Interruptores Semicondutores - UTFPR
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Interruptores SemicondutoresInterruptores Semicondutores
Nikolas Libert
Aula 8A
Eletrônica de Potência ET53BTecnologia em Automação Industrial
DAELT ● Nikolas Libert ● 2
Transistor Bipolar de Junção (TBJ) de Potência
Transistor Bipolar de Junção (TBJ) de Potência Diferenças em relação aos transistores
convencionais:
– Ganho de corrente mais baixo (5 a 50 vezes).
– Altas tensões de bloqueio direto (até a faixa de 1400V).
– Correntes nominais mais altas.
Devem operar na região de saturação
Controle do chaveamento por corrente de base.
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Transistor Bipolar de Junção (TBJ) de Potência
Tipos:
Coletor
Base
Emissor
N
P
N
Coletor
Emissor
Base
Coletor
Emissor
BaseBase
P
N
P
Emissor
Coletor
NPN PNP
- A tensão VCE deve ser positiva (Tensões reversas máximas de 20 V)
- Chave fechada: Corrente alta entrando na base e queda de tensão de 1~2 V entre coletor e emissor.
-Chave aberta: Corrente nula entrando na base.
- A tensão VCE deve ser negativa (Tensões reversas máximas de 20 V)
- Chave fechada: Corrente alta saindo pela base e queda de tensão de 1~2 V entre emissor e coletor.
-Chave aberta: Corrente nula saindo da base.
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Transistor Bipolar de Junção (TBJ) de Potência
Necessidade de circuito de polarização, para abertura e fechamento da chave (controle da corrente de base).
RB
RC
VCC
iBVB
RB
RC
VCC
iB=0VB
RB
RC
VCC
iB>>0VB
Baixa corrente de base(chave aberta)
Alta corrente de base(chave fechada)
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Transistor Bipolar de Junção (TBJ) de Potência
Exemplo. Como usar um TBJ como chave para descarregar o capacitor?
RBRC
VCC
iBVB
R
VCC
R
VCCSe VB = 0 V:
a chave estará aberta.
iB=0
Se VB = VCC:
Se for escolhido um RB adequado, a chave estará
fechada.
iB=V CC−0,7
RB
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Transistor Bipolar de Junção (TBJ) de Potência
E agora?
RB
RC
iBVB
VCC
R
VCC
R
Se VB = 0 V:
a chave estará aberta.
iB=0
Se VB = VCC:
A corrente iB não dependerá apenas de RB, mas também de RC e R.
É melhor o uso de um transistor PNP
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Transistor Bipolar de Junção (TBJ) de Potência
Com transistor PNP
RB
RC
iBVB
VCC
R
VCC
R
Se VB = VCC:
a chave estará aberta.
iB=0
Se VB = 0 V:
Se for escolhido um RB adequado, a chave estará
fechada.
iB=V CC−0,7
RB
A lógica fica invertida.Nível lógico baixo: chave fechada
Nível lógico alto: chave aberta
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Transistor Bipolar de Junção (TBJ) de Potência
TBJ de Potência: baixo ganho de corrente.
– Contornável com par Darlington (ganhos superiores a cem vezes).
Desvantagens:
– Queda de tensão VCE pode atingir 2~5 V.
– Menor velocidade de chaveamento.
C
B
E
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Transistor Bipolar de Junção (TBJ) de Potência
Perdas de potência:
– Condução.
– Bloqueio.
– Chaveamento.
Perda no chaveamento:
– Componente mais crítica.
– Um dos limitantes da frequência máxima de operação.
– Pode ser necessário o uso de um circuito snubber para que a dissipação de potência no chaveamento não danifique o transistor.
R
Circuito Snubber
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Transistor MOSFET
Transistor de Efeito de Campo Metal-óxido-semicondutor (MOSFET) Similar aos MOSFETs de pequenos sinais, com
valores nominais de tensão e corrente mais altos.
Alta impedância de entrada.
Mais rápidos que TBJs para valores similares de tensão e corrente.
Controle do chaveamento por tensão.
Recomendável para baixas potências (alguns kW) e altas frequências (até 100 kHz).
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Transistor MOSFET
Tipos:
Dreno
S
Porta
D
Fonte
G
Canal N Canal P
- A tensão VDS deve ser positiva (a existência do diodo intrínseco não permite tensões negativas)
- Chave fechada: Tensão VGS acima do limiar VTH.
-Chave aberta: Tensão VGS abaixo do limiar VTH.
- A tensão VDS deve ser negativa(a existência do diodo intrínseco não permite tensões positivas)
- Chave fechada: Tensão VGS abaixo do limiar VTH (que tem valor negativo).
-Chave aberta: Tensão VGS acima do limiar VTH (que tem valor negativo).
Fonte
Porta
DrenoD
SG
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Transistor MOSFET
Polarização muito mais simples que para TBJ.
Alta impedância de entrada:
– Corrente que entra na porta pode ser desconsiderada.
Controle por tensão, e não corrente.R
D
VDD
iG≈0VG
S
D
G
RD
VDD
VG<VTH
RD
VDD
VG>VTH
(chave aberta) (chave fechada)
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Transistor MOSFET
Perdas de potência: Condução, bloqueio e chaveamento.
Perda na condução:
– Componente mais crítica.
– Alta queda de tensão entre dreno e fonte (maior que para TBJ).
– Para baixas frequências, perdas no TBJ são menores.
– RDS(ON): Resistência interna do MOSFET na condução.
– MOSFETs com baixo valor de RDS(ON) possuem menores perdas na condução.
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Transistor MOSFET
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Transistor MOSFET
Dimensionamento:
– Tensão máxima no interruptor.
– Cálculo da corrente média.
– Cálculo da corrente eficaz.
– Escolher um transistor disponível.
– Observar a RDS(ON) e os tempos de chaveamento.
– Calcular Perdas.● Condução.● Comutação.● Total.
– Cálculo Térmico.
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Transistor IGBT
Transistor Bipolar de Porta Isolada
Componente intermediário entre MOSFET e TBJ.
Chaveamento mais rápido que TBJ (até 50 kHz).
Queda de tensão menor que nos MOSFETs.
Alta impedância de entrada.
Circuito de acionamento de porta simples.
Altos valores de tensão e corrente nominais (1400 V/1000 A)
Baixa máxima tensão reversa (10 V). E
C
G
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Comparação de diversos interruptores.
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Referências
AHMED, Ashfaq. Eletrônica de Potência, Prentice Hall, 1ª ed., São Paulo, 2000