Capítulo 02 Diodos semicondutores de potencia

5/13/2018 Captulo 02 Diodos semicondutores de potencia

1/21

! ! bMAKRONBook s Capitulo 2Diodos

Semicondutores de Potencia

2.1 INTROOUCAOOs diodos semicondutores de potencia tern um papel significativo nos circuitos deeletronica de potencia. Urn diodo age como uma chave para realizar varias funcoes, taiscomo: chaves em retificadores, comutacao em reguladores chaveados, inversao de cargaem capacitores e transferencia de energia entre componentes, isolacao de tensao, reali-mentacao de energia da carga para a fonte de alirnentacao e recuperacao da energiaarrnazenada,

Os diodes de potencia podem ser considerados chaves ideais na maio ria dasaplicacoes, mas os diodos praticos diferem das caracteristicas ideais e tern certas limita-coes. Os diodos de potencia sao similares aos diodos de sinal de [uncao pn. Entretanto, osdiodos de potencia tern maiores capacidades de potencia, tensao e corrente que osdiodos comuns de sinal. A resposta em frequencia (ou velocidade de chaveamento) ebaixa se comparada ados diodos de sinal.

2.2 CURVAS CARACTERISTICAS DOS OIOOOSUrn diodo de potencia e urn dispositive de [uncfio pn de d01Sterrninais, e esta juncao enormalmente Iormada por fusao, difusao e crescimento epitaxial. As tecnicas de controlemodernas em difusa e processos epitaxiais permitem obter as caracteristicas desejadasdo dispositive. A Figura 2.1 mostra uma vista transversal de uma juncao pn e 0simbolode urn diodo.

23


2/21

24 Eieirtinica de Po tencia - C ircuito s . D ispo s itio o s e Aplicaco es Cap. 2

Figura 2.1[uncao pn e simbolode urndiodo.

(a) Juncao pn

Anodo Catodo

'---------1+ : = 1(b) Sfmbolo do diodo

Quando 0 potencial de anodo e positivo em relacao ao catodo, diz-se que 0diodo esta diretamente polarizado e conduz. Um diodo em conducao tern uma queda detensao no sentido dire to relativamente pequena sobre ele; e a amplitude dessa quedadepende do processo de fabricacao e da temperatura da juncao, Quando 0potencial decatodo e positivo em relacao ao anodo, 0 diodo esta reversamente polarizado. Sobcondicoes de polarizacao revers a, uma pequena corrente reversa (tambem conhecidacomo c o r rente d c fug , do ingles leakage current ) na faixa de micro a miliamperes flui e estacorrente de fuga aumenta lentamente em amplitude com a tensao reversa ate que atensao de avalanche, ou tensao Zener, e atingida. A Figura 2.2a mostra as curvas carac-teristicas v-i em regime permanente de urn diodo. Para a maioria dos prop6sitospraticos, urn diodo pode ser consider ado uma chave ideal, cujas curvas ca rac-teristicas sao mostradas na Figura 2.2b.

Figura 2.2Curva caracteristica v-i deumdiodo.

reversade fuga(a) Pratico

v v

(b) Ideal

As curvas caracterlsticas v-i mostradas na Figura 2.2a podem ser expressas pelaequacao conhecida como equadio do dio do Scho ck leu , que e dada por

In = 1 s ( e VV/nVT - 1)

em que I D corrente atraves do diodo, em Atensao do diodo, com 0 anodo positivo em relacao ao catodo, em VD

(2.1)


3/21

Cap. 2 Diodos semicondutovee de potl1Ylcia 25

Is corrente de fuga (ou de saturacao reversa), tipicamente na faixa de 106 a10~15 An = constante empirica conhecida como c o efic ie nie d e em is s iio ou fa to r de ideali-

dade, cujo valor varia de 1 a 2.o coeficiente de emissao n depende do material e da construcao fisica do diodo. Paradiodos de germanio, n e considerado como 1. Para diodos de silicio, a expectativa dovalor de n e de 2, mas para a maioria dos diodos praticos, 0 valor de 11 esta na faixa de 1,1a 1,8.

VT na Eq. (2.1) e uma constante chamada ien sd o term ica (do ingles thermalvol tage) e e dada porVT = k Tq (2.2)

em que q carga do eletron: 1,6022 x 1O~19coulomb (C)Tk

temperatura absoluta em kelvin (K = 273 + "C)constante de Boltzmann: 1,3806 x 10-23 J / K

Na temperatura da juncao de 25C, a Eq. (2.2) da

VT = k T = 1,38Q(< 10~23 x (273 + 25)q 1,6022 x 10~19 25,8mV

A uma temperatura especifica, a corrente de fuga T s e uma constante para urn dadodiodo. As curvas caracteristicas do diodo da Figura 2.2a podem ser divididas em tresregi6es: regiao de polarizacao direta, onde V0 > 0; regiao de polarizacao reversal ondeVD < 0; regiao de ruptura reversal onde VO < -VZK.

Regiao de polarlzacao direta, Na regiao de polarizacao direta, VD > O.Acorrente do diodo Iv sera muito pequena se a tensao do diodo Vo for menor que urnvalor espedfico VTn (tipicamente 0,7 V).0diodo conduzira plenamente se Vo for maiorque esse valor VTD, que e referido como ten siio d e lim ia r (do ingles th re sh o ld v o lta ge ) ouien siio d e co rte (do inglE'S c ut-in vo lta ge ) ou ie ns do d e lig arn en to (do inglE'S tu rn -o n vo lta ge ).Assim, a tcnsao de limiar e aquela na qual 0 diodo conduz completamente.

Considerar uma pequena tcnsao no diodo VI) = 0,1 V, n = 1 e VT = 25,8mV.A partir da Eq. (2.1) pode-se encontrar a corrente correspondents do diodo II) como


4/21

26 Eleiriinica de Poiencia Circuitos, Dispositioos e Apl icar;oes Cap. 2------.--~-- ---

1) = Is(eO,lI(l x 0,(258) - 1) = 1,(48,23 - 1)"" 48,2315 com um erro de 2,1%

Portanto, para Vo > 0,1 V, que e normalmente 0 caso, fO > > Is , e a Eq. (2.1) pode seraproxirnada com um erro de 2,1% para

I _1(.\/nII/Vy 1 )o - 5 e - VDlnVy (2.3)Regiao de reversa, Na regiao de polarizacao reversa, VD < O.

Se Vn e negativo e I Vo I > > Vr, que ocorre para Vo < - 0,1, 0 termo exponencial naEq. (2.1) torna-se insignificante ou muito pequeno quando comparado com a unidade, ea corrente do diodo torna-se

10 = IVn I/nVr ~ 1) ""-1,; (2.4)que indica que a corrente do diodo In no sentido reverso e constante e a fs .

Regiao de reversa, Na regiao de rupture reversa (do ingles break-do wn regio n) a tensao reversa e muito alta, norrnalmente maior que 1000 V. A amplitudeda tensao reversa excede uma tensao especifica, conhecida como iens do de ruptura reo ers a(do ingles break do wn vo ltage - V13R ). A corrente reversa aumenta rapidamente com umapequena variacao na tensao reversa alern de VRR. A operacao na regiao de rupturareversa nao sera destrutiva se a dissipacao de potencia estiver dentro de um "nivelseguro", que e especificado pelas folhas de dados do fabric ante. Entretanto, e semprenecessario limitar a corrente reversa na regiao de ruptura reversa para limitar a dissipa-< . ; a o de potencia a um valor permissivel.

Exemplo 2.1A queda de tensao direta de urn diode de potencia e VD 1,2 V a ILl= 300A Supondo quen 2 e Vr = = 25,8 m V, encontrar a corrente de saturacao I s .

Solucao: Aplicando a Eq. (2.1), pode-se encontrar a corrente de fuga (ou de saturacao)I s de

300 = I s [e 1,2/(2 x 25.8 x_I]

que ci a I s =2,38371 x A.


5/21

Cap. 2 Diodes semiconduiores de paten cia 27

2.3 CURVAS CARACTERISTICAS DARECUPERACAO REVERSA

A corrente na juncao diretamente polarizada do diode deve-se ao efeito dos portadoresmajoritarios e minoritarios. Uma vez que 0 diodo esteja no modo de conducao direta eentao sua corrente direta seja reduzida a zero (em funcao do comportamento natural docircuito do diodo ou pela aplicacao de tensao reversa), 0diodo continua conduzindodevido aos portadores rninoritarios que permanecem armazenados na juncao pn e nomaterial sernicondutor propriamente dito, Os portadores minoritarios requerem urncerto tempo para recombinar com as cargas opostas e ser neutralizados. Esse tempo echamado tem po de recuperacdo reo erea (do ingles revers e reco very tim e) do diodo. A Figura2.3 mostra duas curvas caracteristicas de recuperacao reversa de diodos de juncao, 0tipo de recuperacao suave (do Ingles sof t-recovery) e mais comum. 0 tempo de recupera-cao reversa e denotado por tn e e medido a partir do cruzamento inicial com 0 zero dacorrente do diodo ate 25IrJda corrente reversa maxima (ou de pico), IRR. 0 tn consiste dedois componentes, ta e ' b ' 0 ta deve-se ao arrnazenamento de cargas na regiao dedeplecao da juncao e represents 0 tempo entre 0 cruzamento com 0 zero e 0 pico dacorrente reversal IRR. 0 tb deve-se ao armazenamento de cargas no material sernicondu-tor. A rela


6/21

28 Eletr6 nica de P otencia - C ircuiio s, D ispo sitio o s e Aplicar;i5es Cap . 2

o tempo de recuperacdo reo ers a trr po de ser definido como 0 intervalo de tempoentre 0 instante em que a corrente passa pelo zero, durante a mudanca da condicao deconducao direta para 0 bloqueio rever so, e 0momenta em que a corrente reversa ja caiua 25% do seu valor de pico I1\1\" 0 trr e dependente da temperatura da juncao, da taxa dedecaimento da corrente direta e da corrente direta antes da comutacao.

A carga de recuperaaio reo ersa QpJ\ e a quanti dade de portadores de cargas quefluem atraves do diodo no sentido reverso devido it mudanca na condicao de conducaodireta para blogueio reverso. Seu valor e determinado a partir da area abrangida pelocaminho da corrente de recuperacao reversa.

A carga armazenada, que e a area abrangida pelo caminho da corrente derecuperacao, e aproximadamente

(2.7)

ou

(2.8)

Substituindo a Eq. (2.6) na Eq. (2.8), obtem-se

tr r til 2QRRdildt (2.9)

Se tb for desprezivel, quando comparado a t,u 0que normal mente eo case. tn(2.9) torna-se

t,u a Eq.

tr ~ (2.10)d

e

1I\/\ di (2.11)2Q1\R d tPode-se notar a partir das equacoes (2.10) e (2.11) que 0tempo de recuperacao reversatn eo pico reverso da corrente de recuperacao I1\R dependem da carga armazenada Q R J

Documents

Capítulo 02 Diodos semicondutores de potencia