Transistor Bipolar de Potência (TBP)
Embora seja um dispositivo tecnologicamente ultrapassado, os TBP representaram um importante passo no desenvolvimento de componentes de média potência, atingindo tensões de bloqueio da ordem de 1000V, conduzindo correntes de 500A. Embora estes valores não permitam sua aplicação direta (mesmo quando associados) em dispositivos FACTS, são suficientes para uma série de outros conversores para condicionamento de energia elétrica. O desenvolvimento posterior dos MOSFET e dos IGBT ocupou o espaço de aplicação dos TBP.
A velocidade de chaveamento dos dispositivos de maior potência era relativamente baixa, limitando a freqüência de chaveamento a poucos kHz.
Princípio de funcionamento
A figura 1 mostra a estrutura básica de um transistor bipolar.
Figura 1. Estrutura básica de transistor bipolar
A operação normal de um transistor é feita com a junção J1 (B-E) diretamente polarizada, e com J2 (B-C) reversamente polarizada .
No caso 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 tenha energia cinética suficiente para atravessá-la, chegando à região de transição de J2, sendo, então, atraídos pelo potencial positivo do coletor.
O controle de Vbe determina a corrente de base, Ib, que, por sua vez, se relaciona com Ic pelo ganho de corrente do dispositivo.
Na realidade, a estrutura interna dos TBPs é diferente. Para suportar tensões elevadas, existe uma camada intermediária do coletor, com baixa dopagem, a qual define a tensão de bloqueio do componente.
A figura 2. mostra uma estrutura típica de um transistor bipolar de potência. As bordas arredondadas da região de emissor permitem uma homogenização do campo elétrico, necessária à manutenção de ligeiras polarizações reversas entre base e emissor. O TBP não sustenta tensão no sentido oposto porque a alta dopagem do emissor provoca a ruptura de J1 em baixas tensões (5 a 20V).
Figura 2 Estrutura interna de TPB e seu símbolo
O uso preferencial de TBP tipo NPN se deve às menores perdas em relação aos PNP, o que ocorre por causa da maior mobilidade dos elétrons em relação às lacunas, reduzindo, principalmente, os tempos de comutação do componente.
Área de Operação Segura (AOS)
A AOS representa a região do plano Vce x Ic dentro da qual o TBP pode operar sem se danificar. A figura 3.21 mostra uma forma típica de AOS.
À medida que a corrente se apresenta em pulsos (não-repetitivos) a área se expande.
Para pulsos repetitivos deve-se analisar o comportamento térmico do componente para se saber se é possível utilizá-lo numa dada aplicação, uma vez que a AOS, por ser definida para um único pulso, é uma restrição mais branda. Esta análise térmica é feita com base no ciclo de trabalho a que o dispositivo está sujeito, aos valores de tensão e corrente e à impedância térmica do transistor, a qual é fornecida pelo fabricante.
Figura 3. Aspecto típico de AOS de TBP
A: Máxima corrente contínua de coletor
B: Máxima potência dissipável (relacionada à temperatura na junção)
C: Limite de segunda ruptura
D: Máxima tensão Vce
Conexão Darlington
Como o ganho dos TBP é relativamente baixo, usualmente são utilizadas conexões Darlington (figura 4), que apresentam como principais características:
- ganho de corrente b= b1(b2+1)+b2
- T2 não satura, pois sua junção B-C está sempre reversamente polarizada
- tanto o disparo quanto o desligamento são seqüenciais. No disparo, T1 liga primeiro, fornecendo corrente de base para T2. No desligamento, T1 deve comutar antes, interrompendo a corrente de base de T2.
Os tempos totais dependem, assim, de ambos transistores, elevando, em princípio, as perdas de chaveamento.
Figura 4 Conexão Darlington.
Métodos de redução dos tempos de chaveamento
Um ponto básico é utilizar uma corrente de base adequada. As transições devem ser rápidas, para reduzir os tempo de atraso. Um valor elevado Ib1 permite uma redução de tri. Quando em condução, Ib2 deve ter tal valor que faça o TBP operar na região de quase-saturação. No desligamento, deve-se prover uma corrente negativa, acelerando assim a retirada dos portadores armazenados.
Para o acionamento de um transistor único, pode-se utilizar um arranjo de diodos para evitar a saturação, como mostrado na figura 6. Comutações de transistores bipolares quando operando na região de saturação se tornam muito mais lentas devido à maior quantidade de portadores a ser extraído pela base.
Figura 5 Forma de onda de corrente de base recomendada para acionamento de TBP.
Neste arranjo, a tensão mínima na junção B-C é zero. Excesso na corrente Ib é desviado por D3. D3 permite a circulação de corrente negativa na base.
Figura 6 Arranjo de diodos para evitar saturação.
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