Prof. Cassiano Rech
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Eletrônica de Potência II Capítulo 1 Prof. Cassiano Rech [email protected] Prof. Cassiano Rech 1 Componentes semicondutores em Eletrônica de Potência • Diodo • MOSFET • IGBT • GTO Prof. Cassiano Rech 2 Introdução Eletrônica de Potência é uma ciência aplicada que aborda a conversão e o controle de fluxo de energia elétrica entre dois ou mais sistemas distintos, através de conversores estáticos de potência E1 (v1, f1) Retificador Conversor indireto de freqüência Conversor CC-CC Conversor indireto de tensão Fontes de alimentação Acionamento de máquinas elétricas Conversor direto de freqüência Prof. Cassiano Rech Reatores eletrônicos Fontes alternativas de energia Transmissão em CC Compensadores estáticos de reativos Inversor E2 Aplicações (v2, f2) ... 3 Introdução O que é um conversor estático de potência? “Um conversor estático pode ser definido como um sistema constituído por elementos passivos (resistores, capacitores, indutores, ...) e elementos ativos (interruptores), associados de uma forma préestabelecida para o controle de fluxo de energia elétrica” i Interruptores + v - ESTÁGIOS DE OPERAÇÃO CARACTERÍSTICAS IDEAIS Aberto, desligado ou bloqueado Queda de tensão deve ser nula em condução Fechado, ligado ou conduzindo Durante a comutação entre os estágios descritos acima Corrente deve ser nula quando bloqueado Prof. Cassiano Rech Tempos de comutação nulos (entrada em condução e bloqueio instantâneos) 4 Introdução • Operações básicas desejadas Operação em um quadrante Operação em dois quadrantes com corrente bidirecional i Diodo MOSFET v Operação em dois quadrantes com tensão bidirecional IGBT com diodo em anti-paralelo Operação em quatro quadrantes i Tiristor v Prof. Cassiano Rech i Arranjo de diodos com transistores v i v 5 Introdução Fonte: Mohan, Undeland, Robbins, “Power Electronics”, Second edition. Prof. Cassiano Rech 6 Introdução Fonte: Bernet (2000). Prof. Cassiano Rech 7 O diodo de potência Característica Característica i-v ideal i i-v real Símbolo A on off v K Operação em um quadrante Dispositivo não controlado, que comuta em resposta ao comportamento do sistema O diodo entra em condução quando a tensão vak torna-se positiva Permanece em condução até o instante que a corrente se tornar negativa Prof. Cassiano Rech Não são facilmente operados em paralelo, devido aos seus coeficientes térmicos de condução serem negativos Pode conduzir reversamente durante um tempo trr, que é especificado pelo fabricante 8 O diodo de potência Polarização reversa Polarização direta (bloqueio) (condução) Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, “Fundamentals of Power Electronics”, Second edition Prof. Cassiano Rech 9 O diodo de potência Característica dinâmica de um diodo de potência Na entrada em condução (turnon), o diodo pode ser considerado um interruptor ideal pois ele comuta rapidamente; No bloqueio, a corrente no diodo torna-se negativa por um período, chamado de tempo de recuperação reversa, antes de se tornar nula e o diodo bloquear; Durante esse período, são removidos os portadores de carga armazenados na junção durante a condução direta. Prof. Cassiano Rech Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, “Fundamentals of Power Electronics”, Second edition 10 O diodo de potência Tipos de diodos de potência • Diodos convencionais (standard) Tempo de recuperação reversa não é especificado Operação normalmente em 50 Hz ou 60 Hz • Diodos rápidos e ultra-rápidos (fast/ultra-fast) Tempo de recuperação reversa e carga armazenada na capacitância de junção são especificados pelos fabricantes Operação em médias e altas freqüências • Diodos Schottky Praticamente não existe tempo de recuperação (carga armazenada praticamente nula) Operação com freqüências elevadas e baixas tensões (poucos componentes possuem capacidade de bloqueio superior à 100 V) Prof. Cassiano Rech 11 O diodo de potência Prof. Cassiano Rech 12 O diodo de potência Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, “Fundamentals of Power Electronics”, Second edition Prof. Cassiano Rech 13 O diodo de potência Fonte: International Rectifier (http://www.irf.com) Prof. Cassiano Rech 14 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor Símbolo D (dreno) Característica Característica i-v ideal i i-v real on G (gate) off v S (source) on (condução reversa) Semicondutor totalmente controlado, através Possui um diodo intrínseco em anti-paralelo, também conduzindo correntes negativas de uma tensão aplicada entre gate e o source Quando uma tensão vgs adequada é aplicada, O diodo intrínseco possui tempos de comutação maiores do que o MOSFET o MOSFET entra em condução e conduz correntes positivas (i > 0) A resistência em condução RDSon possui Com a remoção da tensão vgs, o MOSFET coeficiente de temperatura positivo, bloqueia tensões positivas (vds > 0) facilitando a operação em paralelo Prof. Cassiano Rech 15 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor MOSFET bloqueado MOSFET em condução Junção p-n- reversamente polarizada (sem tensão de gate) Tensão vgs positiva induz a condutividade do canal Resistência elevada (grande área de depleção) O fluxo de corrente é vertical, circulando pelo canal n-, pela região n, e saindo pelo contato do source Prof. Cassiano Rech A resistência total em condução é dada pelo somatório das resistências da região n-, do canal, e dos terminais de contato de dreno e source 16 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor Diodo intrínseco em anti-paralelo Junção p-n- resulta em um diodo em antiparalelo com sentido de condução drenosource Assim, uma tensão negativa dreno-source polariza diretamente este diodo Esse diodo é capaz de conduzir a corrente nominal do MOSFET Mas, os tempos de recuperação desse diodo são normalmente significativos As elevadas correntes que fluem durante a recuperação reversa do diodo podem causar danos ao componente Uso de diodos externos para prevenir a condução do diodo intrínseco do MOSFET Prof. Cassiano Rech 17 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor Circuito equivalente de um MOSFET Cgs: elevada e praticamente constante Cgd: pequena e altamente não linear Cds: média e altamente não linear Os tempos de comutação são determinados pelo tempo necessário para carregar e descarregar essas capacitâncias A taxa de variação da corrente de dreno é dependente da taxa de variação da tensão vgs (definida pelo circuito de comando) A capacitância Cds leva a perdas de comutação, uma vez que a energia armazenada nessa capacitância é geralmente perdida durante a entrada em condução do MOSFET (turn-on capacitive losses) Prof. Cassiano Rech 18 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor Prof. Cassiano Rech 19 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor Prof. Cassiano Rech 20 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor Prof. Cassiano Rech 21 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor Prof. Cassiano Rech 22 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, “Fundamentals of Power Electronics”, Second edition MOSFETs possuem reduzidos tempos de comutação (freqüências típicas de dezenas à centenas de kHz) RDSon aumenta rapidamente com o aumento da tensão vds suportável MOSFETs normalmente são para aplicações com tensão vds < 500 V Muitas vezes, um MOSFET é escolhido pelo valor de sua resistência em condução ao invés da especificação de corrente Prof. Cassiano Rech 23 IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor Símbolo C (coletor) Característica Característica i-v ideal i i-v real on G (gate) off off v E (emissor) Tempos de comutação maiores do que os Quando uma tensão vge adequada é aplicada, MOSFETs o IGBT entra em condução, conduzindo Aplicável onde se desejam elevadas tensões correntes positivas (i > 0) entre o coletor e o emissor Quando a tensão vge é removida, o IGBT bloqueia, podendo suportar tensões negativas Dispositivo com características de coeficiente de temperatura positivo, facilitando o paralelismo (também existem com coeficiente negativo) 24 Prof. Cassiano Rech IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor Circuito equivalente do IGBT Prof. Cassiano Rech Construção similar ao MOSFET, exceto devido à região p adicional O IGBT funciona como um MOSFET de canal n conectado a um transistor pnp 25 IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor Características dinâmicas do IGBT Prof. Cassiano Rech 26 IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor Prof. Cassiano Rech Fonte: Powerex 27 IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, “Fundamentals of Power Electronics”, Second edition Prof. Cassiano Rech Fonte: Powerex 28 GTO: Gate Turn-Off Thyristor Símbolo iA A Característica Característica i-v ideal iA i-v real On + G vAK _ Off vAK 0 iG K Como um tiristor, o GTO pode entrar em condução aplicando um pulso de corrente no gate quando a tensão vak é positiva; Um vez em condução, ele continua nesse estado mesmo que corrente de gate seja removida, se comportando como um diodo; Prof. Cassiano Rech Ao contrário do tiristor, o GTO pode ser bloqueado ao aplicar uma tensão negativa no gate-cátodo, causando uma corrente negativa de valor elevado no gate; O ganho de corrente do gate para o bloqueio é tipicamente baixo (entre 2 e 5), implicando em elevadas correntes de gate reversas 29 Combinação de semicondutores IGBT com diodo em anti-paralelo (bidirecional em corrente) i i + On v Off 0 _ v Interruptores para operação em quatro quadrantes Diodo rápido Prof. Cassiano Rech 30 Bibliografia • R. W. Erickson, D. Maksimovic, “Fundamentals of Power Electronics”, Second edition. • Ivo Barbi, “Projetos de fontes chaveadas”. • José A. Pomilio, “Eletrônica de Potência”, UNICAMP. Disponível em: <http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/>. • BERNET, S. “Recent developments of high power converters for industry and traction applications”. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 15, n. 6, p. 1102–1117, novembro 2000. Prof. Cassiano Rech 31
