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MAKRON Books Capítulo 2 Diodos Semicondutores de Potência 24 INTRODUÇÃO Os disdos semicondutores de polência têm um papel significativo nos circuitos de eletrônica de potência. Um diodo age como uma chave para realizar várias funções, lais chaves em retificadores, comutação em reguladores chaveados, inversão de carga ensão, reali- itores e transferência de energia entre componentes, isolação de t mentação de energia da carga para a fonte de alimentação e recuperação da energia armazenada. Os diodos de potência podem ser considerados chaves ideais na maioria das s diodos práticos diferem das características ideais e têm certas limila- aplicações, m ções. Os diodos de potência são similares avs diodos de sinal de junção pn. Entretanto, os diodos de potência têm maiores capacidades de potência, tensão e corrente que os diodos comuns de sínal. A resposta em fregúência (su velocidade de chaveamento) é baixa se comparada à dos diodos de sinal. 2.2 CURVAS CARACTERÍSTICAS DOS DICDOS Um diodo de potência é um dispositivo de junção pn de dois terminais, e esta junção é nerma:mente formada por fusão, difusão e crescimento epitaxial. As técnicas de controle rmodemas em difusão e processos epitaxiais permitem obter as características desejadas do dispositivo. A Figura 2.1 mostra uma vista lransversa! de uma junção pr e o símbolo de um digdo. 24 Eletrônica de Potência — Circuitos, Dispositivos e Aplicaçõe Angdo 71] Catodo Anodo Catodo , mp qn] *D Figura 2.1 i - i b, Junção pm é símbolo de um diodo. v *+Io | , (2) Junção pn (b) Símbolo do diodo Quando o potencial de anodo é positivo em relação ao catodo, diz-se que o diodo está diretamente polazizado « conduz. Um diodo em condução tem uma queda de tensão no sentido direto relativamente pequena sobre ele; c a amplitude dessa queda depende do processo de fabricação e da temperatura da junção. Quando o potencial de catodo é positivo em relação ao anodo, o diodo está reversamente polarizado. Sob condições de polarização reversa, uma pequena cortente reversa (também conhecida como corrente de fuga, do inglês leakage current) na faixa de micro a miliampêres flui e esta corrente de fuga aumenta lentamente em amplitude com a tensão reversa até que à tensão de avalanche, ou tensão Zener, é atingida. A Figura 2.2a mostra as curvas carae- terísticas v-i em regime permanente de um diodo. Para a maioria des propósitos práticos, um diodo pode ser considerado uma chave ideal, cujas curvas carac- terísticas são mostradas na Figura 2.2b. Figura 2.2 i Curva característica vi de | . a um diodo. | Corrente reversa de luga (a) Prático (b) Ideal As curvas características v-i mostradas na Figura 2.2a podem ser e equação conhecida como equação do diodo Schockley, que é dada por p= he em que 1) = corrente através do diodo, em A Vp = tensão do diodo, com o anodo positivo em relação ao catodo, em V 26 Eletrônica de Potênc: — Circuitos, Dispositivos e Aplicações Cap? Ip = te VunVy 1 ÇA x ABES 1) = (4823 48,23, com um erro de 2,1% Portanto, para V5 > 9,1 Y, que é normalmente o caso, Ip >> 6 ea Eg. (2.1) pode ser aproximada com um erro de 2,1% para . v —hD= ke Região de polarização reversa. Na região de polarização reversa, Vo < 6. Se Vp é negativo e 1Yp | >> Vr, que ocome para Vn < — 01, o terme exponencial na Eq. (2.1) torna-se insignificante ou muito pequeno quando comparado com a unidade, e a corrente do diodo 1 torn se no sentido reverso é cons que indica que a corrente do diodo ente ciguala /, Região ds rupiura reversa. Na região de ruptura reversa (do inglês dreak- doum region) à lensão reversa é muito alta, normalmente maior que 1006 V. 4 amplitude da tensão reversa excede uma tensão específica, conhecida come ten: (do inglês breckdown voltage - Var). À corrente reversa aumente rapidamente com uma ia variação na tensão reversa além de Var. À operação na região reptura reversa não será destrutiva se a dissipação de potência estiver dentro de um “nível nte. Entretanto, é sempre ecessário limitar a corrente reversa na região de ruptura reversa para timitar a dissipa- ção de potência a um valor permissível de raptura reversa peque seguro”, que é especificado pelas falhas de dados do fabs! Exemplo 2.1 à queda de tensão direta de um dinda de potência é V; 2€ Vy - 25,8 MY, encontrar a corrente de saturação £, =12Va ip =30DA, Supondo que Solução: Aplicando a Es, mcontrar o corrente de fuga (ou de saturação) > pode x 238 19 300 = Jafe!? que dá [5 = 23837030 Cep. 2 Diodos semicondutores de potência 27 23 CURVAS CARACTERÍSTICAS DA RECUPERAÇÃO REVERSA A corrente na junção diretamente polarizada do diodo deve-se ao efeito dos portadores majoritários e minoritários. Uma vez que o diodo esteja no modo de condução direta é então sua corrente direta seja reduzida a zero (em função do comportamento natural do circuito do diodo ou pela aplicação de tensão reversa), o diodo continua conduzindo devido aos portadores minoritários que permanecem armazenados na junção pn e no material semicondutor propriamente dito. Os portadores minoritários requerem uni certo tempo para recombinar com as cargas opostas e ser neutralizados. Esse tempo é chamado tempo de recuperação reversa (do inglês reverse recovery time) do diodo. A Figura 2.3 mostra duas curvas características de recuperação reversa de diodos de junção. O ração suavo (do inglês soft-recovery) é mais comum. O tempo de recupera- cial com o zero da po de recu são reversa é denotado por L,, e é medido a partir do cruzamento ir corrente do diado até 25% da corrente reversa máxima (ou de pico), Iap. O +,, consiste de dois componentes, 4, € fp O t, deve-se 46 armazenamento de cargas na região de depieção da junção e representa o tempo entre o cruzamento com o ze e o pico da eversa, Ip. O tp deve-se ao armazenamento de cargas no materia! semicondu- é conhecida como fator de suavidade (do inglês sofiness factor — SF), Para ionar o tempo de recuperação reversa t,,.e 0 valor corrente ter. A relação tp/t propósiios práticos, é mc de pico da corrente revei ssário re! v8a Jpg. tutto (2.5) O pico da corrente reversa pode ser expresso na di/dt reversa como 5 Ir dy É (2.6) Figura 23 aractorísticas da ão toversa Curvas recupera (a) Recuperação suave (5) Recuperação abrupta Cap. 2 Diodos semicondutores de potência do diodo Ip. O pico da corrente de recuperação reversa ip, a carga reversa Qpp e o fator de suavidade são todos de interesse do projetista do circuito, sendo esses parâmetros normalmente incluídos nas folhas de especificações dos diodos. Se um diodo estiver na condição de polarização reversa, uma corrente de fuga fluirá devido aos portadores minoritários. A aplicação de tensão direta forçaria o diodo a conduzir corrente no sentido direto. Entretanto, é necessário um certo tempo, conhecido como tempo de recuperação direta ou tempo de ligamento (do inglês forward recovery time ou turn-on time), antes que todos os portadores majoritários, distribuídos por toda a junção, possam centribuir para o fluxo da corrente. Se a taxa de crescimento da corrente direta é elevada e a própria corrente direta está concentrada em uma pequena área da junção, o diodo pode falhar. Assim, o tempo de recuperação direta limita a taxa de crescimento da corrente direta e a velocidade de chaveamento. Exemplo 2.2 O tempo de recuperação reversa de um diodo é bs = 3 us e a taxa de decaimento da corrente do dioda é di/ãt = 30 4/us, Determinar (a) a carga armazenada Qrx e (b) a corrente reversa de pico Ixr Solução: ty =3usedi/dt= 30A/ps. (a) A partir da Eg (2.10), 0,5 x 30 4/us x (3 x 10 = 1334€ b) Apartir da Eq. (211), di ln = 20RR E N2 x 135 x 108 x 30x 10 2.4 TIPOS DE DIODOS DE POTÊNCIA Idealmente um diodo não deve ter tempo de recuperação reversa. Entretanto, « fabricação de tal diodo aumentará. Em muitas aplicações, os efeitos do tempo de recupe- ração reversa não serão significativos e diodos mais baratos poderão ser utilizados. Dependendo das características de recuperação e das técnicas de fabricação, os diodos de potência podem ser classificados em três categorias: diodos padrão ou genéricos, diodos de recuperação rápida e diodos Schottky. As características e limitações práticas de cada tipo restringem suas aplicaçõe. su ômica de Poiência — Circuitos, Dispositivos e Aplie des Cup.2 2.4.1 Diodos Genéricos Os diodos retificadores genéricos têm tempo de recuperação reversa relativamente alto, em geral 25 us, e são utilizados em aplicações de baixa velocidade, em que o tempo de recuperação reversa não é crítico (por exemplo, aplicações em retificadores e conversores com diodos para uma baixa frequência de entrada de até 1 kHz e conversores comuta- dos pela rede). Esses diodos cobrem faixas de correntes de menos de 1 A a vários milhares de ampêres, com faixas de tensões de 30 V a aproximadamente 5 kV. Esses diodos são geralmente fabricados por difusão. Entretanto, tipos de retificadores de junção fundida, utilizados em fontes de alimentação de máquinas de solda, são mais baratos e robustos e suas especificações podem ir até a 300 A e 1000 V. 2,4.2 Diodos de Recuperação Rápida Os diodos de recuperação rápida têm tempo de recuperação baixo, normalmente menor que 5 us. Eles são usados em circuitos conversores de CC CC e COCA, em que a velocidade de recuperação é sempre de importância crítica. Esses diodos cobrem faixas de correntes de menos de 1 A a centenas de ampêres, com especificações de tensões de 50 Va aproximadamente 3 kV. Para especificações de tensões acima de 400 V, os diodos de recuperação rápida o feitos por difusão e o tempo de recuperação reversa é controlado pela difusão de platina ou ouro. Para especificaçõ tensões abaixo de 400 V, os diodos epitaxial fornecem velocidades de chaveamento mais rápidas que as dos diodos difundidos. Os diodos epitaxiais têm uma largura de base estreita, tesultando em um tempo de recupe- ração rápido, na ordem de 30 gts. Diadas de recuperação rápida de vários tamanhos sã mostrados na Figura 2.4. Figura 2.4 Diodos de recaperação rápido (cortesia da Poweres, Inc.) 32 Eletrônica de Potência — Circuitos, Dispositivos e Aplicações Cap 2 2.5 EFEITOS DOS TEMPOS DE RECUPERAÇÃO DIRETO E REVERSO A importância desses parâmetros pode ser explicada pela Figura 2.6a. Se a chave CH for ligada em t = 0 e permanecer ligada por um tempo grande o suficiente, uma corrente de regime permanente de ly = V,/R fluirá através da carga e o diodo de comutação D,, será polarizado reversamente. Se a chave for desligada em t = t, O diodo D,, conduzirá e uma corrente circulará através de D, Agora, se a chave for ligada novamente em é = ta, o diodo D,, comportará um curto-circuito. A taxa de crescimento da corrente direta da chave (e diodo D) e a taxa de decaimento da corrente direta do diodo D,, seriam muito elevadas, tendendo para infinito. De acordo com a Eg. (2.11), o pico da corrente reversa do diodo D,, poderia ser muito alto e os diodos D, e Ds; poderiam ser danificados. A Figura 2.6b mostra as várias formas de onda para as correntes dos diodos. Esse problema é normalmente superado pela conexão de um indutor de limitação de di/dt, L, como mostrado na Figura 2.7a. Os diodos práticos requerem um certo tempo de entrada em condução, antes que toda a área da junção se torne condutiva, e o di/di deve ser mantido baixo para se alcançar o limite de tempo de ligamento. Esse tempo é também conhecido como tempo de recuperação direta, tp (do inglês forward recovery time). A taxa de crescimento da corrente através do diodo Dj, que deve ser a mesma que a de decaimento da corrente através do diodo D,,, É dio Y = (2.1 ato To Es) Se ti, é 0 tempo de recuperação reversa de Dy, à corrente reversa de pico de Dy é di tr Vo inn = ty BL= tro 213 BRO Ér go Ls; (2.13) e a corrente de pico através do indutor £, seria be Vs = do 4 dRr do + br (2.14) Cap. 2 Diodos semicondutores de potência 33 pe PP . q CH Figura 2.6 Circuito chopper sem Y indutor de limitação de dizdt. (a) Diagrama do circuito t Devido à recuperação reversa de D,, (b) Formas de onda Quando a corrente do indutor sc torna Ly o diodo D,, desliga-se subitamente (assumindo recuperação abrupta) e interrompe o caminho do fluxo de corrente. Devido à carga altamente indutiva, a corrente de carga não pode mudar subitamente de f para 1p. À energia armazenada em excesso em L, induziria uma tensão reversa elevada em Dy e isto poderia danificá-lo. O excesso de encrgia armazenada como resultado do tempo de recuperação reversa é encontrado a partir de Wa = ELo[do + IR? — 10] (2.15) Wa = tul(o + 1] - | (2.16) Cap 2 Divdos semicondutores de potência 3 Um resistor R,, que é mostrado na Figura 2.7a por linhas pontilhadas, é conee- tado em série com à capacitor para amortecer quaisquer oscilações transitórias. A Eq. (2.17) é uma aproximação e não leva em consideração os efeitos de L, « R. durante os transitórios para a transferência de energia. 2.6 DIODOS CONECTADOS EM SÉRIE Em muitas aplicações de alta tensão (por exemplo, linhas de transmissão de corrente contínua em alta tensão - do inglês high voltage direct current - HVDC), um diodo fornecido comercialmente pode não oferecer a especificação de tensão necessária, e os diudos são conectados em série para aumentar a capacidade de bloqueio reverso. Vamos considerar dois diodos conectados em série, como mostrado na Figura 2.84. Na prática, as curvas características v-i para diodos do mesmo tipo diferem devido às tolerâncias no seu processo de fabricação. A Figura 2.1tb mostra duas curvas carac- terísticas v-i para tais diodos. Na condição de polarização direta, ambos us diodos conduzem a mesma quantidade de corrente e à queda de tensão direta de cada diodo seria quase igual. Entretanto, na condição de bloqueio reverso, cada diodo tem de conduzir a mesma corrente de fuga e como resultado as tensões de bloqueio diferirão significati ramente. Figura 2.8 Dois diodos concclados na série com polarização reversa. (a) Diagrama do circuito tb) Curvas características v-i Uma solução simples para esse problema, como mestrado na Figura 2.9a, consiste em forçar uma divisão de tensão igual através da conexão de um resistor em caca diodo. Devido à divisão igual de tensão, a corrente de [uga de cada diodo seria diferente, e isto é mostrado na Figura 2.9b. Como a corrente de fuga total tem de ser dividida por um diodo e seu resistor, + Im = t+ ir (2.18) 36 Eletrônica de Potôncia - Circuitos, Dispositivos e Aplicações Cap.2 Mas fr = Vpy/Riciro = Voo/Ro = Vpy/Ro A Eq (2.18) dá a relação entre Rj e Ro para a divisão igual de tensão, como vor o, Vo Lt + Ri = Lo + R2 e19) Se as resistências são iguais, R = Rj = Ro e as duas tensões dos diodos seriam tigeira- mente diferentes, dependendo das dissimilaridades das duas curvas características vi. Os valores de Vpy e Vpz podem ser determinados a partir das Egs. (2.20) e (2.21): vi Voz ma+ Pr R R (2.20) (2.21) Vo + Vpz = Figura 2.9 Diodos conectados em série com as curvas z características de divisão de lensão de - regime permanente +|wv (ad Diagrama do circuito tb) Curvas caracteristicas vi As divisões de tensão sob condições transitórias (por exemplo, devido ao chaveamento de cargas, as aplicações iniciais da tensão de entrada) são conseguidas pela conexão de capacitores através de cada diodo, o que é mostrado na Figura 2.10. R, limita a taxa de de bloqueio. crescimento da ten: 38 Eletrônica de Potência — Circuitos, Dispositiv 5 e Aplicações Cap.2 2.8 MODELAMENTO EM SPICE DE DIODOS O modelamento em SPICE! de um diodo é mastrado na Figura 2.12b. À cortente do diodo 1h, que depende de sua tensão, é representada por uma fonte de corrente. R$ éa resistência em sério e se deve à resistência do semicondutor. Rs, também cenhecida como resistência do maierial (do inglês bulk resistunce), é dependente da quantidade de dopagero. Os modelamentos de pequeno sinal e estático, gerados pelo SPICE, são mostrados na Figura 2.12c é d, respectivamente. Cy é uma função não-linear da tensão do diodo vp e é ignal a Cy = dga/don, em que qu é a carga da camada de depleção. O SPICE gera os parâmetros de pequeno sinal a partir do ponto de operação. A sintaxe do medelanienta SPICE de um diodo tem a forma geral VN DNAME é o nome do modelamento e que pode começar com quaiquer caracter; mas o D é o símbolo amento e seus seu tamanho é normalmente limitado a uma palavra de oito car: típico para dicdos. P1, P2, ... e Vi, valores, respectivamente. netros d são os pa Exemplo 2.3 Dois divdos são conec de Vp = 5 kV. As correntes de fuga rev Encontrar as tensões dos diodos se Ro = R = DK. (D) Encontrar as re: Vos = Vo rostrado na Fig dividir uma tensão total 5 dois diodos são J1 = 30 mA e 1 má. ências de divisão de tensão fc 294, pa ências de divisão de tensão Rj € R2 se as tensões a conferir seus resultados da O mA para o Usar o PS; dos diodos são: BV=3KV e letra (a). Os parâm diodo Dj; = 18 =35 mA para o diodo | =400k2. Vo — Vin + Voo ou omA, i2—35mA e Ryo Ro q (219), Solução: (a) Vo. A pastir d Substitaindo Voz — vp - N. T: SPICE é um p: civenitos elétricos e eleirôr ama de computador para , análises e simulações de os, peodazidos pela Mi Cap.2 Diodos semicondutores de potência 39 Figura 2.12 Modelamento Spice de diodo com polarização reversa. 1) Mocielamento de pequeno sinai Vo Ro, + 54 2— lay 1OC ka (as a 19 SC (35 x 10 — Mi x 10" = SM . 2, m= Vp- partir da Eq (219, stência Ry pera um valor conhecido de Ri como Cap.2 Diodos semicondutores de potência a RESUMO o ções As curvas características dos diodos prálicos diferem daquelas dos diodos ide: tempo de recuperação reversa tem um papel significativo, especialmente em apl de alta velocidade de chaveamento. Os diodos podem ser classificados em três tipos: diodos genéricos, diodos de recuperação rápida e diodos Schottky. Apesar de um diodo Schottky cermportar-se como um diodo de junção pn, não há junção física; e como resultado o diodo Schottky é um dispositivo de portadores majoritários. Por outro lado, um diodo de junção pri é um dispositivo de portadores tanto majoritários quanto mino- ritários. Se os diodos forem conectados em série para aumentar a capacidade de blo- queio de tensão, são necessárias redes de divisão de tensão sob condições de regime permanente e Lransitório. Quando os diodos são conectados em paralelo para aumentar a capacidade de condução de corrente, também são necessários elementos de divisão de corrente REFERÊNCIAS . RASHID. SPICE for Circuits and Electronies Using PSpice. Engle Hall, 1990. ruod Cliffs, N.j.: Prentice MS. GAUSHL. Electronic Devices and Circuits. Nova York: Holt, Rinehart and Winston, 1985, p. 672. PR.GRAY, RG. MEYER. Anatisys and Design of Analog Integrated Circuits. Nova York: jonh Wiley & Sons, Inc, 1984, p. 1. Espice Manwul. Irvine, Calif.: MicroSim Corporation, 1982. E W TUINENGA. SPICE: A Guide to Circuil Simulation And Analysis Using PSpice. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1992, QUESTÕES DE REVISÃO 21 Quais são os tipos de diodus de potência? 22 Gqueéa corrente de fuga dos «diodos? 23 — Ogueco tempo de recuperação reversa dos diodos? 24 — Oqucéa corrente de recuperação reverse dos diodos? 25 Cquego fator de suavidade dos diodos? 25 Qua is são os tipos de recuperação dos diodos? 2.7 28 29 2i2 213 2.14 215 Eletrônica de Potência — Circuitos, Dispositivos e Aplicações Cap.? Qual é a causa do tempo de recuperação reversa em um diodo de junção pr? Qual é o efeito do tempo de recuperação reversa? Por que é necessário usar diodos de recuperação rápida para altas velocidades de chavea- mento? O que é o tempo de recuperação direta? Quais são as principais diferenças entre os diodos de junção pn e os Schottky? Quais são as limitações dos diodos Schottky? Qual é o tempo de recuperação reversa típico dos diodos genéricos? Qual é o tempo de recuperação reversa típico dos diodos de recuperação rápida? Quais são os problemas dos diodos conectados em sórie e quais são as possíveis soluções? Quais são os problemas dos diodos conectados em paralelo € quais são as possíveis sofuções? Se dois diodos estão conectados em série com igual divisão de tensão, por que as cor- rentes de fuga de ambos diferem? PROBLEMAS 21 da ta O temapo de racuperação reversa de um diodo é t, — Sus e a taxa de decaimento du corrente é divdt — 80 A/ps. Se 6 fator de suavidade é SF = 6,5, determinar (a) a carga armazenada (Qnr é (b) a corrente reversa de pico Ir Os vales medidos de um diodo à temperatura de 25'€ são: Yp= LDValo=5A =LEVaip-6GãA Determinar (a) o coeficiente de emissão me tb) a corrente de fuga 1, Dois divas são conectados em série e a tensão sobre cada um deles é mantida a mesma pela conexão de um resistor divisor de tensão ta! que Vpi = Voy = 2000V e Ri = WOKA, As curvas características v 1 do diodo são mostradas na Figura P2.3, Deter- minar (a) as correntes de fuga de cada diodo e (b) a resistência R2 em paraleio com & diodo Da. 
