UFES - Eletrônica de Potência - Semicondutores de Potência

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
CENTRO TECNOLÓGICO
DEPTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I
PROF. WILSON ARAGÃO FILHO
SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA
São também chamados de dispostivos de chaveamento ou dispositivos de comutação ou, ainda
dispositivos de potência (power devices).
Numa classificação quanto à aplicação em conversores, pode-se ter:
DIODOS e TIRISTORES è Conversores CA/CC
GTO, BJT, MOSFET, IGBT è Demais conversores (CC/CC; CA/CA, CC/CA)
O DIODO é um dispositivo ativo, mas não-controlado. Os demais são ativos e controlados.
Entenda-se: não controlado ou controlado pelo usuário.
A Controlabilidade do dispositivo é especialmente útil em fontes do tipo chaveada ou comutada.
A Figura abaixo ilustra um conversor CC/CC elementar, construído por meio de um transistor
bipolar (ou qualquer interruptor totalmente controlado).
A relação entre o tempo ligado (TON) e a soma do tempo ligado com o desligado (TON +TOFF), é
denomiada razão cíclica (duty cycle):
D= TON/(TON+TOFF) = TON/T, onde T = período da freqüência de comutação.
A tensão média sobre o resistor de carga (R) resulta igual a: Eo = D . Ei
Quando a razão cíclica é máxima (D=1), tem-se a tensão de entrada (Ei) sempre aplicada à saída e
Eo = Ei. Quando se tem D = 0, a tensão de saída resulta nula, pois o dispositivo estará sempre aberto
(ou em estado de bloqueio), não deixando passar qualquer corrente.
Esses dispositivos de chaveamento somente serão vistos em Eletrônica de Potência II. Neste curso
de Eletrônica de Potência I serão estudados todos os retificadores (ou conversores CA/CC)
monofásicos e trifásicos, não-controlados e controlados.
1) DIODO, Fig. 2: é unidirecional em corrente e em tensão. Isto é: somente suporta corrente em
um sentido e, da mesma forma, somente suporta tensão com uma polaridade. Se uma tensão
negativa for aplicada ao anodo (A), este a suportará e não entrará em condução. Caso contrário,
ele entrará em condução, deixando-se percorrer por corrente.
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Fig. 1 Conversor CC/CC elementar e formas-de-onda do comando e das tensões Ei e Eo.
Fig. 2 DIODO, símbolo, modelo em condução e característica estática de saída.
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2) TIRISTOR, Fig. 3: unidirecional em corrente e bidirecional em tensão, isto é, suporta a
tensão em ambas as polaridades: tensões positiva e negativa no anodo. É semicondutor de
potência semi-controlado, na medida em que o usuário somente tem controle sobre o disparo
do dispositivo.
Fig. 3 TIRISTOR: símbolo, modelo em condução e característica estática de saída.
3) GTO (Gate Turn-Off Thyristor), Fig. 4: é um tiristor totalmente controlado: dispara sob pulso
de corrente positiva no gate e bloqueia sob corrente negativa. Não é tão rápido quanto o tiristor,
nem é capaz de manipular potências tão elevadas , em relação ao tiristor.
Fig. 4 GTO: símbolo, modelo em condução e característica estática de saída.
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4) BJT (Bipolar Junction Transistor), Fig. 5: é o conhecido transistor bipolar muito usado em
circuitos de eletrônica de sinal. Mas é também bastante usado, ainda, em eletrônica de potência
chaveada. Está sendo, paulatinamente, substituído pelo próximo semicondutor, o MOSFET. É
unidirecional em corrente e em tensão. Tensão reversa (postiva no emissor em relação ao
coletor, é proibida!).
Fig. 5. BJT: símbolo, modelo em condução e característica estática de saída.
5) MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Fig. 6: Como o BJT, é
unidirecional em tensão e em corrente. É normalmente usado, em Eletrônica de Potência, como
chave interruptora, funcionando ou ligado ou desligado; ora em situação de quase-saturação, ora
em modo bloqueado. Observação válida para todos os semicondutores de potência totalmente
controlados.
Fig. 6. MOSFET: símbolo, modelo em condução e característica estática de saída.
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6) IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Fig 7: É um híbrido entre o BJT e o MOSFET.
Reúne as melhores características desses últimos. Resulta um dispositivo de alta freqüência de
chaveamento (ou de comutação), devido ao comando de gate por tensão (e não por corrente,
como no BJT), e com baixas perdas em condução (possui uma bateria equivalente, em estado
de condução, como o BJT). Além de tudo isso, pode ser fabricado para altas tensões e altas
correntes. Tende a susbstituir os dois transistores citados para aplicações de potências mais
elevadas (superior a 3kW).
Fig. 7. IGBT: símbolo, modelo em condução e característica estática de saída.
7) QUADRO-RESUMO (PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS):
Semicondutor Freq. Control. ON OFF Corrente Unidir. Tensão Uni.
1. Diodo * N – – S S
2. Tiristor (SCR) 5kHz S S N S N
3. GTO 3kHz S S S S N
4. BJT 10kHz S S S S S
5. IGBT 40kHz S S S S S
6. MOSFET 100kHz S S S S S
* Lentos, rápidos, e ultra-rápidos.
 DEL/CT/UFES – Prof. Wilson Aragão Filho (2004/1)
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