Chaves Semicondutoras

Nos circuitos conversores e inversores est ´aticos, os interruptores s ˜ao dis- positivos semicondutores de estado s ´olido como IGBTs, MOSFETs ou BJTBipolar Junction Transistor s (Transistor Bipolar de Junc¸ ˜ao). Cada interruptor possui um diodo intr´ınseco em conex ˜ao anti-paralela, cujo objetivo ´e proporcionar o fluxo bidirecional da corrente de carga (MIRANDA, 2012).

Na hora da escolha das chaves a serem utilizadas, deve-se levar em conta caracter´ısticas tais como tens ˜ao m´ınima de bloqueio, resist ˆencia s ´erie de conduc¸ ˜ao, corrente m ´axima para comutac¸ ˜ao e tempos de comutac¸ ˜ao para a frequ ˆencia preten- dida (CEREZO, 2009). ´E necess ´ario observar tamb ´em as perdas associadas aos com- ponentes, sejam elas perdas de conduc¸ ˜ao ou perdas de comutac¸ ˜ao (ou chaveamento). Para pot ˆencias de sa´ıda elevadas, as perdas de conduc¸ ˜ao predominam, enquanto as perdas de comutac¸ ˜ao s ˜ao as maiores respons ´aveis pela reduc¸ ˜ao de efici ˆencia em bai- xas pot ˆencias de trabalho. Portanto, a escolha do componente interruptor deve levar em considerac¸ ˜ao que as perdas por conduc¸ ˜ao e por chaveamento s ˜ao inversamente proporcionais, necessitando uma profunda an ´alise de qual ´e menos prejudicial ao am- plificador (GAALAAS, 2006).

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deve ser injetada incessantemente na base do transistor todo o tempo em que ele estiver conduzindo. Essa corrente pode apresentar valores elevados, dependendo do modelo do dispositivo, o que passa a ser um problema no quesito rendimento devido as grandes perdas causadas. Tamb ´em torna-se mais complexo o circuito de aciona- mento, visto que necessita fornecer n´ıveis maiores de corrente e tamb ´em os drenar, para que o transistor BJT entre no modo de corte de forma r ´apida (BARKHORDARIAN, 2011).

J ´a o transistor de efeito de campo (MOSFET), funciona como uma chave que ´e controlada por tens ˜ao. Portanto, o driver deve fornecer tens ˜ao ao terminal gate do MOSFET, com refer ˆencia ao terminal source. Tamb ´em deve ser capaz de fornecer e retirar a corrente necess ´aria para carregar e descarregar a capacit ˆancia de gate do MOSFET, para que ele entre em modo de conduc¸ ˜ao e em modo de corte. Sua velocidade de comutac¸ ˜ao ´e muito superior por n ˜ao haver recombinac¸ ˜ao de portadores minorit ´arios, como ´e o caso do BJT (SCHWAAB, 2012).

Sendo o MOSFET um dispositivo que pode ser controlado por tens ˜ao, ca- paz de chavear em frequ ˆencias elevadas, al ´em de ter uma alta imped ˆancia de entrada e exigir um circuito de acionamento mais simples comparado aos BJTs, escolhe-se ele para implementac¸ ˜ao da ponte conversora do amplificador.

2.4.2.1 PAR ˆAMETROS E PERDAS DE MOSFETS

A escolha correta dos MOSFETs de pot ˆencia relaciona-se diretamente com o desempenho do amplificador em v ´arios aspectos, tais como sua efici ˆencia, EMI (Interfer ˆencia Eletromagn ´etica) e THD. Dessa forma, deve-se escolher os MOSFETs de modo que haja coer ˆencia com as especificac¸ ˜oes t ´ecnicas do amplificador do qual eles ser ˜ao parte. Leva-se em conta a pot ˆencia de sa´ıda, a topologia empregada, al ´em da imped ˆancia da carga e do ´ındice de modulac¸ ˜ao (CEREZO, 2009).

H ´a um grupo de par ˆametros el ´etricos do MOSFET que devem ser analisa- dos de acordo com o objetivo do amplificador projetado.

• BVDSS (Tens ˜ao de Avalanche entre Dreno e Fonte): que ´e a tens ˜ao m ´axima que pode ser aplicada entre o dreno e a fonte, sem que o dispositivo entre em ruptura por avalanche (BARKHORDARIAN, 2011).

• RDS(on) (Resist ˆencia Est ´atica entre Dreno e Fonte): ´e a resist ˆencia de conduc¸ ˜ao que situa-se entre o dreno e a fonte do MOSFET e se relaciona com BVDSS atrav ´es da Equac¸ ˜ao 7 (PIRES, 2010)

RDS(on) =k · BVDSS, (7) onde k ´e uma constante relacionada ao modelo do dispositivo (MOHAN; UNDE-

LAND; ROBBINS, 2002).

Percebe-se a necessidade de escolher um MOSFET com BVDSSmoderado, para reduzir as perdas de conduc¸ ˜ao, as quais s ˜ao representadas pela Equac¸ ˜ao 8

Pcond = IDef2 · RDS(on) (8)

onde IDef ´e o valor eficaz da corrente que circula pelo MOSFET.

• Qg (Carga da Porta): ´e a carga necess ´aria para carregar a capacit ˆancia interna do MOSFET e habilitar sua conduc¸ ˜ao. Este par ˆametro relaciona-se com a ve- locidade de comutac¸ ˜ao do dispositivo, pois quanto menor seu valor, maior a ve- locidade de comutac¸ ˜ao. Isso implica em menos corrente e, consequentemente, menor perda na porta do MOSFET, expressa pela Equac¸ ˜ao 9 como

Pgate = Qg· VGS· fsw (9)

onde VGS ´e a tens ˜ao aplicada entre a porta e a fonte e fsw ´e a frequ ˆencia de comutac¸ ˜ao.

• Qrr (Carga de Recuperac¸ ˜ao Reversa da Base do Diodo): ´e a carga acumulada no diodo intr´ınseco do MOSFET durante a polarizac¸ ˜ao direta, sendo necess ´aria sua descarga para o MOSFET entrar em modo de corte. Interfere na gerac¸ ˜ao de EMI, pois sua descarga acrescenta pulsos de corrente `a sa´ıda (CEREZO, 2009).

As perdas de comutac¸ ˜ao s ˜ao compostas pelas perdas na porta na transic¸ ˜ao de estados, em que h ´a corrente e tens ˜ao no MOSFET por um curto per´ıodo de tempo e perdas de carga e descarga das capacit ˆancias. S ˜ao representadas pela Equac¸ ˜ao 10

Pcom= (Coss· E2+ 0, 5 · IDef · E · (tf + tr)) · fsw (10) onde:

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E: tens ˜ao de barramento

IDef: corrente que circula pelo MOSFET tf: tempo de descida da corrente

tr: tempo de subida da corrente fsw: frequ ˆencia de chaveamento

Portanto, as perdas totais em cada MOSFET de sa´ıda podem ser represen- tadas como

Ptotal = Pcond+ Pgate+ Pcom (11) Conclui-se ent ˜ao que deve ser escolhido um MOSFET que tenha BVDSS maior que o valor m ´aximo de tens ˜ao que ser ´a aplicado a seus terminais, mas n ˜ao muito elevado para n ˜ao resultar em maiores perdas de conduc¸ ˜ao devido `a sua relac¸ ˜ao com RDS(on). Qg n ˜ao deve ser grande para ter-se uma elevada frequ ˆencia de comutac¸ ˜ao, assim como Qrr deve ser pequena para reduzir EMI (CEREZO, 2009).