Aula2_dispositivos semicondutores
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Aula2_dispositivos semicondutores

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0

O GTO não suporta elevada variação de tensão (dv/dt) durante o transitório em
que muda do estado ON para o estado OFF. Com isso, há a necessidade em utilizar
circuitos SNUBBER para atenuar a variação de tensão.

Mudança de Estado ON - OFF

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Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
Centro Técnico Científico - Departamento de Engenharia Elétrica
Eletrônica de Potência (ENG 1452)
Prof. Luís Fernando Monteiro

Fonte de Referência:

B.K.Bose – Modern Power
Electronics and AC drives
2002, Prentice Hall – Inc.

 Transitórios OFF-ON e ON-OFF

Dispositivos Semicondutores de Potência

ts -> Tempo necessário para
que a corrente iA comece a
decair;
tf -> Tempo em que iA decai
com maior di/dt;
td -> Tempo mínimo necessário
que a corrente iG deve ser
mantida para que o GTO não
entre em condução.

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 Demais Características

- Durante o transitório do estado OFF para o estado ON, o GTO apresenta um
intervalo de tempo (ton) entre 1 a 2 micro segundos.
- Durante o transitório do estado ON para o estado OFF, o GTO apresenta um
intervalo de tempo (toff) entre 5 a 10 micro segundos.

- Ainda é utilizado em potências elevadas podendo suportar tensões de bloqueio
da ordem de 6kV e conduzir correntes de até 6 kA. Desse modo, este dispositivo
ainda é utilizado em inversores de ordem elevada (na ordem dos MW).

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Dispositivos Semicondutores de Potência

 Leitura Complementar

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[1] - Sumi, H.; Kobayashi, S.; Morimoto, M.; Sugimoto, S.; Ise, T.; “Detailed Circuit Simulation
During Switching Transient of GTO Circuit,” 6th Workshop on Computers in Power
Electronics, 1998, pp. 11 – 16.

[2] - Honbu, M.; Matsuda, Y.; Miyazaki, K.; Jifuku, Y.; “Parallel Operation Techniques of GTO
Inverter Sets for Large AC Motor Drives,” IEEE Transactions on Industry Applications, Issue:2,
pp. 198 – 205, Março de 1983.

[3] - Ronsisvalle, C.; Enea, V.; Abbate, C.; Busatto, G.; Sanseverino, A.; “Perspective
Performances of MOS-Gated GTO in High-Power Applications,” IEEE Transactions on Electron
Devices, Issue:9, vol.57, pp. 2339 – 2343, Setembro de 2010.

Dispositivos Semicondutores de Potência

 Transistores Bipolar de Junção (TBJ)
Os transistores bipolar de junção são dispositivos totalmente controláveis, com capacidade
de operar com resposta em freqüência média entre 20 a 50 kHz, desde que sejam
submetidos a aplicações que envolvam centenas de Watts. Em aplicações para dezenas de
kW, a freqüência média de chaveamento decai para 2 a 5 kHz.

B

C

E

Símbolo
Transistor NPN

iC
iB

iE
B

C

E

Símbolo
Transistor PNP

iE
iB

iC

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O controle de Vbe determina a corrente de base, Ib, que, por sua vez, se relaciona com Ic pelo
ganho de corrente do dispositivo.

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 Regiões de Operação do TBJ

Região de Corte
-TBJ não conduz corrente. Junção base-emissor e base-coletor reversamente polarizadas.
Região Ativa
-TBJ conduz corrente mediante a corrente imposta na base. Junção base-coletor
reversamente polarizada e a junção base-emissor diretamente polarizada.
Região de Saturação
-Junção base-coletor e base-emissor diretamente polarizadas. Tensão vCE reduz para
aproximadamente 0,2 V (transistor NPN), limitando a corrente conduzida pelo TBJ.
Região Ativa Reversa
- Junção base-coletor está reversamente polarizada e a junção base-emissor diretamente
polarizada. Corrente do emissor muito baixa com a corrente do coletor praticamente igual
corrente da base.

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Característica Emissor-Comum:

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 Curvas Características Emissor-Comum (TBJ)

iB1
iB2
iB3
iB4

iB5

0

i

iC

vCE
Região de saturação (vCE ≈ 0,2v)

0

iC

vCE

Característica Ideal:

Off

On

Região ativa

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Com o transistor conduzindo (Ib>0) e operando na
região ativa, o limite de tensão Vce é Vces. Se atingido,
ocorre um fenômeno chamado de primeira ruptura.

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 Curvas Características Base-Comum (TBJ)

iE1
iE2
iE3
iE4

iE5

0

i
iC

vCB
Região de saturação (vCE ≈ -0,4v)

Região ativa

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0

iC

vCB

Característica Ideal:

Off

On

Característica Base - Comum:

Dispositivos Semicondutores de Potência

 Configuração Darlington (TBJ)
A configuração darlington é utilizada para aumentar o ganho de corrente como
também prover aumento da capacidade do transistor em suportar ternsões de
bloqueio maiores e conduzir correntes de maior magnitude.

iC

B

C

E

vCE
vBE

iCib
B

C

E

vCE
vBE

Ganho de
Corrente:
20 ~ 100

Exemplo:
1400V / 600A

ib

20

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Dispositivos Semicondutores de Potência

 Transistores de Efeito de Campo MOSFET
Assim como o Transistor Bipolar de Junção, o Transistor de Efeito de Campo
também é um dispositivo totalmente controlável, a partir do controle da tensão
aplicada entre a gate e a source (vGS). Em eletrônica de potência é mais comum a
utilização do FET com tecnologia MOS (Metal Oxide Semicondutor).

Símbolo
MOSFET Canal N

NMOS

Símbolo
MOSFET Canal P

PMOS
G

S

D
iD

iSvGS

G

S

D

iS

iD

vGS
iG

iG

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 Características Básicas NMOS

5V

vGS=7V

0

6V

4V

OniD

vDSOff

0

iD

Off

On

vDS

Característica Ideal:

iG

1A

1A 0.5 A iD = 25 A

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Dispositivos Semicondutores de Potência

 Demais Características MOSFET

 Capacidade de operar com freqüências de chaveamento de até algumas
centenas de kHz (ton=100ns e toff=200ns);

 Capacidade de operar com freqüências de 50 kHz submetido a potências de
até 10 kW;

 Correntes de gate muito baixas (exemplo, para uma corrente id de 25 A é
necessário uma corrente de gate com valor máximo de 1A);

 Perdas elevadas durante a condução.

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Dispositivos Semicondutores de Potência

 IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
- O IGBT é um dispositivo semicondutor relativamente moderno, utilizado em quase todos
os segmentos envolvendo a eletrônica de potência.
- Similar ao MOSFET, o IGBT apresenta uma impedância interna elevada, o que requer

somente uma “pequena” quantidade de energia para ser acionado.
- Similar ao TBJ, o IGBT apresenta uma pequena tensão VCE