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.Bernard Finn, Exposing Electronics, CRC Press, 2000 páginas 14–15
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.Peter Robin Morris, A History of the World Semiconductor Industry, IET 1990 página 18
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.Peter Robin Morris, A History of the World Semiconductor Industry, IET 1990 páginas 39–41 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.H. van Ligten, D. Navon, "Basic turn-off of GTO switches", IRE Wescon Convention Record, Part 3 on Electron Devices, pp. 49–52, agosto de 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.Jacques Arnould, Pierre Merle Dispositifs de l'électronique de puissance, Éditions Hermès, (em francês) 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
Dispositivo Descrição Especificações Típicas Diodo Unipolar, não controlado, dispositivo de comutação usado em aplicações como retificação e controle direcional de corrente em circuitos. Dispositivo de bloqueio de tensão reversa, comumente modelado como uma chave em série com uma fonte de tensão, geralmente de 0,7 VCC. O modelo pode ser aprimorado para incluir uma resistência de junção, a fim de prever com precisão a queda de tensão no diodo em relação ao fluxo de corrente. Até 3000 amperes e 5000 volts em um único dispositivo de silício. Tensões mais elevadas exigem múltiplos dispositivos de silício em série. Retificador controlado de silício (SCR) Este dispositivo semicontrolado entra em condução quando um pulso de porta está presente e o ânodo está positivo em relação ao cátodo. Quando o pulso de porta está presente, o dispositivo opera como um diodo padrão. Quando o ânodo fica negativo em relação ao cátodo, o dispositivo desliga e bloqueia as tensões positivas ou negativas presentes. A tensão de porta não permite desligar o dispositivo diretamente. Até 3000 amperes e 5000 volts em um único dispositivo de silício. Tiristor O tiristor é uma família de dispositivos de três terminais que inclui SCRs, GTOs e MCTs. Para a maioria desses dispositivos, um pulso de porta liga o componente. O dispositivo desliga quando a tensão do ânodo cai abaixo de um valor (relativo ao cátodo) determinado pelas características do componente. Quando desligado, é considerado um dispositivo de bloqueio de tensão reversa. Tiristor de desligamento por porta (GTO) O tiristor de desligamento por porta, ao contrário de um SCR, pode ser ligado e desligado por um pulso de porta. Um problema com o dispositivo é que as tensões de porta para o desligamento são geralmente maiores e exigem mais corrente do que os níveis de ativação. Essa tensão de desligamento é uma tensão negativa de porta para fonte; geralmente precisa estar presente apenas por um curto período, mas sua magnitude é da ordem de 1/3 da corrente de ânodo. Um circuito de amortecimento (snubber) é necessário para fornecer uma curva de comutação utilizável. Sem o circuito snubber, o GTO não pode ser usado para desligar cargas indutivas. Devido aos avanços na tecnologia IGCT, esses dispositivos perderam popularidade. São considerados controlados e realizam bloqueio de tensão unipolar e bipolar. Triac O triac é um dispositivo que consiste essencialmente em um par integrado de tiristores controlados por fase, conectados em paralelo inverso no mesmo chip. Assim como um SCR, quando um pulso de tensão está presente no terminal de porta, o dispositivo liga. A principal diferença entre um SCR e um Triac é que tanto o ciclo positivo quanto o negativo podem ser ativados independentemente um do outro, usando um pulso de porta positivo ou negativo. Semelhante ao SCR, uma vez ligado, o dispositivo não pode ser desligado pela porta. Este dispositivo é considerado bipolar e bloqueia tensão reversa. Transistor de junção bipolar (BJT) O BJT não é ideal para potências muito elevadas; eles são mais lentos e apresentam mais perdas resistivas quando comparados aos dispositivos do tipo MOSFET. Para conduzir correntes altas, os BJTs precisam de correntes de base relativamente grandes, gerando altas perdas de potência. Os BJTs, junto com os MOSFETs, não bloqueiam a tensão reversa de forma eficiente, a menos que sejam instalados em pares com diodos de proteção. Geralmente, os BJTs não são utilizados em circuitos de comutação de eletrônica de potência devido às perdas por efeito Joule ($I^2R$) associadas à resistência de condução e aos requisitos de corrente de base. Os BJTs possuem ganhos de corrente mais baixos em encapsulamentos de alta potência, exigindo que sejam configurados em configurações Darlington para lidar com as correntes necessárias. Devido a essas configurações de múltiplos transistores, os tempos de comutação variam de centenas de nanossegundos a microssegundos. Os dispositivos possuem especificações de tensão que chegam a cerca de 1500 V e especificações de corrente consideravelmente altas. Eles também podem ser colocados em paralelo para aumentar a capacidade de potência, mas devem ser limitados a cerca de 5 dispositivos para garantir a divisão correta da corrente. MOSFET de potência O principal benefício do MOSFET de potência em comparação ao BJT é que o MOSFET é um dispositivo controlado por tensão, e não por corrente, sendo necessária apenas tensão para criar um caminho de condução de dreno para fonte. Em frequências baixas, isso reduz muito a corrente de porta, pois ela só é necessária para carregar a capacitância de porta durante a comutação, embora essa vantagem diminua à medida que a frequência aumenta. A maioria das perdas nos MOSFETs deve-se à resistência no estado ligado ($R_{DSon}$), que pode aumentar conforme mais corrente flui pelo dispositivo, sendo também maior em dispositivos que precisam fornecer uma alta tensão de bloqueio ($BV_{dss}$).