corrente a zero, aps o bloqueio, devido sua elevada derivada e ao fato de, neste momento, o diodo j estar desligado, uma fonte importante de sobretenses produzidas por indutncias parasitas associadas aos componentes por onde circula tal corrente. A fim de minimizar este fenmeno foram desenvolvidos os diodos "soft-recovery", nos quais esta variao de corrente suavizada, reduzindo os picos de tenso gerados.Em aplicaes nas quais o diodo comuta sob tenso nula no se observa o fenmeno da recombinao reversa.

Figura 2. Estrutura tpica de diodo de potncia.eFormas de onda tpicas de comutao de diodo de potncia.

Diodos Schottky

Um diodo Schottky formado colocando-se um filme metlico em contato direto com um semicondutor, como indicado na figura 1.3. O metal usualmente depositado sobre um material tipo N, por causa da maior mobilidade dos portadores neste tipo de material. A parte metlica ser o anodo e o semicondutor, o catodo. Numa deposio de Al (3 eltrons na ltima camada), os eltrons do semicondutor tipo N migraro para o metal, criando uma regio de transio na juno. Note-se que apenas eltrons (portadores majoritrios em ambos materiais) esto em trnsito. O seu chaveamento muito mais rpido do que o dos diodos bipolares, uma vez que no existe carga espacial armazenada no material tipo N, sendo necessrio apenas refazer a barreira de potencial (tipicamente de 0,3V). A regio N+ tem uma dopagem relativamente alta, a fim de reduzir as perdas de conduo, com isso, a mxima tenso suportvel por estes diodos de cerca de 100V. A aplicao deste tipo de diodos ocorre principalmente em fontes de baixa tenso, nas quais as quedas sobre os retificadores so significativas. Na figura 3.(b) tem-se uma forma de onda tpica no desligamento do componente. Note que, diferentemente dos diodos convencionais, assim que a corrente se inverte a tenso comea a crescer, indicando a no existncia dos portadores minoritrios no dispositivo.

Figura 3 - (a) Estrutura de diodo Schottky; (b) Forma de onda tpica no desligamento. Canal 1: Corrente; Canal 2: tenso vak

Aspectos Gerais: Tiristores

Tiristores so dispositivos de estado slido que fazem parte da famlia dos semicondutores, usam realimentao interna para produzir operaes de chaveamento, So dispositivos biestveis que podem ser chaveados do corte para a conduo e vice versa. Para iniciar seu estudo conveniente o conhecimento dos seguintes termos relacionados com a corrente alternada senoidal, mostrados na figura 01, quais sejam: a) Wt: velocidade angular do gerador de corrente alternada;b) W1: ngulo de disparo do tiristor "SCR" (ngulo a partir do qual o dispositivo comea a conduzir);b) W2: ngulo de conduo (ngulo durante o qual o dispositivo est em funcionamento);c) W3: ngulo de corte (ngulo a partir do qual o tiristor deixa de conduzir).

Figura 4 - Tiristor e formas de ondas na entrada, na carga e pulso de disparo.SCR ou RCS.(Retificador Controlado de Silcio)

Tiristor que atua com um nico sentido de conduo da corrente eltrica (unidirecional). Caracteriza-se pela comutao entre dois estados o estado de conduo ou o estado de corte ou bloqueio. A corrente aplicada nos seus terminais pode se proveniente de uma fonte CC ou CA. A sua estrutura bsica parte de quatro camadas semicondutoras, sendo duas de material semicondutor tipo "P" e duas de semicondutor tipo "N", conforme mostra a estrutura abaixo.

Figura 5 - Smbolo, estrutura e circuito equivalente do SCR.

Funcionamento - Os SCR no so construdos para operar com tenso de avalanche direta, so projetados para fechar por meio de disparo e abrir por meio de baixa corrente. Em outras palavras, Um SCR permanece aberto at que um disparo acione sua porta (gate). Ento o SCR trava e permanece fechado (conduzindo) mesmo que o disparo desaparea. A nica forma de abrir um SCR. por meio de um destravamento por baixa corrente. Na prtica feito desligando-se a alimentao entre o anodo ou fazendo-se com que esta tenso resulte a um valor menor que o necessrio para proporcionar a existncia da corrente mnima de manuteno.

Observando-se o circuito equivalente, fazendo-se uma anlise da polarizao dos transistores, chega-se a concluso que aps um pulso no gate (porta), o transistor que satura condiciona o outro a permanecer saturado mesmo que o pulso que provocou o disparo seja retirado.

Curva caracterstica do SCRCurva caracterstica - A curva caracterstica do SCR exibe no primeiro quadrante alguns valores para a tenso anodo/catodo (Va-k) e respectivas correntes de gate (Ig) em polarizao direta. No terceiro quadrante exibe a curva de corrente na polarizao de tenso reversa mxima (Vr mx).

Figura 6 - Curva caracterstica do SCR.Mtodos para evitar disparos indesejado - Dois mtodos se destacam para evitar disparos indesejado no SCR, so eles o resistor de gate, conectado entre o gate e o catodo para desviar parte da corrente capacitiva e o snubber que amortece as variaes bruscas de tenso entre anodo e catodo.

Figura 7 - Circuito para evitar disparo indesejado no SCR.

DIAC- ("Diode Alternating Courrent" ou Diode de Corrente Alternada)

um dispositivo semicondutor constitudo de dois terminais, funcionando como um diodo bidirecional, passa do bloqueio conduo com qualquer polaridade de tenso aplicada aos seus terminais.

Figura 8 - Smbolo, estrutura e circuito teste do DIAC.

Curva caracterstica - A curva caracterstica do DIAC exibe no primeiro e terceiro quadrante as mesmas caractersticas de tenso e corrente. possuem a mesma corrente de engate ou tranca (Il) em qualquer das duas direes conforme mostra a figura abaixo.

Figura 9 - Smbolo, estrutura e circuito equivalente do SCR.

Funcionamento - O DIAC conduz quando a tenso em seus terminais excede o valor da avalanche direta em qualquer sentido, aps o disparo o dispositivo conduz e a tenso passa de um valor de disparo para um valor inferior (VH), onde se mantm enquanto o DIAC conduz. Uma vez conduzindo a nica forma de abri-lo por meio de um desligamento por baixa corrente, ou seja, reduzindo a corrente abaixo de um valor especificado para o dispositivo.

TRIAC - ("Triode Alternating Courrent" ou Triodo de Corrente Alternada)

um dispositivo que atua nos dois sentidos de conduo da corrente eltrica (bidirecional), o pulso de disparo pode ser positivo ou negativo. O TRIAC tem as mesmas caractersticas bsicas de comutao que o SCR, porm, exibe estas caractersticas em ambas as direes, Isto proporciona aos TRIACs maior simplicidade mantendo eficincia, na elaborao de circuitos controladores de potncia em onda completa.Funcionamento - Os TRIACs assim como os SCRs, no so construdos para operar com tenso de avalanche direta, so projetados para fechar por meio de disparo e abrir por meio de baixa corrente. Porm, exibe as mesmas caractersticas de corrente e tenso nas duas direes. O dispositivo ativado quando submetido a uma corrente de gate suficientemente alta e desativado pela simples reduo de sua corrente andica abaixo do valor de manuteno (IH).

Figura 10 - Smbolo, estrutura e circuito teste do TRIAC.

Curva Caracterstica do TRIACCurva caracterstica - A curva caracterstica mostra a corrente atravs do TRIAC, resultado da avalanche quando uma tenso de ruptura (VBO) aplicada entre os terminais anodo 1 e anodo 2. A avalanche ocorre quando a tenso entre os terminais A1 e A2 eleva-se a ponto de desenvolver uma corrente interna suficiente alta para provocar a conduo do dispositivo.

Figura 11 - Curva caracterstica do TRIAC.

Circuito bsico e formas de ondas - A figura seguinte mostra um controlador de potncia e o circuito de disparo representado em bloco. Do lado esquerdo esto representadas as formas de ondas: da corrente alternada que alimenta o circuito, dos pulsos de disparo do TRIAC e da carga.

Figura 12 - Circuito com TRIAC e formas de ondas de entrada, de disparo e na carga.

Circuitos e aplicaesA seguir apresentamos circuitos prticos com tiristores.

Figura 13 - Circuito Controlador de onda completa com SCR.

Figura 14 - Circuito Controlador de Potncia com TRIAC.

Figura 15 - Circuito Disparador Monofsico Sincronizado com a Rede.MOSFET

Atualmente no existem transistores MOSFET para aplicaes em potncias mais elevadas. Os componentes disponveis tem caractersticas tpicas na faixa de: 1000V/20A ou 100V/200A. Sua principal vantagem a facilidade de acionamento, feita em tenso, e a elevada velocidade de chaveamento, tornando-o indicado para as aplicaes de freqncia elevada (centenas de kHz).

Princpio de funcionamento (canal N)O terminal de gate isolado do semicondutor por SiO2. A juno PN- define um diodo entre Source e Drain, o qual conduz quando Vds0. A figura 16 mostra a estrutura bsica do transistor [3.12].Quando uma tenso Vgs>0 aplicada, o potencial positivo no gate repele as lacunas na regio P, deixando uma carga negativa, mas sem portadores livres. Quando esta tenso atinge um certo limiar (Vth), eltrons livres (gerados principalmente por efeito trmico) presentes na regio P so atrados e formam um canal N dentro da regio P, pelo qual torna-se possvel a passagem de corrente entre D e S. Elevando Vgs, mais portadores so atrados, ampliando o canal, reduzindo sua resistncia (Rds), permitindo o aumento de Id. Este comportamento caracteriza a chamada "regio resistiva".A passagem de Id pelo canal produz uma queda de tenso que leva ao seu afunilamento, ou seja, o canal mais largo na fronteira com a regio N+ do que quando se liga regio N-. Um aumento de Id leva a uma maior queda de tenso no canal e a um maior afunilamento, o que conduziria ao seu colapso e extino da corrente! Obviamente o fenmeno tende a um ponto de equilbrio, no qual a corrente Id se mantm constante para qualquer Vds, caracterizando a regio ativa do MOSFET. A figura 17 mostra a caracterstica esttica do MOSFET,

Figura 16. Estrutura bsica de transistor MOSFET.

Caracterstica de chaveamento - carga indutiva

a) Entrada em conduo (figura 18)

Ao ser aplicada a tenso de acionamento (Vgg), a capacitncia de entrada comea a se carregar, com a corrente limitada por Rg. Quando se atinge a tenso limiar de conduo (Vth), aps td, comea a crescer a corrente de dreno. Enquanto Id