Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência

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<p>Dispositivos</p><p>semicondutores</p><p>usados em</p><p>eletrônica de</p><p>potência</p><p>Prof. Raphael de Souza dos Santos</p><p>Descrição</p><p>Tiristores e dispositivos semicondutores em circuitos eletrônicos de</p><p>potência; elementos com chaveamento eletrônico e outros de condução</p><p>por polarização, como SCRs, TRIACs e MOSFETs para o funcionamento</p><p>adequado dos circuitos em eletrônica de potência.</p><p>Propósito</p><p>Apresentar a utilização de dispositivos semicondutores chaveados e</p><p>mostrar sua importância na eletrônica de potência. O uso desses</p><p>elementos em circuitos controlados e de proteção é descrito em</p><p>detalhes, assim como suas aplicações.</p><p>Objetivos</p><p>Módulo 1</p><p>Tiristores e os modelos dos tipos SCR e TRIAC</p><p>Definir o conceito de tiristores com os modelos do tipo SCR e TRIAC.</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 1/59</p><p>Módulo 2</p><p>Dispositivos dos tipos MOSFET, GTO e IGBT</p><p>Descrever os dispositivos dos tipos MOSFET, GTO e IGBT.</p><p>Módulo 3</p><p>MCT e UJT</p><p>Definir os conceitos de MCT e de UJT.</p><p>Introdução</p><p>Confira um breve resumo dos principais conceitos sobre os</p><p>tiristores e a sua importância para a eletrônica de potência que</p><p>serão abordados neste conteúdo.</p><p>1 - Tiristores e os modelos dos tipos SCR e TRIAC</p><p></p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 2/59</p><p>Ao �nal deste módulo, você será capaz de de�nir o conceito de tiristores com os modelos do</p><p>tipo SCR e TRIAC.</p><p>Vamos começar!</p><p>Os tiristores e a sua importância para</p><p>a eletrônica de potência</p><p>Confira os principais pontos sobre o assunto que serão abordados ao</p><p>longo deste conteúdo.</p><p>De�nição de tiristores</p><p>Um tiristor é um dispositivo semicondutor de quatro camadas (p-n-p-n) e</p><p>três junções, das quais pelo menos três são junções do tipo p-n, o que</p><p>permite seu funcionamento como um interruptor elétrico para</p><p>operações de alta potência.</p><p>Os elementos classificados como tiristores possuem três terminais</p><p>básicos e, de maneira similar ao diodo, são definidos como:</p><p>1. Ânodo</p><p>2. Cátodo</p><p>3. Porta ou gatilho</p><p>O ânodo e o cátodo seguem as definições dos semicondutores do tipo</p><p>diodo, já a porta é montada nas camadas semicondutoras do</p><p>dispositivo, possibilitando a habilitação ou não do seu estado de</p><p>condução. Entre os tiristores destacamos:</p><p>SCR – Tiristor unidirecional controlado por pulso;</p><p>TRIAC – Tiristor bidirecional controlado por pulso;</p><p>GTO – Tiristor desligado pela porta;</p><p>MCT – Tiristor controlado po tensão;</p><p></p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 3/59</p><p>UJT – Transistor de unijunção.</p><p>Além desses dispositivos, outros elementos semicondutores bastante</p><p>utilizados em eletrônica de potência são:</p><p>MOSFET</p><p>Transistor de efeito de</p><p>campo semicondutor de</p><p>óxido metálico.</p><p>IGBT</p><p>Transistor bipolar de</p><p>porta isolada.</p><p>SCR</p><p>O retificador controlado de silício (Silicon Controlled Rectifier – SCR) é</p><p>um dispositivo semicondutor unidirecional feito de silício. Na prática, a</p><p>denominação SCR foi dada comercialmente ao tiristor pelo fabricante</p><p>General Electric Company, visto que ele é apenas denominado tiristor.</p><p>Essencialmente, o SCR é um dispositivo semicondutor de três terminais</p><p>e quatro camadas, que consistem em camadas alternadas de material</p><p>tipo p e tipo n (exatamente como a definição básica do tiristor).</p><p>Sendo assim, um SCR, apesar de ser visto como um tipo de tiristor, na</p><p>prática, consiste na definição do próprio elemento. Os demais</p><p>dispositivos representam derivações desse dispositivo desenvolvidas de</p><p>acordo com as necessidades dos circuitos.</p><p>O diagrama simbólico e o diagrama de circuito com as características</p><p>do SCR são mostrados na imagem a seguir:</p><p></p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 4/59</p><p>Camadas e simbologia de um SCR.</p><p>De maneira mais específica, um SCR pode ser visto como uma junção</p><p>de 2 transistores, como pode ser visto na imagem seguinte:</p><p>Ligação entre 2 transistores do tipo PNP e NPN.</p><p>É possível observar que um único SCR consiste na combinação de um</p><p>transistor PNP (Q1) e um transistor NPN (Q2). Na imagem acima:</p><p> Emissor de Q1</p><p>Atua como o terminal ânodo (A) do SCR.</p><p> Emissor de Q2</p><p>É seu cátodo (K).</p><p> Base de Q1</p><p>É conectada ao coletor de Q2 (N com N).</p><p> Coletor de Q1</p><p>É conectado à base de Q2 (P com P).</p><p> Terminal da porta do SCR (G)</p><p>Também está conectado à base de Q2.</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 5/59</p><p>A partir do circuito ilustrado a seguir, é possível observar que o ânodo e</p><p>o cátodo estão conectados à tensão de uma fonte alimentação de</p><p>maneira similar ao que é feito com um diodo.</p><p>Ligação de um SCR em um circuito com uma fonte de alimentação e uma carga.</p><p>No circuito da imagem, é possível observar a utilização de outra fonte de</p><p>alimentação secundária (V2) aplicada entre a porta e o terminal do</p><p>catodo do SCR no terminal denominado porta. Essa fonte é responsável</p><p>por fornecer uma corrente positiva para a porta quando a chave é</p><p>fechada.</p><p>Ao fornecer a alimentação e a corrente para a porta, obtemos as</p><p>características de tensão e corrente necessárias para o funcionamento</p><p>do SCR.</p><p>Modos básicos de operação</p><p>Há três modos básicos de operação, que serão discutidos em detalhes a</p><p>seguir, permitindo-nos entender as características gerais de um tiristor.</p><p></p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 6/59</p><p>Modo de bloqueio reverso</p><p></p><p>Modo de bloqueio direto (off-state)</p><p></p><p>Modo de condução direta (on-state)</p><p>Bloqueio reverso</p><p>No modo de bloqueio reverso do SCR, o cátodo é colocado em uma</p><p>tensão positiva em relação ao ânodo (tensão VAK negativa) e a tensão</p><p>de alimentação da porta para o cátodo é separada inicialmente,</p><p>mantendo a chave S aberta, como pode ser visto na imagem seguinte.</p><p>Ligação de um SCR em um circuito com polarização reversa (em bloqueio reverso).</p><p>Nesse modo, o SCR é reversamente polarizado, o que leva à polarização</p><p>reversa das junções PN (J1 e J3 da imagem seguinte). Por sua vez, essa</p><p>condição de polarização reversa das juntas proíbe o fluxo de corrente</p><p>através do dispositivo, apesar do fato de a junção J2 permanecer na</p><p>condição de polarização direta.</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 7/59</p><p>Junções de um SCR.</p><p>Nesse estado, o SCR se comporta como um diodo típico, ou seja, nessa</p><p>condição de polarização reversa, apenas a corrente de saturação</p><p>reversa flui através do dispositivo, como no caso de um diodo em</p><p>polarização reversa, que é mostrado na curva característica da imagem</p><p>a seguir na região denominada região de bloqueio reverso. O dispositivo</p><p>também exibe o fen��meno da ruptura reversa quando polarizado além</p><p>do limite de tensão de polarização reversa, assim como um diodo.</p><p>Curva de polarização reversa de um SCR.</p><p>O comportamento do SCR é semelhante ao de dois diodos conectados</p><p>em série com uma tensão reversa aplicada sobre eles. Como resultado,</p><p>apenas uma pequena corrente de fuga da ordem de alguns</p><p>microampères pode fluir através dele. Esse é o modo de bloqueio</p><p>reverso ou estado desligado do tiristor.</p><p>Nesse estado, caso a tensão reversa sobre o tiristor aumente, em uma</p><p>tensão específica, conhecida como tensão crítica de ruptura (limite de</p><p>tensão de polarização reversa), ocorrerá uma avalanche nas junções J1</p><p>e J3 e a corrente reversa aumentará rapidamente. Essa tensão é</p><p>conhecida como Tensão de Breakdown (VBR).</p><p>Uma grande corrente associada ao VBR dá origem</p><p>A está correta.</p><p>Considerações �nais</p><p>Neste conteúdo, abordamos os dispositivos empregados em circuitos</p><p>de chaveamento controlado, com especial atenção aos utilizados em</p><p>circuitos de potência.</p><p>A VA = 1,5V.</p><p>B VA = 1,0V.</p><p>C VA = 1,2V.</p><p>D VA = 2,0V.</p><p>E VA = 1,75V.</p><p>n =</p><p>RB1</p><p>RB1+RB2</p><p>n = 2</p><p>2+6 =</p><p>2</p><p>8 =</p><p>1</p><p>4</p><p>n = 0, 25</p><p>VA = VBB×</p><p>RB1</p><p>RB1+RB2</p><p>VA = VBB× 0, 25</p><p>VA = 6 × 0, 25</p><p>VA = 1, 5V</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 57/59</p><p>Discutimos os SCRs e os TRIACs, caracterizados por possuírem três</p><p>terminais e capacidade de serem ligados por um disparo no terminal</p><p>denominado porta ou gatilho. Um diferencial entre os SCRs e os TRIACs</p><p>é a capacidade destes últimos conduzirem corrente de maneira</p><p>bidirecional. Por essa razão, os TRIACs não possuem denominações</p><p>como ânodo e cátodo, mas terminais 1 e 2.</p><p>Em seguida, debatemos os dispositivos semicondutores controlados,</p><p>utilizados em circuitos de potência, como os PMOSFETs, GTOs e os</p><p>IGBTs. Além de apresentarem boas velocidades de comutação, esses</p><p>dispositivos podem ser utilizados em níveis mais elevados de tensão e</p><p>corrente, além de permitirem o desligamento pela porta, como no caso</p><p>dos GTOs. Também cabe destacar que, embora as estruturas dos</p><p>MOSFETs normais e dos de potência (PMOSFETs) sejam diferentes, o</p><p>princípio básico por trás de seu funcionamento permanece inalterado.</p><p>Ou seja, em ambos a formação do canal de condução é a mesma, que</p><p>nada mais é do que a polarização adequada aplicada no terminal da</p><p>porta resultando em uma camada de inversão.</p><p>Por fim, abordamos os MCTs e UJTs. Além das características</p><p>construtivas desses componentes, comportando dezenas, centenas ou</p><p>até milhares de elementos mais simples, eles possuem excelentes</p><p>características de condutividade (baixa perda), rápida comutação e</p><p>capacidade de desligamento pela porta.</p><p>Podcast</p><p>Agora, o especialista encerra o tema falando sobre os principais tópicos</p><p>abordados.</p><p></p><p>Explore +</p><p>Além dos transistores do tipo enriquecimento, existem os transistores</p><p>MOSFET do tipo depleção. Esses MOSFETs são capazes de apresentar</p><p>uma condução de corrente mesmo quando a tensão entre a Porta e a</p><p>Fonte (VGS) é nula. Isso indica que esses dispositivos conduzem</p><p>corrente mesmo quando o terminal da porta não é polarizado. Nessa</p><p>condição, para o transistor do tipo depleção do canal N, a corrente</p><p>através do MOSFET aumenta com o aumento do valor de VDS até que a</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 58/59</p><p>tensão se torne igual à tensão limiar. Pesquise alguns sites, como Viver</p><p>de Elétrica e busque por artigos sobre dispositivos semicondutores e</p><p>suas diversas aplicações.</p><p>Referências</p><p>BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos. São Paulo:</p><p>Pearson Universidades, 2013.</p><p>HODGES, D. A. Darlington's contributions to transistor circuit design.</p><p>IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and</p><p>Applications, v. 46, n. 1, p. 102-104, 1999.</p><p>KRUGER, T. P. Disciplina de Eletrônica Geral I. Itajaí, SC: Instituto Federal</p><p>de Santa Catarina, 2017.</p><p>POMILIO, J. A. Fontes chaveadas. Publicaçao FEEC, v. 13, p. 95, 2008.</p><p>SEDRA, A. S.; SMITH, K. C. Microeletrônica. Pearson Prentice Hall, 2007.</p><p>TEIXEIRA, H. T.; TAVARES, M. F.; PEREIRA, R. V. M. Sistemas digitais.</p><p>Londrina, PR: Editora e Distribuidora Educacional, 2017.</p><p>TOCCI, R. J.; WIDMER, N. S. Sistemas Digitais. 8. ed. São Paulo: Pearson,</p><p>2003.</p><p>Material para download</p><p>Clique no botão abaixo para fazer o download do</p><p>conteúdo completo em formato PDF.</p><p>Download material</p><p>O que você achou do conteúdo?</p><p>Relatar problema</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 59/59</p><p>javascript:CriaPDF()</p><p>a mais perdas no</p><p>SCR, o que resulta em aquecimento (Efeito Joule). Isso pode levar a</p><p>danos no tiristor, já que a temperatura da junção pode exceder a</p><p>temperatura máxima permitida.</p><p>Deve-se, portanto, garantir que a tensão reversa máxima de trabalho em</p><p>um tiristor não exceda VBR. Quando a tensão reversa aplicada em um</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 8/59</p><p>tiristor é menor que VBR, o dispositivo semicondutor oferece uma</p><p>impedância muito alta na direção reversa. O SCR no modo de bloqueio</p><p>reverso pode, portanto, ser tratado como circuito aberto.</p><p>Bloqueio direto</p><p>Na condição de bloqueio direto, uma polarização positiva é aplicada ao</p><p>SCR por meio da conexão do terminal anódico (A) ao polo positivo da</p><p>fonte e do terminal catódico (K) ao polo negativo da bateria, conforme</p><p>mostrado na imagem seguinte:</p><p>Ligação de um SCR em bloqueio direto.</p><p>Nessa condição de polarização, as junções J1 e J3 (conforme ilustrado</p><p>na imagem “Junções de um SCR”) são polarizadas diretamente e a</p><p>junção J2 fica polarizada reversamente. Enquanto a porta for mantida</p><p>em condição desligada (chave aberta), a condição de polarização direta</p><p>se mantém, mas a corrente do circuito também não pode atravessar o</p><p>SCR, exceto a pequena corrente que flui como corrente de saturação</p><p>(corrente de fuga), conforme mostrado pela curva características da</p><p>imagem a seguir:</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 9/59</p><p>Curva de polarização direta com bloqueio de um SCR.</p><p>Como é possível observar na imagem “Junções de um SCR”, as junções</p><p>J1 e J3 agora estão polarizadas diretamente, mas a junção J2 está na</p><p>condição de polarização reversa. Nesse modo de polarização, uma</p><p>pequena corrente de fuga direta pode fluir inicialmente, como mostrado</p><p>na imagem “Curva de polarização direta com bloqueio de um SCR”, que</p><p>ilustra a características do SCR.</p><p>Entretanto, se a tensão do ânodo continuar aumentando com a</p><p>condição de polarização direta para o cátodo (a tensão VAK continuar</p><p>aumentando), o SCR pode entrar em condição de condução de correntes</p><p>do ânodo para o cátodo com uma queda de tensão muito pequena</p><p>através dele (limite da tensão de polarização direta). Isso se deve à</p><p>superação da tensão de ruptura direta ou tensão de breakover, como</p><p>será visto na condição de condução direta.</p><p>Condução direta</p><p>Um SCR pode ser trazido do modo de bloqueio direto para o modo de</p><p>condução direta de duas maneiras:</p><p></p><p>Aumentando-se a tensão positiva aplicada no terminal do ânodo (A)</p><p>para o cátodo (K) além da tensão de ruptura, ou seja, excedendo-se a</p><p>sobretensão de interrupção direta.</p><p></p><p>Aplicando-se uma tensão positiva no terminal da porta (G), ou seja,</p><p>aplicando-se um pulso na porta (terminal entre a porta e o cátodo).</p><p>Nesse modo, o SCR está no estado ligado e se comporta como uma</p><p>chave fechada. A queda de tensão através do tiristor no estado ligado é</p><p>da ordem de 1V a 2V, maior do que o diodo de silício, cuja queda é de</p><p>0,7V.</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 10/59</p><p>Nessa condição de condução, a junção J2, que está polarizada</p><p>reversamente, entrará em condição de condução forçada por meio de</p><p>um efeito de avalanche (corrente de avalanche) após um nível de tensão</p><p>chamado tensão de ruptura direta (tensão de breakover), na região do</p><p>limite de tensão de polarização direta do SCR, como pode ser visto na</p><p>imagem a seguir:</p><p>Curva característica de polarização na condução direta de um SCR.</p><p>Se a tensão de polarização direta for mantida menor que a tensão de</p><p>ruptura direta e sem um pulso de condução na porta, será possível</p><p>observar na curva característica do SCR que o dispositivo oferece uma</p><p>alta impedância sem entrar em condição de condução. Assim, o tiristor</p><p>opera como uma chave aberta durante o modo de bloqueio direto.</p><p>É importante destacar que o SCR também pode ser ligado em um nível</p><p>de tensão muito menor que a tensão de ruptura direta, por meio da</p><p>aplicação de uma pequena tensão positiva no terminal da porta ou</p><p>gatilho (G), como pode ser visto na imagem seguinte:</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 11/59</p><p>Ligação de um SCR em condução direta.</p><p>Ao aplicar uma tensão positiva no terminal da porta, o transistor Q2 liga</p><p>e sua corrente de coletor flui para a base do transistor Q1, como pode</p><p>ser visto na imagem a seguir:</p><p>Estrutura interna de um SCR em condição de condução.</p><p>Essa condução de corrente para a base de Q1 faz com que esse</p><p>transistor ligue, o que resulta no fluxo de sua corrente de coletor para a</p><p>base de Q2. Isso faz com que o transistor fique saturado (em condição</p><p>de condução).</p><p>Sendo assim, entre os métodos de disparo de um SCR pode-se destacar:</p><p>Disparo por sobretensão</p><p>Quando a tensão de polarização direta supera a tensão limite</p><p>de polarização direta.</p><p>Disparo por variação de tensão</p><p>Quando mesmo sem um pulso na porta (gatilho), uma variação</p><p>de tensão muito grande pode produzir uma corrente resultante</p><p>de condução grande o suficiente para disparar o SCR.</p><p>Para evitar o disparo por variação de tensão de maneira acidental utiliza-</p><p>se um circuito denominado snubber formado por um capacitor em série</p><p>com um resistor conectados em paralelo com o SCR, como pode ser</p><p>visto na imagem seguinte:</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 12/59</p><p>Circuito snubber.</p><p>É importante observar que a condição de condução do SCR não pode</p><p>ser interrompida mesmo com a remoção da polarização aplicada no</p><p>terminal da porta, desde que a corrente através do SCR seja mantida</p><p>maior que a corrente mínima de condução do dispositivo.</p><p>A corrente de condução mínima (também denominada corrente de</p><p>travamento) é definida como a corrente mínima necessária para manter</p><p>o SCR em estado de condução mesmo após a remoção do pulso da</p><p>porta. Nesse estado, diz-se que o SCR está “travado” e não há meios de</p><p>limitar a corrente pelo dispositivo, a não ser por meio do uso de uma das</p><p>técnicas de desligamento do circuito.</p><p>Saiba mais</p><p>Também é possível ligar um SCR por meio de um aumento na sua</p><p>temperatura, tendo em vista que a corrente da junção reversamente</p><p>polarizada é fortemente dependente da temperatura. Essa depedência</p><p>faz com que o SCR também possa ser ligado por uma fonte de luz muito</p><p>intensa ou por radiação.</p><p>Entre as diferentes técnicas de desligamento podemos citar:</p><p>Comutação natural</p><p>Quando a corrente de</p><p>ânodo se torna menor</p><p>do que a corrente de</p><p>manutenção (corrente</p><p>de condução mínima).</p><p>Comutação forçada</p><p>Quando o SCR é</p><p>colocado</p><p>temporariamente em</p><p>uma condição de curto-</p><p>circuito.</p><p>Basicamente, todas essas técnicas têm por objetivo reduzir a corrente</p><p>anódica para um nível abaixo da corrente de retenção.</p><p></p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 13/59</p><p>Em geral, os SCRs têm alta velocidade de comutação e podem lidar com</p><p>fluxos de corrente intenso. Isso torna o SCR ideal para muitas</p><p>aplicações, como:</p><p>Circuitos de comutação de energia (para AC e DC);</p><p>Circuitos de comutação de tensão zero;</p><p>Circuitos de proteção contra sobretensão;</p><p>Retificadores controlados;</p><p>Inversores de frequência (incluindo luzes, motores etc.);</p><p>Relés de travamento;</p><p>Circuitos lógicos;</p><p>Unidades de comutação;</p><p>Controladores acionados por ângulo de fase;</p><p>Circuitos de temporização.</p><p>Exemplo de circuito com SCR</p><p>Considerando o circuito da imagem a seguir, que utiliza um SCR</p><p>alimentado por uma fonte de corrente contínua na energização</p><p>de uma</p><p>lâmpada, determine a resistência de limitação da corrente na porta</p><p>(gatilho) do tiristor. Considere que a tensão na porta deverá ser de</p><p>e a corrente na porta não deverá ultrapassar os .</p><p>Circuito de acionamento de um SCR.</p><p>0, 6V</p><p>(IG) 200μA</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 14/59</p><p>Para que o disparo do SCR aconteça, uma corrente minimamente igual à</p><p>corrente da porta deverá ser aplicada. Além disso, uma tensão superior</p><p>à tensão VGT deverá ser aplicada sobre o gatilho. Sendo assim:</p><p>Desse modo, uma resistência de no máximo 57kΩ deverá ser utilizada,</p><p>já que valores maiores levarão a uma corrente menor circulando na</p><p>porta (gatilho).</p><p>TRIAC</p><p>Um TRIAC pode ser definido como um interruptor de três terminais, que</p><p>difere do SCR por permitir a condução de corrente em ambas as</p><p>direções, ou seja, quando um sinal for aplicado na porta, o TRIAC</p><p>conduzirá. Assim, esse dispositivo pode ser utilizado, por exemplo, em</p><p>sistemas de corrente alternada (AC), como um interruptor. Dessa</p><p>maneira, o TRIAC é definido:</p><p>como um dispositivo semicondutor bidirecional de três</p><p>terminais e quatro camadas;</p><p>com potência máxima, disponível no mercado, limitada a 16kW.</p><p>A imagem a seguir mostra o símbolo do TRIAC, que possui dois</p><p>terminais principais MT1 e MT2 conectados em paralelo inverso e um</p><p>terminal de porta.</p><p>VFonte − VR1− VGT = 0</p><p>VR1 = VFonte − VGT</p><p>VR1 = 12 − 0, 6 = 11, 4V</p><p>VR1 = R1 ⋅ IR1</p><p>R1 =</p><p>VR1</p><p>IR1</p><p>R1 =</p><p>11, 4</p><p>200 × 10−6</p><p>= 57kΩ</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 15/59</p><p>Símbolo do TRIAC.</p><p>Operação de um TRIAC</p><p>Para ilustrar a construção de um TRIAC, pode-se imaginar a ligação de</p><p>dois SCRs em antiparalelo com o terminal da porta (gatilho) em comum,</p><p>como pode ser visto na imagem a seguir:</p><p>Estrutura de um TRIAC.</p><p>O terminal da porta é conectado às regiões N e P, motivo pelo qual o</p><p>sinal a ser aplicado na porta para “ligar” o TRIAC é independente de</p><p>polaridade.</p><p>O TRIAC não possui ânodo e catodo, pois funciona com polaridades nos</p><p>dois sentidos, o que significa que é um dispositivo bilateral. Sendo</p><p>assim, ele consiste em três terminais:</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 16/59</p><p>A imagem “Estrutura de um TRIAC”, mostra a construção de um TRIAC,</p><p>na qual podem ser observados os dois terminais principais, MT1 e MT2</p><p>e o terminal da porta.</p><p>Funcionamento do TRIAC</p><p>O TRIAC pode ser “ligado” de maneiras muito similares as do SCR:</p><p>Com aplicação de uma tensão entre seus terminais mais alta do</p><p>que a tensão de ruptura (tensão de breakover). Isso ocorre</p><p>mesmo sem que um pulso no gatilho seja dado;</p><p>Com a aplicação de um pulso de corrente na porta (gatilho) por</p><p>no mínimo 35 microssegundos. Essa forma de disparo é</p><p>fundamental quando a tensão aplicada sobre o TRIAC é menor</p><p>que a tensão de interrupção;</p><p>Com uma variação brusca de tensão.</p><p>De maneira similar ao que ocorre com o SCR, o TRIAC também pode ser</p><p>“ligado” por aumento de temperatura ou fontes intensas de radiação.</p><p>Como acontece com o SCR, uma queda de tensão de 1 a 2V sobre o</p><p>TRIAC ocorre em sua condição de condução.</p><p>Como os pulsos para disparo de um TRIAC podem ser positivos ou</p><p>negativos, devido à topologia do TRIAC, temos os seguintes modos de</p><p>disparo:</p><p>MT2 e a porta são positivos em relação ao MT1</p><p>Nesse caso, a corrente flui pelo caminho P1-N1-P2-N2, tendo</p><p>em vista que P1-N1 e P2-N2 são polarizados diretamente, mas</p><p>N1-P2 é polarizado reversamente. Diz-se que o TRIAC é</p><p>operado na região positivamente polarizada. A porta positiva</p><p>em relação ao MT1 polariza diretamente P2-N2 e ocorre a</p><p>ruptura.</p><p> Terminal principal 1 (MT1)</p><p> Terminal principal 2 (MT2)</p><p> Terminal de porta (G)</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 17/59</p><p>MT2 e a porta são negativos em relação ao MT1</p><p>Nesse caso, a corrente flui pelo caminho P2-N1-P1-N4. Duas</p><p>junções P2-N1 e P1-N4 são polarizadas diretamente, mas a</p><p>junção N1-P1 é polarizada reversamente. Diz-se que o TRIAC</p><p>está na região negativamente polarizada. O MT2 é negativo,</p><p>mas o portão é positivo em relação ao MT1, assim, P2-N2 é</p><p>polarizado diretamente.</p><p>MT2 é positivo, mas a porta é negativa em relação ao</p><p>MT1</p><p>Nesse caso, a corrente flui pelo caminho P1-N1-P2-N2. Como</p><p>P2-N3 é polarizado diretamente, os portadores de corrente são</p><p>injetados através de P2 no TRIAC.</p><p>A sensibilidade do disparo nos dois últimos modos é alta e, caso seja</p><p>necessário um disparo, pulsos negativos na porta devem ser utilizados.</p><p>O acionamento no modo 1 é o mais sensível de todos.</p><p>Características de um TRIAC</p><p>As características do TRIAC são semelhantes as do SCR, mas são</p><p>aplicáveis tensões positivas e negativas. Os quadrantes de operação</p><p>podem ser vistos na imagem seguinte:</p><p>Quadrantes de operação de um TRIAC.</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 18/59</p><p>As operações nos quadrantes podem ser resumidas da seguinte</p><p>maneira:</p><p>A tensão no terminal MT2 é positiva em relação ao terminal MT1.</p><p>A tensão na porta também é positiva em relação ao primeiro</p><p>terminal (MT1).</p><p>A tensão no terminal 2 (MT2) é positiva em relação ao terminal 1</p><p>e a tensão na porta é negativa em relação ao terminal 1.</p><p>A tensão do terminal 1 é positiva em relação ao terminal 2 e a</p><p>tensão da porta é negativa.</p><p>A tensão do terminal 2 é negativa em relação ao terminal 1 e a</p><p>tensão da porta é positiva. Quando o TRIAC é “ligado” a corrente</p><p>que flui através dele pode ultrapassar seu limite de operação e</p><p>danificar o dispositivo. Por essa razão, para limitar a corrente, um</p><p>resistor limitador de corrente deve ser conectado em série com</p><p>ele.</p><p>Uma vantagem no uso dos TRIACS é que, ao aplicar um sinal adequado</p><p>na porta, o ângulo de disparo do dispositivo pode ser controlado, ou</p><p>seja, o momento (ângulo) em que o TRIAC será disparado durante o</p><p>período de um sinal alternado pode ser administrado, como pode ser</p><p>visto na imagem a seguir:</p><p>Operação do Primeiro Quadrante do TRIAC </p><p>Operação do Segundo Quadrante do TRIAC </p><p>Operação do Terceiro Quadrante do TRIAC </p><p>Operação do Quarto Quadrante do TRIAC </p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 19/59</p><p>Sinal alternado senoidal.</p><p>Os circuitos de disparo da porta devem ser usados para controlar o</p><p>disparo de forma adequada, permitindo selecionar em qual momento o</p><p>TRIAC será “ligado”. É possível utilizar um DIAC para acionar o pulso de</p><p>disparo da porta.</p><p>Vantagens e desvantagens de um</p><p>TRIAC</p><p>Os TRIACs, na na utilização de circuitos de potência, apresentam</p><p>grandes:</p><p>Vantagens do TRIAC</p><p>São possíveis ser</p><p>acionados com</p><p>polaridade positiva ou</p><p>negativa de pulsos na</p><p>porta, podem conduzir</p><p>nos dois sentidos,</p><p>portanto requer único</p><p>dissipador de calor</p><p>(tamanho ligeiramente</p><p>grande), para utilização</p><p>de 2 SCRs, dois</p><p>dissipadores de calor</p><p>são necessários e</p><p>requer único dispositivo</p><p>proteção.</p><p>Desvantagens do TRIAC</p><p>São menos confiáveis</p><p>em comparação com os</p><p>SCRs, suportam menos</p><p>variações de tensão</p><p>quando comparados</p><p>com os SCRs e é</p><p>necessário cuidado</p><p>com os circuitos de</p><p>disparo, tendo em vista</p><p>que o TRIAC pode ser</p><p>acionado em qualquer</p><p>direção.</p><p>Utilizações típicas do TRIAC:</p><p>Circuitos de controle;</p><p>Comutação de cargas;</p><p>Controle de energia AC.</p><p>Exemplo de circuito com TRIAC</p><p>Considere o circuito com TRIAC da imagem seguinte. Determine o valor</p><p>da resistência RX, em função da corrente da porta (corrente de disparo -</p><p>IGT):</p><p></p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores</p><p>usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 20/59</p><p>Circuito com um TRIAC.</p><p>Dados: e .</p><p>Pela Lei dos Nós é possível afirmar que a corrente na porta é igual a:</p><p>A corrente na resistência RX é igual a:</p><p>A corrente na resistência de 1k ohm pode ser calculada como:</p><p>Então, a equação das correntes pode ser reescrita como:</p><p>IGT = 50mA VGT = 2, 0V</p><p>IRX</p><p>= I1K + IPORTA</p><p>VFonte − VRX</p><p>− VPORTA  = 0</p><p>VRX</p><p>= VFonte − VPORTA</p><p>RXIRX</p><p>= VFonte − VPORTA</p><p>IRX =</p><p>VFonte − VPORTA</p><p>RX</p><p>V1K = VPORTA</p><p>R. I1K = VPORTA</p><p>I1K = VPORTA</p><p>R</p><p>IRX</p><p>= I1K + IPORTA</p><p>VFonte − VPORTA</p><p>RX</p><p>=</p><p>VPORTA</p><p>R</p><p>+ IPORTA</p><p>VFonte − VPORTA</p><p>RX</p><p>=</p><p>VPORTA</p><p>R</p><p>+ IPORTA</p><p>VFonte − VPORTA</p><p>RX</p><p>=</p><p>VPORTA+R ⋅ IPORTA</p><p>R</p><p>RX = (VFonte − VPORTA ) ⋅</p><p>R</p><p>VPORTA+R ⋅ IPORTA</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 21/59</p><p>Falta pouco para atingir seus objetivos.</p><p>Vamos praticar alguns conceitos?</p><p>Questão 1</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 22/59</p><p>Considere o circuito da imagem a seguir. Determine a corrente de</p><p>disparo do SCR, sabendo que a tensão na porta deverá ser de 0,6V e</p><p>a resistência de limitação da corrente na porta será de :</p><p>Parabéns! A alternativa D está correta.</p><p>Questão 2</p><p>Considere o circuito com TRIAC da imagem a seguir. Determine o</p><p>valor da tensão de disparo, sabendo que a corrente na resistência</p><p>é igual a e a corrente na porta é igual a :</p><p>45, 6kΩ</p><p>A 100μA.</p><p>B 200μA.</p><p>C 150μA.</p><p>D 250μA.</p><p>E 300μA.</p><p>VFonte − VR1− VGT = 0</p><p>VR1 = VFonte − VGT</p><p>VR1 = 12 − 0, 6 = 11, 4V</p><p>VR1 = R1 ⋅ IR1</p><p>IR1 =</p><p>VR1</p><p>R1</p><p>R1 =</p><p>11,4</p><p>45,6k =</p><p>11,4</p><p>45600 = 250μA</p><p>Rx 100mA 50μA</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 23/59</p><p>Parabéns! A alternativa A está correta.</p><p>Pela Lei dos Nós é possível afirmar que a corrente na porta é igual</p><p>a:</p><p>A tensão na porta é igual a tensão na resistência de 100 K ohm e</p><p>pode ser calculada como:</p><p>A 5V.</p><p>B 1V.</p><p>C 0,5V.</p><p>D 10V.</p><p>E 15V.</p><p>IRX</p><p>= I1K + IPORTA</p><p>I1K = IRX</p><p>− IPORTA</p><p>I1K = 100mA− 50μA</p><p>I1K = 50μA</p><p>V1K = VPORTA</p><p>VPORTA  = R. I1K</p><p>VPORTA = 100K. I1K</p><p>VPORTA = 100000.50μ</p><p>VPORTA  = 5V</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 24/59</p><p>2 - Dispositivos dos tipos MOSFET, GTO e IGBT</p><p>Ao �nal deste módulo, você será capaz de descrever os dispositivos dos tipos MOSFET, GTO e</p><p>IGBT.</p><p>Vamos começar!</p><p>Os transistores de efeito de campo</p><p>de potência</p><p>Confira os principais pontos sobre o assunto que serão abordados ao</p><p>longo deste conteúdo.</p><p>Os transistores PMOSFET</p><p>A denominação MOSFET significa transistor de efeito de campo de</p><p>semicondutor de óxido metálico ou Metal Oxide Semiconductor Field</p><p>Effect Transistor. O MOSFET é um dispositivo transistorizado operado</p><p>por capacitor.</p><p>Os transistores do tipo MOSFET adaptados para circuitos de potência</p><p>são denominados de MOSFETs de potência ou PMOSFETs.</p><p></p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 25/59</p><p>Nos circuitos transistorizados com PMOSFET, o capacitor desempenha</p><p>um papel essencial na operação do transistor. O capacitor de</p><p>desacoplamento garante uma baixa impedância de alimentação,</p><p>permitindo uma entrega rápida de corrente para a porta do PMOSFET e</p><p>uma comutação rápida. Sem o capacitor, a tensão de alimentação</p><p>atuará lentamente, potencialmente não ligando o PMOSFET por</p><p>completo até que a tensão de alimentação se estabilize.</p><p>O MOSFET também é denominado transistor de efeito de campo de</p><p>porta isolada (IGFET) ou transistor de efeito de campo de isolador de</p><p>metal (MIFET). Uma ilustração da estrutura interna de um MOSFET pode</p><p>ser vista na imagem seguinte:</p><p>Estrutura interna de um MOSFET: MOSFET tipo N e MOSFET tipo P.</p><p>A distribuição de materiais com dopagens diferentes nos terminais e na</p><p>porta permitem os diferentes modos de operação do transistor.</p><p>Princípio de funcionamento</p><p>O MOSFET de potência (PMOSFET) é um tipo de MOSFET</p><p>especialmente destinado a lidar com altos níveis de potência. Eles</p><p>exibem alta velocidade de comutação e podem funcionar muito melhor</p><p>em comparação com outros MOSFETs normais no caso de baixos níveis</p><p>de tensão. No entanto, seu princípio de funcionamento é semelhante ao</p><p>de qualquer outro MOSFET geral.</p><p>Atenção!</p><p>Os MOSFETs de potência que são mais amplamente usados são o</p><p>modo de aprimoramento de canal N ou o modo de aprimoramento de</p><p>canal P ou o modo de esgotamento de canal N na natureza.</p><p>Além disso, há uma grande variedade de estruturas MOSFET de</p><p>potência como MOS Difuso Vertical (VDMOS) ou MOS ou DMOS de</p><p>Difusão Dupla, UMOS ou Trench-MOS, VMOS, entre outros. A imagem a</p><p>seguir mostra um VDMOS N-substrato feito de N-substrato e uma</p><p>camada N-epitaxial na qual as regiões P e N+ são incorporadas usando</p><p>o processo de dupla difusão.</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 26/59</p><p>Estrutura interna de um PMOSFET com substrato do tipo N.</p><p>Os PMOSFETs são dispositivos: possuem três terminais: dreno, fonte e</p><p>porta, unipolares, controlados por tensão e de alta impedância de</p><p>entrada.</p><p>São utilizados em uma grande variedade de circuitos eletrônicos. Esses</p><p>dispositivos podem ser classificados em dois tipos baseados em seu:</p><p>1. Tipo de depleção</p><p>2. Tipo de aprimoramento.</p><p>De maneira resumida, qualquer PMOSFET exibe três regiões de</p><p>operação: região de corte, região linear e região de saturação.</p><p>Modos de operação</p><p>Os modos de operação de um PMOSFET dependem da maneira como</p><p>seus terminais são polarizados. O símbolo utilizado na representação</p><p>dos MOSFETs pode ser visto na imagem seguinte:</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 27/59</p><p>Símbolo de um PMOSFET.</p><p>Região de corte</p><p>A região de corte consiste em uma região na qual o PMOSFET estará</p><p>desligado, pois não haverá fluxo de corrente através dele.</p><p>Nesta região, os PMOSFETs se comportam como uma chave aberta e,</p><p>portanto, podem ser utilizados como chaves eletrônicas.</p><p>A imagem seguinte mostra a curva característica que relaciona a</p><p>corrente entre o dreno (D) e a fonte (S ou Source) – IDS e a tensão entre</p><p>a porta (G ou Gate) e a fonte – VGS de um PMOSFET do tipo N.</p><p>Curvas características de um MOSFET tipo N.</p><p>A região linear também é conhecida como região resistiva, pela relação</p><p>quase direta entre a corrente de dreno e a tensão entre dreno e fonte.</p><p>É possível observar que a corrente através do dispositivo será nula</p><p>(zero) até que a tensão VGS ultrapasse o valor da tensão limite (VT). Isso</p><p>ocorre porque, nesse estado, o dispositivo ficará sem um canal de</p><p>ligação entre o dreno e a fonte.</p><p>Nessa condição, mesmo com um aumento significativo da tensão entre</p><p>o dreno e a fonte (VDS) não resultará em um fluxo de corrente, como</p><p>pode ser observado na imagem Curvas características de um “MOSFET</p><p>tipo N”. É possível verificar que o PMOSFET estará na região de corte.</p><p>De maneira similar, para um PMOSFET do tipo P, imagem “MOSFET tipo</p><p>N”, são exibidas as características do transistor para condução de</p><p>corrente em função das tensões aplicadas sobre ele.</p><p>É possível observar que a corrente IDS permanece em zero até que a</p><p>tensão VGS se torne igual a -VT.</p><p>Região linear</p><p>A região ôhmica ou linear é uma região onde o IDS atual aumenta com o</p><p>aumento do valor de VDS. Quando os PMOSFETs são feitos para operar</p><p>nessa região, eles podem ser usados como amplificadores.</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados</p><p>em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 28/59</p><p>Nessa região, para um PMOSFET do tipo N, é possível observar que a</p><p>corrente entre o dreno e a fonte (IDS) amplia com o aumento da tensão</p><p>entre o dreno e a fonte (VDS) de maneira linear.</p><p>De maneira complementar, para um transistor do tipo P, com a redução</p><p>da tensão (-VT), um canal entre o dreno e a fonte é desenvolvido e uma</p><p>corrente reversa é formada, cuja intensidade aumenta com a redução do</p><p>valor de VDS. Assim, é possível observar que o transistor está</p><p>funcionando em sua região linear.</p><p>Região de saturação</p><p>Na região de saturação, os PMOSFETs têm seu IDS constantes apesar</p><p>de um aumento no VDS e ocorre quando o VDS excede o valor da tensão</p><p>de pinch-off ou tensão de saturação (VP), definida pela diferença entre a</p><p>tensão entre a porta e fonte (VGS) e a tensão limiar (VT):</p><p>Ou seja, quando a condição abaixo é estabelecida:</p><p>Nessa condição, o dispositivo atuará como uma chave fechada através</p><p>da qual flui um valor saturado de IDS. Como resultado, essa região de</p><p>operação é escolhida sempre que os PMOSFETs são necessários para</p><p>realizar operações de comutação.</p><p>O PMOSFET entra nessa região quando a tensão VGS ultrapassa o valor</p><p>da tensão VT e a corrente através do dispositivo amplia com o aumento</p><p>da corrente entre o dreno e a fonte (IDS). O PMOSFET, inicialmente,</p><p>encontra-se na região linear e, então, entra na região de saturação para</p><p>determinado valor de tensão entre o dreno e a fonte (VDS).</p><p>De maneira complementar, há um aumento na tensão VGS para uma</p><p>ampliação na corrente de saturação, entre o dreno e a fonte, que flui</p><p>pelo dispositivo (IDSS), como pode ser observado na imagem “Curvas</p><p>características de um MOSFET tipo N (b)”. Assim, é possível observar</p><p>que:</p><p>IDSS2 > IDSS1</p><p>quando VGS2 > VGS1 e IDSS3 > IDSS2</p><p>quando VGS3 > VGS2 e assim sucessivamente.</p><p>É interessante observar que o valor da tensão limiar entre as regiões</p><p>linear e de saturação também aumenta com o aumento de VGS.</p><p>VP = VGS − VT</p><p>VDS ≥ VGS − VT</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 29/59</p><p>Na medida em que a tensão VDS se torna igual à tensão limiar, de</p><p>maneira similar ao que ocorre no transistor tipo N, o transistor entra na</p><p>região de saturação de corrente, conforme o valor VGS.</p><p>Além disso, deve-se notar que o valor da corrente de saturação que flui</p><p>através do dispositivo aumenta à medida que o VGS se torna cada vez</p><p>mais negativo, ou seja, a corrente de saturação para VGS3 possui maior</p><p>intensidade do que para VGS2 e a corrente de saturação para VGS4 é</p><p>maior em intensidade do que para VGS3.</p><p>Os PMOSFETs são amplamente utilizados como: parte de fontes de</p><p>alimentação, conversores DC-DC e controladores de motores de baixa</p><p>tensão.</p><p>GTO - Tiristor comutável pela porta</p><p>(gate turn off thyristor)</p><p>Embora o tiristor seja amplamente utilizado em aplicações de alta</p><p>potência, esse dispositivo semicondutor sempre teve seu uso limitado</p><p>por ser um dispositivo semicontrolado. Isso ocorre porque, mesmo</p><p>podendo ser ligado por meio de um sinal enviado por um circuito de</p><p>disparo para a porta, ele não pode ser desligado da mesma maneira,</p><p>sendo necessário, por exemplo, interromper a corrente principal do</p><p>circuito utilizando-se um circuito de comutação.</p><p>No caso de circuitos de conversão de corrente contínua em corrente</p><p>contínua (CC para CC) e corrente contínua para corrente alternada (CC</p><p>para CA), isso se torna uma deficiência grave com o uso dos tiristores</p><p>convencionais devido à ausência de corrente natural zero (como no</p><p>caso de circuitos CA). Assim, o desenvolvimento do tiristor comutável</p><p>pela porta (gate turn off thyristor – GTO) foi construído para resolver o</p><p>principal problema do tiristor, garantindo o mecanismo de desligamento</p><p>pelo terminal do gate.</p><p>Um tiristor com desligamento pela porta ou GTO é um dispositivo de</p><p>comutação semicondutor bipolar com três terminais. Semelhante ao</p><p>tiristor convencional, os terminais de um GTO são:</p><p>1. Ânodo</p><p>2. Cátodo</p><p>3. Porta</p><p>Como mostrado na imagem a seguir, o GTO, embora parecido com um</p><p>SCR, tem capacidade de desligar o portão:</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 30/59</p><p>Símbolos utilizados na representação de um GTO.</p><p>Esses dispositivos semicondutores são capazes não apenas de ligar a</p><p>corrente principal com um circuito de acionamento na porta, mas</p><p>também de desligá-la. Uma pequena corrente positiva na porta aciona o</p><p>GTO, coloca o semicondutor em modo de condução, e ele também é</p><p>capaz de ser desligado por um pulso negativo na porta.</p><p>Na imagem anterior, é possível observar que a porta possui setas duplas</p><p>que distinguem o GTO de um SCR normal. Isso indica o fluxo de corrente</p><p>bidirecional através do terminal da porta. A corrente de porta necessária</p><p>para desligar o GTO é relativamente alta.</p><p>Exemplo</p><p>Um GTO que possua como especificações uma tensão de 4000V e uma</p><p>corrente de 3000A pode precisar de uma corrente de -750A de corrente</p><p>na porta para desligá-lo. Portanto, o ganho de desligamento típico de um</p><p>GTO está na faixa de 4 a 5 vezes a sua corrente. Devido a essa grande</p><p>corrente negativa na porta, os GTOs são usados em aplicações de baixa</p><p>potência. Entretanto, durante o estado de condução, o GTO se comporta</p><p>exatamente como um SCR com uma pequena queda de tensão no</p><p>estado ON. O GTO tem uma velocidade de comutação mais rápida do</p><p>que o SCR e tem classificações de tensão e corrente mais altas do que</p><p>os transistores de potência.</p><p>Opções diversificadas de GTOs estão disponíveis no mercado com</p><p>capacidades de tensão assimétrica e simétrica. GTOs com capacidades</p><p>idênticas de bloqueio direto e reverso são chamados de GTOs</p><p>simétricos (S-GTOs).</p><p>Esses modelos são usados em inversores de fontes de corrente, mas</p><p>são um pouco mais lentos que os não simétricos. Os GTOs assimétricos</p><p>(A-GTOs) são bastante utilizados devido à menor queda de tensão no</p><p>estado ligado e a características de temperatura estáveis.</p><p>Os GTOs assimétricos têm uma capacidade de tensão reversa típica</p><p>entre 20V e 25V. Por esse motivo, esses semicondutores são muito</p><p>utilizados em circuitos nos quais a tensão reversa através deles não</p><p>seja elevada ou em que um diodo de condução reversa (comutação)</p><p>seja utilizado na proteção do circuito.</p><p>Construção</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 31/59</p><p>Considere a estrutura da imagem seguinte, que ilustra um GTO</p><p>internamente. É possível observar a grande semelhança com um tiristor.</p><p>Construção interna de um GTO.</p><p>A imagem anterior torna possível observar que o GTO também é um</p><p>dispositivo de quatro camadas (do tipo P-N-P-N) e três junções, como</p><p>um tiristor-padrão. Por outro lado, a tensão de ruptura da junção J3 é</p><p>normalmente baixa, ficando localizada na faixa de 20 a 40 Volts.</p><p>A camada N+ na extremidade do cátodo é altamente</p><p>dopada para obter uma elevada e�ciência do emissor.</p><p>Por outro lado, a tensão de ruptura da junção J3 é normalmente baixa,</p><p>localizada na faixa de 20 a 40 volts.</p><p>O nível de dopagem da porta tipo P+ é altamente útil para manter a</p><p>eficiência do emissor, tendo em vista que, para apresentar boas</p><p>propriedades de desligamento, a dopagem dessa região deve ser</p><p>elevada. Além disso, a porta e os cátodos devem possuir boas</p><p>superfícies de contato. Por esse motivo, formas geométricas</p><p>diversificadas costumam ser utilizadas para otimizar a capacidade de</p><p>desligamento da corrente.</p><p>A junção entre o ânodo P+ e a base N é chamada de junção anódica. Ela</p><p>consiste em uma região de ânodo P+ fortemente dopada, necessária</p><p>para obter uma junção anódica com maior eficiência, permitindo obter</p><p>uma boa propriedade de acionamento (“ligar”). Entretanto, tais recursos</p><p>afetam as propriedades de desligamento dos GTOs.</p><p>Resposta</p><p>Esse problema pode ser resolvido introduzindo-se camadas N+</p><p>fortemente dopadas em intervalos regulares na camada de ânodo P+,</p><p>como visto na imagem “Curvas características de um MOSFET tipo N”.</p><p>Essas camadas N+ fazem contato direto com a camada N da base na</p><p>junção J1. Isso faz com que os elétrons possam “viajar” da região da</p><p>base N diretamente para o contato do metal do ânodo, sem causar a</p><p>injeção de buracos do ânodo P+. Essa configuração é chamada de</p><p>estrutura GTO em curto de ânodo.</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 32/59</p><p>Devido a esses curtos de ânodo, a capacidade de bloqueio reverso do</p><p>GTO é reduzida à tensão de ruptura reversa da junção J3, por outro lado,</p><p>eles aceleram o mecanismo de desligamento.</p><p>Entretanto, devido ao grande número de curtos anódicos, a eficiência da</p><p>junção anódica é bastante reduzida e, portanto, o desempenho de</p><p>acionamento (capacidade de “ligar”) do GTO diminui. Por esse motivo,</p><p>deve-se considerar de maneira cuidadosa os limites desses curtos</p><p>anódicos para um bom desempenho no liga/desliga.</p><p>Operação</p><p>A operação de ligar de um GTO é semelhante a um tiristor convencional.</p><p>Quando o terminal do ânodo é polarizado positivamente (em relação ao</p><p>cátodo), o que pode ser realizado pela aplicação de uma corrente de</p><p>porta positiva, a injeção de corrente da porta polariza diretamente a</p><p>junção base e cátodo.</p><p>Essa polarização resulta na emissão de elétrons do cátodo para o</p><p>terminal do ânodo. Induzindo a injeção de “buracos”, lacunas ou</p><p>receptores de elétrons, do terminal anódico para a base. Essa injeção de</p><p>buracos e elétrons continua até que o GTO entre no estado de</p><p>condução.</p><p>Comparativamente, no caso do tiristor, a condução começa inicialmente</p><p>ligando a área do cátodo adjacente ao terminal da porta. Essa</p><p>polarização induz o restante da área a entrar em estado de condução.</p><p>Contudo, ao contrário de um tiristor, o GTO é formado</p><p>de elementos catódicos estreitos fortemente</p><p>interligados com o terminal da porta. Isso faz com que</p><p>a área inicial ligada seja muito grande. Por essse</p><p>motivo, o GTO entra em um estado de condução muito</p><p>rapidamente. Para desligar um GTO, uma polarização</p><p>reversa deve ser aplicada na porta, tornando-a negativa</p><p>em relação ao cátodo. Uma parte dos buracos da</p><p>camada de base P é extraída através da porta, isso</p><p>suprime a emissão de elétrons do cátodo.</p><p>Essa supressão resulta na extração de mais correntes de buraco através</p><p>da porta, resultando em mais supressão de elétrons do cátodo.</p><p>Eventualmente, a queda de tensão na junção da base P causa a reversão</p><p>da polarização da junção catódica da porta e, portanto, o GTO é retirado</p><p>do seu estado de condução (“desligado”).</p><p>Durante o processo de extração de buracos, a região da base P é</p><p>gradualmente esgotada, de modo que a área de condução é</p><p>comprimida. Como esse processo continua, a corrente anódica flui</p><p>através de áreas remotas, formando filamentos de alta densidade de</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 33/59</p><p>corrente. Isso causa pontos quentes locais que podem danificar o</p><p>dispositivo, a menos que esses filamentos sejam extintos rapidamente.</p><p>Com a aplicação de uma alta tensão negativa na porta, ocorre um</p><p>armazenamento de cargas na região da base N e, com isso, a corrente</p><p>do ânodo para a porta continua a fluir, mesmo que a corrente do cátodo</p><p>tenha cessado. Isso é chamado de corrente residual e decai</p><p>exponencialmente à medida que os portadores de carga em excesso</p><p>são reduzidos pelo processo de recombinação (elétrons e lacunas se</p><p>recombinando). Uma vez que a corrente de residual é reduzida a um</p><p>nível de corrente de fuga, o dispositivo mantém suas características de</p><p>bloqueio direto.</p><p>Características do GTO</p><p>Durante a ativação, a operação de um GTO é semelhante à de um</p><p>tiristor. Assim, as características do primeiro quadrante são</p><p>semelhantes às do tiristor. Quando o ânodo é positivo em relação ao</p><p>cátodo, o dispositivo opera no modo de bloqueio direto. Contudo, com a</p><p>aplicação de um sinal positivo na porta, ocorre o acionamento do GTO</p><p>para um estado de condução, como pode ser visto na imagem seguinte:</p><p>Curva característica de um GTO.</p><p>As correntes de bloqueio e de fuga direta são consideravelmente</p><p>maiores no GTO, quando comparadas com o tiristor. Além disso, a</p><p>necessidade de acionamento pela porta pode ser ignorada se a corrente</p><p>do ânodo estiver acima do nível de corrente de bloqueio.</p><p>Contudo, é fortemente recomendado que não seja removida a</p><p>polarização positiva da porta durante a condução e que seja mantido</p><p>um valor maior do que a corrente de porta crítica máxima. Isso é</p><p>aconselhável tendo em vista que o cátodo é subdividido em pequenas</p><p>partes, para auxiliar no processo de desligamento, conforme discutido.</p><p>A remoção de uma polarização positiva na porta faz com que a corrente</p><p>do ânodo caia, transitoriamente, abaixo do nível de corrente de retenção,</p><p>o que força uma alta corrente de ânodo, e pode ser potencialmente</p><p>destrutivo. Por esse motivo, alguns fabricantes recomendam que o sinal</p><p>da porta seja mantido contínuo durante o estado de condução.</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 34/59</p><p>O GTO pode ser desligado pela aplicação de uma corrente de porta</p><p>reversa, podendo ser acionado por um degrau ou uma rampa. O GTO</p><p>pode ser desligado sem a inversão da tensão do ânodo.</p><p>A linha tracejada na imagem “Curva característica de um GTO” mostra o</p><p>desligamento para uma carga indutiva. É possível notar que, durante o</p><p>desligamento, o GTO pode bloquear apenas uma tensão nominal direta.</p><p>Saiba mais</p><p>Para evitar o disparo por variação abrupta de tensão (dv/dt) e proteger o</p><p>dispositivo durante o desligamento, uma resistência de limitação deve</p><p>ser conectada entre a porta e o cátodo, ou uma pequena tensão de</p><p>polarização reversa (aproximadamente -2V) deve ser mantida no</p><p>terminal da porta. Isso evita que a junção do cátodo da porta se torne</p><p>polarizada diretamente e, portanto, o GTO seja mantido desligado</p><p>mesmo com essa variação de tensão.</p><p>Na condição de polarização reversa do GTO, a capacidade de bloqueio</p><p>depende do tipo especificado de GTO. Por exemplo, um GTO simétrico</p><p>tem uma alta capacidade de bloqueio reverso, enquanto um GTO</p><p>assimétrico tem uma pequena capacidade de bloqueio reverso.</p><p>Observa-se que, durante a condição de polarização reversa, após uma</p><p>pequena tensão reversa (aproximadamente 20V a 30V), o GTO começa</p><p>a conduzir no sentido reverso devido à estrutura curta do ânodo. Esse</p><p>modo de operação não destrói o dispositivo desde que a porta esteja</p><p>negativamente polarizada e o tempo dessa operação seja pequeno.</p><p>Circuitos com GTOs</p><p>Devido às suas características de comutação, tais como ausência da</p><p>necessidade de circuito de comutação, operação livre de manutenção,</p><p>entre outras, o uso do GTO ganhou muita relevância quando comparado</p><p>ao tiristor. Por exemplo, o GTO é usado como um dispositivo de controle</p><p>em choppers (DC-DC) e inversores (DC-AC). Algumas dessas aplicações</p><p>são:</p><p>1. Conversores de frequência;</p><p>2. Drives DC ou choppers DC;</p><p>3. Fontes de alimentação de estabilização AC;</p><p>4. Disjuntores CC;</p><p>5. Aquecimento por indução.</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 35/59</p><p>IGBT - Transistor bipolar de porta</p><p>isolada (insulated gate bipolar</p><p>transistor)</p><p>O transistor bipolar de porta isolada (insulated gate bipolar transistor), ou</p><p>IGBT, é um dispositivo relativamente novo na eletrônica de potência.</p><p>Antes do desenvolvimento do IGBT, os MOSFETs de</p><p>Potência (PMOSFETs) e transistores bipolares de</p><p>junção de potência</p><p>(TBJ de Potência) eram os</p><p>elementos mais comuns em uso em aplicações de</p><p>eletrônica de potência.</p><p>Entretanto, embora bastante utilizados, esses dois dispositivos</p><p>possuíam vantagens e desvantagens nas suas aplicações em circuitos</p><p>de potência. Os TBJ de Potência apresentam como:</p><p>Vantagem</p><p>As características de</p><p>condução desse</p><p>dispositivo.</p><p>Desvantagem</p><p>As características de</p><p>mau desempenho de</p><p>comutação, baixa</p><p>impedância de entrada</p><p>e ruptura secundária.</p><p>PMOSFETs apresentam características vantajosas como: rapidez de</p><p>comutação e alta impedância de entrada.</p><p>Por outro lado, esses dispositivos controlados por tensão apresentam</p><p>características de condução ruins e diodo parasita problemático em</p><p>tensões mais elevadas.</p><p>Embora a natureza unipolar dos PMOSFETs leve a intervalos de</p><p>comutação mais baixos, também produz uma alta resistência no estado</p><p>“ligado” à medida que a tensão nominal aumenta.</p><p>Assim, a necessidade de um dispositivo com a qualidade dos</p><p>PMOSFETs combinada à dos TBJs de potência levou ao</p><p>desenvolvimento do IGBT. O IGBT apresenta características</p><p>semelhantes às dos PMOSFETs em sua entrada e às dos TBJs de</p><p>potência em sua saída, portanto, seu símbolo também é uma junção dos</p><p>símbolos dos dois dispositivos, como pode ser visto na imagem</p><p>seguinte:</p><p></p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 36/59</p><p>Símbolo de um IGBT.</p><p>Os três terminais do IGBT são iguais aos do TBJ: porta, coletor e</p><p>emissor. O IGBT também é conhecido por vários outros nomes, como:</p><p>Estrutura do IGBT</p><p>A estrutura do IGBT é muito semelhante à do PMOSFET, exceto uma</p><p>camada conhecida como camada de injeção, que é P+, diferente do</p><p>substrato N+ no PMOSFET. Essa camada de injeção é fundamental para</p><p>as características superiores do IGBT. Outras camadas são chamadas</p><p> MOSIGT</p><p>Transistor de óxido metálico com porta isolada.</p><p> GEMFET</p><p>Transistor de efeito de campo com ganho</p><p>modulado.</p><p> COMFET</p><p>Transistor de efeito de campo com condutividade</p><p>modulada.</p><p> IGT</p><p>Transistor de porta isolada.</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 37/59</p><p>de região de deriva e região do corpo. As duas junções são rotuladas de</p><p>J1 e J2. A imagem seguinte mostra a estrutura de um IGBT de canal N:</p><p>Estrutura de um IGBT.</p><p>Após uma observação detalhada da estrutura, é possível notar que</p><p>existe um MOSFET de canal N e dois TBJs (Q1 e Q2), conforme</p><p>mostrado na imagem anterior.</p><p>Transistor Q1</p><p>É um TBJ do tipo PNP. Uma resistência é oferecida pela região de deriva.</p><p>Também é possível observar que o coletor de Q1 é formado pelo mesmo</p><p>material que a base de Q2.</p><p>Transistor Q2</p><p>É um TBJ do tipo NPN. Uma resistência é oferecida pela região do</p><p>corpo. Também é possível observar que o coletor Q2 é formado pelo</p><p>mesmo material que a base de Q1.</p><p>Por esse motivo, é possível chegar a um modelo de circuito equivalente</p><p>de IGBT, conforme mostrado na imagem seguinte.</p><p>Modelo equivalente a um IGBT.</p><p>A conexão entre os dois transistores forma uma topologia denominada</p><p>tiristor parasita, como mostrado na imagem anterior.</p><p>O IGBT do canal N liga quando o coletor está em um potencial positivo</p><p>em relação à tensão emissor-porta (VGE) e abaixo da tensão emissor-</p><p>porta transitória (>VGET), que corresponde à tensão limite da junção</p><p>emissor-porta e não deve ser ultrapassada por um intervalo significativo</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 38/59</p><p>de tempo (normalmente poucos milissegundos). Essa condição leva à</p><p>formação de uma camada de inversão logo abaixo da porta, causando a</p><p>formação de um canal, o qual permite que uma corrente comece a fluir</p><p>do coletor para o emissor, no IGBT.</p><p>É constituída de duas componentes: Ie e Ih.</p><p>É causada pelos elétrons injetados fluindo do coletor para o</p><p>emissor através da camada de injeção, camada de deriva e,</p><p>finalmente, pelo canal formado.</p><p>É a corrente de lacunas que flui do coletor para o emissor através</p><p>de Q1 e da resistência do corpo Rb. Portanto: .</p><p>Contudo, como é quase desprezível, é possível realizar a</p><p>aproximação:</p><p>Um fenômeno peculiar é observado no IGBT conhecido como</p><p>travamento do IGBT. Essa condição ocorre quando a corrente do coletor</p><p>excede um valor limite (ICE). Nesse caso, o tiristor parasita fica “travado”,</p><p>o terminal do portão perde o controle sobre a corrente do coletor e o</p><p>IGBT “não desliga” mesmo quando o potencial do portão é reduzido</p><p>abaixo de VGE (tensão entre emissor e porta). Para desligar o IGBT,</p><p>nesse caso, são necessários circuitos de comutação típicos, como no</p><p>caso de comutação forçada de tiristores. Se o dispositivo não for</p><p>desligado o mais rápido possível, ele pode ser danificado.</p><p>Características de um IGBT</p><p>A imagem seguinte mostra a curva características de tensão e de</p><p>corrente de um IGBT de canal N junto com um diagrama de um circuito:</p><p>Corrente de coletor Ic </p><p>Corrente de coletor Ie </p><p>Corrente de coletor Ih </p><p>IC = Ie+ Ih</p><p>Ih</p><p>IC ≈ Ie</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 39/59</p><p>Curva característica da relação tensão-corrente de um IGBT.</p><p>O gráfico é semelhante ao de um TBJ, exceto que o parâmetro mantido</p><p>constante para a tensão no gráfico é VGE porque o IGBT é um</p><p>dispositivo controlado por tensão, diferente do TBJ, que é um</p><p>dispositivo controlado por corrente (o parâmetro constante no gráfico é</p><p>a corrente na base Ib).</p><p>Quando o dispositivo está no modo desligado ou OFF (VCE é positivo e</p><p>VGE</p><p>41/59</p><p>Algumas vantagens do IGBT:</p><p>Requisitos de acionamento de porta inferiores aos PMOSFETS;</p><p>Baixas perdas de comutação;</p><p>Requisitos de circuitos snubber pequenos (para absorção de</p><p>correntes indesejáveis);</p><p>Alta impedância de entrada;</p><p>Dispositivo controlado por tensão;</p><p>O coeficiente de temperatura da resistência do estado ligado é</p><p>positivo e menor que o PMOSFET, portanto ocorrem menores</p><p>quedas de tensão e perdas de energia no estado ligado;</p><p>Condução melhorada devido à natureza bipolar;</p><p>Maior região de operação segura.</p><p>Entre as desvantagens do IGBT pode-se destacar:</p><p>Custo mais elevados quando comparados aos dos PMOSFETS;</p><p>Problema de travamento (citado no item Estrutura do IGBT);</p><p>Alto tempo de desligamento comparado ao PMOSFET.</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 42/59</p><p>Falta pouco para atingir seus objetivos.</p><p>Vamos praticar alguns conceitos?</p><p>Questão 1</p><p>Observe o circuito de polarização do PMOSFET da imagem a seguir.</p><p>Em qual modo de operação o transistor está operando e qual é a</p><p>relação entre as tensões que define esse modo de operação?</p><p>Considere os seguintes parâmetros: VT = 0,7V.</p><p>Circuito de polarização do PMOSFET.</p><p>A Saturação e .0, 5 ≥ −0, 7</p><p>B Corte e .0, 5 ≥ −0, 7</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 43/59</p><p>Parabéns! A alternativa A está correta.</p><p>Condição para a região de saturação:</p><p>Pelo esquema:</p><p>Substituindo na equação:</p><p>Simplificando:</p><p>Assim, é possível verificar que a condição de saturação está sendo</p><p>atendida.</p><p>Questão 2</p><p>Ainda considerando a imagem da questão anterior, determine o</p><p>valor da resistência RD que permite a polarização do circuito</p><p>apresentado, de maneira que ele apresente as características de</p><p>tensão e de corrente especificadas no circuito:</p><p>C Linear e .0, 5 ≥ −0, 7</p><p>D Saturação e .0, 7 ≥ −0, 5</p><p>E Linear e .0, 7 ≥ −0, 5</p><p>VDS ≥ VGS − VT</p><p>VD− VS ≥ VG− VS − VT</p><p>VG = 0</p><p>VD− VS ≥ 0 − VS − VT</p><p>VD ≥ −VT</p><p>0, 5 ≥ −0, 7</p><p>A 1,25 k ohm</p><p>B 5 k ohm</p><p>C 2 k ohm</p><p>D 4 k ohm</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 44/59</p><p>Parabéns! A alternativa B está correta.</p><p>A condição de polarização deve apresentar uma tensão de dreno</p><p>(VD = 0,5V) e uma corrente de dreno (ID = 0,4mA). Assim:</p><p>Tensão de polarização.</p><p>Partindo da tensão de polarização positiva , a queda de</p><p>tensão sobre a resistência , para que a tensão de dreno esteja</p><p>no valor esperado, deverá ser igual a:</p><p>Para que a corrente de dreno seja de 0,4mA, deve-se aplicar a</p><p>Primeira Lei de Ohm:</p><p>Assim:</p><p>E 0,7 k ohm</p><p>2, 5V</p><p>RD</p><p>2, 5 − VRD</p><p>= VD</p><p>VRD</p><p>= 2, 5 − VD</p><p>VRD = 2, 5 − 0, 5</p><p>VRD</p><p>= 2, 0V</p><p>V =R× I</p><p>VRD = RD× IRD</p><p>RD =</p><p>VRD</p><p>IRD</p><p>=</p><p>2, 0</p><p>0, 4m</p><p>= 5kΩ</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 45/59</p><p>3 - MCT e UJT</p><p>Ao �nal deste módulo, você será capaz de de�nir os conceitos de MCT e de UJT.</p><p>Vamos começar!</p><p>A resistência negativa em</p><p>dispositivos semicondutores</p><p>Confira os principais pontos sobre o assunto que serão abordados ao</p><p>longo deste conteúdo.</p><p>MCT</p><p>Entre os diversos tipos de dispositivos semicondutores citados até o</p><p>momento, o tiristor controlado de óxido metálico semicondutor (MOS CT</p><p>ou apenas MCT) é considerado o mais recente.</p><p>O dispositivo é basicamente um tiristor com dois MOSFETs embutidos</p><p>na estrutura da porta. Um dos MOSFETs é usado para ligar o MCT e</p><p>outro é usado para desligá-lo. Isso torna esse dispositivo mais</p><p></p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 46/59</p><p>adequado principalmente em aplicações de comutação e possui outras</p><p>características como:</p><p>1. alta frequência</p><p>2. alta potência</p><p>3. baixa queda de condução</p><p>Um MCT combina o recurso de um tiristor convencional de quatro</p><p>camadas com ação regenerativa e a estrutura de entrada de um</p><p>MOSFET.</p><p>Neste dispositivo, todos os sinais da porta são aplicados em relação ao</p><p>ânodo, que é mantido como referência. Diferentemente de um SCR, no</p><p>qual, normalmente, o cátodo é mantido como terminal de referência</p><p>para sinais da porta.</p><p>Estrutura básica de um MCT</p><p>A estrutura básica de uma célula MCT é mostrada na imagem seguinte:</p><p>Estrutura de um MCT.</p><p>Na prática, um MCT incluirá milhares dessas células básicas</p><p>conectadas em paralelo, assim como um PMOSFET. Isso ajuda a</p><p>permitir que o dispositivo apresente uma alta capacidade de transporte</p><p>de corrente. O circuito intrínseco equivalente de um MCT pode ser visto</p><p>na imagem a seguir:</p><p>Circuito intrínseco de um MCT.</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 47/59</p><p>Como pode ser visto no circuito equivalente da imagem anterior, a</p><p>estrutura MOS do MCT é representada por um ON-FET (um MOSFET de</p><p>canal P), um OFF-FET (um MOSFET de canal N) e dois transistores NPN</p><p>e PNP unidos. Os dois transistores no circuito equivalente indicam que</p><p>há realimentação regenerativa no MCT, assim como acontece em um</p><p>tiristor comum. O símbolo do circuito do MCT é mostrado na imagem</p><p>seguinte:</p><p>Símbolo de um MCT.</p><p>Processo de ligação de um MCT</p><p>O dispositivo é ligado por um pulso de tensão negativa na porta em</p><p>relação ao ânodo. Para ligar o MCT, a porta dever ser polarizada de</p><p>modo negativo em relação ao ânodo pelo pulso de tensão entre a porta</p><p>e o ânodo. Portanto, o MCT deve ser inicialmente polarizado</p><p>diretamente e, em seguida, apenas uma tensão negativa deve ser</p><p>aplicada.</p><p>Com a aplicação deste pulso de tensão negativa:</p><p>ON-FET �ca “ligado”</p><p>A corrente começará a</p><p>fluir do ânodo (A),</p><p>através do ON-FET, em</p><p>seguida, como corrente</p><p>de base e emissor do</p><p>transistor NPN e depois</p><p>para o catodo K. Essa</p><p>movimentação de</p><p>cargas ligará o</p><p>transistor NPN, fazendo</p><p>ON-FET �ca “desligado”</p><p>A corrente de coletor do</p><p>transistor NPN atuará</p><p>como a corrente de</p><p>base do transistor PNP.</p><p>Dessa maneira, o</p><p>transistor PNP também</p><p>será ligado. Com os</p><p>dois transistores</p><p>ligados, a ação</p><p>regenerativa do</p><p></p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 48/59</p><p>com que a corrente do</p><p>coletor flua no</p><p>transistor NPN.</p><p>esquema de conexão</p><p>ocorrerá e o MCT será</p><p>ligado.</p><p>Processo de desligamento de um MCT</p><p>O dispositivo é desligado, aplicando-se um pulso de tensão positivo na</p><p>porta.</p><p>O pulso de tensão positivo faz com que o OFF-FET seja ligado e o ON-</p><p>FET seja desligado. Depois que o OFF-FET é ligado, os terminais</p><p>baseados no emissor do transistor PNP são “curto-circuitados” pelo</p><p>OFF-FET. Assim, a corrente do ânodo começará a fluir através do OFF-</p><p>FET e a corrente de base do transistor PNP começará a diminuir.</p><p>Comparativamente a outros dispositivos de chaveamento, o MCT tem a</p><p>desvantagem da capacidade de bloqueio de tensão reversa.</p><p>Vantagens de um MCT</p><p>Entre as vantagens de um MCT, pode-se citar:</p><p>1. baixa queda durante a condução direta;</p><p>2. intervalos de tempo mais rápidos para ligar e desligar;</p><p>3. baixas perdas de comutação;</p><p>4. alta impedância de entrada da porta.</p><p>UJT</p><p>O transistor de unijunção é um dispositivo de comutação de</p><p>semicondutores com 2 camadas e 3 terminais e é abreviado como UJT.</p><p>Essa denominação deve-se pelo dispositivo apresentar apenas uma</p><p>junção.</p><p>Esse semicondutor tem a capacidade de limitar uma grande potência</p><p>com um pequeno sinal de entrada. O UJT também é conhecido como</p><p>diodo de base dupla.</p><p>O UJT possui como característica principal uma resistência negativa, o</p><p>que representa que sua corrente de emissor aumenta regenerativamente</p><p>quando acionada. Assim, uma corrente</p><p>de emissor é necessária para</p><p>acioná-lo. Em condições normais de operação, esse dispositivo absorve</p><p>menos energia e, portanto, é um dispositivo mais eficiente.</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 49/59</p><p>Por se tratar de um dispositivo de baixo custo, é amplamente utilizado</p><p>em circuitos como osciladores, gatilhos, geradores de pulso, entre</p><p>outros. É importante notar que o UJT possui características de</p><p>comutação diferentes daquelas do BJT ou FET.</p><p>Estrutura de um UJT</p><p>A imagem seguinte mostra a estrutura básica de um transistor de</p><p>unijunção:</p><p>Estrutura de um transistor de Unijunção.</p><p>Sua estrutura é semelhante a um JFET (junção FET) de canal N. O UJT</p><p>consiste em uma barra de silício tipo N levemente dopada, na qual um</p><p>material tipo P é difundido, produzindo assim uma junção PN. Devido à</p><p>existência de uma única junção PN, é denominado como um dispositivo</p><p>unijunção.</p><p>Na imagem anterior, é possível observar que sua montagem consiste</p><p>em dois contatos ôhmicos na extremidade da barra, rotulados como</p><p>Base 1 (B1) e Base 2 (B2). Cabe observar que a estrutura não é</p><p>simétrica, pois a região do emissor está mais próxima de B2, isso</p><p>garante uma melhor condutividade elétrica (menor resistência). O</p><p>símbolo de um UJT pode ser visto na próxima imagem:</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 50/59</p><p>Símbolo de um UJT.</p><p>A polarização de um UJT pode ser feita com a utilização de 2 fontes de</p><p>tensão contínuas, como pode ser visto na imagem ao lado. Para formar</p><p>um UJT complementar, um material tipo N é difundido em uma barra</p><p>tipo P. Um UJT complementar difere de um UJT convencional apenas</p><p>pelas polaridades de corrente e tensão, entretanto, as demais</p><p>características dos dois componentes são semelhantes.</p><p>Polarização de um UJT.</p><p>Funcionamento de um UJT</p><p>Considere o circuito equivalente do UJT mostrado na imagem imagem</p><p>que segue:</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 51/59</p><p>Circuito equivalente de um UJT.</p><p>RB1 é uma resistência variável, devido à variação na resistência com</p><p>mudanças na corrente do emissor.</p><p>Os dois resistores do circuito juntos constituem a resistência total que</p><p>consiste na resistência entre B2 e B1, em que o emissor é mantido</p><p>aberto e é conhecida como resistência Interbase RBB. Assim, podemos</p><p>escrever:</p><p>Considerando-se que o terminal do emissor é mantido aberto.</p><p>Normalmente, o valor de RB1 é maior que o de RB2.</p><p>Quando uma tensão VBB é aplicada entre os dois terminais de base B1 e</p><p>B2, a tensão no ponto A será definida como:</p><p>O fator é denominado razão de afastamento intrínseca e é dado por:</p><p>E seu valor é permanentemente inferior a 1. Considere uma condição em</p><p>que não há potencial de emissor fornecido ao circuito. Nesse caso, o</p><p>diodo ficará reversamente polarizado.</p><p>Assim, incluindo o potencial de barreira do diodo, a tensão total de</p><p>polarização reversa se tornará:</p><p>Considerando que a barra semicondutora é de silício, o valor de VB é 0,7</p><p>V.</p><p>RBB = RB1+RB2</p><p>VA = VBB×</p><p>RB1</p><p>RB1+RB2</p><p>VA = nVBB</p><p>η</p><p>n =</p><p>RB1</p><p>RB1+RB2</p><p>VA+ VB = nVBB+ VB</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 52/59</p><p>Se o potencial do emissor for aumentado por um pequeno valor e se</p><p>tornar igual a nVBB, isso fará com que a corrente do emissor IE se torne</p><p>0 (nulo). Isso evita que nenhuma corrente flua através do diodo devido</p><p>aos níveis de tensão iguais.</p><p>Caso o potencial do emissor seja aumentado ainda mais, o diodo será</p><p>polarizado diretamente. Isso ocorrerá porque o potencial de polarização</p><p>reversa será ultrapassado.</p><p>Isso permitirá que a corrente do emissor (IE) flua através do RB1 para o</p><p>terra, acionando assim o UJT.</p><p>Tensão de Pico (Vp)</p><p>O potencial do emissor que coloca o diodo em condição de polarização</p><p>direta.</p><p>Corrente de ponto de Pico (Ip)</p><p>O valor mínimo de IE para acionar o dispositivo.</p><p>À medida que o diodo é polarizado diretamente e inicia a condução, a</p><p>resistência RB1 diminui rapidamente. Isso ocorre porque durante a</p><p>condução, o diodo polarizado diretamente injetará portadores na região</p><p>RB1, reduzindo a resistência, pois depende do nível de dopagem.</p><p>Devido a essa redução na resistência, a queda no RB1 também é</p><p>reduzida, causando mais condução. Isso resulta em maior corrente</p><p>direta e o ciclo se repete. Essa corrente de emissor é restringida pelo</p><p>potencial de emissor do circuito.</p><p>Assim, diz-se que o UJT possui característica de resistência negativa,</p><p>pois com o aumento da corrente do emissor, a tensão diminui. Para</p><p>desligar o dispositivo, é necessário um pulso negativo.</p><p>Características do UJT</p><p>A imagem seguinte mostra a curva característica da UJT, derivada da</p><p>relação entre VE e IE.</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 53/59</p><p>Curva característica de um UJT.</p><p>Como mostrado na imagem, IE não excede IEo, que nada mais é do que a</p><p>corrente de fuga na reversa de um TBJ. No entanto, vale ressaltar que a</p><p>condição acima indicada é para a tensão do Emissor que se encontra na</p><p>região localizada à esquerda em relação ao ponto de pico. Essa região é</p><p>conhecida como região de corte.</p><p>A condução começa quando o potencial do emissor se torna igual à</p><p>tensão de pico. Posteriormente, esse potencial de emissor diminui e</p><p>qualquer aumento adicional no IE simplesmente representa uma</p><p>redução no RB1.</p><p>Essa é a razão pela qual se diz que o dispositivo possui característica de</p><p>resistência negativa e essa região é chamada de região de resistência</p><p>negativa.</p><p>Após o pico, é atingido um ponto de vale, no qual o dispositivo chega à</p><p>região de saturação com qualquer aumento adicional na corrente de</p><p>emissor do dispositivo.</p><p>Vantagens e Aplicações do UJT</p><p>Vantagens do UJT</p><p>Entre as vantagens de um UJT, pode-se destacar: é um aparelho de</p><p>baixo custo, com alta capacidade de corrente de pulso, possui</p><p>característica de resistência negativa e absorve menos energia durante</p><p>a operação.</p><p>Aplicações da UJT</p><p>Acerca das aplicações típicas de um UJT, é um dispositivo usado no</p><p>disparo de tiristores, no controle de tensão CC, no caso de detecção de</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 54/59</p><p>sobretensão e medição de fluxo magnético e usado em circuitos</p><p>osciladores de relaxamento.</p><p>Cabe destacar que a característica de resistência negativa de um</p><p>transistor unijunção é a base de seu funcionamento e, devido a isso, o</p><p>dispositivo pode ser usado como oscilador.</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 55/59</p><p>Falta pouco para atingir seus objetivos.</p><p>Vamos praticar alguns conceitos?</p><p>Questão 1</p><p>Observe o circuito equivalente do UJT da imagem a seguir.</p><p>Considerando os valores: ;</p><p>ohm, pode-se afirmar que o</p><p>seu fator de razão de afastamento intrínseca (n) é igual a:</p><p>Circuito equivalente do UJT.</p><p>Parabéns! A alternativa D está correta.</p><p>VE = 4V</p><p>VBB = 6V ;RB1 = 4ohm;RB2 = 6</p><p>A n=1</p><p>B n=0,6.</p><p>C n=0,2.</p><p>D n=0,4.</p><p>E n=0,8.</p><p>n =</p><p>RB1</p><p>RB1+RB2</p><p>n = 4</p><p>4+6 =</p><p>4</p><p>10 =</p><p>2</p><p>5</p><p>n = 0, 4</p><p>26/08/24, 09:19 Dispositivos semicondutores usados em eletrônica de potência</p><p>https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212en/04382/index.html?brand=estacio# 56/59</p><p>Questão 2</p><p>Ainda no circuito da questão anterior, determine a tensão no ponto</p><p>A, sabendo que a resistência RB1 sofreu uma redução na sua</p><p>resistividade de um coeficiente igual a 2, reduzindo seu valor pela</p><p>metade.</p><p>Parabéns! A alternativa</p>