Transistores de Potência

1. Transistores de Potência Comportamento Dinâmico e Estático; Freqüência de Chaveamento; Potência; Características Físicas; Aplicações; Novas Aplicações. André, Dáfine, Eduardo, Kenji, Nagai, Ulisses

2. Transistor Bipolar de Potencia (BPT) • O BPT é sempre do tipo NPN • A corrente flui através do BPT verticalmente

3. Transistor Bipolar de Potencia (BPT)

4. Características Estáticas do Transistor Bipolar de Potencia (BPT) • Região Ativa • Região de Corte • Região Quase Saturação • Região de Forte Saturação

5. Características Estáticas do Transistor Bipolar de Potencia (BPT) • Primeira Avalanche (Ruptura)

6. 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.

7. Características Dinâmicas do Transistor Bipolar de Potencia (BPT)

8. 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.

9. Transistor Operando como Chave

10. Transistor Operando como Chave Tipos de Chave • 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

11. 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

12. Características de Operação

13. Características de Operação

14. Características de Operação

15. 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.

16. Regiões de Operação

17. 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.

18. 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 :

19. 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

20. Tensão e Corrente no Transistor A potência dissipada pelas duas junções é dada por:

21. Características Físicas • Materiais utilizados na fabricação do transistor: • Silício (Si); • Germânio (Ge); • Gálio (Ga); • Alguns óxidos;

22. Fabricação do transistor • Silício é purificado; • Cortado em finos discos; • Dopagem (impurezas); • Cria-se o PNP ou o NPN;

23. Modelos de Transistores

24. 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.

25. 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);

26. 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;

27. Novas Aplicações • DMOS E LIGBT • LDMOS • GaN MOSFET

28. 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.

29. 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.

30. 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.

31. 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.

32. Obrigado!