Análise da eficiência energética de transistores comutados em alta frequência, utilizando o conversor Buck

Abstract

A crescente busca por maior eficiência nos sistemas elétricos e eletrônicos tem impulsionado o desenvolvimento de novas tecnologias, no que tange aos dispositivos semicondutores. Em um conversor estático, toda energia é processada em um ou mais interruptores eletrônicos, que podem ser diodos e transistores, e cuja estrutura é feita de material semicondutor. Neste contexto, este trabalho realiza uma análise comparativa do comportamento dos dispositivos MOSFET, IGBT e Transistor Bipolar Darlington aplicados à topologia Buck. A eficiência global do conversor é obtida por meio de medições de tensão e corrente na entrada e na saída, utilizando um wattímetro, enquanto as perdas de condução e de comutação foram determinadas com auxílio de um osciloscópio com sondas de corrente e de tensão. Os resultados indicam que o MOSFET apresentou a maior eficiência global, sobretudo em altas frequências de comutação, enquanto o IGBT demonstrou melhor desempenho em potências elevadas e baixas frequências de comutação. O Transistor Bipolar Darlington se mostrou adequado apenas para baixas potências e baixas frequências, apresentando elevado aquecimento e comprometimento térmico em condições de maior exigência.The growing demand for higher efficiency in electrical and electronic systems has driven the development of new technologies, particularly regarding semiconductor devices. In a static converter, all the energy is processed by one or more electronic switches, such as diodes or transistors, whose structure is composed of semiconductor materials. In this context, this study presents a comparative analysis of the behavior of MOSFET, IGBT, and Darlington Bipolar Transistor devices applied to the Buck topology. The overall efficiency of the converter is obtained through voltage and current measurements at the input and output using a wattmeter, while conduction and switching losses are determined with the aid of an oscilloscope equipped with current and voltage probes. The results indicate that the MOSFET exhibits the highest overall efficiency, particularly at higher switching frequencies, whereas the IGBT demonstrates better performance at elevated power levels and lower switching frequencies. The Darlington Bipolar Transistor is suitable only for low-power and low-frequency applications, presenting excessive heating and thermal limitations under more demanding operating conditions.