Aula 16 - Transistores de potência: Darlington, MOSFET e IGBT

Transistor Darlington

O Transistor Darlington nada mais é do que a ligação de vários transistores com a finalidade de aumentar o ganho. O ganho (HFE) total do Darlington é a multiplicação dos ganhos individuais de cada um dos transistores.Se ligarmos dois transistores do mesmo tipo (PNP ou NPN) da forma indicada na figura, poderemos ter um circuito em que a amplificação final será o produto das amplificações dos transistores usados. Por exemplo, se usarmos dois transistores com ganho 100, o circuito formado terá ganho 100 x 100 = 10 000!

Podemos fabricar num mesmo invólucro dois transistores já ligados desta forma, de modo a termos um "super transistor" ou um transistor "Darlington".

Os transistores Darlington são muito úteis quando se deseja alta amplificação, já que o segundo transistor do par pode ser feito de modo a conduzir correntes intensas. Assim, os Darlingtons de Potência podem controlar correntes muito intensas a partir de sinais fracos. O aspecto externo de um transistor Darlington é o mesmo de um transistor comum.

Só podemos saber que se trata de um Darlington pelo seu número, consultando um manual. Por exemplo, o TIP31 é um transistor comum enquanto que o TIP120 é um transistor Darlington de potência. As especificações desses transistores são as mesmas dos transistores bipolares comuns.

Vantagens: Maior ganho de corrente; tanto o disparo como bloqueio são sequenciais e a queda de tensão em saturação é constante.

Desvantagens: Utilização apenas com médias frequências e médias potências.

Transistor de Efeito de Campo de Óxido Metal

O Transistor de Efeito de Campo de Óxido Metal (MOSFET) é construído a partir de um canal de silício (do tipo n), é aplicado uma fina camada de óxido de silício (isolante) ao longo da superfície do canal, e, em seguida, coloca o Gate de Metal sobre o óxido e finalmente são colocado os dois terminais (dreno e fonte). Este dispositivo é conhecido como um transistor de efeito de campo de porta isolada (IGFET) ou mais comumente chamado de um MOSFET. Na ausência de tensão no elétrodo de porta (Gate), o canal N é apenas uma resistência de semicondutor que conduz a corrente em função da tensão aplicada entre a fonte (S) e o dreno (D), portanto, não há região de depleção.

MOSFET Canal N com depleção com normal (polarização reversa): Com uma tensão apropriada aplicada entre a fonte e o dreno, a corrente irá fluir através do canal, como em uma resistência de semicondutores. No entanto, se aplicar uma tensão negativa no Gate, ele terá de uma pequena carga estática negativa. Esta tensão negativa irá repelir elétrons, afastando-se da porta e cria uma região de depleção em torno da área da porta, o que restringe a largura útil do canal, reduzindo a corrente que flui no canal. Este tipo de FET opera através da criação de uma região de depleção dentro do canal existente.

Além dos MOSFET P e N (seta do terminal source que sai ou entra) , os MOSFETs também são de dois tipos : D - MOSFET (símbolo de traço contínuo) e E - MOSFET ( simbolo de traço pontilhado) .

No D-MOSFET do tipo de esgotamento, um canal já está construído fisicamente e a tensão da fonte da porta é necessária para desligar o dispositivo.

Em um E-MOSFET do tipo aprimoramento, não há nenhuma existência de canal pré-construído. A tensão aplicada através da porta é necessária para criar um canal para sua condutância.

A vantagem básica do MOSFET é que não há corrente de Gate, assim, a resistência de entrada deste dispositivo é essencialmente infinito. No entanto a fina camada de vidro não pode suportar a tensão muito alta, até mesmo a carga estática que você pode destruir o componente. Para evitar tais danos, MOSFETs são embalados em de metal com o condutores ligados à embalagem através de um anel de fio em torno deles, a qual permanece no lugar até que o dispositivo seja instalado no seu circuito. A segunda desvantagem tem a ver com a capacitância inerente entre a porta e o canal. Pode não parecer muito, mas limita a resposta de frequência em circuitos analógicos, ou a velocidade máxima de comutação de circuitos digitais.

Transistor Bipolar de Porta Isolada

O IGBT (Insulated Porta Bipolar Transistor) alia a facilidade de acionamento dos MOSFET com as pequenas perdas em condução dos TBP. Sua velocidade de comutação é semelhante à dos transistores bipolares. Este componente aproveita as melhores características do IGFETs e do BJTs, em um dispositivo chamado Insulated-Gate Bipolar Transistor ( IGBT ),  que é equivalente a um par de Darlington IGFET e BJT. O IGFET controla a corrente de base de um BJT, que lida com a corrente de carga principal entre coletor e emissor. Desta forma, não é muito elevado ganho de corrente (uma vez que a porta isolados do IGFET extrai praticamente nenhuma corrente a partir do circuito de controlo), mas a queda de tensão coletor-emissor, durante a condução plena é tão baixo como o de um BJT comum.

Uma desvantagem do IGBT em relação ao BJT padrão é o tempo mais lento para o desligamento. Para comutação rápida e capacidade de manipulação de alta corrente, é difícil bater o transistor de junção bipolar. Melhoria no tempo de desligamento (turn-off) no IGBT pode ser conseguido por certas alterações no desenho, mas só à custa de uma maior queda de tensão entre coletor e emissor. No entanto, o IGBT fornece uma boa alternativa para IGFETs e BJTs para aplicações de alta corrente.

A estrutura do IGBT é similar à do MOSFET, mas com a inclusão de uma camada P+ que forma o coletor do IGBT. Em termos simplificados pode-se analisar o IGBT como um MOSFET no qual a região N- tem sua condutividade modulada pela injeção de portadores minoritários (lacunas), a partir da região P+, uma vez que J1 está diretamente polarizada. Esta maior condutividade produz uma menor queda de tensão em comparação a um MOSFET similar.

O controle de componente é análogo ao do MOSFET, ou seja, pela aplicação de uma polarização entre porta e emissor. Também para o IGBT o acionamento é feito por tensão. A máxima tensão suportável é determinada pela junção J2 (polarização direta) e por J1 (polarização inversa). Como J1 divide 2 regiões muito dopadas, conclui-se que um IGBT não suporta tensões elevadas quando polarizado inversamente.

Para escolha do IGBT devemos verificar os limites de tensão e de corrente. Os IGBT atingem potências mais elevadas, indo até 1200V/500A. Como o acionamento do IGBT é muito mais fácil do que o do TBP, seu uso tem sido crescente, em detrimento dos TBP. Outro importante critério para a seleção refere-se às perdas de potência no componente. Assim, aplicações em alta frequência (acima de 50kHz) devem ser utilizados MOSFETs. Em frequências mais baixas, qualquer 1 dos 3 componentes podem responder satisfatoriamente. No entanto, as perdas em condução dos TBPs e dos IGBTs são sensivelmente menores que as dos MOSFET.

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