Um dispositivo semicondutor de potência é um dispositivo semicondutor usado como interruptor (ou chave) ou retificador em eletrônica de potência (por exemplo, em uma fonte chaveada). Esse dispositivo também é chamado de dispositivo de potência ou, quando usado em um circuito integrado, de CI de potência. Um dispositivo semicondutor de potência é geralmente usado no "modo de comutação" (ou seja, ele está ligado ou desligado) e, portanto, possui um projeto otimizado para esse uso; geralmente não deve ser usado em operação linear. Os circuitos de potência lineares são amplamente utilizados como reguladores de tensão, amplificadores de áudio e amplificadores de radiofrequência. Os semicondutores de potência são encontrados em sistemas que fornecem desde algumas dezenas de miliwatts para um amplificador de fone de ouvido até cerca de um gigawatt em uma linha de transmissão de corrente contínua em alta tensão (HVDC).

História O primeiro dispositivo eletrônico usado em circuitos de potência foi o retificador eletrolítico – uma versão primitiva foi descrita por um experimentador francês, A. Nodon, em 1904. Eles foram brevemente populares entre os primeiros experimentadores de rádio, pois podiam ser improvisados com folhas de alumínio e produtos químicos domésticos. No entanto, tinham baixas tensões de suporte e eficiência limitada. Os primeiros dispositivos semicondutores de potência de estado sólido foram os retificadores de óxido de cobre, usados em carregadores de bateria antigos e fontes de alimentação para equipamentos de rádio, anunciados em 1927 por L.O. Grundahl e P. H. Geiger. O primeiro dispositivo semicondutor de potência de germânio surgiu em 1952 com a introdução do diodo de potência por R.N. Hall. Ele tinha uma capacidade de bloqueio de tensão reversa de 200 V e uma corrente nominal de 35 A. Os transistores bipolares de germânio com capacidades substanciais de manipulação de potência (corrente de coletor de 100 mA) foram introduzidos por volta de 1952; apresentavam essencialmente a mesma construção que os dispositivos de sinal, mas com melhor dissipação de calor. A capacidade de manipulação de potência evoluiu rapidamente e, em 1954, já estavam disponíveis transistores de junção de liga de germânio com 100 watts de dissipação. Todos eles eram dispositivos de frequência relativamente baixa, usados até cerca de 100 kHz, e suportavam até 85 graus Celsius de temperatura de junção. Os transistores de potência de silício só foram fabricados em 1957, mas, quando disponíveis, apresentavam melhor resposta em frequência do que os dispositivos de germânio e podiam operar em temperaturas de junção de até 150 °C. O tiristor surgiu em 1957. Ele é capaz de suportar tensões de ruptura reversa muito altas e também é capaz de conduzir correntes elevadas. No entanto, uma desvantagem do tiristor em circuitos de comutação é que, uma vez que ele entra no estado de condução (latch-on), não pode ser desligado por controle externo, pois o desligamento do tiristor é passivo, ou seja, a energia deve ser desconectada do dispositivo. Os tiristores que podiam ser desligados, chamados de tiristor de desligamento por porta (GTO), foram introduzidos em 1960. Eles superaram algumas limitações do tiristor comum porque podiam ser ligados ou desligados com um sinal aplicado.

MOSFET de potência

O MOSFET foi inventado no Bell Labs entre 1955 e 1960. Gerações de transistores MOSFET permitiram que os projetistas de circuitos de potência alcançassem níveis de desempenho e densidade que não eram possíveis com transistores bipolares. Graças aos aprimoramentos na tecnologia MOSFET (inicialmente usada para produzir circuitos integrados), o MOSFET de potência tornou-se disponível na década de 1970. Em 1969, a Hitachi introduziu o primeiro MOSFET de potência vertical, que mais tarde seria conhecido como VMOS (MOSFET com ranhura em V). A partir de 1974, empresas como Yamaha, JVC, Pioneer Corporation, Sony e Toshiba começaram a fabricar amplificadores de áudio com MOSFETs de potência. A International Rectifier introduziu um MOSFET de potência de 25 A e 400 V em 1978. Esse dispositivo permitia a operação em frequências mais altas do que um transistor bipolar, mas era limitado a aplicações de baixa tensão. O transistor bipolar de porta isolada (IGBT) foi desenvolvido na década de 1980 e tornou-se amplamente disponível na década de 1990. Esse componente possui a capacidade de manipulação de potência do transistor bipolar combinada com as vantagens do acionamento por porta isolada do MOSFET de potência.

Dispositivos comuns Alguns dispositivos de potência comuns são o MOSFET de potência, o diodo de potência, o tiristor e o IGBT. O diodo de potência e o MOSFET de potência operam sob princípios semelhantes aos de suas contrapartes de baixa potência, mas são capazes de conduzir uma quantidade maior de corrente e, normalmente, conseguem suportar uma tensão de polarização reversa mais elevada no estado desligado (off-state). Alterações estruturais são frequentemente feitas em um dispositivo de potência para acomodar uma maior densidade de corrente, maior dissipação de potência e/ou maior tensão de ruptura reversa. A grande maioria dos dispositivos de potência discretos (ou seja, não integrados) é construída utilizando uma estrutura vertical, enquanto dispositivos de pequenos sinais empregam uma estrutura lateral. Com a estrutura vertical, a corrente nominal do dispositivo é proporcional à sua área, e a capacidade de bloqueio de tensão é obtida na altura da pastilha (die). Com essa estrutura, uma das conexões do dispositivo está localizada na parte inferior da pastilha semicondutora. O MOSFET de potência é o dispositivo de potência mais comum no mundo, devido à sua baixa potência de acionamento de porta, rápida velocidade de comutação e capacidade avançada de paralelismo. Ele possui uma ampla gama de aplicações em eletrônica de potência, tais como dispositivos de informação portáteis, circuitos integrados de potência, telefones celulares, notebooks e na infraestrutura de comunicações que viabiliza a Internet. A partir de 2010, o MOSFET de potência representava a maior parte (53%) do mercado de transistores de potência, seguido pelo IGBT (27%), depois pelo amplificador de RF (11%) e pelo transistor de junção bipolar (9%).

Dispositivos de estado sólido

Classificações

Um dispositivo de potência pode ser classificado em uma das seguintes categorias principais (ver figura 1):

Um dispositivo de dois terminais (por exemplo, um diodo), cujo estado depende inteiramente do circuito de potência externo ao qual está conectado. Um dispositivo de três terminais (por exemplo, um triodo ou transistor), cujo estado depende não apenas do seu circuito de potência externo, mas também do sinal em seu terminal de acionamento (esse terminal é conhecido como porta ou base). Um dispositivo de quatro terminais (por exemplo, o Interruptor Controlado de Silício – SCS). O SCS é um tipo de tiristor que possui quatro camadas e quatro terminais chamados ânodo, porta do ânodo, porta do cátodo e cátodo. Os terminais são conectados à primeira, segunda, terceira e quarta camadas, respectivamente. Outra classificação baseia-se no princípio físico de condução, exercendo forte influência no desempenho do dispositivo:

Um dispositivo de portadores majoritários (por exemplo, um diodo Schottky, um MOSFET, etc.); utiliza apenas um tipo de portador de carga. Um dispositivo de portadores minoritários (por exemplo, um tiristor, um transistor bipolar, um IGBT, etc.); utiliza portadores majoritários e minoritários (ou seja, elétrons e lacunas). Os dispositivos de portadores majoritários são mais rápidos, mas a injeção de carga nos dispositivos de portadores minoritários permite um melhor desempenho de condutividade no estado ligado.

Diodos Um diodo ideal deve apresentar as seguintes características:

Quando polarizado diretamente, a tensão entre os terminais externos do diodo deve ser zero, independentemente da corrente que flui por ele (estado ligado). Quando polarizado inversamente, a corrente de fuga deve ser zero, independentemente da tensão aplicada (estado desligado). A transição (ou comutação) entre o estado ligado e o estado desligado deve ser instantânea. Na realidade, o projeto de um diodo baseia-se em uma relação de compromisso entre o desempenho no estado ligado, no estado desligado e na comutação. A mesma área do dispositivo deve suportar a tensão de bloqueio no estado desligado e permitir o fluxo de corrente no estado ligado; como os requisitos para os dois estados são opostos, o diodo precisa ser otimizado para um deles, ou deve-se permitir um tempo de transição de um estado para o outro (reduzindo a velocidade de comutação). Essas relações de compromisso são semelhantes para todos os dispositivos de potência; por exemplo, um diodo Schottky possui excelente velocidade de comutação e desempenho no estado ligado, mas apresenta um nível elevado de corrente de fuga no estado desligado. Por outro lado, um diodo PIN está disponível comercialmente em diferentes velocidades de comutação (chamados de retificadores "rápidos" e "ultrarrápidos"), mas qualquer aumento na velocidade está associado a uma queda de desempenho no estado ligado.

Interruptores

As relações de compromisso entre as especificações de tensão, corrente e frequência também existem para as chaves (interruptores). De fato, qualquer semicondutor de potência depende de uma estrutura de diodo PIN para suportar a tensão, conforme ilustrado na figura 2. O MOSFET de potência possui as vantagens de um dispositivo de portadores majoritários, podendo atingir frequências de operação muito elevadas, mas não pode ser utilizado com tensões muito altas; por ser um limite físico do silício, não se esperam grandes aumentos na tensão máxima de operação dos MOSFETs de silício. No entanto, seu excelente desempenho em aplicações de baixa tensão torna-o o dispositivo ideal para tensões abaixo de 200 V. Ao dispor vários dispositivos em paralelo, é possível aumentar a especificação de corrente de uma chave. O MOSFET é particularmente adequado para essa configuração porque o seu coeficiente térmico positivo de resistência tende a equilibrar a corrente entre os dispositivos individuais. O IGBT é um componente mais recente, e seu desempenho melhora regularmente com a evolução da tecnologia. Ele já substituiu completamente o transistor bipolar em aplicações de alta potência; estão disponíveis módulos de potência nos quais vários dispositivos IGBT são conectados em paralelo, tornando-o atraente para níveis de potência de até vários megawatts, aproximando-se do limite onde os tiristores e GTOs costumavam ser a única opção. Basicamente, um IGBT é um transistor bipolar acionado por um MOSFET de potência; ele possui as vantagens de ser um dispositivo de portadores minoritários (bom desempenho no estado ligado, mesmo para dispositivos de alta tensão) com a alta impedância de entrada de um MOSFET (pode ser ligado ou desligado com uma quantidade muito baixa de energia). A principal limitação do IGBT para aplicações de baixa tensão é a alta queda de tensão que ele apresenta no estado ligado (2 a 4 V). Em comparação com o MOSFET, a frequência de operação do IGBT é relativamente baixa (geralmente não superior a 50 kHz), principalmente devido a um problema durante o desligamento conhecido como cauda de corrente (current-tail): o declínio lento da corrente de condução durante o desligamento resulta da recombinação demorada de um grande número de portadores que inundam a espessa região de "drift" do IGBT durante a condução. O resultado líquido é que a perda de comutação no desligamento de um IGBT é consideravelmente maior do que a sua perda na ativação. Geralmente, nas folhas de dados, a energia de desligamento é mencionada como um parâmetro medido; esse número deve ser multiplicado pela frequência de comutação da aplicação pretendida para estimar a perda total no desligamento. Em níveis de potência muito elevados, dispositivos baseados em tiristores (por exemplo, SCR, GTO, MCT, etc.) ainda são frequentemente utilizados. Esse dispositivo pode ser ligado por um pulso fornecido por um circuito de acionamento, mas não pode ser desligado simplesmente removendo o pulso. Um tiristor desliga assim que a corrente deixa de fluir por ele; isso acontece automaticamente a cada ciclo em um sistema de corrente alternada, ou exige um circuito auxiliar para desviar a corrente do dispositivo. Tanto os MCTs quanto os GTOs foram desenvolvidos para superar essa limitação e são amplamente utilizados em aplicações de distribuição de energia elétrica. Algumas aplicações de semicondutores de potência no modo de comutação incluem reguladores de luminosidade de lâmpadas, fontes de alimentação chaveadas, fogões por indução, sistemas de ignição eletrônica automotiva e acionamentos de motores elétricos de CA e CC de todos os tamanhos.

Amplificadores Os amplificadores operam na região ativa, onde a corrente e a tensão do dispositivo são simultaneamente diferentes de zero. Consequentemente, a potência é continuamente dissipada e o seu projeto é dominado pela necessidade de remover o excesso de calor do dispositivo semicondutor. Os dispositivos amplificadores de potência podem frequentemente ser reconhecidos pelo dissipador de calor usado para a sua montagem. Existem múltiplos tipos de dispositivos amplificadores semicondutores de potência, tais como o transistor de junção bipolar, o transistor de efeito de campo MOS vertical (VMOS) e outros. Os níveis de potência para dispositivos amplificadores individuais chegam a centenas de watts, e os limites de frequência alcançam as bandas de micro-ondas inferiores. Um amplificador de potência de áudio completo, com dois canais e uma potência nominal da ordem de dezenas de watts, pode ser integrado em um pequeno encapsulamento de circuito integrado, necessitando apenas de alguns componentes passivos externos para funcionar. Outra aplicação importante para amplificadores em modo ativo é em fontes de alimentação reguladas lineares, quando um dispositivo amplificador é usado como regulador de tensão para manter a tensão da carga no nível desejado. Embora essa fonte de alimentação seja menos eficiente energeticamente do que uma fonte chaveada, a simplicidade de aplicação as torna populares, especialmente em faixas de corrente de até cerca de um ampere.

Parâmetros

Tensão de ruptura: Frequentemente, existe uma relação de compromisso entre a especificação da tensão de ruptura e a resistência no estado ligado, pois o aumento da tensão de ruptura por meio da incorporação de uma região de drift mais espessa e menos dopada leva a uma maior resistência de condução. Resistência no estado ligado (On-resistance): Especificações de corrente mais altas reduzem as resistências de condução devido ao maior número de células paralelas. Isso aumenta a capacitância global e reduz a velocidade do componente. Tempos de subida e descida: O intervalo de tempo necessário para alternar entre o estado ligado e o estado desligado. Área de operação segura: Trata-se de uma consideração de dissipação térmica e de prevenção contra o fenômeno de "latch-up". Resistência térmica/'Condutividade térmica: Este é um parâmetro frequentemente ignorado, mas extremamente importante do ponto de vista de projetos práticos; os semicondutores não apresentam bom desempenho em temperaturas elevadas. Ao conduzir grandes correntes, os dispositivos semicondutores de potência invariavelmente aquecem. Portanto, tais dispositivos geralmente precisam ser instalados de forma a serem resfriados continuamente; os projetos de encapsulamento e dissipadores removem o calor dos dispositivos semicondutores, conduzindo-o para o ambiente externo. Geralmente, dispositivos de grande corrente possuem pastilhas e áreas de superfície de encapsulamento maiores, apresentando menores resistências térmicas.

Pesquisa e desenvolvimento

Encapsulamento O papel do encapsulamento é:

Conectar a pastilha (die) ao circuito externo. Fornecer um meio de remover o calor gerado pelo dispositivo. Proteger a pastilha do ambiente externo (umidade, poeira, etc.). Muitos dos problemas de confiabilidade de um dispositivo de potência estão relacionados à temperatura excessiva ou à fadiga por ciclos térmicos. Pesquisas são realizadas atualmente nos seguintes tópicos:

Desempenho de resfriamento. Resistência ao ciclismo térmico, combinando de perto o coeficiente de expansão térmica do encapsulamento com o do silício. A temperatura máxima de operação do material de encapsulamento. Pesquisas também estão em andamento em questões elétricas, como a redução da indutância parasita do encapsulamento; essa indutância limita a frequência de operação, pois gera perdas durante a comutação. Um MOSFET de baixa tensão também é limitado pela resistência parasita de seu encapsulamento, já que sua resistência intrínseca no estado ligado é de apenas um ou dois miliohms. Alguns dos tipos mais comuns de encapsulamentos de semicondutores de potência incluem o TO-220, TO-247, TO-262, TO-3, D2Pak, entre outros.

Melhoria das estruturas O projeto do IGBT ainda está em desenvolvimento e espera-se que forneça aumentos nas tensões de operação. Na extremidade de alta potência da faixa, o tiristor controlado por MOS é um dispositivo promissor. Alcançou-se uma grande melhoria em relação à estrutura convencional do MOSFET ao empregar o princípio de equilíbrio de carga de superjunção: essencialmente, ele permite que a espessa região de drift de um MOSFET de potência seja fortemente dopada, reduzindo assim a resistência elétrica ao fluxo de elétrons sem comprometer a tensão de ruptura. Isso é justaposto a uma região que é similarmente dopada com a polaridade oposta do portador (lacunas); essas duas regiões semelhantes, mas opostas, cancelam efetivamente sua carga móvel e desenvolvem uma "região de depleção" que suporta a alta tensão durante o estado desligado. Por outro lado, durante o estado ligado, a maior dopagem da região de drift permite o fluxo fácil de portadores, reduzindo a resistência de condução. Dispositivos comerciais baseados neste princípio de superjunção foram desenvolvidos por empresas como Infineon (produtos CoolMOS) e International Rectifier (IR).

Semicondutores de gap largo O maior avanço nos dispositivos semicondutores de potência é esperado da substituição do silício por um semicondutor de gap largo (wide band-gap). No momento, o carbeto de silício (SiC) é considerado o mais promissor. Um diodo Schottky de SiC com uma tensão de ruptura de 1200 V está disponível comercialmente, assim como um JFET de 1200 V. Como ambos são dispositivos de portadores majoritários, eles podem operar em alta velocidade. Um dispositivo bipolar está sendo desenvolvido para tensões mais altas (até 20 kV). Entre suas vantagens, o carbeto de silício pode operar em uma temperatura mais alta (até 400 °C) e possui uma resistência térmica menor do que o silício, permitindo um melhor resfriamento.

Ver também Amplificador de áudio Transistor de efeito de campo Circuito integrado de gerenciamento de energia MOSFET de potência RF CMOS Amplificador de potência de RF FinFET

Notas e referências

Referências

Bibliografia Baliga, B. Jayant (1996). Power Semiconductor Devices. Boston: PWS publishing Company. ISBN 0-534-94098-6 Jain, Alok (2006). Power Electronics and Its Applications. Mumbai: Penram International Publishing. ISBN 81-87972-22-X Semikron: Application Manual IGBT and MOSFET Power Modules, 2. Edition, 2015, ISLE Verlag, ISBN 978-3-938843-83-3 Versão PDF Arendt Wintrich; Ulrich Nicolai; Werner Tursky; Tobias Reimann (2015). Application Manual 2015 (PDF) 2. ed. [S.l.]: ISLE Verlag. ISBN 978-3-938843-83-3

Ligações externas Uma revisão sobre Dispositivos Semicondutores de Potência (em inglês) Seminário Interativo de Eletrônica de Potência (iPES) (em inglês)