segunda aula

Reflexões (J.S. Nobre)





Seja alegremente um operário do BEM.
Há um princípio muito acertado que diz: “Ninguém é tão
pobre que não possa ajudar, nem tão rico que não venha a
precisar.”
Seja onde for, esteja onde estiver, você terá oportunidade de
estender suas mãos para ajudar alguém. Haverá sempre
alguém, pelas esquinas da vida, à espera de um favor seu.
Todo ato de bondade, feito com verdadeiro sentido de amor,
tem valor quase infinito.
Às vezes, basta um simples sorriso seu para curar uma dor,
cicatrizar uma ferida, alegrar um coração.
Faça o BEM.
Eletrônica de Potência




Diodos Semicondutores de Potência;
Capítulo 2, páginas 23 à 29;
Aula 4;
Professor: Fernando Soares dos Reis;
Sumário
 2.1
Capítulo 2
Introdução;
 2.2 Curvas Características dos Diodos;
 Exemplo;
 2.3 Curvas Características da Recuperação Reversa;
2.1 Introdução
O diodo age como uma chave para realizar
várias funções, tais como:
 Chaves em Retificadores;
 Comutação em Reguladores Chaveados;
 Inversão de carga em capacitores;
 Transferência de energia entre componentes;
 Isolação de tensão;
 Realimentação de energia da carga para a
fonte de alimentação;
 Recuperação de Energia armazenada;

2.2 Curvas Características dos Diodos
O
diodo de Potência é um dispositivo de junção PN
de dois terminais. Esta junção é normalmente
formada por fusão, difusão e crescimento epitaxial.
 Diz-se que o diodo está diretamente polarizado
quando... e reversamente quando...
D1
Ânodo
p
n
+ v -
Cátodo
Ânodo
Cátodo
+ v -
2.2 Curvas Características dos Diodos
 Quando
ele esta reversamente polarizado flui uma
corrente de fuga (leakage current) na faixa de micro
e miliamperes;
 Tensão de avalanche, ou tensão Zener, é atingida.
Ânodo
i
Real
VBR
Corrente
reversa
de fuga
p
n
Cátodo
i
+ vD -
v
v
Equação do diodo Schockley
ID  IS ( e
VD
nVT
Ideal
 1)
2.2 Curvas Características dos Diodos
 ID




= corrente através do diodo, em A;
VD = tensão do diodo;
Is = corrente de fuga (ou de saturação reversa) da ordem de
10-6 a 10-15 A;
n = constante empírica conhecida como coeficiente de
emissão ou fator de idealidade, cujo valor vária de 1 a 2;
VT = tensão térmica (thermal voltage);
i
Real
Ânodo
Cátodo
ID  IS ( e
VD
nVT
p
 1)
n
VBR
+ vD -
Corrente
reversa
de fuga
v
2.2 Curvas Características dos Diodos
kT
VT 
q

VT = tensão térmica (thermal voltage);
q = carga do elétron: 1,6022 x 10-19 coulomb (C);
T = temperatura absoluta em kelvin (K = 273 + oC)
k = constante de Boltzmann: 1,3806 x 10-23 J/K

Por exemplo, a 25 oC a tensão térmica, VT será de:



kT 1,3806 x 1023 x ( 273  25 )
VT 

 25,8 mV
19
q
1,6022 x 10
2.2 Curvas Características dos Diodos
12
VT = 25,8 10-3
IS = 0,354
n = 7,819
10
8
ID  IS ( e
6
IDi
VD
nVT
 1)
i
Real
4
VBR
Corrente
reversa
de fuga
2
0
2
5
4
3
2
V( i)
1
0
1
v
2.2 Curvas Características dos Diodos
Região de polarização direta
 ID

será muito pequena se a tensão aplicada for menor que a
tensão de limiar (threshold voltage) ou tensão de corte (cutin voltage) ou tensão de ligamento (turn-on voltage). Assim,
a tensão de limiar é aquela a partir da qual o diodo conduz
completamente;
Exemplo: Se VD = 0,1 V, n = 1 e VT=25,8 mV teremos:
I D  I S ( e nVT  1 )  I S ( e1x 0,0258  1 )  I S ( 48,23  1 )
VD
I  48,23 I
D
S
0,1
com um erro de 2,1%
I D  I S ( e nVT  1 )  I S ( e nVT )
VD
i
Ânodo
p
Real
n
Cátodo
VD
+ vD -
VBR
Corrente
reversa
de fuga
v
2.2 Curvas Características dos Diodos
Região de polarização reversa

Ao aplicarmos tensões negativas ao semicondutor a corrente
de fuga se mantém praticamente constante. Para tensões VD
negativas e superiores em módulo a tensão VT, podemos dizer
que ID é constante e igual a corrente de fuga IS.
I D  I S ( e nVT  1 )   I S
 VD
i
Ânodo
Cátodo
p
Real
n
VBR
+ vD -
Corrente
reversa
de fuga
v
2.2 Curvas Características dos Diodos
Região de ruptura reversa (breakdown region)


A partir do instante em que a tensão reversa aplica entre os
terminais de ânodo e cátodo do diodo ultrapassam o valor da
tensão de ruptura reversa (breakdown voltage - VBR). A
corrente reversa aumenta rapidamente para uma pequena
variação na tensão reversa superior a VBR;
A operação dentro da região de ruptura reversa não será
destrutiva se a dissipação de potência estiver dentro de um
nível seguro.
i
Real
Ânodo
Cátodo
p
n
VBR
+ vAC -
Corrente
reversa
de fuga
v
2.3 Exemplo 2.1

A queda de tensão direta de um diodo de potência é VD =
1,2V a ID = 300 A. Supondo que n = 2 e VT = 25,8 mV,
encontrar a corrente de saturação IS.
i
IS = Corrente reversa de fuga
300  I S ( e
1, 2
2 x 25,8 103
v
ID  IS ( e
VD
nVT
 1)
 1 )  2,38371 x 10
8
A
2.3 Curvas Características da
Recuperação Reversa
A corrente na junção diretamente polarizada do diodo deve-se ao
efeito dos portadores majoritários e minoritários.
 Com a redução desta corrente a zero, o diodo continua conduzindo
devido aos portadores minoritários que continuam armazenados na
junção PN e no material semicondutor propriamente dito.
 Os portadores minoritários requerem um certo tempo para se recombinar com as cargas opostas e ser neutralizados. Esse tempo é
chamado tempo de recuperação reversa (reverse recovery time) trr.
Cparásito
IF
trr
Ânodo
Cátodo
O trr é função da tempep n
di ta
ratura da junção, da tadt
0,25.IRR
xa de decaimento da
+ vAC corrente direta e de If.
tb
IRR

2.3 Curvas Características da Recuperação Reversa
 trr

é medido a partir do cruzamento por zero da corrente do diodo
até 25 % da corrente reversa máxima (ou de pico) IRR.
ta deve-se ao armazenamento de cargas na região de depleção da
junção. tb deve-se ao armazenamento de cargas no material semicondutor. A relação ta/tb é conhecida como fator de suavidade
(softness factor - SF). trr = ta + tb
IF
di
dt
trr
ta
I RR
di
 ta
dt
IF
trr
ta
0,25.IRR
IRR
tb
Recuperação Suave
(soft-recovery)
IRR
tb
Recuperação Abrupta
(fast-recovery)
2.3 Curvas Características da Recuperação Reversa

A carga de recuperação reversa Qrr é a quantidade de portadores de
cargas que fluem através do diodo no sentido reverso devido à
mudança na condição de condução direta para bloqueio reverso.
Seu valor é determinado a partir da área abrangida pelo caminho
de corrente de recuperação reverso.
trr
1
1
QRR  I RR t a  I RR tb
2
2
1
QRR  I RR t rr
2
2 QRR
I RR 
t rr
IF
di
dt
ta
QRR
IRR
tb
2.3 Curvas Características da Recuperação Reversa

Determinação de trr e IRR; Sabemos que:
I RR
di
 ta
dt
t rr 
2 QRR
di
dt
I RR
2 QRR
t rr t a 
di
dt
IF
Se tb  ta ; trr  ta
IRR
I RR 
di
dt
2 QRR

t rr
trr
ta
tb
2 QRR
di
dt
Exemplo 2.2

O tempo de recuperação reversa de um diodo é trr = 3 s e a
taxa de decaimento da corrente é de 30 A/s. Determinar a
carga armazenada QRR e a corrente reversa de pico IRR.
2 QRR
di
dt
t rr 
QRR
IF
IRR
di
dt
trr
ta
tb
di 2
1

t rr  0,5 x 30 A / s x (3 x 10 6 ) 2  135 C
2 dt
I RR 
2 QRR
di
 2 x 135 x106 x 30 x106  90 A
dt
Problema 2.1

O tempo de recuperação reversa de um diodo é trr = 5 s e a
taxa de decaimento da corrente é de 80 A/s. Se o seu fator
de suavidade é SF = 0,5. Determinar (a) a carga armazenada
QRR e (b) a corrente reversa de pico IRR.
trr
A relação SF = ta/tb é conhecida
como fator de suavidade
IF
IRR
di
dt
ta
tb
Problema 2.2

Os valores abaixo foram obtidos de forma experimental em
um diodo à temperatura de 25 oC.
trr
VD = 1,0 V a ID = 50 A
IF
di
dt
ta
VD = 1,5 V a ID = 600 A
IRR
tb
Determinar (a) o coeficiente de emissão n e
(b) a corrente de fuga Is .