Novos dispositivos semicondutor tornam os projetos de circuitos de alta potência mais simples além de apresentarem maior rendimento que levam a menor consumo de energia e menores necessidades de ventilação. Diversos destes dispositivos ainda são pouco conhecidos de nossos leitores. Neste artigo daremos uma visão destes novos dispositivos com a comparação de suas características e orientação para projetos.
Os circuitos que operam com mais potência nos equipamentos eletrônicos modernos são as suas fontes de alimentação. Na maioria dos casos essas fontes são do tipo chaveado (comutado) que exigem o emprego de dispositivos semicondutores com características especiais.
Estes dispositivos devem ser capazes de operar com correntes elevadas quando em condução, suportar tensões elevadas quando no corte e ainda ter tempos de comutação suficientemente pequenos para não levar o dispositivo a sua região intermediária por um tempo longo o suficiente para causar perdas pela geração de calor.
O dispositivo comutador ideal para estas aplicações deve ter uma característica de comutação como mostra a figura 1 em sua linha pontilhada quando na realidade os dispositivos práticos possuem características que correspondem à linha contínua.
Os aperfeiçoamentos que os dispositivos semicondutores tradicionais passam como transistores bipolares e tiristores fazem que as características ideais fiquem cada vez mais próximas mas ao mesmo tempo são criados novos dispositivos que se mostram até melhores em determinados momentos para as aplicações indicadas.
Diversos tem sido os dispositivos novos criados e que começam agora se tornar populares aparecendo em fontes chaveadas, inversores de potência, controle de solenóides e motores de passo e em muitas outras aplicações semelhantes.
DISPOSITIVOS DE 3 CAMADAS
A idéia básica para a criação de novos dispositivos semicondutores é a da utilização de 3 camadas de materiais semicondutores com estruturas diferentes. estas estruturas vão determinar as características básicas de tais dispositivos que são mostrados na figura 2.
Uma característica importante que deve ser levada em conta nestas estruturas em primeiro lugar é que elas são do tipo vertical com regiões intermediárias do tipo N grandes para que o dispositivo possa operar com tensões elevadas.
As três camadas de materiais semicondutores podem ser usadas de diversas maneiras conforme podemos ver pelos dispositivos citados como exemplos.
No transistor de alta tensão (HVT) a corrente entre os terminais principais (emissor e coletor) é proporcional à corrente que flui pelo terminal de controle (base). seu funcionamento é portanto semelhante ao de qualquer transistor bipolar comum.
No segundo caso existe uma abertura na segunda camada (P) pode onde pode fluir a corrente principal que passa a ser controlada pela tensão aplicada ao terminal de comporta (gate). Neste caso temos um transistor de efeito de campo de junção ou JFET.
Uma outra denominação para este dispositivo é SIT ou Static Induction Transistor já que a intensidade da corrente entre os eletrodos principais (fonte e dreno) é determinada pela intensidade de um campo estático na região do canal por onde passa a corrente.
Finalmente temos a terceira possibilidade que consiste em se colocar o eletrodo de controle (gate) muito perto da região P mas sem tocá-la (é isolado por uma capa de material isolante que lhe dá nome). Uma tensão no eletrodo de comporta atrai os portadores de carga da região N e com isso controla o fluxo de corrente entre os eletrodos principal. Este dispositivo é conhecido como Transistor MOS (Metal Oxide Semiconductor).
Analisemos separadamente estes dispositivos.
TRANSISTOR DE ALTA TENSÃO (HVT)
Neste dispositivo uma corrente de base controla a corrente entre o coletor e o emissor. Para trabalhar com altas potências, a base deve ser feita tão fina que os elétrons possam fluir imediatamente entre o coletor e o emissor.
Outras características construtivas devem ser levadas em conta de modo a se conseguir uma boa velocidade de comutação aliada a uma grande capacidade de corrente.
Uma limitação série que ocorre nos transistores deste tipo é o fenômeno denominado "second breakdown" ou segunda ruptura durante a comutação.
A corrente tende a se concentrar no meio da região do emissor com um aumento da sua densidade a ponto de levar o dispositivo a um dano. Os dispositivos deste tipo possuem então uma curva característica que mostra uma região de operação em que ele deve ser mantido de modo a se evitar este fenômeno.
Existe então o que se denomina de RBSOAR (Reverse Bias Safe Operating Area Region) conforme mostra a figura 3 onde o dispositivo pode operar de modo seguro.
Uma proteção para evitar que estas características sejam violadas com dano para o dispositivo consiste no uso de um "snubber". Trata-se de uma rede que tem por finalidade reduzir a velocidade com que a intensidade da corrente aumenta no dispositivo na comutação, ou seja uma rede dV/dt com valor apropriado). Um problema que deve ser considerado no uso do snubber é que seu custo é da mesma ordem do que o do próprio transistor se bem que, com cargas indutivas a ressonância da mesmas possa ser utilizada para reduzir a taxa de crescimento da tensão na carga (dV/dt).
O JFET
Uma vantagem deste dispositivo é que existe uma resistência ohmica pura entre os terminais pelos quais deve circular a corrente principal. Isso significa uma capacidade maior de corrente já que não existem junções a serem percorridas.
Como a corrente principal é controlada por uma tensão, o controle exige uma potência muito menor. Como o que se tem de fazer neste controle é simplesmente carregar e descarregar os diodos formados pelas junções, o que pode ser feito de forma muito rápida, os dispositivos deste tipo são capazes de comutar com velocidades muito maiores do que os equivalentes bipolares.
Um dificuldade construtiva para este dispositivo está no fato de que os eletrodos de controle (gate) devem ser colocados em aberturas próximas dos eletrodos de fonte e a capacidade/velocidade do dispositivo vai depender de sua quantidade. Assim, quanto mais regiões alternadas forem colocadas conforme mostra a figura 4, maior será a velocidade e a capacidade de corrente do dispositivo.
Na prática entretanto, este procedimento leva à necessidade de se utilizar tensões negativas elevadas para se obter a comutação. É comum que dispositivos deste tipo sejam especificados para ter uma comutação com até 25 volts de tensão negativa aplicada à comporta.
O TRANSISTOR MOS
Quando uma tensão positiva é aplicada ao eletrodo de comporta este dispositivo é polarizado no sentido de haver a condução de uma corrente entre a fonte e o dreno.
Para se obter uma capacidade de corrente elevada o dispositivo deve ter a estrutura mostrada na figura 5 onde o eletrodo de controle (gate) é colocado praticamente junto do eletrodo de fonte na grande região N que caracteriza os dispositivos de potência, conforme falamos na introdução.
Esta estrutura, denominada planar, permite a fabricação destes dispositivos com grandes capacidades de corrente e com características bastante semelhantes aos JFETs exceto pelo fato de que a comporta é isolada do material por uma fina camada de óxido metálico.
A comutação é feita carregando-se e descarregando-se o capacitor formado pela região de comporta e o material semicondutor. Como o controle de correntes elevadas exige também áreas maiores deste capacitor, existe uma corrente de carga e descarga a ser considerada. O dispositivo não comuta portanto apenas com tensão, mas exige também uma certa corrente.
Deve-se notar que este dispositivo não precisa de tensões negativas para comutar, mas a aplicação de uma tensão negativa no momento em que ele precise ser desligado pode tornar esta operação mais rápida.
As características de velocidade e elevada capacidade de corrente deste tipo de dispositivo tem tornado este dispositivo o preferido nos projetos atuais de circuitos comutadores de potência. Além disso deve-se considerar a disponibilidade destes dispositivos a custo acessível numa variedade muito grande de tipos.
DISPOSITICOS DE 4 CAMADAS
Os dispositivos que vimos são de três camadas, ou seja, equivalentes a transistores. No entanto, estes dispositivos ainda possuem certas limitações que podem ser melhoradas com aperfeiçoamentos na sua estrutura.
Uma possibilidade importante e que é utilizada na criação de novos dispositivos é a adoção de estruturas de quatro camadas.
Isso implica na criação de um transistor NPN virtual numa estrutura de três camadas que corresponde na verdade a um transistor NPN, conforme mostra a figura 6.
O resultado disso é que este transistor pode ser usado para "acelerar" o funcionamento do dispositivo servindo ele como elemento comutador.
A própria maneira como este transistor adicional aparece na estrutura forma um circuito regenerativo que dá ao dispositivo uma nova característica que é a de travamento ou "latching", conforme mostra a figura 7.
No entanto, deve-se considerar que nestes dispositivos a corrente tem de atravessar uma junção a mais e isso afeta tanto a velocidade de comutação como as próprias perdas que ocorrem por comutação. De fato, as tensões que aparecem entre os eletrodos principais quando estes dispositivos estão em plena condução são muito maiores do que a dos demais dispositivos que vimos até agora.
O TIRISTOR (THY)
Um exemplo de dispositivo desta família é o SCR ou Silicon Controlled Rectifier) que consiste basicamente num transistor de alta tensão (HVT) com uma camada adicional do tipo P.
Assim, basta polarizar o transistor NPN para que ele sature para que, por realimentação ele sature o PNP, provocando o disparo do dispositivo que se mantém neste estado mesmo depois que a corrente inicial de comutação desaparece.
Se bem que estes dispositivos sejam construídos com a capacidade de comutar correntes elevadas, sua velocidade é pequena. Isso limita bastante seu dV/dt.
Uma característica nem sempre desejável do SCR é que ele precisa ter a corrente entre o anodo e o catodo reduzida a zero por um instante para que ele desligue.
O GTO
Uma variação do SCR que pode ser desligada por um sinal elétrico é o GTO ou Gate Turn Off Thyristor que tem a estrutura mostrada na figura 8.
Trata-se de um tipo especial de tiristor em que a estrutura foi dimensionada para fornecer maiores velocidade de comutação e ao mesmo tempo a inclusão de um recurso que permite reduzir o ganho de um dos transistores de realimentação por meios externos. Desta forma, aplicando-se uma tensão negativa à base do transistor PNP é possível interromper a corrente de realimentação e desta forma desligar o dispositivo.
Infelizmente os GTOs ainda não são feitos para controlar grandes potências sendo portanto indicados para circuitos de potência não elevadas especialmente em sistemas ressonantes já que as perdas por desligamento que ele apresenta são praticamente nulas.
O SITh
O Static Induction Thyristor é um tipo de tiristor que também é chamado de FCT (Field Controlled Thyristor) e que consiste basicamente num JFET com uma camada adicional do tipo P conforme mostra a figura 9.
Infelizmente para obter as características que levam ao uso prático deste dispositivo ainda existem certas dificuldades industriais que o tornam ainda indisponível no mercado.
O IGBT
IGBT significa Insulated Gate Bipolar Transistor ou Transistor Bipolar de comporta isolada. Sua estrutura e símbolo são mostrados na figura 10 e conforme podemos ver ele consiste num "misto" de transistor bipolar com FET daí, apenas de ser um componente que possui "emissor" e "coletor" o eletrodo de controle não é uma base mas sim um "gate" (comporta).
Na operação normal, uma tensão positiva é aplicada ao seu anodo (A) em relação ao catodo (CK). Quando a comporta (G( se encontra com tensão nula em relação ao catodo, não circula nenhuma corrente pelo anodo desde que a tensão aplicada esteja abaixo do limite suportado pelo componente.
Quando a tensão de comporta atinge um certo valor mínimo os elétrons passam pela região n da base do transistor PNP fazendo com que o transistor seja polarizado no sentido de conduzir. Isso faz com que lacunas sejam injetadas do substrato para a região n- do dispositivo. O excesso de elétrons e lacunas modula a condutividade da região n- de alta condutividade, que rapidamente reduz a sua resistência no sentido de fazer o dispositivo conduzir intensamente a corrente.
Na operação normal o resistor de derivação (shunt Rs) mantém a corrente de emissor do transistor NPN muito baixa e com isso o ganho deste transistor também baixo. No entanto, para correntes de anodo suficientemente intensas, uma injeção de corrente suficientemente intensa pode ocorrer no transistor NPN fazendo com seu ganho alfa aumente. Neste caso, o dispositivo de quatro camadas trava ocorrendo então uma perda de seu controle pela porta MOS. Neste caso, o dispositivo deve ser desligado por uma diminuição da corrente de anodo para um valor que esteja abaixo do denominado valor de manutenção, como num tiristor típico.
Na figura 11 mostramos as curvas características de um MOSFET e de um IGBT para que o leitor possa fazer comparações.
Observe que a no IGBT temos também a tensão de offset de 0,7 volt a partir do ponto de origem a partir de onde a curva mostra um aumento da corrente intenso. Esta tensão se deve justamente à presença da junção entre a camada p+ e o a camada n- do substrato.
A curva do IGBT mostrada na figura é de um dispositivo que opera com uma tensão de comporta de 20 volts e que mostra que a resistência em plena condução, com uma corrente de 20 ampères é de apenas 0,084 ohms.
Esta característica de baixa resistência de condução, da ordem de 0,1 ohm para correntes de 20 A é comum aos dispositivos típicos que usam pastilhas de 3 x 3 mm. Veja que estes valores aproximam as características destes dispositivos à dos MOS-FETs de potências comuns.
CONCLUSÃO
Estes novos dispositivos (alguns nem tanto) devem aparecer com frequência cada vez maior em projetos que envolvam comutação de cargas de potências elevadas como fontes chaveadas, controles de solenóides e motores de passo. Os técnicos e engenheiros devem estar aptos não só a reconhecer estes novos dispositivos como também avaliar suas características quando necessitarem fazer novos projetos, service ou simplesmente procurarem um tipo de reposição.
Bibliografia:
* Philips Power Semiconductor Applications
* Power MOSFETs, IGBTs, Ultrafast Rectifiers, Intelligent Discretes, Inteligent Power - Harris Semiconductor
