Capítulo 3: Transístores de Potência Profa. Dr. – Ing. Vera Lúcia D. S. Franco Engenharia Mecatrônica Transistor de Potência -Os transistores com a...

Capítulo 3: Transístores de Potência Profa. Dr. – Ing. Vera Lúcia D. S. Franco Engenharia Mecatrônica Transistor de Potência -Os transistores com altos valores nominais de tensão e corrente são conhecidos como transistores de potência – semicondutor – PNP, NPN, 3 camadas com duas junções. -Os transistores possuem dois tipos básicos de aplicação: -Amplificação e chaveamento -Em eletrônica de potência em que o objetivo principal é o controle eficaz de potência eles são utilizados como chaves. -Os diodos são chaves que não podem ser controlados, pois têm apenas dois terminais, já os transistores têm 3 terminais, dois atuam como contato de uma chave e o terceiro é usado para ligar e desligar a chave. - Assim o circuito de controle pode ser independente do circuito que está sendo controlado. Transistores mais utilizados : - Transistor bipolar de junção (Bipolar Junction Transistor BJT) – controlado por corrente. olvem alta tensão, trabalham com perdas baixas no estado ligado, requerem circuitos acionadores simples e suportam velocidades de chaveamento relativamente altas. Transistores Bipolares de Junção de Potência (BJTs) Os transistores de potência são encontrados no mercado em dois tipos NPN e PNP. Neste caso iremos concentrar no NPN, uma vez que tem valores nominais de tensão e corrente mais alto. Um transistor NPN e o seu símbolo O coletor e o emissor não podem ser invertido, pois suas características e os valores nominais mudam significativamente quando esses terminais são invertidos. Para controle de potência o transistor é usado como chave. Curva característica V-I de um BJT Curva característica idealizada de um transistor A maioria das aplicações de transistores de potência utiliza a configuração emissor comum (funcionando como chave). -Três regiões de operação: corte, saturação e a região ativa. - Se IB = 0, IC é desprezível, neste caso o transistor se encontra na região de corte ou seja desligado: neste caso a junção coletor-base como base–emissor está reversamente polarizado e o transistor é uma chave aberta. Na operação da região ativa a junção base-emissor está diretamente polarizada e enquanto a junção coletor-base fica inversamente polarizada. A região ativa é usada para amplificação. Os BJTs não podem bloquear mais do que 20 V na direção inversa, por isso não são usados em controles de potência AC, a menos que um diodo reverso seja ligado em paralelo entre o emissor e coletor. Se a corrente de base IB for suficiente para acionar o transistor até a saturação: IC muito grande e VCE é aproximadamente zero, neste caso o transistor é uma chave fechada e as duas junções estão diretamente polarizadas. Na saturação ambas junções estão diretamente polarizadas Polarização de um transistor - Transistor funcionando como chave, a corrente da base será fornecida pelo circuito de controle conectado entre a base e o emissor. O coletor e o emissor atuam como terminais de potência da chave. Reta de carga DC – todos os pontos de operação do circuito VCC – ICRC – VCE = 0 VCE= VCC – ICRC IC(sat) = (VCC – VCE(sat))/RC VCC/RC Saturação IC 0 então VCC = VCE Ponto de corte Perdas de potência nos transistores -Perdas na condução ou no estado ligado; -Perdas por fuga ou no estado desligado; -Perdas por passagem para o estado ligado durante a ligação; -Perdas por passagem para o estado desligado durante o desligamento da chave. - As perdas durante o chaveamento não podem ser desprezadas, pois são significativas. Perdas de potência na base PB = VBB(sat).IB Perdas no coletor PC = VCE(sat).IC Perdas no estado ligado Pon = VCE(sat).IC + VBE(sat).IB Se as perdas de potência na base forem pequenas, quando comparada às perdas de potência no coletor, estas podem ser desprezadas e o cálculo da potência no estado ligado fica assim: Pon = VCE(sat).IC Perdas nos estado desligado Poff = VCE.IC VCC.Ileakage Perdas de energia durante a ligação de um transistor Onde: Tr – tempo de subida da corrente de coletor ( de 1 a 2 ms). Perdas de energia durante o desligamento Sendo: Tf A dissipação média total do transistor é dada por: PT(AVG) ={Pon. Ton + Poff.Toff + W(sw-on) + W(sw-off)}.f r CCC onsw T IV W . 6 (max) )(   f CCC offsw T IV W . 6 (max) )(   Teste de um transistor -Feito com Ohmímetro. -Diretamente polarizados as junções base-emissor e base coletor devem ter resistência relativamente pequena, enquanto devem registrar uma resistência muito maior na polarização inversa. -A resistência entre o coletor e o emissor (RCE) também pode ser testada. Essa resistência nas duas direções é muito maior do que a resistência direta de cada uma das funções. -RCE – nos transistores de silício pode ter uma leitura infinita em alguns ohmímetros. Os transistores de potência com defeito apresentam muitas vezes um curto entre o coletor e emissor, mesmo quando ambas as junções passaram no teste. -Tipo do transistor – com ohmímetro- terminal positivo ligado a base e o negativo ao emissor, a leitura da resistência é baixa no transistor NPN e alta no PNP. Proteção de um transistor -Condições térmicas são importantes -Proteção contra sobrecorrente -IC aumenta com VCE – dissipação de potência VCE.IC e como conseqüência há um aumento da temperatura na junção, a resistência diminui e IC aumenta e neste caso há dissipação de energia, e aumento exagerado da temperatura. -Uma maneira de proteger o transistor basta desligar o dispositivo quando VCE e IC ultrapassam o nível de referência. -A proteção contra grandes defeitos pode-se utilizar chave em paralelo que curto-circuite o transistor Proteção contra sobretensão. -diodo em antiparalelo ligado diretamente nos terminais do transistor. Circuito Snubber Proteção de bloqueio de tensão inversa -Utilizar um diodo em antiparalelo se for utilizado em um circuito AC. -Circuito Snubber - É usado para limitar a tensão no dispositivo durante os transitórios de chaveamento. Valores nominais de um transistor -Tensão de saturação coletor –emissor (VCE(sat)) -Ganho de corrente DC – (hFE) -hFE = IC/IB – transistores de potência fica na faixa de 5 e 50. -Velocidade de chaveamento -tempo de chaveamento de 1ms (ligado ) e 2ms (desligado) -Tensão de bloqueio: valores para os transistores de potência disponíveis no mercado é na faixa de 1400 V. -Valores de corrente de coletor : é a corrente contínua máxima permissível (ICmax) -Valor máximo permissível de temperatura na junção: normalmente é de 125º. -Dissipação de potência: o valor nominal máximo de potência de um transistor é especificado como PD(max). -Área de Operação segura (SOA) – (safe operating area – SOA) - Para garantir uma operação segura do transistor, os fabricantes especificam limites na curva VCE versus IC para definir a área de operação segura. Área de operação segura de um BJT Ruptura secundária -Ruptura Secundária -Os BJTs apresentam falhas para certas condições de tensão e de corrente altas. Se uma tensão e uma corrente altas ocorrerem simultaneamente durante o corte, a dissipação de potência provocará a falha do dispositivo. Transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor de potência (MOSFET) -Transistor de chaveamento rápido caracterizado por alta impedância de entrada e apropriado para baixas potências e altas frequências de chaveamento (aprox. 100KHz). -O MOSFET possui 3 terminais: a porta G, a fonte S e o dreno D. A fonte está sempre em um potência próximo da porta. O dreno é ligado à carga. - Para condução deste dispositivo, o dreno torna-se positivo em relação à fonte e uma fonte de tensão pequena positiva (VGS). Não havendo tensão na porta, a chave fica desligada, ou seja, é tensão da porta que controla as condições de ligado e desligado. -Em ambas condições (ligado/desligado), a resistência de entrada é extremamente alta, e neste caso a corrente de porta é zero, pelo isolamento resistivo da porta, isso propicia circuitos de controle de porta bem simples e eficientes quando comparados com aqueles para acionar um BJT. O MOSFET consegue transições mais rápidas entre os estados ligados e desligados do que um BJT e por isso substitui os BJTs em aplicações de altas frequências de chaveamento. -A queda de tensão no estado ligado é de 4V – perdas elevadas.