Disciplina de Eletrônica de Potência Disciplina de Eletrônica de
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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA Disciplina de Eletrônica de Potência – ET66B Aula 20 – Chaves Eletrônicas Prof. Amauri Assef [email protected] UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 1 Eletrônica de Potência – DIAC DIAC O DIAC é um tiristor bidirecional (capaz de bloquear ou conduzir uma corrente nos dois sentidos) bastante utilizado na proteção de circuitos e no disparo de TRIACs Conduz quando recebe uma tensão maior que sua tensão de trabalho VBO, sendo ela positiva ou negativa Curva característica UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef Exemplo: DB3 (DO-35) VBO = 28V a 36V 2 Eletrônica de Potência – MOSFET de Potência MOSFET de Potência Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor O MOSFET é uma chave ativa com camadas semicondutoras N e P, cujo controle de condução é feito por um terminal isolado chamado de gate (porta) É um semicondutor totalmente controlado, através de uma tensão aplicada entre o gate e o source UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 3 Eletrônica de Potência – MOSFET de Potência Quando uma tensão VGS adequada é aplicada, o MOSFET entra em condução e conduz correntes positivas (i > 0) Com a remoção da tensão VGS, o MOSFET bloqueia tensões positivas (VDS) > 0 Símbolo (Canal N) Curva v x i (ideal) Curva v x i (real) D (dreno) G(gate) S (source) UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 4 Eletrônica de Potência – MOSFET de Potência Possui um diodo intrínseco em anti-paralelo, também conduzindo correntes negativas O diodo intrínseco possui tempo de comutação maiores do que o MOSFET A resistência de condução RDSon possui coeficiente de temperatura positivo, facilitando a operação em paralelo UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 5 Eletrônica de Potência – MOSFET de Potência Diodo intrínseco em anti-paralelo A junção p-n- resulta em um diodo em anti-paralelo (body diode) com sentido de condução dreno-source Assim, uma tensão negativa dreno-source polariza diretamente este diodo, com capacidade de conduzir a corrente nominal do MOSFET UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef Mas, os tempos de recuperação deste diodo são normalmente significativos As elevadas correntes que fluem durante a recuperação reversa do diodo podem causar danos ao componente 6 Eletrônica de Potência – MOSFET de Potência Circuito de prevenir a condução do diodo intrínseco Característica do MOSFET de potência UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef MOSFET de potência e body diode Uso de diodos externos para prevenir a condução do diodo intrínseco 7 Eletrônica de Potência – MOSFET de Potência Circuito equivalente do MOSFET Cgs: elevada e praticamente constante Cgd: pequena e altamente não linear Cds: média e altamente não linear Os tempo de comutação são determinados pelo tempo necessário para carregar e descarregar estas capacitâncias UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 8 Eletrônica de Potência – MOSFET de Potência Características de MOSFETs de Potência comerciais RDSon aumenta rapidamente com o valor de Vds suportável Os MOSFETS normalmente são utilizados para aplicações com Vds < 400V UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 9 Eletrônica de Potência – MOSFET de Potência Exemplo: UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 10 Eletrônica de Potência – MOSFET de Potência Conclusões: A principal vantagem dos MOSFETs é que são acionados por nível de tensão, ou seja, não há necessidade de grandes potências no circuito de disparo, resultando em circuitos para disparo mais simples Estes semicondutores estão disponíveis em faixas de até mais de 1000V, porém com baixas potências, da ordem de 100W, e baixas tensões Os tempos de comutação são de 50n a 200 ns. Em tensões superiores a 400 e 500V, os dispositivos formados por portadores minoritários (IGBT por exemplo) possuem uma queda direta menor. A única exceção é em aplicações onde a velocidade de comutação é mais importante do que o custo do semicondutor para obter queda em condução aceitável. UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 11 Eletrônica de Potência – GTO Tiristores Gate-turn-off (GTO) Os GTOs, basicamente, são SCRs com controle de desligamento, ou seja, possuem mais um terminal de porta, que serve para parar sua condução. A figura a seguir ilustra seu símbolo, bem como um circuito simplificado típico de supressão (snubber), obrigatório neste caso, que reduz os picos de tensão quando conectado a cargas indutivas. UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 12 Eletrônica de Potência – GTO Necessitam circuito de disparo mais complexo, devido aos parâmetros de tempo de disparo e de desligamento, e elevada corrente de desligamento (baixo ganho) Utilizado em circuitos de alta potência, uma vez que pode trabalhar com tensões acima de 4,5kV, altas correntes (kA) e a uma frequência de chaveamento de algumas centenas de Hertz a 10kHz UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 13 Eletrônica de Potência – IGBT IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Os IGBTs (Transistores Bipolares com Gate Isolado) são semicondutores que combinam as características dos BJT com as dos MOSFETs Símbolo Circuito equivalente C (coletor) G (gate) E (emissor) UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 14 Eletrônica de Potência – IGBT Quando uma tensão Vge adequada é aplicada, o IGBT entra em condução, conduzindo correntes positivas (i > 0) Quando uma tensão Vge é removida, o IGBT bloqueia, podendo suportar tensões negativas Tempos de comutação maiores do que os MOSFETs Aplicável onde se desejam elevadas tensões entre o coletor e emissor Dispositivo com características de coeficiente de temperatura positivo, facilitando o paralelismo (também existem com coeficiente negativo) UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 15 Eletrônica de Potência – IGBT Os IGBTs, como os BJTs, têm baixas tensões de acionamento/desligamento, trabalhando com altas tensões (1000V, por exemplo) Tempos de chaveamento estão na ordem de 1μs, em blocos com tensão e corrente de 1700V e 1200A (> MOSFETs) Outra característica aproveitada do MOSFET é que o circuito de acionamento precisa de baixas correntes de acionamento Atualmente as freqüências típicas de conversores com IGBT são de 1 a 30 kHz O preço pago por reduzir a tensão direta do IGBT é o aumento dos tempos de comutação, especialmente os tempos de desligamentos O IGBT no desligamento apresenta uma corrente de calda “current tailing”. UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 16 Eletrônica de Potência – IGBT Características dinâmicas (corrente de calda) UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 17 Eletrônica de Potência – IGBT Características de IGBT comerciais UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 18 Eletrônica de Potência – IGBT Exemplo: UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 19 Eletrônica de Potência – IGBT Conclusões: Está se tornando o dispositivo de escolha para aplicações entre 500 e 1700V, com níveis de potência de 1 a 1000kW Coeficiente de temperatura positivo para alta corrente – facilidade no paralelismo e construção de módulos Facilidade no drive – similar ao MOSFET Queda de tensão direta: diodo em série com a on-resistance: 2-4V típico Mais lento que o MOSFET, porém mais rápido que o GTO, Darlington e SCR Frequência de chaveamento típica entre 1 a 30 kHz A tecnologia do IGBT está avançando rapidamente com dispositivos para maiores frequências e tensões (> 2500V) UTFPR – Campus Curitiba Prof. Amauri Assef 20
