O transistor bipolar de potência:

O transistor bipolar de potência:

(Parte 1 de 2)

Aula 4: Chaves Semicondutoras de Potência – O transistor bipolar de potência Eletrônica Industrial

1 O transistor bipolar de potência:

O transistor bipolar de potência foi o primeiro dispositivo semicondutor de potência controlável no disparo e no bloqueio. Diferentemente do transistor de sinal, o transistor de potência tem uma orientação vertical de sua estrutura de camadas. Esta estrutura proporciona uma área maior através da qual a corrente flui.

Figura 24 – Diagrama da estrutura de um transistor bipolar de potência.

Os primeiros transistores de potência tinham como principal limitação em aplicações de potência à baixa velocidade de comutação. Esta "lentidão" com que o componente, ao ser ligado ou desligado, atravessava a sua região ativa implicava em excessiva dissipação de potência sobre o mesmo. Quando as melhorias tecnológicas permitiram realizar tal operação em tempos da ordem de poucos microsegundos, o transistor bipolar de potência começou a ganhar um maior número de aplicações vindo a substituir os tiristores em grande número delas.

O transistor bipolar de potência é um dispositivo semicondutor de três camadas, pnp ou npn, com duas junções pn, uma junção base-coletor (J1) e uma junção baseemissor (J2), de acordo com a Figura 25. Dentro da faixa de operação da região ativa, a corrente de coletor (IC) é função do ganho do transistor e de sua corrente de base (IB). Isto implica que qualquer mudança na corrente de base corresponde a uma mudança amplificada na corrente de coletor, para uma dada tensão de coletor-emissor (VCE). A relação entre estas variáveis é dada por,

Aula 4: Chaves Semicondutoras de Potência – O transistor bipolar de potência Eletrônica Industrial

Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 36

Figura 25 – Diagrama do transistor bipolar de potência. (a) Transistor npn; (b) Transistor pnp.

aplicado ao terminal da base (B)

De acordo com a Figura 24 os terminais principais conectados ao circuito de potência são o coletor (C) e o emissor (E), sendo que o sinal de controle do dispositivo é A. Princípio de funcionamento

A operação normal de um transistor é feita com a junção J2 (base-emissor) diretamente polarizada, e com J1 (base-coletor) reversamente polarizada.

No caso de transistores npn, os elétrons são atraídos do emissor pelo potencial positivo da base. Esta camada central é suficientemente fina para que a maior parte dos portadores possua energia cinética suficiente para atravessá-la, chegando à região de transição de J1. Nesta região os portadores são atraídos pelo potencial positivo do coletor, Figura 26. O controle da tensão VBE determina a corrente de base, IB, que, por sua vez, se relaciona com a corrente de coletor IC pelo ganho de corrente do dispositivo.

Figura 26 – Operação do transistor bipolar de potência.

B. Curva característica.

A curva característica de um transistor de potência npn (IC versus VCE) é mostrada na Figura 27. Existem três regiões de operação de um transistor: a região de corte

(bloqueio), a região ativa, e a região de saturação. Na região de corte o transistor

Aula 4: Chaves Semicondutoras de Potência – O transistor bipolar de potência Eletrônica Industrial

Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 37 encontra-se desligado, ou seja, a corrente de base não é suficiente para ligá-lo. No estado desligado, normalmente o circuito de acionamento mantém um potencial negativo na base, fazendo com que ambas as junções encontram-se reversamente polarizadas. Na região ativa, o transistor opera como um amplificador, no qual a corrente de coletor é a corrente de base amplificada por um ganho α. A tensão coletor-

fosse uma chave fechada

emissor diminui com o aumento da corrente de base. Nesta região a junção base-coletor (J1) está reversamente polarizada e a junção base-emissor (J2) está diretamente polarizada. Na região de saturação a corrente de base é suficientemente grande para que a tensão coletor-emissor seja levada a valores muito baixos e o transistor opere como se Observa-se que o transistor possui dois pontos de ruptura Figura 27(a). A ruptura é alcançada com o aumento da tensão vCE, quando a ruptura por avalanche ou primeira ruptura ocorre. Uma tensão reversa coletor-emissor (vCE) faz com que a junção baseemissor seja rompida mesmo para baixos valores (em torno de 10 V). Portanto, ao contrário dos diodos ou tiristores, o transistor não pode ser operado de modo reverso. A conexão de um diodo em série com o transistor assegura que o mesmo não seja destruído quando tensão reversa é aplicada sobre ambos. Em alguns casos um diodo em antiparalelo pode ser utilizado. O transistor pnp apresenta uma curva característica semelhante, todavia, as tensões e correntes possuem sentido contrário. Outro ponto de ruptura ocorre quando o dispositivo alcança sua máxima potência. Nesta região, chamada de segunda ruptura, o transistor conduz valores elevados de corrente e a tensão aplicada sobre o mesmo também é grande. A ruptura secundário resulta do fluxo de corrente em uma pequena porção da base, produzindo pontos quentes localizados. Se a energia nesses pontos for suficiente, o aquecimento excessivo localizado pode danificar o dispositivo. Assim, a segunda ruptura é causada pela agitação térmica. Como a combinação da tensão, corrente e tempo estão envolvidos neste processo, pode-se dizer também que a ruptura secundária é um fenômeno dependente da energia.

Aula 4: Chaves Semicondutoras de Potência – O transistor bipolar de potência Eletrônica Industrial

Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 38

Figura 27 – Característica iC versus vCE do transistor bipolar de potência. (a) Teórico. (b) Transistor FJP3307D (8A/400V).

Na prática, para aplicações de potência, o transistor opera como uma chave, isto é, ou em bloqueio (chave aberta), ou saturado (chave fechada), passando pela região ativa somente durante curtos intervalos de tempo quando o dispositivo muda de estado (ligado para desligado ou vice-versa). C. Área de operação segura.

A Área de Operação Segura representa a região do plano vCE x iC dentro da qual o transistor bipolar de potência pode operar sem ser danificado, ou seja, sem que nenhum dos seus limites seja alcançado. A Figura 28 mostra uma forma típica de Área de

Aula 4: Chaves Semicondutoras de Potência – O transistor bipolar de potência Eletrônica Industrial

Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 39

Operação Segura. Observa-se que a área de operação segura é limitada por quatro curvas: (1) a fronteira definida pela letra ‘a’ representa a máxima corrente de coletor capaz de ser conduzida pelo dispositivo; (2) a fronteira definida pela letra ‘b’ representa a máxima potência dissipável pelo transistor (limitação térmica); (3) a fronteira definida pela letra ‘c’ representa a máxima potência suportada pelo transistor; e, (4) a fronteira definida pela letra ‘d’ representa a máxima tensão suportada pelo transistor.

Para operação do transistor em modo de condução contínua, normalmente na região ativa, a área de operação segura é representada pela região em cinza no gráfico da Figura 28(a). Para operação do transistor como chave a corrente de coletor através do transistor apresenta um comportamento pulsado. Devido à existência de capacitâncias térmicas intrínsecas ao silício e o encapsulamento, a área de operação segura pode ser expandida de acordo com o período em que os pulsos de corrente de coletor ocorrem.

Para pulsos repetitivos deve-se analisar o comportamento térmico do componente para uma dada aplicação. Para o caso de um único pulso não-repetitivo, a expansão da área de operação segura pode ser utilizada diretamente.

Figura 28 – Área de Operação Segura do transistor bipolar de potência. (a,b) Teórico. (c) Transistor FJP3307D (8A/400V).

Aula 4: Chaves Semicondutoras de Potência – O transistor bipolar de potência Eletrônica Industrial

Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 40

A Figura 28(b) mostra uma curva característica de um transistor e a sua área de operação segura.

D. Características estáticas.

Considerando-se que o transistor opere em baixas e médias freqüências, quase toda a perda do transistor é dada pelas suas perdas em condução. Nestas circunstâncias as perdas são definidas como,

Onde a corrente através do coletor, iC, e a tensão sobre o transistor, vCE(on), podem variar no tempo.

O modelo do transistor em condução pode ser o mesmo utilizado pelo diodo, mostrado na Figura 21(a) onde o transistor é modelado por uma queda de tensão constante. O modelo da Figura 21(b) representa o transistor por uma queda de tensão constante somada à queda proporcionada pela resistência de condução do transistor. Portanto,

Figura 29 – Modelos estáticos para transistor bipolar de potência. (a) Queda de tensão constante; (b) Queda de tensão em função da corrente.

E. Características dinâmicas.

Uma junção pn diretamente polarizada exibe duas capacitâncias paralelas, uma capacitância da camada de depleção e uma capacitância de difusão. Por outro lado, uma junção pn reversamente polarizada tem apenas a capacitância da camada de depleção. Sob condições de regime permanente (condução), essas capacitâncias não têm qualquer

Aula 4: Chaves Semicondutoras de Potência – O transistor bipolar de potência Eletrônica Industrial

Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 41 importância. Entretanto, sob condições transitórias, elas influenciam o comportamento do transistor na entrada em condução e no bloqueio.

O circuito no qual o transistor se encontra conectado determina a corrente de coletor que flui durante o estado de condução do transistor. O valor de corrente de coletor e o valor do “tempo de vida”* dos portadores determinam à quantidade de carga que deve ser armazenada para manter o transistor em condução. A partir do ganho do transistor pode-se estabelecer qual a mínima corrente de base necessária para manter a distribuição de cargas armazenadas no dispositivo. Valores de corrente de base em excesso irão aumentar rapidamente a distribuição de cargas armazenadas, encurtando o tempo de transição entre o estado de bloqueio e o estado de condução.

(a) (b) Figura 30 – Formas de onda para entrada em condução do transistor bipolar de potência.

Considerando-se e que o transistor do circuito da Figura 30(a) encontra-se no seu estado de bloqueio e inicia o processo de entrada em condução, no período de tempo definido como atraso de entrada em condução (turn-on delay time, td(on)), não há crescimento de cargas armazenadas porque uma tensão negativa encontra-se através da capacitância da junção base-emissor (J2). Esta tensão deve ser descarregada e a junção base-emissor deve ser polarizada diretamente para que a injeção de portadores inicie. Durante este intervalo somente corrente de base flui através do transistor, Figura 31

* Pode-se definir o “tempo de vida” de um portador como o tempo médio necessário para que o elétron ou a lacuna sejam “neutralizados” pela consecução de uma ligação covalente. Em muitos casos pode-se considerar o “tempo de vida” de um portador como uma constante do material. No entanto, especialmente nos semicondutores de potência, esta não é uma boa simplificação.

Aula 4: Chaves Semicondutoras de Potência – O transistor bipolar de potência Eletrônica Industrial

Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 42

Após o término do intervalo td(on), a junção base-emissor (J2) é diretamente polarizada e o crescimento das cargas armazenadas inicia-se. A corrente no coletor cresce linearmente até alcançar seu valor de condução definido pelo circuito, Figura

31(d,e,f). Este intervalo é definido como tempo de crescimento da corrente, tri. A tensão através do transistor permanece invariável até este instante devido à presença do diodo de grampeamento [D]. Portanto, até o instante tri o transistor encontra-se operando na região ativa. Após este instante a tensão coletor-emissor decai rapidamente, uma vez que o diodo de grampeamento encontra-se em bloqueio, Figura 31(g,h,i). Após um breve intervalo definido como tfv1, o transistor entra na região de quase-saturação. Neste momento a queda de tensão coletor-emissor decai mais lentamente, Figura 31(j,k,l). O dispositivo alcança a saturação completa no instante tfv2. A partir deste instante o transistor encontra-se em condução, Figura 31(m,n,o).

Aula 4: Chaves Semicondutoras de Potência – O transistor bipolar de potência Eletrônica Industrial

Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 43

Figura 31 – Etapas para entrada em condução do transistor bipolar de potência.

Desligar o transistor é um processo que envolve a remoção de toda a carga armazenada no transistor. Isto pode ser feito apenas reduzindo a corrente de base à zero. Todavia este processo seria apenas função das características internas do dispositivo e levaria muito tempo para ser realizado. Para acelerar o processo de bloqueio, a corrente de base é levada a valores negativos, acelerando a remoção da carga armazenada no

Aula 4: Chaves Semicondutoras de Potência – O transistor bipolar de potência Eletrônica Industrial

Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 4 transistor. O processo tem início com a remoção abrupta ou gradual da corrente de base.

Por um intervalo determinado como ts, a corrente do coletor permanece inalterada, enquanto que a carga é removida do transistor, Figura 3(a,b,c). Após este intervalo, o transistor entra na região de quase-saturação e a tensão através dos terminais coletoremissor passa a aumentar gradualmente, Figura 3(d,e,f). Este intervalo é definido como trv1. Quando a distribuição de carga é reduzida à zero, o transistor entra na sua região ativa e a tensão coletor-emissor aumenta rapidamente até alcançar o valor da tensão da fonte Vd, no intervalo trv2, Figura 3(g,h,i). Após a tensão no transistor alcançar o valor da tensão da fonte Vd a corrente do coletor passa a decrescer linearmente até zero, intervalo tfi, Figura 3(j,k,l). A partir daí, o transistor entra na região de corte (ou bloqueio) e a capacitância formada na junção base-emissor adquire uma carga negativa. A partir deste instante o transistor encontra-se em bloqueio, Figura 3(m,n,o).

Figura 32 – Formas de onda para bloqueio do transistor bipolar de potência.

Aula 4: Chaves Semicondutoras de Potência – O transistor bipolar de potência Eletrônica Industrial

Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 45

Aula 4: Chaves Semicondutoras de Potência – O transistor bipolar de potência Eletrônica Industrial

Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 46

(m) (n) (o) Figura 3 – Etapas para bloqueio do transistor bipolar de potência.

F. Conexão Darlington.

Uma camada de base relativamente espessa reduz o ganho de corrente do transistor bipolar. Valores típicos para o ganho nestes casos encontram-se entre 5 e 10. Estes valores são indesejavelmente pequenos para muitas aplicações e, deste modo, associações monolíticas de transistores conectados em configurações ‘Darlington’ são colocadas à disposição pelos fabricantes.

Figura 34 – Configuração Darlington do transistor bipolar de potência.

Aula 4: Chaves Semicondutoras de Potência – O transistor bipolar de potência Eletrônica Industrial

(Parte 1 de 2)

Comentários