Aula_03a_-_Semicondutores_de_Potncia_-_Diodo

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Semicondutores de Potência
Diodo
EEN502.1
Fundamentos de Eletrônica de Potência
Prof. Rondineli Rodrigues Pereira
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Introdução
• Os semicondutores mais comumente utilizados 
são o silício e o germânio (grupo IV da tabela 
periódica). E possuem quatro elétrons por átomo 
em sua órbita externa.
• Os materiais de silício custam menos do que os de 
germânio e permitem que os diodos operem em 
temperaturas mais elevadas. Por esse motivo, os 
diodos de germânio são raramente usados.
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Introdução
• Um material de silício puro é conhecido como 
semicondutor intrínseco com resistividade muito 
baixa para ser um isolante e muito alta para ser um 
condutor.
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Introdução
• A resistividade de um semicondutor intrínseco e os 
seus portadores de carga que estão disponíveis para 
condução podem ser alterados, pela adição de 
impurezas específicas. 
• Este processo é conhecido como dopagem, e envolve 
a inclusão de um único átomo de impureza para mais 
de um milhão de átomos de silício.
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Introdução
• Quando o silício é ligeiramente dopado com uma 
impureza como o fósforo, o processo é designado 
dopagem n, e o material resultante é chamado de 
semicondutor do tipo n. 
• Quando fortemente dopado, o processo é designado 
dopagem n+, e o material, semicondutor do tipo n+.
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Introdução
• Quando o silício é ligeiramente dopado com uma 
impureza como o boro, o processo é designado 
dopagem p, e o material resultante é chamado de 
semicondutor do tipo p. 
• Quando fortemente dopado, o processo é designado 
dopagem p+, e o material, semicondutor do tipo p+.
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Introdução
• Com a adição de impurezas ao silício ou ao germânio 
puro pelo processo de dopagem são obtidos elétrons ou 
lacunas livres.
• Os elétrons são os portadores majoritários no material 
do tipo n, enquanto as lacunas são os portadores 
majoritários em um material do tipo p. 
• Assim, a aplicação de um campo elétrico pode causar 
corrente elétrica em um material do tipo n ou do tipo p.
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Introdução
• O aumento da capacidade de potência, da 
facilidade do controle e da redução dos custos, 
dos modernos dispositivos semicondutores de 
potência, permitiu a utilização dos conversores 
em um grande número de novas aplicações.
• Permitindo, também, o desenvolvimento de 
novas topologias de conversores em aplicações 
de eletrônica de potência.
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Introdução
• De acordo com o grau de controlabilidade, os 
semicondutores de potência podem ser 
classificados em 3 grupos:
Diodos;
Tiristores;
Chaves controláveis (transistores).
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Introdução
• Diodos: estados ligado (ON) e desligado (OFF) 
controlados pelo circuito de potência.
• Tiristores: estado ligado controlado por um sinal 
de controle e desligado pelo circuito de potência.
• Chaves controláveis (transistores): estados ligado 
e desligado controlados por um sinal de controle.
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Introdução
• Na categoria de chaves controladas podemos 
citar os seguintes dispositivos semicondutores:
Bipolar Junction Transistor – BJT
Metal-Oxide-Semicondutor Field Effect Transistor – MOSFET
Gate Turn Off Thyristor – GTO
Insulated Gate Bipolar Transistor – IGBT 
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Diodos de Potência
• A estrutura interna apresenta uma região N 
intermediária, com baixa dopagem. Com papel de 
permitir ao componente suportar tensões mais 
elevadas, pois tornará menor o campo elétrico na 
região de depleção.
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Diodos de Potência
• Durante t1, a carga acumulada 
na região de depleção é 
removida.
• Como ainda não houve 
significativa injeção de 
portadores, a resistência da 
região N- é elevada, produzindo 
um pico de tensão.
• Indutâncias parasitas do 
componente e das conexões 
também colaboram com a 
sobretensão.
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Diodos de Potência
• Em t2 tem-se a chegada dos 
portadores e a redução da 
tensão para cerca de 1 V.
• Estes tempos são, 
tipicamente, da ordem de 
centenas de ns.
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Diodos de Potência
• No desligamento, a carga 
espacial presente na região 
N- deve ser removida antes 
que se possa reiniciar a 
formação da barreira de 
potencial na junção.
• Enquanto existir portadores 
transitando, o diodo se 
mantém em condução.
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Diodos de Potência
• A redução em Von se deve à 
diminuição da queda ôhmica 
causada pela corrente reversa.
• O pico negativo da corrente 
indica a retirada do excesso de 
portadores, iniciando o bloqueio 
do diodo.
• A sobretensão negativa é 
provocada pela taxa de variação 
da corrente aplicada as 
indutâncias do circuito.
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Diodos de Potência
• Símbolo e característica i-v em regime 
permanente:
• Quando polarizado diretamente, conduz com 
uma queda de tensão da ordem de 1 V.
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Diodos de Potência
• Quando polarizado reversamente, uma 
pequena corrente reversa flui pelo dispositivo 
até que a tensão de ruptura seja alcançada. Na 
operação normal a tensão de ruptura não 
dever ser alcançada.
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Diodos de Potência
• Devido ao pequeno valor da corrente na polarização 
reversa e a pequena queda de tensão no estado de 
condução comparados aos valores de tensão e 
corrente do circuito de potência, a curva característica 
do diodo pode ser idealizada.
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Diodos de Potência
• Durante a ligação o diodo pode ser considerado como 
uma chave ideal, pois sua ligação é rápida comparada 
aos transientes do circuito de potência.
• Mas quando desligado, a corrente do diodo fica 
negativa por um intervalo de tempo trr (reverse-
recovery time), antes de assumir o valor zero.
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Diodos de Potência
• Esta corrente negativa é necessária para retirar o 
excesso de portadores no diodo e permitir o bloqueio 
de um tensão com polaridade negativa.
• A corrente de recuperação reversa pode levar a 
sobretensões em circuitos indutivos. Mas na maioria 
dos circuitos esta corrente não afeta as características 
de entrada e saída do conversor, podendo o diodo ser 
considerando como ideal durante o desligamento.
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Tipos de Diodos de Potência
• Diodos Schottky:
Estes diodos são utilizados quando uma baixa queda de 
tensão na polarização direta é necessária (tipicamente 
0,3 V), em circuitos de baixa tensão de saída. Nestes 
diodos a tensão de bloqueio está limitada entre 50–100 V.
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Tipos de Diodos de Potência
• Diodos de Recuperação Rápida:
Estes diodos são projetados para serem utilizados em 
circuitos de alta frequência com chaves controladas, em 
que um pequeno tempo de recuperação reversa é 
necessário. Trabalham com níveis de tensão de algumas 
centenas de volts e de corrente de algumas centenas de 
ampères, com trr de alguns microsegundos.
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Tipos de Diodos de Potência
• Diodos de uso geral:
Estes diodos são projetados para terem a queda de tensão 
direta mais baixa possível, com isto o trr fica maior, mas 
aceitável em aplicações na frequência da rede de energia. 
Trabalham com níveis de tensão na ordem de kV e de 
corrente na ordem de kA, podendo ser conectados em 
série ou em paralelo para satisfazer requisitos de tensão e 
corrente.
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Diodos
400 V/6000 A
1400 V/50 A
1200 V/25 A
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Tipos de Diodos de Potência
• Circuitos Snubber (Amortecedores):
Os circuitos snubber protegem os dispositivos 
semicondutores durante os transitórios de ligamento e 
desligamento, limitando as magnitudes de corrente e 
tensão e suas taxas de crescimento.
Os diodos podem ser protegidos da sobretensão devido 
ao pico da corrente de recuperação reversa, em circuitos 
indutivos, através de um snubber RC.
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Tipos de Diodos de Potência
• Circuitos Snubber (Amortecedores):
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𝐶𝑠 = 𝐿𝜎
𝐼𝑟𝑟
𝑉𝑑
2
𝑅𝑠 = 1,3
𝑉𝑑
𝐼𝑟𝑟
Rs
L
+
-
V
d
anode
cathode Diode 
snap-off
Carbeto de Silício (SiC)
• É um material composto do grupo IV da tabela 
periódica, promissor para aplicações de alta 
potência e alta temperatura.
• Os elétrons do carbeto de silício precisam de 
cerca de três vezes mais energia para atingir a 
banda de condução em comparação ao silício.
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Carbeto de Silício (SiC)
• Em função disso,os dispositivos com base em 
SiC suportam tensões e temperaturas muito 
mais elevadas do que seus equivalentes em 
silício.
• O campo elétrico suportado por um material de 
SiC pode chegar a 10 vezes o suportado pelo 
silício, que é de 300 kV/cm.
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Carbeto de Silício (SiC)
• Em consequência, um dispositivo de SiC pode 
ter as mesmas dimensões de um de silício, mas 
conseguir suportar uma tensão 10 vezes maior. 
• Além disso, um dispositivo de SiC pode ter 
menos de um décimo da espessura de um de 
silício, mas suportar a mesma faixa de tensão.
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Diodos de Carbeto de Silício (SiC)
• não possuem tempo de recuperação reversa;
• apresentam chaveamento ultrarrápido;
• a temperatura não influi no chaveamento.
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Referências Bibliográficas
• Hart, D. W., “Eletrônica de Potência – Análise e Projetos de 
Circuitos”, McGraw-Hill, 2012.
• Rashid, M. H., “Eletrônica de Potência – Dispositivos, 
Circuitos e Aplicações”, Pearson, 2014.
• Mohan, N., Undeland, T. M. e Robbins, W. P., “Power 
Electronics – Converters, Applications and Design”, Wiley, 
2013. 
• da Silva, V. F., Apostila de Eletrônica de Potência, 2013. 
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