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SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA E PROTECÇÃO As últimas três décadas trouxeram importantes desenvolvimentos na utilização de semicondutores quer no âmbito de potência quer como protecções. A sua aplicação em fontes de alimentação quer de produção de energia (UPS) quer na transformação de energia AC, em DC, utilizável pelos componentes electrónicos. Por ironia considera-se que uma invenção é uma descoberta revolucionária que muda um determinado paradigma. No entanto uma invenção é apenas um começo, as alterações profundas apenas surgem com desenvolvimentos futuros, por vezes, décadas depois. Este fenómeno é indubitavelmente real no mundo dos semicondutores. No quadro da Fig.1 é apresentada a cronologia dos desenvolvimentos das diversas variantes de semicondutores, procurando de seguida alocá-los às suas diferentes aplicações, tendo em conta as suas características diferenciadas.
aplicações basicamente distintas. Estes dois tipos de semicondutores de potência, foram desenvolvidos com base em pressupostos diferentes, desde o ciclo de utilização, passando pelos niveis de tensão de utilização mas, tambêm, o nível de potência para que foram desenhados. Estas diferentes carcaterísticas potenciam soluções diferentes e complementares. Para compreendermos o tipo de aplicação para a qual cada uma delas é vocacionada é importante analisar o quadro da figura 2 e 3 que nos indica a prevalência de cada um dos tipos de semicondutores em função das suas Características (Fig.2) e Aplicação (Fig.3).
MOSFET com as pequenas perdas em condução dos Transistores Bipolares, iriam dominar a electrónica de potência, mas verificou-se que a opção pelos MOSFET se manteve firme, em aplicações com frequência de comutação elevada, nomeadamente nas fontes comutadas . Desde logo as características diferenciadas de cada um deles potenciou a sua utilização em aplicações distintas. Os IGBT mais em electrónica de potência como as UPS e os MOSFET em electrónica ligeira, como as fontes de alimentação comutada existentes hoje em dia em quase todas as aplicações, quer domésticas quer industriais. Quase todos os equipamentos electrónicos vendidos são, hoje, detentores de uma fonte de alimentação comutada. Embora esta tecnologia tenha cerca de 30 anos, as melhorias tem sido evidentes, sendo que a última década trouxe evoluções não só rápidas como bastante positivas. As fontes de alimentação comutadas foram no passado o principal quebra cabeças de instalações com utilização maciço de servidores nomeadamente os centros de dados.
Figura 2 . Características dos Semicondutores.
Figura 1 . Cronologia dos Semicondutores.
Embora descoberto em 1947, a aplicação do transistor bipolar à comutação de potência, só perto de três décadas depois se tornou uma realidade, com a descoberta em 1975 dos VMOS e em 1977 do HEXFET, sucedâneos do que hoje conhecemos por MOSFET. As tecnologias MOSFET e a IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor), descoberta em 1980, continuam, hoje em dia, a coexistir embora em
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Figura 3 . Aplicações dos Semicondutores.
Das diferentes aplicações e objectivos, este artigo irá abordar principalmente a temática dos semicondutores de potência em UPS e Fontes de Alimentação Comutadas. Na década de 80 e 90, parecia que os IGBT, que associavam a facilidade de comutação dos
Figura 4 . MOSFET.
Até ao final do século passado era usual este tipo de fontes ser responsável por um conteúdo harmónico de cerca de 90 % e um factor de potência inferior a 0,6. Estas características impunham a implementação de sistemas
DOSSIER ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA
Este filtro, que começou por ser passivo, constituído por condensadores e bobines, evoluiu, numa fase posterior, para um híbrido que combina o passivo com o activo. Nos últimos cinco anos a maioria dos fabricantes de UPS rendeu-se à utilização de IGBT quer na concepção dos rectificadores quer nos onduladores. Com a aplicação deste semicondutor obtemos uma fonte de alimentação que, enquanto solicita apenas a componente activa, (Correcção automática do factor de potência na entrada) assegura o consumo sobre a forma de uma sinusóide perfeita (Consumo Sinusoidal à Rede), com muito menores perdas, garantindo um rendimento superior a 95%.
Como conclusão importa referir que a utilização de semicondutores de nova geração é fundamental para assegurar soluções optimizadas. Se do ponto de vista da utilização das fontes de alimentação comutadas, fomos ajudados pela legilação imposta nos Estados Unidos, que aponta para um conjunto de parâmetros obrigatórios que os fabricantes têm que implementar e em que a tecnologia dos MOSFET é dominadora, do ponto de vista das UPS e da utilização de tecnologia de IGBT, esta decisão é, ainda, um critério de cada fabricante. Este facto obriga a que cada um de nós, ao optar por determinado equipamento, seja capaz de avaliar a geração de semicondutores que nos estão a oferecer e assim saber optar pela melhor solução mesmo que, por vezes, ela possa constituir um custo adicional.
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Figura 11 . Rectificador com IGBT.
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