Engenharia de Controle e

Automação

ATPS Eletrônica de Potência

ETAPA l – Dispositivos semicondutores de potênciaPasso 4

Características que diferenciam um diodo comum de um diodo de potência

Com a diversificação dos tipos de materiais e da forma de construção utilizados para o desenvolvimento de componentes semicondutores, foi possível observar a ocorrência de diferentes tipos de fenômenos físicos. Alguns destes fenômenos foram aproveitados para o desenvolvimento de componentes eletrônicos especiais, como os diodos.

Um diodo semicondutor é uma estrutura P-N que, dentro de seus limites, permite a passagem de corrente em um único sentido. Alguns detalhes de funcionamento, que em geral são desprezados para diodos comuns, podem ser significativos para componentes de maior potência, caracterizados por, uma maior área, que permite suportar maiores correntes, maior comprimento, que permite suportar tensões mais elevadas.

Os diodos de potência apresentam além das duas camadas P e N, uma terceira camada. A camada N extra e intermediaria às duas convencionais é de baixa dopagem (N-) e sua função é aumentar a capacidade do componente quando aplicado em tensões elevadas. Essa camada acrescenta uma parcela resistiva ao diodo quando em condução. Além disso, a área da seção transversal das junções é maior do que a de um diodo normal, pois a corrente circulante também é maior e isso agrega urna parcela capacitiva ao diodo quando em bloqueio. Essas características são indesejáveis porque introduzem distorções na forma de onda da comutação de um diodo de potência. Entretanto, como o dispositivo é suficientemente robusto, essas características não deverão afetar o seu funcionamento. Mesmo assim, é recomendável utilizar-se algumas técnicas de filtragem e amortecimento dos transientes provocados pela comutação dos diodos de potência.

Tabela, relacionando os métodos construtivos de diodos de potência e as características típicas associadas.

Diodos de potência; Tiristores (SCR, DIAC, TRIAC e GTO)

Tiristor. Símbolo e Estrutura teórica.

Em sua maioria os diodos são construídos com silício que é um elemento considerado semicondutor, cuja resistência elétrica diminui com o aumento da temperatura. Os diversos diodos de potência trabalham com altas correntes, possuem curvas características bem idênticas e são divididos em três tipos: Genéricos, De alta velocidade, Schottky.

Diodos Genéricos

São encontrados em valores de até 3000V, 3500, são basicamente de dois tipos: o tipo rosca, também conhecido como rosqueável (stud ou stud-mounted) e o tipo disco ou encapsulamento prensável, também conhecido como disco de hóquei (press pak ou hockey puck). No tipo de diodo rosqueável, tanto o anodo quanto o catodo pode estar do lado da rosca.

Diodos de Alta Velocidade

Os diodos de alta velocidade, conhecidos como de recuperação rápida, como o nome já sugere, são muito velozes e bastante utilizados em chaveamento de alta frequência, como é o caso dos conversores de potência. A faixa de recuperação pode ir até 3000V, 1000A e o tempo de recuperação reversa varia entre 0,1 e 5µs.

Diodos Schottky

Os diodos Schottky têm baixa queda de tensão em sentido direto e tempo de recuperação muito pequeno, tipicamente de alguns ns. A corrente de fuga aumenta com a faixa de tensão e seus valores nominais estão limitados a 100V, 300A. Os diodos conduzem quando têm a tensão de anodo maior que a de catodo; e o valor da queda de tensão direta de um diodo de potência fica tipicamente entre 0,5 V e 1,5 V. Como quaisquer dispositivos práticos, a sua operação não ocorre de forma ideal. Considerando-se que o diodo está conduzindo, se a tensão for bruscamente invertida, as regiões p e n ainda terão portadores minoritários de carga e o diodo se comporta como um curto-circuito por um curto período de tempo.

Assim, há uma corrente no sentido inverso, conforme figura a seguir, que pode provocar interferências e perdas. Os diodos de alta velocidade têm este fenômeno menos acentuado, contudo a máxima tensão reversa que eles suportam é menor.

Estrutura Típica de um Diodo de Potência

A estrutura interna de um diodo de potência é um pouco diferente da estrutura de um diodo semicondutor comum. Ele possui uma nova região “N”, intermediária, com baixa dopagem, que tem por função permitir que o componente suporte tensões mais elevadas. Esta região menos densa fornece ao diodo um efeito resistivo, quando em condução, que se torna maior quanto maior for a tensão suportável pelo componente. No estado bloqueado, devido à área da secção transversal das junções ser maior que a de um diodo comum, verifica-se um efeito capacitivo na região de transição. Estas características, que

não são desejáveis, podem vir a atrapalhar a forma de onda da comutação de um diodo de potência, porém, como o dispositivo acionado por ele é normalmente robusto e trabalha com altos valores de corrente e tensão, isso não deverá afetar o seu funcionamento. O contorno arredondado entre as regiões de anodo e catodo tem como função criar campos elétricos mais suaves, evitando o efeito de pontas no interior do diodo.

O comportamento de um diodo de potência é muito diferente do de uma chave ideal.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 houver portadores transitando, o diodo se mantém em condução. A redução em Von se deve à diminuição da queda ôhmica. Quando a corrente atinge seu pico negativo é sinal que foi retirado o excesso de portadores, iniciando-se, então, o bloqueio do diodo. A taxa de variação da corrente, associada às indutâncias do circuito, provoca uma sobre tensão negativa.

Tiristor

Tiristor é um nome genérico que define uma família de dispositivos semicondutores que operam em regime de chaveamento, ora ligado, ora desligado, tendo em comum uma estrutura de quatro camadas semicondutoras numa sequência p-n-p-n. Os tiristores podem apresentar comportamento: unidirecional, quando o fluxo de corrente é em apenas um sentido; ou bidirecional, quando o fluxo de corrente ocorre em ambos os sentidos.

Tipos de tiristores

SCR – Silicon Controlled Rectifier

Simbologia

O SCR conhecido como retificador controlado de silício, é formado por quatro camadas semicondutoras de forma alternada, P-N-P-N, e possui três terminais: anodo e catodo, através dos quais flui a corrente principal que é conhecida como corrente anódica e o gate que, a partir da injeção de uma pequena corrente, faz com que surja esta corrente anódica.

Existe uma grande quantidade de tipos e modelos de tiristores no mercado. O tiristor de uso mais difundido é o SCR (Retificador Controlado de Silício), usualmente chamado simplesmente de tiristor. Outros componentes, no entanto, possuem basicamente a mesma estrutura: o LASCR (SCR ativado por luz), também chamado de LTT (Light Triggered Thyristor), o TRIAC (tiristor triodo bidirecional), o DIAC (tiristor diodo bidirecional), o GTO (tiristor comutável pela porta) e o MCT (Tiristor controlado por MOS).

É um arranjo que tem por objetivo aumentar o ganho obtido por um transistor apenas. O transistor de alta potência, já na saída, possui um baixo ganho, o que é compensado pelo transistor de baixa potência que tem como característica principal, um alto ganho.

O SCR conhecido como retificador controlado de silício, é formado por quatro camadas semicondutoras de forma alternada, P-N-P-N, e possui três terminais: anodo e catodo, através dos quais flui a corrente principal que é conhecida como corrente anódica e o gate que, a partir da injeção de uma pequena corrente, faz com que surja esta corrente anódica.

A melhor maneira de se especificar um SCR é através das especificações do fabricante. Contudo, pelo menos dois tópicos precisam ser observados : a capacidade de corrente e a tensão

de isolação do SCR. Exemplo : TIC 106 D - TEXAS : TIC 106 - SCR p/ 30 A ( máximo ) Sufixo D - Tensão de isolação de 400V. Os SCRs da SEMIKRON têm seus códigos dados de maneira análoga aos diodos. Vejamos um exemplo: SKT 490 / 16 SKT - é o tipo de SCR 490 - é a máxima corrente de condução 16 - é a tensão de isolação = 1600 V

DIAC – Diodo de Corrente AlternadaSimbologia

É o diodo de corrente alternada que possui três camadas semicondutoras, como ocorre no transistor bipolar, porém se diferencia do transistor devido ao fato de que as concentrações de dopagem em volta das duas junções devem ser iguais e os terminais são apenas nas camadas externas.A curva característica do DIAC possui no primeiro e no terceiro quadrante as mesmas características de tensão e corrente. Possui a mesma corrente de engate ou tranca IL nas duas direções.

O DIAC conduz quando a tensão em seus terminais excede o valor da avalanche direta (VBO) em qualquer sentido, após o disparo o dispositivo conduz e a tensão passa de um valor de disparo para um valor inferior VH, que se mantém enquanto o DIAC conduz. Após conduzir a única forma de levá-lo ao corte é por meio de uma redução de corrente, reduzindo-a abaixo de um valor especificado.

O DIAC começa a conduzir quando a tensão entre seus terminais atingir o valor de VBO, protegendo contra sobre tensão o equipamento que está em paralelo a ele.

TRIAC - Tríodo de Corrente Alternada

Simbologia

O Tríodo de Corrente Alternada é um dispositivo que atua nos dois sentidos de condução da corrente, é um componente bidirecional, o disparo pode ser feito tanto com pulso positivo quanto

negativo. O TRIAC proporciona maior simplicidade e eficiência, no controle de potência de onda completa.

O TRIAC, como o SCR, não é construído para operar com tensão de avalanche direta, são projetados para fechar por meio de disparo e abrir por meio de baixa corrente. Porém, exibe as mesmas características de corrente e tensão nas duas direções. O dispositivo é ativado quando submetido a uma corrente de gate suficientemente alta e é desativado pela simples redução de sua corrente anódica abaixo do valor de manutenção IH.

Assim como os SCRs, os triacs devem ser especificados principalmente pela sua capacidade de corrente e sua tensão de isolação. Os códigos dos fabricantes se assemelham aos utilizados para os SCRs.

Devido a essa semelhança é bom que se tome cuidado para não utilizarmos um SCR no lugar de um triac ou vice-versa. Um exemplo ilustra a semelhança entre os códigos:

- Um TIC 116 D é um SCR - Um TIC 216 D é um triac.

GTO – Gate Turn-Off TiristorSimbologia

O GTO, embora tenha sido criado no início da década de 60, por problemas de fraco desempenho foi pouco utilizado. Com o avanço da tecnologia de construção de dispositivos semicondutores, novas soluções foram encontradas para aprimorar tais componentes, que hoje ocupam significativa faixa de aplicação, especialmente naquelas de elevada potência, uma vez que estão, disponíveis dispositivos para 5000V, 4000A. O GTO é um tiristor disparado da mesma maneira que o SCR, mas tendo a vantagem adicional de ser bloqueado pela injeção de um pulso negativo de corrente no gate.

A corrente negativa aplicada ao Gate deve durar certo tempo para que haja o bloqueio e a amplitude dessa corrente deve ser capaz de bloquear o componente. Como exemplo, um GTO de 2500V, 600A necessita de uma corrente negativa de e de 150mA, para bloqueá-lo. Atualmente encontra-se GTO com valores de até 2500A e 4500V, com uma frequência máxima de chaveamento de alguns kHz.A característica principal do GTO é a sua capacidade de entrar em condução e bloquear através de comandos adequados no terminal de Gate. O mecanismo de disparo é semelhante ao do SCR.

ETAPA 2 - Dispositivos semicondutores de potência; Transistores de potência (BJT, UJT, MOSFET e IGBT).

Passo 4A eletrônica de potência trata das aplicações de dispositivos semicondutores de potência, como

tiristores e transistores, na conversão e no controle de energia elétrica em níveis altos de potência aplicados à indústria. Essa conversão é normalmente de AC para DC ou vice-versa, enquanto os parâmetros controlados são tensão, corrente e frequência. Portanto, a eletrônica de potência pode ser considerada uma tecnologia interdisciplinar que envolve três campos básicos: a potência, a eletrônica e o controle.

Os principais tipos de dispositivos semicondutores usados como chaves em circuitos de eletrônica de potência são:Diodos;Transistores bipolares de junção (BJTs);Transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFETs);Transistores bipolares de porta isolada (IGBTs);Retificadores2. Dispositivos de potência: características e funcionamento2.1 Diodos de potência

O material ativo mais comum para a construção do diodo é o silício, um material semicondutor, ou seja, classificado entre o isolante e o condutor, cuja resistência decresce com o aumento da temperatura.

O silício é um elemento do grupo IV da tabela periódica e tem quatro elétrons na última órbita em sua estrutura atômica.

Se a ele for acrescido um elemento pentavalente, com cinco elétrons na última órbita, haverá um elétron livre na estrutura do cristal. O elétron livre possibilita um grande aumento na condução e, como o elétron é uma carga negativa, esse material é conhecido como semicondutor tipo N.

Se ao silício for acrescentada uma impureza trivalente, um elemento com três elétrons na sua última órbita surge um vazio ou lacuna na estrutura cristalina, que pode receber um elétron. Esse vazio pode ser considerado uma carga positiva, conhecida como lacuna, e possibilita um grande aumento na condução; esse material dopado é conhecido como semicondutor tipo P.

O grau de dopagem (adição de impurezas) é da ordem de 107 átomos. Em semicondutores tipo N, a maioria dos portadores de corrente é de elétrons e a minoria é de lacunas. O contrário aplica-se a semicondutor tipo P. Dependendo da dopagem, a condutividade do semicondutor tipo N ou P é aumentada muito se comparada ao silício puro.

Transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET)

O transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico (MOSFET) de potência é um dispositivo para uso como chave em níveis de potência. Os terminais principais são o dreno e a fonte, com a corrente fluindo do dreno para a fonte e sendo controlada pela tensão entre a porta e a fonte. Abaixo é mostrado o símbolo do MOSFET:

O MOSFET é um transistor de chaveamento rápido, caracterizado por uma alta impedância de entrada, apropriado para potências baixas (até alguns quilowatts) e para aplicações de alta frequência (até 100kHz).

Um MOSFET tem aplicações importantes em fontes de alimentação chaveadas, nas quais frequências altas de chaveamento subentendem componentes menores e mais econômicos, além de motores de baixa velocidade de controle que utilizem modulação por largura de pulso – PWM).

Os MOSFETs estão disponíveis no mercado nos tipos canal N e canal P. Entretanto, os dispositivos em canal N têm valores nominais de corrente e tensão mais altos.

Devido à alta resistência de porta, a corrente de controle é praticamente nula, propiciando um controle de condução entre dreno e fonte a partir de uma tensão aplicada no terminal de porta. Ainda, pela baixíssima necessidade de corrente de controle, é possível comutar a condução do MOSFET através de circuitos microcontrolados.

O MOSFET é bem mais rápido nas comutações que o TJB, entretanto fornece mais perdas de condução na saturação, mas, infelizmente sozinho não consegue bloquear uma tensão reversa entre dreno e fonte. Isto de deve ao um diodo acoplado internamente a sua estrutura em antiparalelo. Este diodo é chamado de diodo de corpo e serve para permitir um caminho de retorno para a corrente para a maioria das aplicações de chaveamento.

Simbologia

Transistor bipolar de porta isolada (IGBT)O transistor bipolar de porta isolada (IGBT) mescla as características de baixa queda de tensão

de saturação do TJB com as excelentes características de chaveamento e simplicidade dos circuitos de controle da porta do MOSFET.

Os IGBTs substituem os MOSFETS em aplicações de alta tensão, nas quais as perdas na condução precisam ser mantidas em valores baixos. Embora as velocidades de chaveamento dos IGBTs sejam maiores (até 50 kHz) do que as dos TJBs, são menores que as dos MOSFETs.

Portanto, as frequências máximas de chaveamento possíveis com IGBT ficam entre as dos TJBs e as dos MOSFETs. Ao contrário do que ocorre no MOSFET, o IGBT não tem qualquer diodo reverso interno. Assim, sua capacidade de bloqueio para tensões inversas é muito ruim. A tensão inversa máxima que ele pode suportar é de menos de 10 V.

Simbologia

O transistor bipolar de junção TBJ

O transistor bipolar de junção TBJ é um dispositivo semicondutor de três terminais: a base, o coletor e o emissor. Em suma, a tensão de base controla o fluxo de corrente entre o coletor e o emissor.

A polarização DC adequada se faz necessária para estabelecer a região ideal de operação para a amplificação AC como será mostrado mais a frente. Os terminais são normalmente indicados pelas letras maiúsculas E – emissor, C – coletor e B – base.O fluxo de corrente nesses dispositivos ocorre do emissor para o coletor nos transistores pnp e do coletor para o emissor nos npn.

Em função dessa característica, tem-se o símbolo usado para representar os transistores vistos na Figura, onde a seta no desenho indica o sentido do fluxo da corrente.Simbologia

Para o TJB trabalhar como chave eletrônica é preciso polarizá-lo nas regiões de corte e saturação e como amplificador, na região ativa.

De modo geral, o TJB de potência segue os mesmos parâmetros do transistor de sinal. Algumas características são próprias devido aos níveis de correntes e tensões que o dispositivo

trabalha.Transistor de unijunção (UJT)O UJT é um dispositivo semicondutor de três terminais com apenas uma junção PN.O circuito tradicional de disparo usando o UJT é chamado de oscilador de relaxação.O UJT tem dois parâmetros importantes: Tensão de Disparo (VP) e Tensão de Vale (VV). O

primeiro diz o valor de tensão necessário para fazer conduzir o caminho entre o emissor (E) e a base 1. O segundo informa o valor de tensão que, após a entrada em condução, bloqueia o citado caminho. Em outras palavras, estes parâmetros indicam o início e o fim do disparo do UJT.Simbologia

Aplicações dos dispositivos de Potência

Os dispositivos de potência podem ser operados como chave, pela aplicação de sinais de controle no terminal de gate (tiristores e mosfet´s) ou na base (transistor bipolar).

A saída é obtida através do tempo de condução destes dispositivos de chaveamento,Os dispositivos de potência apresentam as seguintes características:

- DIODO DE POTÊNCIA: não há controle tanto na condução quanto no bloqueio;- SCR: disparo controlado, mas sem controle no bloqueio;- BJT, MOSFET, GTO, IGBT, MCT: controle tanto no disparo, quanto no bloqueio;- Sinal contínuo: BJT, MOSFET, IGBT;- Pulso de sinal: SCR, GTO, MCT;- Capacidade de bloqueio bipolar: SCR, GTO;- Capacidade de bloqueio unipolar: BJT, MOSFET, IGBT;- Capacidade de corrente bidirecional: TRIAC, RCT;- Capacidade de corrente unidirecional: SCR, GTO, BJT, MOSFET, etc.

Cada dispositivo com sua simbologia e uma curva característica

ETAPA 3 - Conversores CA/CC monofásicos – Retificadores; Retificadores monofásicos controlados ou não: meia onda, onda completa com tap central, onda completa e ponte.

Para o controle da potência elétrica, a conversão desta potência se torna necessária (CA-CC), e os dispositivos de potência, através de sua característica de chaveamento, permitem esta conversão. Os conversores estáticos de potência permitem este tipo de conversão. Estes conversores podem ser classificados:

• Conversores CA-CC: RETIFICADORES;

• Conversores CA-CA: CONTROLADORES CA E CICLOCONVERSORES;

• Conversores CC-CC: CHOPPERS;

• Conversores CC-CA: INVERSORES.

Retificadores monofásicos não controlados A retificação é o processo de converter tensão e corrente alternadas em tensão e corrente

contínuas. Um retificador não controlado usa apenas diodos como elementos de retificação. A amplitude da tensão de saída DC é determinada pela amplitude da tensão de alimentação AC. Entretanto, a saída da tensão DC contém componentes AC significativas, as quais recebem o nome de ondulação. Para eliminar a ondulação, costuma-se inserir um filtro capacitivo após o retificador.

Os tipos de retificador não controlados e estudados na disciplina de Eletrônica Analógica são o meia-onda, onda completa com derivação (tap) central e onda completa em ponte.

Retificadores Monofásicos Controlados

Os circuitos retificadores são aqueles que transformam um sinal AC em um sinal DC não constante. Eles podem ser não controlados e controlados. Os primeiros utilizam os diodos semicondutores de potência como elementos retificadores, não havendo, portanto, controle do ângulo de disparo. Os retificadores controlados têm como elementos retificadores geralmente os SCRs, possibilitando o controle do ângulo de disparo e, consequentemente, o controle da potência entregue à carga. Neste material estudaremos os retificadores controlados de meia onda e de onda completa.

Retificador controlado de meia onda A próxima figura mostra um circuito retificador de meia onda com carga resistiva.

O comportamento das tensões e corrente de carga é mostrado a seguir:

Observa-se que durante o semiciclo positivo, o SCR ficará diretamente polarizado e conduzirá se o pulso de acionamento for aplicado ao gatilho. Se o SCR passar a conduzir (instante t0), uma corrente fluirá na carga e a tensão de saída (V0) será aproximadamente igual à tensão de entrada. No instante em que o semiciclo torna-se igual a igual a zero, o SCR cortará, ficando assim até o próximo disparo no

semiciclo positivo. Neste semiciclo, o ângulo em que o SCR fica bloqueado (α) é chamado de ângulo de disparo e o ângulo em que fica conduzindo (θ) de ângulo de condução. A próxima figura mostra um circuito retificador em meia onda com carga resistiva e indutiva (caso mais comum):

Se o SCR for acionado com um ângulo de disparo igual a α, a corrente na carga aumentará devagar, uma vez que a indutância forçará a corrente se atrasar em relação à tensão. A tensão na carga será positiva e o indutor estará armazenando energia em seu campo magnético. Quando a tensão aplicada se tornar negativa, o SCR ficará polarizado reversamente. Entretanto, a energia armazenada no campo magnético do indutor retornará e manterá uma corrente direta através da carga. A corrente continuará a fluir até β (denominado de ângulo de avanço), quando então o SCR entrará no estado de bloqueio. A tensão no indutor mudará de polaridade e a tensão na carga ficará negativa. Em consequência disso, a

tensão média na carga vai se tornar menor do que seria se a carga fosse uma resistência pura. As formas de onda para este circuito são mostradas abaixo.

Para cortar a porção negativa da tensão na carga instantânea e amenizar a ondulação da corrente de carga, utiliza-se um diodo de retorno (free-wheeling diode ou FWD). Este diodo tem por função dissipar a energia armazenada no indutor durante o tempo em que o SCR estiver bloqueado. O circuito com o FWD e as formas de onda estão mostrados nas figuras a seguir;

Detalhe do diodo de retorno

Retificador controlado de onda completaPara as cargas resistivas (iluminação incandescente, aquecedores, fornos etc), como vimos, há a

necessidade de um diodo de retorno (FWD), pois não existe (a princípio) uma indutância. Porém, para efeito de dinamizar o nosso estudo, iremos abordar neste tópico apenas cargas RL, ou seja, que necessitam de um diodo de retorno. Um circuito retificador com carga RL e FWD é visto na figura seguinte:

No circuito na figura acima são disparados aos pares (SCR1/SCR4 e SCR2/SCR3), com um

ângulo de disparo igual a α. Os valores médios para a tensão e corrente na carga são o dobro dos valores do retificador de meia onda. As formas de onda são mostradas abaixo: