2_Semicondutores de Potência v2.2

Electrnica de Potncia

Semicondutores de potncia

Histrico:

v2.2 - setembro de 2014

Rui Chibante ISEP/DEE/ELTRP 1


Dodo PiN

Tiristor

GTO

Power MOSFET

IGBT

A ttulo de complemento, encontram-se disponveis no Moodle um conjunto de applicationnotes que aprofundam os aspetos tericos e prticos abordados nas aulas:

[1] Power Semiconductor Applications, Philips Semiconductors[1] Power Semiconductor Applications, Philips Semiconductors

[2] Non-insulated SCR / Triac control circuits - AN3168, STMicroelectronics

[3] Inductive load control with AC switches - AN441, STMicroelectronics

[4] Thyristors - theory parameters and applications, Power Innovations

[5] Thyristors and Triacs holding current - an important parameter - AN302, STMicroelectronics

[6] Triac control by pulse transformer - AN436, STMicroelectronics

[7] Thyristor Theory and Design Considerations, On Semiconductor

[8] MOSFET IGBT Drivers - Theory and Applications - IXAN0010, IXYS

[9] Power MOSFET, Renesas

[10] IGBT Basics - AN0063, IXYS



Classificao por tipo de portador de carga

A conduo num semicondutor pode ser feita por:

portadores minoritrios: a carga transportada por eletres num semicondutor tipo P

(ou lacunas num semicondutor tipo N)

Portadores maioritrios: a carga transportada por lacunas num semicondutor tipo P

(ou eletres num semicondutor tipo N)



Dispositivos portadores de carga minoritrios

So constitudos por uma juno PN em que a regio N muito pouco dopadaou intrnseca (no dopada)

Com a juno PN inversamente polarizada:

a regio N quase no tem portadores apresentando uma baixacondutividade, podendo suportar elevadas tenses de rutura

Com a juno PN diretamente polarizada:

portadores minoritrios so injetados na regio N, aumentado acondutividade (modulao da condutividade) e, como tal, diminuindo aqueda de tenso no estado ON

A injeo e remoo de elevadas quantidades de carga tornam estes dispositivoslentos na comutao, sendo usados em aplicaes at algumas dezenas de kHz



Dispositivos portadores de carga maioritrios

Operam por controlo eletrosttico de conduo ou pelo emprego de junesmetal/semicondutor. Assim, como no h armazenamento de cargas minoritriasos tempos de comutao podem ser muito baixos.

So usados em aplicaes a altas frequncias (dezenas a milhares de kHz), masbaixas/mdias tenses uma vez que no existe o processo de modulao dacondutividade (as perdas de conduo podem ser elevadas)condutividade (as perdas de conduo podem ser elevadas)


Dodo PIN

um dispositivo no controlado.

Entrada em conduo quando VAK > 0. O dodo conduz at que a corrente

nodo-ctodo se anule.


Caraterstica esttica ideal Caraterstica esttica real

Dodo PIN

ConduoSemicondutor intrnseco fracamente dopado

Bloqueio


O transstor tem desuportar uma correnteIo+ I

rrdevido

corrente (negativa) derecuperao inversa

do dodo

Circuito equivalente assumindo uma carga fortemente indutiva

Dodo PIN

A recuperao inversa do dodo

Caraterstica dinmica

Na sada de conduo existeum perodo em que a correnteno dodo torna-se negativa(tempo de recuperaoinversa - t

rr), antes de se tornar

nula e o dodo bloquear.


rr

nula e o dodo bloquear.Durante esse perodo soremovidos os portadores decarga em excesso armazenadosna zona n.

Fonte: Handbook of Automotive Power Electronics and Motor Drives

Dodo PIN

Tipos de dodos

Dodos rectificadorestrr

no especificado ( elevado); Operao a baixas frequncias (50Hz)Tenses de bloqueio da ordem dos milhares de VoltCorrentes diretas da ordem dos milhares de Ampre

Dodos de recuperao rpida e ultra-rpidat baixo, da ordem dos s (operao a mdias e altas frequncias)trr

baixo, da ordem dos s (operao a mdias e altas frequncias)Tenses de bloqueio da ordem das centenas de VoltCorrentes diretas da ordem das centenas de Ampre

Dodos SchottkyA zona de tipo p substituda por metaltrr

praticamente nulo (operao a frequncias elevadas)Tenses de bloqueio reduzidas (dezenas de Volt)Baixa queda de tenso direta (0,3 V)


Dodo PIN


Dodo PIN


Dodo PIN


Tiristor

Tiristor unidirecional : controlado em apenas uma polaridade de tenso

SCR Silicon Controlled Rectifier ou simplesmente tiristor

Controlo de fase

Tiristor bidirecional: controlado em ambas as polaridades de tenso

Triac (dois SCR em anti-paralelo)


Tiristor e Triac aplicaes

Tiristores:Aplicaes alimentadas pela rede (retificao, controlo de motores CC, )Inversores (CC/CA), com circuitos de comutao forada

Triacs:Controlo de cargas CA (motores, lmpadas, )

Controlo de velocidade numa varinha mgicaControlo de velocidade num aspirador


M

~

Fonte: Power Semiconductor Applications, Philips Semiconductors [1]

Tiristor

1 - caraterstica inversa

um dispositivo semi-controlado (controlo apenas na passagem a ON).

Entrada em conduo se VAK > 0 e com um impulso de corrente na porta1 (gate)

de curta durao. O tiristor conduz at que a corrente nodo-ctodo se anule.

1A corrente na porta flui entre a porta e o ctodo.


Caraterstica esttica ideal Caraterstica esttica real

1 - caraterstica inversa2 - caraterstica estado OFF3 - caraterstica estado ON

Tiristor

Princpio de funcionamento:

Se VAK > 0, J1 e J3 esto diretamente polarizadas

enquanto J2 est inversamente polarizada.

Com VGK > 0 flui uma corrente atravs de J3,

constituda por eletres que se movem do

Estrutura do tiristor

constituda por eletres que se movem do

ctodo para a porta. Se esta corrente for

suficiente para atingir J2 e causar a rutura de J2

por avalanche (controlada e reversvel), o tiristor

entra em conduo.


Tiristor


A estrutura do tiristor pode ser vista como dois transstores ligados como ilustrado

na figura. A corrente de base do PNP a corrente de colector do NPN e vice-versa,

formando uma malha regenerativa de corrente, at que os dois transstores

saturem.

esta malha que mantm o tiristor em conduo aps o impulso de corrente na

porta. tambm por isto que o tiristor s sai de conduo quando a corrente IAK se

anular.

Tiristor

Entrada em conduo:

IL : Corrente de lanamento

(latching current)

IH : Corrente de manuteno

(holding current)

Entrada em conduo:

VAK > 0 e impulso IG na porta com durao suficiente para que IAK > IL.

Aps entrar em conduo o impulso IG pode ser retirado.

Sada de conduo:

IAK < IH. (Tipicamente a comutao natural, ou seja, depende do circuito de potncia)

necessria uma tenso VAK < 0 durante um certo intervalo de tempo para

garantir o corte; caso contrrio o tiristor conduz logo que polarizado

diretamente, mesmo sem impulso na porta.


Tiristor

Caraterstica dinmica

tq = t4 t1 tempo de recuperao

necessria uma tenso VAK < 0

durante tq para garantir o corte.


Outros parmetros relevantes dos tiristores:

Taxa mxima de variao de corrente (dIAK /dt) na entrada em conduo

Taxa mxima de variao de tenso (dVAK /dt) na sada de conduo

Tiristor

Rui Chibante ISEP/DEE/ELTRP 20Fonte: STMicroelectronics

Tiristor

Limitao no gradiente de corrente (dIAK /dt)

Na entrada em conduo a corrente concentra-se inicialmente numa rea prxima da

porta. Se o aumento da corrente for demasiado rpido (di/dt elevado) nesta zona,

pode verificar-se um excesso de dissipao de potncia que pode levar destruio

do tiristor.

Limitao no gradiente de tenso (dV /dt)


Limitao no gradiente de tenso (dVAK /dt)

Com o tiristor bloqueado, um gradiente elevado da tenso direta origina uma corrente

capacitiva1 que flui para as junes. Se essa corrente for superior corrente de

lanamento o tiristor conduz intempestivamente (sem aplicao de impulso na porta).

1 As cargas eltricas armazenadas na regio espacial do tiristor equivalem a uma capacidade com I = CdVAK /dt

Tiristor

Proteo contra dIAK /dt elevado: Utilizao de uma bobine em srie com odispositivo, uma vez que esta limita a taxa de variao da corrente.

Exemplo: rectificador de meia-onda controlado

0

50

100

Vi Vo

0

50

100

Vi Vo

Carga R Carga RL

io


-50

-100

0 0.004 0.008 0.012 0.016 0.02

Time (s)

0

-10

10

20

30

40

50

io

di/dt infinito

-50

-100

0 0.004 0.008 0.012 0.016 0.02

Time (s)

0

-10

10

20

30

40

50

io

di/dt

L

R

o

vi vo

Tiristor

Proteo contra dVAK /dt elevado

Utilizao de um condensador em paralelo com o dispositivo (malha de snubber), uma

vez que este limita a taxa de variao da tenso.


Assumindo que o tiristor bloqueia uma tenso positiva:

A resistncia limita a corrente de descarga do condensador (OFF ON).

O dodo curto-circuita a resistncia na carga do condensador (ON OFF).

Tiristor

Proteo contra dVAK /dt elevado

Carga do condensador

(]ristor ON OFF)

Descarga do condensador

(]ristor OFF ON)


Tiristores

Outras variantes:

ASCR Asymmetrical SCR

RCT Reverse Conducting Thyristor

LASCR Light Activated SCR

IGCT Integrated Gate Commutated Thyristor


IGCT Integrated Gate Commutated Thyristor

MCT MOSFET Controlled Thyristor

BRT Base Resistance Controlled Thyristor

SITh Static Induction Thyristor

Tiristor

Circuitos de disparo (drives)

O transstor opera como interruptor controlado. O condensador (ou o

transformador de impulsos) permitem a gerao de impulsos na porta do

tiristor, obtendo-se circuitos de disparo de baixa potncia.


Fonte: Philips Semiconductors

com isolamentosem isolamento

Tiristor

Em muitas aplicaes existe a necessidade de isolamento eltrico entre o circuito

de disparo e o circuito de potncia. Tal pode ser conseguido por um transformador

de impulsos ou por acopladores ticos.

a) Transformador de impulsos

So transformadores que respondem apenas saltas frequncias (so, por isso, muito pequenos1) eque possibilitam a transferncia de impulsos decurta durao (at dezenas de s). Sendo


curta durao (at dezenas de s). Sendonecessrios impulsos mais longos, estes so obtidospor uma sequncia de impulsos curtos para evitarexcesso de dissipao na porta do tiristor.O dodo e o zener no primrio do transformadoratuam como roda livre quando T2 fica ao corte,permitindo que a corrente se anule e que fluxomagntico se anule, evitando a saturao doncleo.

1 A fora eletromotriz induzida no secundrio do transformador diretamenteproporcional frequncia

Tiristor

b) Acopladores ticos

O acoplamento tico apresenta duas vantagens relativamente ao transformador

de impulsos: maior isolamento eltrico e imunidade a interferncias

eletromagnticas.

Por outro lado, so necessrias duas fontes de alimentao, uma para o emissor

e outra para o recetor.


Tiristor

TCA 785 CI dedicado ao controlo de tiristores e

triacs em circuitos de controlo de fase

Um sinal de sincronizao obtido atravs deuma resistncia de alto valor a partir da linhade alimentao. Um detetor de passagem porzero transfere esse sinal para um registro desincronismo.O registro de sincronismo controla um geradorde rampa. Neste registro C10 carrega-se com


Fonte: Siemens

de rampa. Neste registro C10 carrega-se comuma corrente constante (determinada por R9).Se a tenso da rampa V10 excede a tenso decontrole V11, um sinal processado pela lgicainterna. Dependendo da tenso de controleV11 o ngulo de disparo pode ser deslocadonuma faixa de 0 a 180 graus.Para cada meio ciclo, um impulso positivo deaproximadamente 30 s de durao aparecenas sadas Q1 e Q2.

Tiristor

TCA 785


Gate Turn-off Thyristor (GTO)Tiristor comutvel pela porta

Tal como um tiristor, o GTO pode entrar em conduo pela aplicao de um impulso

VAK

IAK

ON

OFFOFF


Tal como um tiristor, o GTO pode entrar em conduo pela aplicao de um impulsode corrente na porta quando VAK > 0

Tal como um tiristor, o GTO mantm-se no estado ON (mesmo sem corrente na porta)

Ao contrrio do tiristor, o GTO pode ser bloqueado pela porta, fazendo VGK < 0 paraque exista um impulso negativo de corrente

Relativamente ao tiristor, apresenta como principal desvantagem uma maior potnciado circuito de comando, quer na entrada em conduo (maior corrente delanamento), quer no bloqueio (IG entre 20 a 30% da corrente principal IAK)

Principais aplicaes: comboios de alta velocidade e transporte de energia em CC emmuito alta tenso (HVDC)

Transstor Bipolar de Juno (TBJ)

Dispositivo controlado pela corrente de base

O TBJ de potncia possu um ganho em corrente (hFE) entre 5 a 10,


Foi sucessivamente sendo substitudo:

pelo MOSFET, em altas frequncias e baixas potncias (elevada velocidade decomutao e baixas perdas de conduo)

pelo IGBT, em baixas frequncias e mdias potncias (velocidade de comutaosemelhante ao MOSFET mas com grande capacidade de conduo de corrente)

O TBJ de potncia possu um ganho em corrente (hFE) entre 5 a 10,

sendo por vezes interligados numa configurao Darlington para

aumentar o ganho.

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - MOSFET

(dreno)

D

S

(fonte)

(porta) GVDS

ID

ON

OFF

ONConduo

inversa

Dispositivo controlado, conduzindo correntes positivas quando VGS > Vth (VDS > 0)

Possui um dodo intrnseco em anti-paralelo permitindo conduzir correntesnegativas (com VDS < 0), mas com tempos de comutao maiores do que o MOSFET

Devido ausncia de portadores de carga minoritrios possvel a comutao afrequncias elevadas

Na regio ohmica o MOSFET comporta-se como uma resistncia. RDSon o principalparmetro na medida em que determina as perdas de conduo


MOSFET

Circuito equivalente

Miller


O MOSFET de potncia apresenta uma estrutura vertical

Os tempos de comutao so determinados pelo tempo necessrio para carregare descarregar as capacidades, em particular a de Miller

Frequncias de operao de dezenas a centenas de kHz

Tenses de bloqueio at poucas centenas de Volt

RDSon aumenta rapidamente com o aumento da tenso de bloqueio

MOSFET


Quando uma tenso VGS > 0 aplicada, o potencial positivo na porta repele as lacunas naregio P, deixando uma carga negativa, mas sem portadores livres. Quando esta tenso atingeum certo limiar (Vth), electres livres (gerados principalmente por efeito trmico) presentes naregio P so atrados e formam um canal N dentro da regio P, pelo qual torna-se possvel apassagem de corrente entre D e S. Elevando VGS, mais portadores so atrados, ampliando ocanal, reduzindo sua resistncia (Rds), permitindo o aumento da corrente ID. Estecomportamento caracteriza a chamada "regio resistiva.

Insulated Gate Bipolar Transistor IGBTTransstor Bipolar de Porta Isolada

(coletor)

(emissor)

(porta)

Dispositivo controlado, conduzindo correntes positivas quando VGE > Vth

O IGBT combina as vantagens do MOSFET (elevada velocidade de comutao e menor potncia de comando) e do TBJ (baixas perdas em conduo e elevada capacidade de conduo do corrente)

Apresenta tempos de comutao superiores mas tenses de bloqueio superiores relativamente ao MOSFET


IGBTEstrutura e esquema equivalente


Formas de onda tpicas na comutaoA estrutura do IGBT similar do MOSFET,mas com a incluso de uma camada P queforma o coletor do IGBT.

Esta regio P responsvel pela injeo delacunas na zona N, aumentando acondutividade da mesma, o que produzuma menor queda de tenso em conduoem comparao a um MOSFET similar.

A principal desvantagem do IGBT ofenmeno de current tail (perodo t9 nafigura) que limita a velocidade decomutao do IGBT e pode originar perdassignificativas na comutao.


Domnio de aplicao



Critrios de escolha de semicondutores de potncia:

potncia do dispositivo (corrente e tenso mxima a suportar)

frequncia de comutao (tempo de comutao)

perdas de conduo (tenso de conduo)

circuito de comando (complexidade e potncia)

custo do semicondutor

Como nota final, refira-se que existem no mercado circuitos integrados que implementam num nico CI:

vrios dispositivos semicondutores (IGBT + dodo, braos de conversores)

o circuito de comando e proteo

o prprio conversor, com todas as funcionalidade inerentes


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