Apostila de Eletrônica de Potencia Capítulo 7-2008

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CAPÍTULO 7
O TRANSISTOR BIPOLAR E O MOSFET EM FONTES CHAVEADAS.PRIVATE �
7.1 - INTRODUÇÃO.
	Em todas as fontes chaveadas e conversores estudados, existe um elemento que chaveia (chave semicondutora). Existem vários tipos de chaves, tais como: transistores, tiristores, GTO's, sendo elas bastante utilizadas pelos projetistas. Porém a mais popular e mais usual tem sido o transistor bipolar e o MOSFET.
	Entre os transistores bipolares de potência, a estrutura NPN é o usual. Isto acontece porque, por razões tecnológicas somente esta estrutura (NPN) é produzida para altas tensões.
	Os transistores bipolares de potência são unidirecionais em tensão e corrente.
	O símbolo que representa os NPN está mostrado na figura 7.1.
Figura 7.1 - Símbolo do transistor NPN.
7.2 - SELEÇÃO DO TRANSISTOR.
	Nos conversores estáticos (fontes chaveadas) o transistor é sempre utilizado na região de saturação ou corte. Então a máxima capacidade de tensão ocorre quando está cortado e a máxima capacidade de corrente, quando está saturado, sendo estes parâmetros importantes em fontes chaveadas. Nos itens anteriores foram estudados maneiras de ser determinar estes parâmetros. Também os tempos de entrada e saída de condução são muito importantes, porque são eles que determinam a proximidade do transistor a uma chave ideal.
	Outro ponto que o projetista deve decidir, é qual dispositivo utilizar: transistor bipolar ou mosfet. Cada um deles possui vantagens e desvantagens.
7.3 - TRANSISTOR BIPOLAR BLOQUEADO.
	Neste estado o transistor bipolar é caracterizado pelos seguintes parâmetros:
A) Tensão de Avalanche Coletor Emissor.
	Vceo - definida para base aberta.
	Vcer - definida para base ligado ao emissor.
	Vcex - definida para a base polarizada negativamente.
B) Corrente de Fuga de Coletor. (Desprezível)
7.4 - TRANSITOR EM CONDUÇÃO.
	O transistor bipolar é essencialmente um dispositivo acionado por corrente, ou seja, injetando-se uma corrente na base, outra corrente circulará pelo coletor. O valor da corrente que circulará pelo coletor depende do ganho ( do transistor:
				(7.1)
Onde:
	Ic - corrente de coletor;
	Ib - corrente de base.
	As características de saída de um transistor bipolar estão representadas na figura 7.2
Figura 7.2 - Características de Saída, Padrão, de um Transistor Bipolar.
	A figura 7.2 possui três regiões distintas.
Região 1 - LINEAR 
	Nesta região tem-se Ic = ( . Ib, é utilizado em amplificadores e reguladores. Não apresenta interesse para o estudo em fontes chaveadas.
Região 2 - QUASE SATURAÇÃO.
	É a região utilizada em eletrônica de potência, quando se trata de fontes chaveadas. Nesta região, a equação 7.1 continua válida, somente que, o valor de ( é substituído por (F (ganho forçado) cujo valor é muito menor. então:
					(7.2)
Região 3 - SATURAÇÃO.
	Nesta região, as equações 7.1 e 7.2 não possuem validade, ou seja, para um dado Ic (Icsat) um aumento de Ib (Ib > Ibsat) não se traduz em uma redução de Vce. Esta região deve ser evitada porque provoca atraso na recuperação dos portadores presentes na junção, isto faz com que o tempo de recombinação (tempo de estocagem) (ts) seja aumentado, aumentando os tempos de comutação do transistor bipolar.
	Em condução, o transistor bipolar é caracterizado pelos seguintes parâmetros:
A) Vcesat 
		Para Ic 
 Isat e Ib 
 Ibsat, o fabricante assegura que:
				Vce 
 Vcesat.
B) (F - Ganho forçado, definido pela equação 7.2.
				5 
 (F 
 10
C) Corrente máxima de coletor
	O transistor suporta esta corrente se todas as outras restrições impostas pelo fabricante forem respeitadas. São definidos:
Ic - condução contínua;
Icm - valor de pico de um pulso com duração determinada pelo fabricante.
7.5 - COMUTAÇÃO COM CARGA RESISTIVA.
	As formas de onda da figura 7.4 foram obtidas para circuito da figura 7.3.
Figura 7.3 - Circuito à Transistor Bipolar com Carga Resistiva.
Figura 7.4 - Formas de Onda para Comutação com Carga Resistiva.
	Os tempos envolvidos na comutação são definidos da seguinte maneira:
	Ton = td + tr 
 tr - tempo de entrada em condução.
Sendo:
	td - tempo de retardo ao crescimento da corrente de coletor (delay time).
	tr - tempo de crescimento da corrente de coletor (rise time).
	Toff = ts + tf - tempo de bloqueio.
Sendo:
	ts - tempo de estocagem (storage time)
	tf - tempo de decrescimento da corrente de coletor (fall - time).
	Os valores dados a seguir são aqueles típicos para um transistor bipolar de 250V/15A.
td = 0,2 (s e tr = 0,7 (s, para Ib1 = 2,5 A;
ts = 3,0 (s e tf = 0,7 (s, para Ib2 = 3,0 A;
	De posse destes valores, é possível observar que:
1) O tempo de estocagem (ts) é o maior de todos;
2) Os tempos de comutação aumentam com a temperatura;
3) Os tempos de comutação são influenciados pelo valor e pela velocidade de crescimento ou decrescimento da corrente de base.
4) A extração da corrente de base, para bloquear um transistor, é essencial na redução do tempo de estocagem.
7.6 - COMUTAÇÃO COM CARGA INDUTIVA.
A) COMUTAÇÃO BLOQUEADO-CONDUZINDO (Entrada em Condução).
1a Etapa - Transistor Bloqueado.
	O circuito desta etapa de funcionamento está representado na figura 7.5.
Figura 7.5 - Circuito na Configuração da 1a Etapa.
	Durante esta etapa de funcionamento, o transistor está bloqueado e a corrente do indutor IL circula pelo diodo D.
	Considerando o diodo ideal: 
				(7.3)
Então: 
				(7.4)
2a Etapa - crescimento da corrente Ic.
	Esta etapa tem o início quando o transistor é colocado em condução e termina quando Ic=IL. O circuito que representa esta etapa de funcionamento está mostrado na figura 7.6.
Figura 7.6 - Circuito da Segunda Etapa.
Durante a comutação, a corrente IL se mantém constante. Assim: 
				(7.5)
				(7.6)
	Enquanto que a corrente de carga é comutada do diodo para o transistor, a tensão Vce se mantém constante e igual a Vcc, diferentemente do que ocorria com carga resistiva. A presença simultânea de tensão e corrente no transistor provoca perdas na comutação.
3a Etapa - recuperação do diodo.
	Esta etapa tem início quando a corrente no diodo se anula e termina quando a corrente de recuperação do diodo se anula.
	Durante esta etapa de funcionamento, o diodo descarrega o seu capacitor de junção.
	O circuito que representa esta etapa está mostrado na figura 7.7.
Figura 7.7 - Circuito na Configuração da Terceira Etapa.
	Quando a corrente Ic se iguala a corrente IL no indutor, o diodo D inicia o processo de recuperação com a corrente Ir reversa.
					(7.7)
Então:
 
					(7.8)
	Também durante esta etapa de funcionamento, o transistor permanece com Vce = Vcc.
4a Etapa - transistor saturado e em condução.
	Esta etapa tem início quando ID = 0 e tem fim quando o transistor iniciar o processo de corte.
	O circuito que representa esta etapa é mostrado na figura 7.8.
	Figura 7.8 - Circuito Representando a Quarta Etapa de Funcionamento.
	Durante esta etapa de funcionamento, o transistor conduz toda a corrente de carga. Então: 
				(7.9)
				(7.10)
				(7.11)
	Na figura 7.9 estão mostradas as formas de onda da comutação do transistor quando entra em condução.
	Das formas de onda da figura 7.9, tem-se:
				(7.12)
Onde:
	tri - tempo de crescimento da corrente;
	tfv - tempo de decrescimento da tensão.
Figura 7.9 - Formas de Onda para Comutação Bloqueado-Conduzindo.
	É recomendada a utilização de um diodo rápido. Com esta providência a corrente de pico no transistor é reduzida. Desta forma, há uma redução na potência dissipada durante a comutação. 
B) COMUTAÇÃO CONDUÇÃO - BLOQUEADO (Corte)
	Para o estudo desta comutação será considerado que o transistor está conduzindo a corrente de carga.
1a Etapa.Tem início quando a corrente de base é invertida e tem fim quando a capacitância entre base e emissor está descarregada. Tempo de recombinação (tempo de estocagem).
	Durante esta etapa a carga na capacitância intrínseca Cbe entre base e emissor se descarrega. A corrente de coletor Ic e a tensão Vce não se modificam. Esta situação é mostrada na figura 7.10.
Figura 7.10 - Circuito para a primeira etapa.
2a Etapa
	Esta etapa tem início quando a capacitância Cbe terminou sua descarga e tem fim quando Vce = Vcc.
	Durante esta etapa de funcionamento, a tensão Vce cresce até Vcc. O diodo D não entra em condução nesta etapa e são representados pelas seguintes equações:
				(7.13)
				(7.14)
	Como pode ser visto, esta etapa é crítica, já que a tensão de coletor-emissor Vce cresce e o transistor continua conduzindo toda a corrente de carga, portanto, é uma fase em que há uma dissipação significativa de potência.
Figura 7.11 - Circuito na Configuração da Segunda Etapa.
	O tempo de condução desta etapa é denominado de tempo de subida de tensão (trv)
3a Etapa
	Esta etapa se inicia quando Vce = Vcc e termina quando Ic = O.
	Quando Vce = Vcc, o diodo D entra em condução dando início a esta etapa. Durante esta etapa de funcionamento, a corrente é transferida (comutada) do transistor para o diodo D.
	As equações que descrevem esta etapa são as seguintes:
				(7.15)
				(7.16)
	Onde considera IL constante.
	Esta etapa também apresenta perdas, embora decrescentes, porque Vce se mantém igual a Vcc enquanto que a corrente Ic decresce.
Figura 7.12 - Circuito na Configuração da Terceira Etapa de Funcionamento.
	Quando esta etapa termina, está terminado o bloqueio do transistor.
	As principais formas de onda para o bloqueio, estão representados na figura 7.13.
Figura 7.13 - Formas de Onda para a Mudança de Estado de Saturação
E Corte do Transistor.
	Normalmente trv << tfi, com isto ele pode ser desprezado e a equação do tempo de deslizamento do transistor é dada pela seguinte equação:
				(7.17)
7.7 - INTERPRETAÇÃO DO TRANSISTOR DURANTE A COMUTAÇÃO.
	Observe os dois circuitos mostrados na figura 7.14.
Figura 7.14 - Circuito com Transistor Bipolar;
a) transistor ideal; 
b) transistor real.
	As diferenças que existem entre os circuitos das figuras 7.14(a) e 7.14(b) são os atrasos que surgem.
	Estes atrasos são explicados da seguinte forma:
- TEMPO DE RETARDO (td)
	Tempo necessário para carregar o capacitor Cbe, que é um capacitor intrínseco e surge da difusão do emissor. Este tempo é inversamente proporcional à corrente inicial de base, ou seja, quanto maior a corrente inicial de base, menor o tempo de retardo(td).
- TEMPO DE CRESCIMENTO DA CORRENTE DE COLETOR (tri)
	Depende da velocidade de crescimento de Ib, ou seja, depende da constante de tempo (rbe. Cbe). Quanto maior a velocidade de crescimento de Ib menor será o valor de tri.
- TEMPO DE DESCIDA DA TENSÃO (tfv)
	É o tempo necessário para a descarga do capacitor de transição de coletor (Ctc), depois de ID = 0.
- TEMPO DE ESTOCAGEM (ts)
	É o tempo necessário para se descarregar Cbe, ou seja, é o tempo necessário para o corte do transistor. Este tempo é diretamente proporcional à saturação, ou seja, se a super-saturação for evitada e se for extraída uma corrente inversa de base ele é consideravelmente reduzido.
7.8 - O MOSFET.
	O MOSFET é um interruptor com as seguintes características básicas, entendidas como vantagens em relação ao transistor bipolar:
Tempos de comutação extremamente curtos. Desse modo podem operar com freqüências mais elevadas.
Alta impedância de entrada, entre gate e source. Desse modo a potência consumida e a complexidade dos circuitos de comando são menores e o ganho é muito alto.
Mais fácil de ser associado em paralelo sobretudo porque a resistência em estado de condução tem coeficiente positivo de temperatura.
	O símbolo do Mosfet canal N está representado na figura 7.15.
Figura 7.15 - Símbolo do MOSFET.
	Observe que o mosfet da figura 7.15 tem um diodo intrínseco que pode ser aproveitado ou não, dependendo do circuito em que esteja sendo empregado.
7.8.1 - Características Estáticas do Mosfet.
	Na figura 7.16 estão representadas as características estáticas de um MOSFET.
	Há duas regiões distintas: 
A - região de resistência constante.
B - região de corrente constante.
Figura 7.16 - Características Estáticas de Saída do Mosfet.
	O Mosfet conduzindo é caracterizado pelos seguintes parâmetros:
RDson - O MOSFET "saturado" comporta-se como uma resistência, que é um fator de mérito importante, pois determina as perdas em condução ou a máxima corrente ID. A resistência RDson aumenta com a temperatura com um coeficiente igual a aproximadamente 0,7% para cada oC, para Tj maior que 25oC.
ID - Máxima corrente contínua que o componente pode conduzir.
IDM - Máxima corrente pulsada de dreno que o MOSFET pode conduzir.
VGS - Máxima tensão entre gate e source que pode ser aplicada (positiva ou negativa).
VGS(th) - A tensão de gate suficiente para iniciar a condução (em torno de 4V).
VDson - É igual ao produto RDson . ID - tensão dreno-source com o MOSFET conduzindo.
	O MOSFET bloqueado é caracterizado pela tensão de avalanche entre dreno e source. (V(BR)DS).
7.8.2 - Características Dinâmicas do MOSFET.
	A figura 7.17 representa as capacitâncias entre os terminais do MOSFET.
Figura 7.17 - Capacitâncias do MOSFET.
Onde:
	Ciss = Cgd+Cgs -	Capacitância de entrada;
	Coss = Cgd+Cds -	Capacitância de saída;
	Crss = Cgd	 -	Capacitância de transferência.
	Os valores das capacitâncias são fornecidos pelos fabricantes e variam com a tensão VDS, mas não com a temperatura. Desse modo pode-se afirmar que os tempos de comutação são poucos afetados pela temperatura.
	Ciss é um parâmetro muito importante no comando e nos tempos de comutação. Esse capacitor deve ser carregado e descarregado pelo circuito de comando de gate e os tempos de comutação dependem desses tempos de carga e descarga.
	Uma característica importante do MOSFET é a ausência do tempo de estocagem, que é o maior tempo na comutação de um Transistor Bipolar.
7.8.3 - Comutação Com Carga Resistiva.
	Seja o circuito representado na figura 7.18.
Figura 7.18 - Circuito Para Estudo da Comutação com Carga Resistiva.
	As formas de onda obtidas são mostradas na figura 7.19.
Figura 7.19 - Comutação para Carga Resistiva.
Sendo:
tD(on) - Ciss é carregado pelo circuito de comando de gate até VGS(th). ID 
0 e VDS=VDD.
tr - Ciss é carregado até a tensão de source. Coss se descarrega de VDD até VDS(on) enquanto ID aumenta a partir de zero.
tD(off) - Ciss começa a se descarregar pelo circuito de comando de gate. O transistor se bloqueia e a corrente circula por Coss e pela carga.
tf - A carga acumulada em Coss aumenta rapidamente e a tensão VDS aumenta até VDD.
	Em geral, tD(on) << tr e tD(off) << tf. Portanto:
Ton 
tr
Toff 
tf
7.8.4 - Comutação com Carga Indutiva.
	Com uma carga indutiva, a corrente de carga pode ser considerada constante durante a comutação e o circuito a ser considerado está representado na figura 7.20.
Figura 7.20 - Circuito para Estudo da Comutação com Carga Indutiva.
	A formas de onda correspondentes estão representadas na figura 7.21, considerando o diodo DRL ideal.
Figura 7.20 - Comutação com Carga Indutiva.
	Os tempos fornecidos pelos fabricantes referem-se normalmente a cargas resistivas e a grandeza de referência é sempre a tensão.
	Valores típicos para um MOSFET de 400V e 4A. 
	tD(on) = 30ns;
	tr(on) = 50ns;
	td(off) = 100ns;
	tf = 50ns.
	Os tempos de comutação dependem muito do circuito de comando de gate empregado. De um modo geral os tempos tf e tr situam-se entre 50ns e 100ns.7.8.5 - Perdas em um MOSFET.
	As perdas em um MOSFET, quando empregado num conversor estático, são análogas às perdas de um Transistor Bipolar, e são calculados pelas expressões apresentadas a seguir:
				(7.18)
Sendo:
			(7.19)
		(7.20)
Onde:
	tf 
toff
	tr 
ton.
	Quando houver um diodo se recuperando sobre o MOSFET, as perdas adicionais devem ser calculadas.
	Importante considerar que rds(on) varia com a temperatura.
7.9 - Perdas na Comutação.
7.9.1 - O Conversor FORWARD.
7.9.1 - Perdas por Comutação.
	Quando se trata de um conversor do tipo FORWARD, deve-se calcular as perdas que ocorrem na entrada e saída de condução do transistor ou MOSFET.
	Ignorando a corrente de recuperação do diodo, a energia perdida durante a entrada em condução é obtida com a equação 7.21.
					(7.21)
Onde:
	EE = energia perdida na comutação (entrada em condução).
Assim:
					(7.22)
Onde:
	PE - Potência média perdida na entrada em condução.
	tr = tri + tfv para transistor bipolar e
	tr = ton para o MOSFET.
	Na realidade esse cálculo é pessimista, considerando que a indutância de dispersão do transformador que é indesejável no bloqueio, reduz as perdas na entrada em condução, fazendo com que a tensão VCE (bipolar) ou VDS (MOSFET) caia antes que o transistor assuma a corrente plena de carga. 
	As saídas de condução ou entrada em bloqueio das chaves (transistor bipolar e MOSFET) foram mostradas nas figura 7.13 e 7.20.
	De acordo com as formas de onda, a energia perdida por comutação, na saída de condução das chaves pode ser dada por:
					(7.23)
Onde:
	tf = trv + tfi para o bipolar e;
	tf = toff para o MOSFET.
	Portanto, a potência dissipada pode ser dada por:
					(7.24)
				(7.25)
	A perda total na comutação é dada pela equação 7.26.
				(7.26)
7.9.2 - Perdas em Condução.
7.9.2.1 - Transistor Bipolar.
	A perda por condução no bipolar pode ser dada por:
		(7.27)
			(7.28)
7.9.2.2 - MOSFET.
	A perda por condução no MOSFET pode ser dada pela equação 7.19 e reescrita a seguir:
			(7.29)
	Portanto, a perda total pode ser dada por:
				(7.30)
Exemplo Numérico.
	Seja um conversor Forward com as seguintes características:
	Vent = 400V;	Ipico = 4A; 	ton = 10s;	fs = 50 kHz.
	Calcule as perdas considerando um transistor bipolar e um MOSFET com as seguintes características:
Bipolar: 
VCesat=1,2V;	iB = 0,4A;	VBEsat =0,75V;	tr = tf = 250ns;		TO-3
Mosfet:
Rds(on) = 0,27;	tr(on) = 50ns;	tf(off) = 100ns;		TO-247
Perda por Condução:
Bipolar
PCOND = f.ton.(iC.VCE+iB.VBE) = 50.103.10.10-6.(4.1,2+0,75.0,4) = 2,55W
MOSFET
PCOND = f.ton.Rds(on).iD(on)2 = 50.103.10.10-6.0,27.42 = 2,16W
Perdas por Comutação:
Bipolar
PTCOMUT = 0,5.V.I.(tf+tr).f = 0,5.400.4.(250n+250n).50000 = 20W
MOSFET
PTCOMUT = 0,5.400.4.(50n+100n).50000 = 6W.
Perdas Totais.
Bipolar
PT = 2,55W+20W = 22,55W.
MOSFET
PT = 2,16W+6W = 8,16W.
7.10 - Cálculo Térmico.
	O objetivo do cálculo térmico de um componente é garantir que a temperatura de junção permaneça abaixo do valor máximo permitido, definido pelo fabricante.
	A degradação de um semicondutor resulta de reações químicas que provocam alterações na estrutura do silício em escala nuclear.
	Quanto maior a temperatura de trabalho da junção, menor o MTBF (tempo médio entre falhas).
	Geralmente a máxima temperatura de junção para um transistor é igual a 150oC e para um diodo pode alcançar 175oC.
	A rigor pode-se afirmar que todo semicondutor tem uma vida limitada, ou seja, falhará. A máxima temperatura de junção é um compromisso em relação a uma vida útil aceitável.
	Para o cálculo térmico em regime permanente, deve ser considerada a figura 7.21.
Figura 7.21 - Diferenças de Temperaturas da Junção até a Temperatura Ambiente.
Onde:
	Tj - Temperatura da junção (oC);
	Tc - Temperatura do encapsulamento (oC);
	Td - Temperatura do dissipador (oC);
	Ta - Temperatura ambiente (oC);
	Rjc - Resistência térmica junção-capsula (oC/W);
	Rcd - Resistência térmica de contato entre o componente e o dissipador (oC/W). Considere 0,2 oC/W para encapsulamento TO-3, 0,3 oC/W para encapsulamento TO247 e 0,5 oC/W para encapsulamento TO220, todos montados com pasta térmica.
	Rda - Resistência térmica dissipador ambiente (Anexos 16 e 17).
	
	Desse modo, a resistência térmica do dissipador pode ser calculada por:
			(7.31)
Exemplo.
	Considere o exemplo numérico feito anteriormente e dimensione o dissipador para os dois tipos de chave, para uma temperatura de junção de 150 oC e temperatura ambiente de 80 oC.
Bipolar.
PT = 22,55W, Rjc = 1,4 oC/W (fabricante), Rcd = 0,2 oC/W, Tj = 150 oC e Ta = 80oC. Portanto:
	O dissipador deve ter uma resistência térmica máxima de 1,5 oC/W para o bipolar.
MOSFET
PT = 8,16W, Rjc = 1,6 oC/W (fabricante), Rcd = 0,3 oC/W, Tj = 150 oC e Ta = 80oC. Portanto:
EXERCÍCIOS.
1) Seja um conversor com as seguintes características:
Vent = 400V;	Ipico = 8A; 	ton = s;	fs = 100 kHz.
	Calcule as perdas considerando um transistor bipolar e um MOSFET com as seguintes características:
Bipolar: 
VCesat=1,2V;	iB = 0,4A;	VBEsat =0,75V;		tr = tf = 400ns;	TO-3
Mosfet:
Rds(on) = 0,18; 	tr(on) = 60ns;	tf(off) = 80ns;	TO-247
	Dimensione o dissipador para cada chave para uma temperatura de junção de 120 oC e uma temperatura ambiente de 50oC. Calcule o comprimento e o modelo do dissipador utilizado conforme os anexos 16 e 17.
2) Seja um conversor BUCK, com as seguintes características:
Ventmáx = 40V;		Io = 10A; 	Vo = 10V;		fs = 50 kHz.
Ventmin= 20V;		Iomin = 1A;	RSEcap= 0,05		Rindutor=0,1
C=4700uF;		L=100uH;		
	Calcule o rendimento global na condição nominal (pior caso) da estrutura e qual deve ser o comprimento mínimo do dissipador para os todos os semicondutores?
Mosfet: IRF540
Rds(on) = 0,18;	tr(on) = 40ns;	tf(off) = 100ns;	TO-247;	Tj = 150oC.
Diodo: MUR 815
VF=1,2V;	tr(on) = 100ns,	tf(off) = 50ns; 		TO-220;	Tj = 175oC.
Considere: 	Rjc=0,5oC/W p/ TO-247;		Rjc=1,0oC/W p/TO-220;
		Rcd=0,24oC/W p/ TO-247;	Rjc=0,5oC/W p/TO-220;
		Tambiente = 50o.
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