Componentes semicondutores em Eletrônica de Potência

Componentes semicondutores em
Eletrônica de Potência
• Diodo
• MOSFET
• IGBT
Prof. Cassiano Rech
1
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)
2
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
3
Introdução
Fonte: Mohan, Undeland, Robbins, “Power Electronics”, Second edition.
Prof. Cassiano Rech
4
Semicondutores de Potência
• Evolução
S
Fonte: BOSE, Bimal K. Power electronics and motor
drives: advances and trends.
Prof. Sérgio Vidal G. Oliveira
5
( SiC )
Semicondutores de Potência
108
• Evolução
107
IGCT
GTO
Potência processada (VI)
106
Fonte: BOTTENBERG, A. L.; OLIVEIRA, S.V.G.
Conversor matricial indireto para acionamento de
motor de indução trifásico. Disponível em:
<http://www.bc.furb.br/docs/DS/2010/348555_1_1.pdf>
105
104
IGBT
DISCRETE
THYRISTOR
103
102
10 10
Prof. Sérgio Vidal G. Oliveira
IGBT
IPM
POWER
MOSFET
TRIAC
10 2
103
104
Freqüência de comutação [Hz]
10 5
106
6
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
7
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
8
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
9
O diodo de potência
Fonte: International Rectifier (http://www.irf.com)
Prof. Cassiano Rech
10
Semicondutores de Potência
• Transistores de potência
 Comutação de um interruptor
ideal
• Perdas em condução
ton
Pon = Von ⋅ I o ⋅ = Von ⋅ I o ⋅ D
Ts
• Perdas de comutação
1
Ps = Vd .Io . fs .[tc( on ) + tc( off )]
2
Prof. Sérgio Vidal G. Oliveira
Fonte: MOHAN, N; UNDELAND, T. M; ROBBINS, W. P. Power electronics: converters,
applications, and design.2nd ed. New York : John Wiley, c1995. xvii, 802 p, il.
11
Semicondutores de Potência
• Características desejáveis em interruptores totalmente
controlados
reduzida corrente
de fuga
reduzidas dv/dt
e di/dt
não haver
sobreposição de
tensão e
corrente na
comutação
circuito de
comando
simplificado
reduzida queda
de tensão direta
alta capacidade
de bloqueio
coeficiente de
temperatura
positivo
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Prof. Sérgio Vidal G. Oliveira
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
13
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
14
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
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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)
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Prof. Cassiano Rech
IGBT: Insulated Gate Bipolar
Transistor
Características dinâmicas do IGBT
Prof. Cassiano Rech
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IGBT: Insulated Gate Bipolar
Transistor
Prof. Cassiano Rech
Fonte: Powerex
18
IGBT: Insulated Gate Bipolar
Transistor
Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, “Fundamentals of Power Electronics”, Second edition
Prof. Cassiano Rech
Fonte: Powerex
19
Cálculo de perdas nos
componentes
20
Prof. Yales Rômulo de Novaes
Dimensionamento dos interruptores
Pré-escolha dos semicondutores:
 a) A pré-escolha é feita com base no valor médio de corrente e tensão de
bloqueio.
 b) Posteriormente, com uma população de opções reduzida, verifica-se as
características estáticas (RDson ou VF ou Vce)
 c) Verifica-se também as caracterísicas dinâmicas do semiconduitor (tr, tf), de
recuperação reversa (trr, Irr) ou energia envolvida nas comutações (datasheet).
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
Dimensionamento dos interruptores
22
Prof. Yales Rômulo de Novaes
Dimensionamento dos interruptores
23
Prof. Yales Rômulo de Novaes
Dimensionamento dos interruptores
 Uma vez realizada a pré-escolha, determinam-se as perdas totais, perdas
relativas ou eficiência e Rth do dissipador. Os resultados podem ser
validados via simulação numérica (modelos mais completos).
 A utilização de semicondutores em paralelo/série é factível e pode ser
necessária (existem outras soluções para estes casos - topologias).
 Atenção, alguns fabricantes oferecem a opção livre de chumbo (lead free!)
 A escolha entre IGBT ou MOSFET deve ser feita através de cálculo.
 Nos dias atuais, MOSFETS (Si) têm baixas perdas de condução até 600V ou
CoolMOS até 1200V.
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
Dimensionamento dos interruptores

Sobre o cálculo de perdas de condução:
p(t)
= v(t) ⋅ i(t)
P
1
v(t) ⋅ i(t)dt
∫
Ts
Valor instantâneo, [W]
Valor médio, [W]
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
Sobre o cálculo de perdas de
condução:
Para um MOSFET com modelo de
condução:
P
1
v(t) ⋅ i(t)dt
∫
Ts
Aproximação para pequenas ondulações:
P
1 D⋅Ts
IL med ⋅ IL med ⋅ R DSON dt
∫
Ts 0
P = IL med 2 ⋅ R DSON ⋅ D
IL ef ≈ IL med
Formas de onda típicas da corrente no
Prof. Yales Rômulo de Novaes
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interruptor de um conversor Boost em CCM
Sobre o cálculo de perdas de
condução:
Mas sabemos que:
=
P ISef 2 ⋅ R DSON
1 D⋅Ts
2
ISef =
IL
dt
med
∫
Ts 0
=
ISef IL med ⋅ D
=
P IL med 2 ⋅ D ⋅ R DSON
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
Sobre o cálculo de perdas de
condução:
Assim, para um MOSFET ou outro componente com característica de
condução puramente resistiva vale:
=
P ISef 2 ⋅ R DSON
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
Sobre o cálculo de perdas de
condução:
O que não deve ser feito:
P
ISmed 2 ⋅ R DSON
IS
=
IL med ⋅ D
med
=
P IL med 2 ⋅ D 2 ⋅ R DSON
IL med 2 ⋅ D 2 ⋅ R DSON ≠ IL med 2 ⋅ D ⋅ R DSON
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
Sobre o cálculo de perdas de
condução:
Atenção RDSon varia com a temperatura
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
Sobre o cálculo de perdas de
condução:
E para IGBTs ou diodos?
Seja o modelo de condução:Em alta frequência e correntes não
muito altas, RF pode ser
desprezado.
P
1
v(t) ⋅ i(t)dt
∫
Ts
Para pequenas ondulações (ripple)
VCE é quase constante:
P
1 D⋅Ts
IL med ⋅ VCE dt
∫
Ts 0
P = IL med ⋅ VCE ⋅ D
Prof. Yales Rômulo de Novaes
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Sobre o cálculo de perdas de
condução:
Mas “achamos” que:
=
P ISmed ⋅ VCE
ISmed
1 D⋅Ts
IL med dt
=
∫
Ts 0
IS
=
IL med ⋅ D
med
=
P IL med ⋅ D ⋅ VCE
e que está correto
32
Prof. Yales Rômulo de Novaes
Sobre o cálculo de perdas de
condução:
O que não deve ser feito:
=
P ISef 2 ⋅ VCE
1 D⋅Ts
2
ISef =
IL
med dt
∫
0
Ts
=
ISef IL med ⋅ D
=
P IL med 2 ⋅ D ⋅ VCE
IL med 2 ⋅ D ⋅ VCE ≠ IL med ⋅ D ⋅ VCE
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
Sobre o cálculo de perdas de
condução:
• No caso de componentes com modelo do tipo diodo ou IGBT e em situações
em que ocorre grande variação de corrente enquanto o interruptor estiver em
condução, pode-se considerar a utilização da curva VCE(IC, Tj).
• Com o auxílio de programa numérico e
do gráfico, é possível aproximar a curva
para uma expressão do tipo (ou maior
ordem):
VCE (Ic)= VCE0 + Ic ⋅ R F
• Dessa forma obtém-se maior precisão no
cálculo de perdas, pois VCE é variável
com a corrente.
Prof. Yales Rômulo de Novaes
34
Comentários finais
• Atenção para o “Absolute Maximum Ratings ”
Prof. Yales Rômulo de Novaes
35
Comentários finais
A tensão de bloqueio do interruptor depende da topologia do conversor
(não é sempre Vi ou Vo !)
• Respeitar SOA (Safe Operating Area)
• Perdas de comutação (próxima aula)
dependem da topologia e modo de
operação do conversor
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
Comentários finais
Alguns fabricantes de semicondutores:
International Rectifier
SGS Thomson (ST micro)
Motorola (On Semiconductor)
Infineon
Semikron
Ixys
Powerex
Microsemi
Intersil
Dynex
ABB
Prof. Yales Rômulo de Novaes
37
Comentários finais
a) Para o IGBT da figura abaixo, obtenha os parâmetros de uma
expressão que represente adequadamente a curva da tensão VCE em
função da corrente Ic (125 oC).
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Prof. Yales Rômulo de Novaes
Cálculo térmico
Perdas nos semicondutores:
 Condução → associada à potência processada pelo
conversor
 Comutação → associada à freqüência de comutação do
conversor → significativa para conversores de alta
freqüência (kHz)
Propósito do cálculo térmico:
 Calcular um sistema de dissipação que evite que a
temperatura de junção ultrapasse o máximo valor
permitido na pior condição de temperatura ambiente na
pior condição de operação
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Prof. Leandro Michels
Cálculo térmico
Verificar as duas condições:
Regime permanente:
 Potência média → evitar que a temperatura da junção
ultrapasse o valor máximo pela falta de tamanho do
dissipador
Regime transitório:
 Potência de pico → evitar que a temperatura da junção
ultrapasse o valor máximo pela dificuldade de transferir
rapidamente o calor da junção para o dissipador
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Prof. Leandro Michels
Cálculo térmico – regime
permanente
Circuito elétrico equivalente:
Legenda:
P → potência
T → temperatura
R → resistência térmica
Rja
Índices:
j → junção semicondutora
c → encapsulamento (case)
d ou s → dispositivo (device) ou dissipador (sink)
a → ambiente
Dispositivos sem dissipador disponibilizam o valor de Rja
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Prof. Leandro Michels
Cálculo térmico – regime
permanente
Projeto:
1) Dados Tj, Ta e P, calcular Rja
P → calculado a partir da corrente que circula pelo
dispositivo, empregando os dados de catálogo
Tj → obtido a partir do valor máximo obtido no
catálogo do semicondutor
Ta → obtido considerando-se a máxima temperatura
ambiente de operação do conversor
R ja =
T j − Ta
P
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Prof. Leandro Michels
Cálculo térmico – regime
permanente
2) Dados Rja, Rjc e Rcd, calcular Rda
Rja → obtido da etapa anterior
Rjc → obtido no catálogo do semicondutor
Rcd → obtido no catálogo do semicondutor
Rda = R ja − R jc − Rcd
3) Dado Rda, obter um dissipador cuja resistência
térmica seja menor (em dissipadores de comprimento
ajustável, calcular o comprimento mínimo)
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Prof. Leandro Michels
Cálculo térmico – regime
permanente
Dissipadores de alumínio (ex. HS Dissipadores)
 Escolha do perfil e valores da resistência
(comprimento de 4 polegadas)
 Compensação por uso de ventilação forçada
 Ex.: 0.73oC/W
44
Cálculo térmico – regime
permanente
Dissipadores de alumínio:
 Compensação da diferença de comprimento
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Prof. Leandro Michels
Cálculo térmico – regime
permanente
Dissipadores de alumínio:
 Compensação da altitude (ar rarefeito)
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Prof. Leandro Michels
Cálculo térmico – considerações
finais
Regras práticas:
 Impedir que a temperatura da junção ultrapasse o valor
de 80% o valor máximo permissível (aumenta o MTBF do
dispositivo)
 Ta → deve ser considerado o valor de 40º para
instalação em ambiente ventilado ou um valor maior para
conversor instalado em ambiente enclausurado
 Caso seja preciso isolar o dispositivo do dissipador, usar
isolante (mica, teflon, mylar). Considerar sua resistência
térmica
 Recomenda-se usar pasta térmica para evitar bolhas de
ar entre o dispositivo e o dissipador
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Prof. Leandro Michels
Cálculo térmico – Múltiplos
componentes
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