Slide 1 - Feis

Transistores de Potência
Comportamento Dinâmico e Estático;
Freqüência de Chaveamento;
Potência;
Características Físicas;
Aplicações;
Novas Aplicações.
André, Dáfine, Eduardo, Kenji, Nagai, Ulisses
Transistor Bipolar de Potencia (BPT)
• O BPT é
sempre do tipo
NPN
• A corrente flui
através do BPT
verticalmente
Transistor Bipolar de Potencia (BPT)
Referência
Características
Aplicações
Caixa
Pinagem
BUT102
400/300V, 50A,
300W
Chaveamento
Potencia
1-Emissor
2-Base
3-Coletor
BUT98
850/450V, 30A,
200W
Chaveamento
Potencia
1-Base
2-Coletor
3-Emissor
4-Coletor
BUT11
850/400V, 5A,
100W
Chaveamento
Potencia
1-Base
2-Coletor
3-Emissor
4-Coletor
Características Estáticas do Transistor
Bipolar de Potencia (BPT)
•Região Ativa
•Região de Corte
•Região Quase
Saturação
•Região de Forte
Saturação
Características Estáticas do Transistor
Bipolar de Potencia (BPT)
• Primeira Avalanche (Ruptura)
Características Estáticas do Transistor
Bipolar de Potencia (BPT)
• Segunda Avalanche (Ruptura)
Devido a elevadas concentrações de corrente
numa determinada região.
Devido característica do coeficiente negativo de
temperatura, o aumento da corrente reduz a
resistência do componente que aumenta a
corrente e a temperatura e, assim
sucessivamente até a ruptura.
Características Dinâmicas do
Transistor Bipolar de Potencia (BPT)
Transistor Operando como Chave
• O circuito a transistor na configuração chave, é
definido por quanto IB é maior que IBSAT , para
garantir a saturação.
• Junção CB - diretamente polarizada, VCB
variando de 0,4V a 0,5V. Transistor na região de
saturação.
Transistor Operando como Chave
Transistor Operando como Chave
Tipos de Chave
DISPOSITIVO
CAPACIDADE DE
POTÊNCIA
VELOCIDADE DE
CHAVEAMENTO
Transistor Bipolar
Média
Média
MOSFET
Baixa
Rápida
GTO
Alta
Lenta
IGBT
Média
Média
MCT
Média
Média
• Passam para o estado ligado em menos de 1µs e
para desligado em menos de 2µs. São usados em
aplicações cuja freqüência chega à 100 kHz
Tensões e Correntes nos Transistores
NPN E PNP
•
•
•
•
•
•
•
•
O transistor, tanto PNP quanto NPN, é formado por 3
Terminais:
(C) Coletor
(B) Base
(E) Emissor
E por duas junções:
(CB) Coletor Base
(BE) Base Emissor
Características de Operação
Características de Operação
Características de Operação
Regiões de Operação
• 1 – Corte
O transistor está desligado ou a corrente IB não é grande o suficiente para
ligá-lo e as junções estão reversamente polarizadas.
• 2 – Saturação
O transistor funciona como um amplificador onde IC é amplificada pelo
ganho de corrente β e a diminuição da queda VCE. A junção coletor-base
está reversamente polarizada e a junção base-emissor, diretamente
polarizada.
• 3 – Ativa
A corrente de base IB é suficientemente grande, fazendo com que a tensão
VCE seja muito baixa. Assim, o transistor opera como chave. Ambas as
junções estão diretamente polarizadas.
Regiões de Operação
Tensão e Corrente no Transistor
Enquanto VCE ≥ VBE, a junção CB está
reversamente polarizada e o transistor está na
região ativa. A máxima corrente de coletor Icmax
na região ativa, é determinada quando VCB é
igual a zero.
Tensão e Corrente no Transistor
Assim, o transistor vai para a saturação. A
saturação de um transistor pode ser definida
como o ponto acima do qual algum aumento
na corrente de base não provoca uma aumento
significativo na corrente de coletor. Na
saturação :
Tensão e Corrente no Transistor
• Normalmente, o circuito a transistor na
configuração chave, é definido por quanto IB é
maior que IBSAT , para garantir a saturação. A
razão entre IB e IBSAT é definido por fator de
sobreacionamento - overdrive factor - ODF
Tensão e Corrente no Transistor
A potência dissipada pelas duas junções é dada por:
Características Físicas
• Materiais utilizados na fabricação do
transistor:
– Silício (Si);
– Germânio (Ge);
– Gálio (Ga);
– Alguns óxidos;
Fabricação do transistor
•
•
•
•
Silício é purificado;
Cortado em finos discos;
Dopagem (impurezas);
Cria-se o PNP ou o NPN;
Modelos de Transistores
Aplicações no Campo da Eletrônica
• Amplificador de Corrente , na configuração Darlington, o
ganho final é o produto dos ganhos de cada transistor;
• Prós: alta impedância de entrada e alto ganho de corrente
(~1000X);
• Contras: elevado tempo de comutação, queda de tensão, alto
custo do circuito de controle.
Aplicações no Campo da Eletrônica
• Controle das deflexões verticais e horizontais de
dispositivos CRT (tubo de raios catódicos), neste caso
operam em alta tensão;
• Ignição automotiva, reatores eletrônicos para
lâmpadas;
• Amplificação de sinais de áudio em aparelhos de som
(substituto das válvulas);
Aplicações no Campo da Potência
• Circuito de potencia para interfaceamento
entre carga e o respectivo sistema de controle
(CLP´s e FPGA´s), atua como chave no
acionamento do relé;
Novas Aplicações
• DMOS E LIGBT
• LDMOS
• GaN MOSFET
Novos Modelos Para DMOS E LIGBT
• DMOS ("Double-diffused Metal Oxide Semiconductor") e
LIGBT ("lateral-insulated gate bipolar transistor");
• Na falta de modelos adequados → um consumo de energia
maior do que seria necessário → maiores gastos na produção;
• Utilização → automóveis mais modernos, nos circuitos que
controlam a direção elétrica, ar-condicionado e todo o aparato
que cada vez mais é acionado de forma elétrica e controlado
eletronicamente;
• Modelos existentes → temperatura ambiente. Uma situação
muito diferente do que ocorre sob o capô de um automóvel;
• Modelo atual → funcionamento com o aumento da
temperatura e aumento da velocidade de chaveamento;
• Resultados: Economia de energia e otimização do componente
para cada aplicação.
GEN7 LDMOS
• Gen7 LDMOS: permite aumento da densidade de
potência, melhora da eficiência e redução da resistência
térmica Rth.
• LDMOS (semicondutor de óxido de metal difundido
lateralmente)
• Usando a tecnologia Gen7 LDMOS, a NXP oferece o
mais elevado desempenho em transistor de potência
LDMOS para amplificadores de potência para estação
rádio-base, permitindo maior eficiência e valor agregado,
comparado a qualquer outro produto no mercado.
• desempenho recorde em aplicações de até 3.8 GHz →
solução com capacitância de saída mais baixa do que as
antigas gerações, permite um casamento de impedâncias
de saída em bandas muito mais largas, com um projeto
muito mais simples.
GaN MOSFET, Alternativa aos
transistores de silício
• Weixiao Huang, no Instituto Politécnico Rensselaer, nos
Estados Unidos.
• Transístor à base de nitreto de gálio (GaN) → menor consumo
de energia e maior eficiência em aplicações de eletrônica de
potência. Desempenho melhor do que o silício e também
funcionam em ambientes extremos.
• Os novos transistores reduzem significativamente as perdas de
energia, o que significa que chips que os utilizem aquecerão
menos.
Referências
• Canesin, C. A., LEP2K2, 2002. Disponível em:<
http://www.dee.feis.unesp.br/gradua/elepot/principal.html > acesso em: 10
nov. 2008.
• Ahmed, A., Eletrônica de Potencia. SãoPaulo: Prentice Hall, 2000. 479 p.
• Sedra, A. S., Smith, K. C., Microeletrônica, 4. Ed.. SãoPaulo: MAKRON
Books, 2000. 1270 p.
Obrigado!