Circuitos de acionamento - Inversores e conversores

Circuitos de acionamento - Inversores e conversores

(Parte 1 de 3)

UNIDADE

Circuitos de acionamento - Inversores e conversores UNIDADE 1 - 1

DE
POTÊNCIA

SEMICONDUTORES Prof. Corradi

OBJETIVOS DA UNIDADE2
INTRODUÇÃO2
SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA1
DIODOS DE POTÊNCIA1
SCRS (TIRISTORES)2
TRANSISTOR DE UNIJUNÇÃO ( UJT - UNIJUNCTION TRANSISTOR )3
DIAC4
TRIAC4
TRANSISTORES BIPOLARES DE POTÊNCIA E DARLINGTONS5
MOSFET DE POTÊNCIA5
TIRISTORES GATE-TURN-OFF ( GTO )6
IGBTS ( INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTORS )7
MCTS ( MOS-CONTROLED THYRISTOR )7
COMPARAÇÃO ENTRE AS CHAVES CONTROLADAS7
EXERCÍCIOS9

Sumário 1

Circuitos de acionamento - Inversores e conversores UNIDADE 1 - 2

Objetivos da unidade

Nesta unidade você vai estudar alguns dos semicondutores mais utilizados para controle de potência. Você terá uma visão geral e uma comparação entre os semicondutores para chaveamento mais utilizados.

Esta unidade pretende capacitá-lo para :

e
• selecionar um semicondutor de potência para determinada aplicação em eletrônica

• identificar quais são os principais tipos de semicondutores de potência de potência.

Introdução

A evolução da eletrônica e em especial da física dos semicondutores permitiu, entre outras coisas, a construção de semicondutores mais rápidos e de controle mais fácil.

Alguns destes semicondutores serão estudados na presente unidade

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Semicondutores de potência

São entendidos como semicondutores de potência, semicondutores utilizados para acionamento e controle de cargas (resistências de aquecimento, motores elétricos, indutores em fontes chaveadas, lâmpadas, etc..), compreendendo :

Diodos de potência,

SCRs ( Silicon Controlled Rectifier - Retificador Controlado de Silício ),

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 potência,

MOSFETs de Potência (Metal-Oxide-Semiconductor Field Efect Transistor - transistor de efeito de campo feito com tecnologia Metal-Óxido-Semicondutor),

IGBTs ( Insulated Gate Bipolar Transistor - transistor bipolar com a porta isolada ) e

MCTs ( Metal Oxide Semiconductor Thyristor - tiristor controlado por tecnologia Metal-Óxido- Semicondutor ).

Diodos de potência

Um diodo é uma estrutura P-N que permite a passagem de corrente em um único sentido. A figura a seguir mostra, simplificadamente, a estrutura interna de um diodo.

Estrutura básica de um diodo

Aplicando-se uma tensão entre as regiões P e N, a diferença de potencial aparecerá na região de transição, uma vez que a resistência desta parte do semicondutor é muito maior que a do restante do semicondutor (devido à concentração de portadores).

Quando se polariza reversamente um diodo, ou seja, quando se aplica uma tensão negativa no anodo (região P) e positiva no catodo (região N), mais portadores positivos (lacunas) migram para o lado N, e vice-versa, de modo que a largura da região de transição aumenta, elevando a barreira de potencial.

Por difusão ou efeito térmico, uma certa quantidade de portadores minoritários penetra na região de transição (corrente reversa), sendo, então, acelerados pelo campo elétrico, indo até a outra região neutra do semicondutor.Esta corrente reversa independe da tensão reversa aplicada,

Circuitos de acionamento - Inversores e conversores UNIDADE 1 - 2 variando, basicamente, com a temperatura.

Se o campo elétrico na região de transição for muito intenso, os portadores em trânsito obterão grande velocidade e, ao se chocarem com átomos da estrutura, produzirão novos portadores, os quais, também acelerados, produzirão um efeito de avalanche. Dado o aumento na corrente, sem redução significativa da tensão da junção, produz-se um pico de potência que destrói o semicondutor.

Uma polarização direta leva ao estreitamento da região de transição e à redução da barreira de potencial. Quando a tensão aplicada superar o valor natural da barreira, cerca de 0,7V para diodos de Si, os portadores negativos do lado N serão atraídos pelo potencial positivo do anodo e vice-versa, levando o semicondutor à condução.

Na verdade, a estrutura interna de um diodo de potência é um pouco diferente desta apresentada, sendo vista na figura a seguir:

Estrutura típica de um diodo de potência.

Existe neles uma região N intermediária, com baixa dopagem ( note que na região N+, temos 1019 elétrons por cm3 e na região N-, temos 1014 elétrons por cm3) . O papel desta região é permitir ao componente suportar tensões mais elevadas, pois tornará maior a barreira de potencial.

Esta região de pequena densidade de dopante dará ao diodo uma significativa característica resistiva quando em condução, a qual se torna mais significativa quanto maior for a tensão suportável pelo componente. As camadas que fazem os contatos externos são altamente dopadas, a fim de fazer com que se obtenha um contato com característica ôhmica e não semicondutor. No estado bloqueado, pode-se analisar a região de transição como sendo um capacitor, cuja carga é aquela presente na própria região de transição.

Na condução não existe tal carga, no entanto, devido à alta dopagem da camada P+, por difusão, existe uma penetração de lacunas na região N-. Além disso, à medida que cresce a corrente, mais lacunas são injetadas na região N-, fazendo com que elétrons venham da região N+ para manter a neutralidade de carga. Desta forma, cria-se uma carga espacial no catodo, a qual terá que ser removida (ou se recombinar) para permitir a passagem para o estado bloqueado do diodo.

SCRs (tiristores)

O SCR é um Retificador Controlado de Silício (Silicon Controled Rectifier),e é o membro mais antigo de uma família 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 válvula Tiratron.

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

Símbolo do SCR e analogia com transistores

Considerando-se uma tensão positiva aplicada entre anodo e catodo, ao receber um pulso no terminal gate, T1 satura, levando T2 à condução, o que criará uma corrente de coletor em T2, mantendo a corrente de base de T1 e conseqüentemente sua condução. Para que o SCR entre em corte, normalmente, desliga-se a alimentação entre anodo e catodo.

Este semicondutor pode ser encontrado para valores de alguns Ampères até milhares de Ampères, podendo suportar tensões da mesma ordem, por este motivo, é bastante utilizado em circuitos de altas potências.

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 mínima, fornecido pela data-sheet (folha de dados) do semicondutor. Em termos práticos, utiliza-se a relação :

Igate = 3 . Igmín.

Transistor de unijunção ( UJT - Unijunction Transistor )

Este semicondutor tem um emissor e duas bases, sendo utilizado para produção de pulsos. Podemos fazer analogia com o circuito da figura a seguir, onde temos um diodo e dois resistores.

Transistor de unijunção-símbolo, analogia e circuito típico

Por analogia com dois resistores e um diodo, percebemos que, para o diodo conduzir, a tensão aplicada a seu anodo deve ser maior que a queda de tensão em RB1. A relação entre RB1 e RBB

(resistência entre as bases) é chamada de “eta”(η) e é caracterizada como “razão intrínseca de afastamento”, que nada mais é que um fator de divisão de tensão, sua faixa típica é de 0,5 a 0,8. A tensão necessária para o disparo do UJT é obtida através do circuito RC série e sua fórmula fica:

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VB1 = Vcc . (RB1) / (RB1 +RB2) = Vcc . (RB1/ RBB) = η . Vcc O período da oscilação é dado por :

O DIAC é um semicondutor bastante utilizado na proteção de circuitos e no disparo de TRIACs. A seguir se encontra seu símbolo, bem como uma analogia com diodos Zener :

Símbolo do DIAC e analogia com dois diodos Zener

O DIAC conduz quando recebe uma tensão maior que sua tensão de trabalho, sendo ela positiva ou negativa.

O TRIAC difere do SCR por ser bidirecional e por apresentar potência de trabalho menor, sendo mais utilizado para corrente alternada. Como vemos na figura a seguir, podemos fazer uma analogia com dois SCRs em antiparalelo :

Símbolo do TRIAC e analogia com dois SCRs em antiparalelo

Para se ter um disparo efetivo, deve-se efetuá-lo observando-se a mesma polaridade para os terminais T2 e gate.

Na figura abaixo temos um circuito típico utilizando DIAC e TRIAC, que é chamado de “dimmer”, e é bastante utilizado para controle de luminosidade e pequenas cargas CA.

Dimmer com DIAC e TRIAC

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em equipamentos eletrônicos, como equipamentos de som, televisores, etc

A cada semiciclo, C1 é carregado através de R1 e P1; quando a tensão em C1 atinge o valor de disparo de D1, o mesmo conduz, disparando o TRIAC, que fechará o circuito, acendendo a lâmpada. O potenciômetro regulará o tempo de carga de C1, fazendo com que o TRIAC conduza por mais ou menos tempo. O indutor L e o capacitor C são filtros que reduzem as interferências

Transistores bipolares de potência e Darlingtons

Transistores de potência são transistores bipolares (BJT - Bipolar Junction Transistor - transistor bipolar de junção), utilizados para controle de potência. Sua faixa de tensão de utilização vai até aproximadamente 1400V e sua faixa de corrente direta vai até algumas centenas de Ampères. Podem ser encontrados em configuração simples ou em um chip contendo um par Darlington ou até um triplo Darlington.

Devido ao seu coeficiente de temperatura ser negativo (com o aumento de temperatura há redução da resistência direta), devem ser tomados cuidados ao se colocar este semicondutor em paralelo, deixando uma boa margem de segurança ou ainda incluindo resistências para controlar o desequilíbrio. A figura mostra um BJT simples, um par Darlington, um triplo Darlington e um circuito típico para equilibrar correntes em BJTs em paralelo.

BJT, par Darlington, triplo Darlington e BJTs em paralelo.

O valor de R deve ser o mais baixo possível (valores típicos são inferiores a 1Ω, por exemplo

0,01; 0,02 e 0,03Ω), geralmente este valor é obtido de forma empírica e o resistor é constituído por fio de liga resistiva, como NiCR (Níquel Cromo) ou Ferro-Constantan.

MOSFET de potência

O MOSFET é um semicondutor com camadas semicondutoras N e P, cujo controle de condução é feito por um terminal isolado chamado de gate (ou porta). Basicamente o que temos é a formação de uma capacitância entre o gate e a porção P (no caso do MOSFET tipo N); ao aplicarmos

Circuitos de acionamento - Inversores e conversores UNIDADE 1 - 6 tensão positiva neste terminal, teremos um acúmulo de elétrons livres no outro lado da placa do “capacitor”, o que fará com que o MOSFET conduza.

Distribuição das camadas e polarização de um MOSFET canal N e símbolos dos MOSFETs tipo intensificação.

A curva dos MOSFETs é bastante semelhante à dos transistores.

A principal vantagem dos MOSFETs é que são acionados por nível de tensão, ou seja, não há necessidade de grandes potências no circuito de disparo. Devido a esta característica, os circuitos para disparo de MOSFETs são de construção e implementação mais simples, podendo ser constituídos, por exemplo, com associações de portas lógicas.

Estes semicondutores estão disponíveis em faixas de até mais de 1000V, porém com baixas correntes diretas, da ordem de 100A, e baixas tensões. Seu coeficiente de temperatura é positivo, o que permite que seja facilmente colocado em paralelo, pois o semicondutor que receber maior corrente aumentará sua resistência, redistribuindo as correntes pelos outros semicondutores.

Tiristores Gate-turn-off (GTO)

Os GTOs, basicamente, são SCRs com controle de desligamento, ou seja, possuem mais um terminal de porta, que serve para parar sua condução. A figura a seguir ilustra seu símbolo, bem como um circuito típico de supressão (snubber), obrigatório neste caso, que reduz os picos de tensão quando conectado a cargas indutivas.

A principal desvantagem deste semicondutor é quanto ao circuito de disparo, que é mais complexo, demandando mais tempo para elaboração, pois temos dois parâmetros a observar, que são: o tempo de disparo e o de desligamento. Outro fator que dificulta a elaboração do circuito de disparo é a corrente de desligamento bastante alta.

Símbolo do GTO e circuito de proteção contra dV/dt.

Este semicondutor encontra aplicação em circuitos de alta potência, uma vez que pode trabalhar com tensões acima de 4,5kV, altas correntes (alguns quiloampères) e a uma freqüência de chaveamento de algumas centenas de Hertz a 10kHz.

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IGBTs ( Insulated Gate Bipolar Transistors )

Os IGBTs (Transistores Bipolares com Gate Isolado) são semicondutores que combinam as características dos BJT com as dos MOSFETs. A figura seguinte mostra seu símbolo.

Símbolos do IGBT

Os IGBTs, como os BJTs, têm baixas tensões de acionamento/ desligamento, trabalhando com altas tensões (1000V, por exemplo). Seus tempos de chaveamento estão na ordem de 1µ s, em blocos com tensão e corrente de 1700V e 1200A. Outra característica aproveitada do MOSFET é que o circuito de acionamento precisa de baixas correntes de acionamento.

MCTs ( MOS-controled Thyristor)

Este semicondutor (tiristor controlado pela técnica Metal-Óxido-Semicondutor) é bastante recente. A figura a seguir ilustra seu símbolo.

Símbolos dos MCTs tipo P e tipo N

O MCT é bastante semelhante ao MOSFET e ao IGBT, pois é controlado por tensão. O MCT tem duas vantagens sobre o GTO, pois é mais rápido (tempos de acionamento/desligamento da ordem de alguns microsegundos) e seu circuito de disparo é mais simples, demandando menos corrente de disparo. Os MCTs têm uma queda de tensão menor que os IGBTs e, em breve, estarão disponíveis semicondutores que trabalham com tensões da ordem de 2500-3000V, com correntes de 50A a algumas centenas de Ampères. O MCT, porém, trabalha com correntes menores que o GTO, pois, devido à sua estrutura mais complexa, apresenta uma seção transversal menor que o GTO. A diferença do MCT tipo P para o tipo N refere-se ao semicondutor interno utilizado para o acionamento.

Comparação entre as chaves controladas

A correta seleção do semicondutor a ser utilizado em determinada aplicação depende de uma série de fatores. No gráfico a seguir vemos, de forma comparativa, as características das chaves controladas com referência a tensão, corrente e freqüência de chaveamento. Estes dados são bastante estáveis, pois todos os semicondutores, com exceção do MCT, já estão disponíveis no mercado há algum tempo e não devem sofrer modificações substanciais.

Apesar da existência destes semicondutores e de sua vasta utilização em circuitos de potência, novos semicondutores estão sendo estudados e desenvolvidos.

Uma grande tendência é a de não se utilizar mais semicondutores como os tiristores de comutação forçada (SCR e GTO), a não ser em aplicações de potências da ordem de MVA.

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Gráfico comparativo entre chaves semicondutoras.

No gráfico, podemos destacar alguns pontos, como por exemplo :

• tiristores são excelentes para manuseio de altas potências (seus limites estão em torno de 5kV e 3000A), porém não respondem a freqüências muito altas (pelo gráfico, o limite está em torno de 500 Hz) ;

• os MCTs atualmente suportam cerca de 2kV e 750A, a uma freqüência de cerca de 80 kHz.

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