Transistor de potencia

Transístor de potência TRANSÍSTOR DE EFEITO DE CAMPO  MOSFET O transístor de porta isolada (MOSFET) tem este nome em virtude da porta (gate) ser constituída por uma película de alumínio que está isolada do canal por uma camada de óxido de silício (isolante).

Existem dois tipos de MOSFET: o de empobrecimento (ou depleção) e o MOSFET de enriquecimento (ou acumulação).

Os MOSFET podem ainda ser classificados nos seguintes tipos: NMOS (canal tipo N), PMOS (canal tipo P) e CMOS.

Podemos observar as curvas caraterísticas dos MOSFET tipo N.

ID(mA)

ID(mA) 8

6

6

4

4

4V

2

2

VGS = 1V

0

0 1

D

4V

8

2

3

4V

5

4 VGS(V)

10

15

20 VGS(V)

D

G

G Enriquecimento S

S

Manuel Costa ATEC – Academia de Formação

Canal n

Empobrecimento

lD

Canal p

lD

Canal n VGS n

+ V GS -

VDD

n

RD

VGS > 0 VGS = 0 VGS < 0 VDD

robótica

VGS

lD

+ U DD -

p

-VGS

16

FICHA PRÁTICA de ELETRÓNICA

Figura 3. Curvas caraterísticas do MOSFET de enriquecimento tipo N.

VDS

VGS = VP

Figura 1. MOSFET. ID

O MOSFET de enriquecimento está normalmente bloqueado, enquanto não se aplicar uma tensão positiva entre a porta e a fonte. Se aplicarmos uma tensão negativa, o MOSFET de enriquecimento não funcionará.

O MOSFET de empobrecimento funciona com uma tensão positiva ou negativa na porta.

Na Figura seguinte estão ilustrados os símbolos e polarizações respetivas das portas dos MOSFET de enriquecimento e empobrecimento, tipo N e P, respetivamente.

Enriquecimento D Canal n

lD

Empobrecimento +

Substrato VDS

G + V GS -

S

-

D

lD

+

Substrato VDS

G - V + GS

S

Modo de Depleção

-

Canal p

G - V + GS

Substrato VDS S

+

+ V GS -

Figura 2. MOSFET de enriquecimento e empobrecimento.

VGS

Figura 4. Curvas caraterísticas do MOSFET de empobrecimento tipo N comparativamente com o de enriquecimento.

Na Figura seguinte está representado o controlo de um motor através de um MOSFET. Normalmente são utilizados em comutação de alta frequência, em sistemas inversores no controlo de motores, geradores de alta frequência para indução de calor, entre outros.

-

+9 a 48 V 1N4002 M

-

lD G

Modo de reforço

VP

S1

lD

IDSS

100 MΩ

Substrato VDS

1 MΩ S

+

Figura 5

IRF 640

robótica

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FICHA PRÁTICA de ELETRÓNICA

GANHO DE CORRENTE O ganho de corrente dos TBP varia com diversos parâmetros (Vce, Ic, temperatura), sendo necessário definir adequadamente o ponto de operação. Em baixas correntes, a recombinação dos portadores em trânsito leva a uma redução no ganho, enquanto para altas correntes tem-se o fenómeno da quase-saturação reduzindo o ganho. Para uma tensão Vce elevada, a largura da região de transição de J2 que penetra na camada de base é maior, de modo a reduzir a espessura efetiva da base, o que leva a um aumento do ganho.

CARATERÍSTICAS DE COMUTAÇÃO As caraterísticas de comutação são importantes pois definem a velocidade de mudança de estado e ainda determinam as perdas no dispositivo relativas às comutações, que são dominantes nos conversores de alta frequência. Definem-se diversos intervalos considerando-se a operação com carga resistiva ou indutiva. O sinal de base para o corte é geralmente negativo, a fim de acelerar o bloqueio do TBP. A Figura 8 mostra formas de onda típicas para este tipo de carga. O índice “r’ refere-se a tempos de subida (de 10% a 90% dos valores máximos), enquanto “f” relaciona-se com os tempos de descida. O índice “s” refere-se ao tempo de armazenamento e “d” ao tempo de atraso. t td: tempo de atraso – corresponde ao tempo de descarregamento do condensador da junção b-e. Pode ser reduzido pelo uso de uma maior corrente de base com um elevado dib/dt. t tri: tempo de crescimento da corrente de coletor – este intervalo relaciona-se com a velocidade de aumento da carga armazenada e depende da corrente de base. Como a carga é resistiva, uma variação de Ic provoca uma mudança em Vce.

100% 90% Sinal de base 10%

ton=ton(i) td=tdi tri

toff=toffi ts=tsi tfi 90% Corrente de coletor 10% toff(v)

ton(v) tdv

tsv

tfv

Vce(sat)

trv

+Vcc 90% Tensão Vce 10%

Carga resistiva Figura 8

INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR  IGBT O IGBT (Transístor Bipolar de Porta Isolada) alia a facilidade de acionamento dos MOSFET com as pequenas perdas em condução dos transístores bipolares de potência (TBP). A sua velocidade de comutação é semelhante à dos transístores bipolares.

A estrutura do IGBT é similar à do MOSFET, mas com a inclusão de uma camada P+ que forma o coletor do IGBT, como se vê na Figura. Em termos simplificados pode-se analisar o IGBT como um MOSFET no qual a região N- tem a sua condutividade

modulada pela injeção de portadores minoritários (lacunas), a partir da região P+, uma vez que J1 está diretamente polarizada.

Esta maior condutividade produza uma menor queda de tensão em comparação a um MOSFET similar. O controlo do componente é análogo ao do MOSFET, ou seja, pela aplicação de uma polarização entre porta e emissor. Também para o IGBT o acionamento é feito por tensão.

A máxima tensão suportável é determinada pela junção J2 (polarização direta) e por J1 (polarização inversa). Como J1 divide 2 regiões muito dopadas, conclui-se que um IGBT não suporta tensões elevadas quando polarizado inversamente. Os IGBTs apresentam um tirístor parasita. A construção do dispositivo deve ser tal que evite o acionamento deste tirístor, especialmente devido às capacidades associadas à região P, a qual está relacionada com a região da porta do tirístor parasita. Os componentes modernos não apresentam problemas relativos a este elemento indesejado.

Gate (porta)

Emissor N+

J3

N+

P

C B

J2

NE N+ P+

J1

SiSO2

Coletor

metal Figura 9

A entrada em condução é similar ao MOSFET, sendo um pouco mais lenta a queda da tensão Vce, uma vez que isto depende da chegada dos portadores vindos da região P+. Para o bloqueio, no entanto, tais portadores devem ser retirados. Nos TBPs isto acontece pela drenagem dos portadores via base, o que não é possível nos IGBTs, devido ao acionamento isolado. A solução encontrada foi a inclusão de uma camada N+, na qual a taxa de recombinação é bastante mais elevada do que na região N-. Desta forma, as lacunas presentes em N+ recombinam-se com muita rapidez fazendo com que, por difusão, as lacunas existentes na região N- refluam, apressando a extinção da carga acumulada na região N-, possibilitando o restabelecimento da barreira de potencial e o bloqueio do componente.

Um primeiro critério para a escolha destes componentes é o dos limites de tensão e de corrente. Os MOSFET possuem uma faixa mais reduzida de valores ficando, tipicamente entre: 100 V/200 A e 1000 V/20 A. Já os TBP e IGBT atingem potências mais elevadas, indo até 1200 V/500 A. Como o acionamento do IGBT é muito mais fácil do que o do TBP, o seu uso tem sido crescente em detrimento dos TBP. Outro importante critério para a seleção refere-se às perdas de potência no componente. Assim, nas aplicações em alta frequência (acima de 50 kHz) devem ser utilizados MOSFETs. Em frequências mais baixas, qualquer dos 3 componentes podem responder satisfatoriamente. No entanto, as perdas em condução dos TBPs e dos IGBTs são sensivelmente menores que as dos MOSFET. No próximo artigo iremos iniciar a análise aos conversores.