DEE

Disciplina: Eletrônica de Potência (ENGC48)

Tema: Dispositivos para Eletrônica de Potência

Prof.: Eduardo Simas

eduardo.simas@ufba.br

Aula 8

Universidade Federal da Bahia Escola Politécnica Departamento de Engenharia Elétrica

DEE

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Sumário

Principais dispositivos para Eletrônica de Potência

Diodos

Transistores

Tiristores

Aplicações

DEE

3/80

1. Dispositivos Semicondutores

DEE

4/80

Principais Dispositivos Semicondutores

Diodo de Potência:

Transistor Bipolar

de Potência:

MOSFET de Potência:

IGBT: (Insulated Gate

Bipolar Transistor)

Tiristor (SCR):

TRIAC:

GTO (Gate Turn

Off Thyristor):

MCT (MOS controlled

Thyristor)

DEE Tratamento Térmico e Termoquímico dos Aços 5/80

Principais Dispositivos Semicondutores

Os dispositivos são

escolhidos considerando a

potência máxima e a

frequência de chaveamento

necessárias para a

aplicação

DEE

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2.Diodos de Potência

DEE 7/80

Diodos de Potência

Os diodos de potência são provavelmente o dispositivo semicondutor mais

simples utilizado em aplicações da Eletrônica de Potência.

Simbologia Curva Característica Encapsulamentos

A -> Anodo K -> Catodo

Quando: VA > VK (VAK > 0) -> polarização direta -> condução VA < VK (VAK < 0) -> polarização reversa -> bloqueio

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Diodos de Potência

Estrutura interna básica de um diodo semicondutor (junção P-N):

Região de

depleção

DEE 9/80

Diodos de Potência

Estrutura interna:

- O lado N é dividido em dois, com

diferente intensidade da dopagem.

- A região N- tem menor intensidade de

impurezas dopantes e permite ao

componente suportar tensões mais

elevadas pois diminui o campo elétrico

na região de transição.

- As regiões externas são fortemente

dopadas gerando contatos com

características ohmicas (e não

semicondutoras).

DEE 10/80

Diodos de Potência

Características estáticas:

Vo -> Tensão de condução

IR -> Corrente reversa

VRR -> Tensão de ruptura reversa

r -> Resistência interna para pol. direta

r=∂V

∂ I

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Diodos de Potência

Características dinâmicas:

Diodos de potência

apresentam um tempo

finito (não-nulo) para passar

do estado desligado (pol.

reversa) para o estado

ligado (polarização direta) e

vice-versa.

Sobre-tensão durante o

ligamento (VFP)!

Pico de corrente reversa no

desligamento (Irr) !

IF -> Corrente de pol. direta

VON -> Tensão de condução

VR-> Tensão de pol. reversa

Qrr -> Carga acumulada

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Diodos de Potência

Características dinâmicas – Transitório p/ condução:

Portadores são injetados na região de depleção diminuindo

a barreira de potencial.

O excesso de portadores produz aumento na corrente (t1).

O pico de tensão direta (VFP) é produzido devido a

características internas ao diodo como:

capacitância produzida na região de depleção quando

polarizada reversamente;

resistência equivalente da região N-;

indutância da pastilha de silício

VFP pode chegar a algumas dezenas de volts

DEE 13/80

Diodos de Potência

Carac. dinâmicas – Transitório p/ bloqueio:

Durante t3 o excesso de portadores na junção é

gradualmente reduzido.

O intervalo trr = t4 + t5 é chamado tempo de recuperação

reversa.

I rr=diR

dtt4=

diRdt

t rr

S+ 1sendo: S=

t 5

t 4

Qrr≈1

2I rr t rr

Do gráfico temos:

então: Qrr=diRdt

t rr2

2 (S+ 1 )

dtdi

)+(S=t

R

rrrr

/

12Q

Substituindo chega-se a:

1

/2Q

+S

dtdi=I Rrr

rr

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Diodos de Potência

Transitório para bloqueio com diferentes fatores de atenuação:

Recuperação suave Recuperação abrupta

Observação: ta=t4 e tb=t5

DEE

Perdas em Diodos de Potência

Perdas:

Perdas no estado ligado:

Perdas no estado desligado:

Perdas no chaveamento:

Total:

PLigado= V F IF

tON

T

PComutação

=V

F (max)× IF (max )× t

Comutação

6× f

S

Perdas= PLigado+ PDesligado+ PComutação

PDesligado= V R IR

tOFF

T

Sendo: VF = tensão direta IF = corrente direta VR = tensão reversa IR = corrente de fuga fs = frequência de chaveamento

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DEE 16/80

Diodos de Potência

Exemplo:

Considerando que o fabricante de um diodo informou os valores a seguir:

Taxa de queda da corrente = 20 A/μs

Tempo de recuperação reversa = 5 μs

Encontre a corrente de pico reversa sabendo que t4 >> t5 (recuperação abrupta).

DEE 17/80

Diodos de Potência

Exemplo:

Considerando que o fabricante de um diodo informou os valores a seguir:

Taxa de queda da corrente = 20 A/μs

Tempo de recuperação reversa = 5 μs

Encontre a corrente de pico reversa sabendo que t4 >> t5 (recuperação abrupta).

Resolução:

Como t4 >> t5 , então S → 0, assim: μC=)(μsA=t

dt

di=Q rrR

rr 505μμ/202/12

22

A=μCμs

A=dtdi=I Rrrrr 72,4450220/2Q

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Diodos Schottky

O diodo Schottky é formado pela junção de um filme fino de metal com um semicondutor (que normalmente é do tipo n).

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Diodos Schottky

As características de retificação i-v são semelhantes às de um diodo de potência formado por uma junção p-n.

Entretanto apresenta características particulares se comparado a um diodo de junção p-n como:

Tensão de condução mais baixa (0,3 a 0,4 V)

Maior corrente de fuga reversa

Tensão de bloqueio entre 100 e 200 V

Maior velocidade na mudança de estados

Menor pico de tensão durante o ligamento

DEE 20/80

Diodos de Potência

Circuitos “snubber” para diodos de potência:

No processo de recuperação reversa podem

aparecer picos de tensão em diodos de potência.

Estes picos podem danificar o dispositivo.

Os circuitos amaciadores (snubbers) são utilizados

para proteção dos diodos de potência.

Capacitor -> estabiliza a tensão:

Resistor -> dissipa energia

DEE

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3. Transistores Bipolares de Potência

DEE 22/80

TBJ de Potência

Os TBJs de potência têm sido tradicionalmente utilizados em diversas

aplicações onde é necessário o chaveamento de potência em altas e baixas

frequencias.

Recentemente, com o avanço da tecnologia de fabricação de semicondutores,

os transistores de efeito de campo metal-óxido (MOSFET) e os transistores

bipolares de porta isolada (IGBT) vêm gradualmente substituindo os TBJ em

algumas aplicações.

DEE 23/80

TBJ de Potência

Estrutura orientada na

vertical maximiza a área da

seção transversal.

As resistências elétrica e

térmica são minimizadas.

Os níveis de dopagem e as

larguras das camadas

influenciam nas

características do dispositivo.

Estrutura interna

Simbologia

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TBJ de Potência

O coletor tem dois níveis de dopagem distintos (de modo semelhante ao diodo de

potência).

A largura das camadas do coletor determina o nível de tensão de ruptura do

dispositivo.

Pode ser dos tipos NPN ou PNP:

DEE 25/80

TBJ de Potência

Princípio de operação (tipo NPN):

Há uma junção PN entre a base e o emissor e outra entre a

base e o coletor.

Quando a junção B-E está diretamente polarizada (VBE > 0), um fluxo de portadores

de carga (elétrons e lacunas) é estabelecido entre a base e o emissor.

Como a região da base é fina, os portadores acabam sendo atraídos para a junção

coletor emissor que está inversamente polarizada (VBC > 0) e enfraquecendo a

região de depleção.

Desse modo é estabelecido um fluxo de portadores entre o coletor e o emissor.

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TBJ de Potência

Princípio de operação:

A corrente de emissor é dada por:

A corrente de coletor é uma fração da corrente de emissor:

Como iE = iC+iB :

sendo: VT=KT/q e η é o coeficiente de emissão

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TBJ de Potência

Curvas de operação

(emissor-comum): Em aplicações de chaveamento o TBJ opera entre as regiões de corte (corrente IC nula para qualquer valor de VCE) e de saturação (alta corrente IC para baixos valores de VCE).

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TBJ de Potência

Curvas de operação :

TBJ de potência vertical

A região de quase-saturação

só existe nos diodos de

potência devido à região de

baixa dopagem no coletor.

BVSUS: tensão de ruptura com IC > 0

BVCEO: tensão de ruptura com IB = 0

BVCBO: tensão de ruptura com IB < 0

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TBJ de Potência

ConexãoDarlington:

Devido à suas características construtivas os TBJ de potência em geral apresentam baixo ganho de corrente (5 a 10 vezes).

Quanto um maior ganho é necessário pode-se utilizar um par Darlington:

= 1x 2 + 1 + 2

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TBJ de Potência

Região de Operação Segura (Safety Operation Area – SOA)

Indica os valores de tensão e corrente que podem ser aplicados ao dispositivo:

Polarização direta

Polarização reversa

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TBJ de Potência

Características

dinâmicas: Carga

Resistiva

Sendo:

ton = td + tn : tempo de ativação

toff = ts + tf : tempo de desativação

td : tempo de atraso devido ao efeito capacitivo da junção B-E

tn : tempo de subida de Ic

tS : tempo necessário p/ neutralizar os portadores da junção C-B

tf : tempo de descida de Ic

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TBJ de Potência

Características dinâmicas: Carga Indutiva

Com cargas indutivas a corrente apresenta um

atraso em relação à tensão aplicada na base.

É produzida uma corrente de base negativa

durante o desligamento do dispositivo.

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TBJ de Potência

Perdas:

As perdas podem acontecer no

chaveamento, durante a

condução e no estado desligado

Quando a frequencia de chaveamento é baixa as perdas na condução são mais

significativas:

As perdas no chaveamento aumentam com

a frequencia de comutação: VCC : tensão de polarização do coletor

IC(max) : máxima corrente IC

: duração do transitório de chaveamento (=ton ou =toff)

fS : freq. de chaveamento

SCCE(SAT) ftIVP LigadoLigado

S

C(MAX)CCfτ

IVP

6comutação

SC(Fuga)CC ftIVP DesligadoDesligado

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TBJ de Potência

DEE 35/80

TBJ de Potência

Circuitos de acionamento da base:

Exemplo

1

Um pulso positivo em 1 leva T1 à condução, carregando o capacitor com a tensão do diodo zener e produzindo uma corrente positiva na base do TP .

Um pulso negativo em 1 leva T2 à condução (e T1 ao corte ), criando um caminho para a descarga do capacitor, que gera um pulso de corrente negativa na base do TP, acelerando seu desligamento

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TBJ de Potência

Exemplo: Considerando que no circuito a seguir VCC=200V, RC=20Ω e

VCE(sat)=0,9V, encontre as perdas no TBJ para:

a)fs=120Hz, ton=1μs e toff=1,5μs

b)fs=5kHz, ton=1μs e toff=1,5μs

Considere a corrente de fuga no estado bloqueado

aproximadamente igual a zero e um ciclo de trabalho d=0,8.

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TBJ de Potência

Exemplo: Considerando que no circuito a seguir VCC=200 V, RC=20 Ω e

VCE(sat)=0,9V, encontre as perdas no TBJ para:

Resolução:

a)fs=120Hz, ton=1μs e toff=1,5μs

1/fs = Ts = TLigado + TDesligado + Tcomut sendo Ts o período entre os

chaveamentos assim: Ts= 8,3333 ms → d = TLigado /(Ts - Tcomut)

TLigado = (8,3333 – 0,0025) x 0,8 = 6,6646 ms

Perdas = PLigado + Pcomut :

SCCE(SAT) ftIVP LigadoLigado S

C(MAX)CCfτ

IVP

6comutação

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TBJ de Potência

Exemplo:

>> Perdas no estado ligado:

>> Perdas na comutação:

SCCE(SAT) ftIVP LigadoLigado

S

C(MAX)CCfτ

IVP

6comutação

A==R

VV=I

C

CE(SAT)CC

C 9,95520

0,9200

então:

WP 7,17120106,66469,9550,9 3

Ligado

A==R

V=I

C

CC)C( 10

20

200MAX

então:

sendo:

W=P 0,1120102,56

10200 6

comutação

como:

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TBJ de Potência

Exemplo: Total de perdas:

>> Repetindo o problema para o item b) fs=5kHz, ton=1μs e toff=1,5μs chega-se a:

Ts= 20 μs → TLigado =(20– 2,5) x 0,8 = 14 µs

Perdas= PLigado+ PComutação= 7,17+ 0,10= 7,27W

WP 0,627500010149,9550,9 6

Ligado

W=P 4,1675000102,56

10200 6

comutação

W=+=P+P= 4,7944,1670,627Perdas ComutaçãoLigado

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TBJ de Potência

Aplicações:

Acionamento de um

motor de corrente

contínua:

DEE

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4. Transistores de Efeito de Campo de Potência

DEE 42/80

MOSFET de Potência

Com os avanços na tecnologia de fabricação de semicondutores, MOSFETs com

considerável capacidade de condução de corrente no estado ligado e bloqueio de

tensão no estado desligado começaram a ser produzidos em larga escala a partir

da década de 1980.

Os MOSFETs passaram a ser amplamente utilizados em substituição aos TBJs

principalmente em aplicações onde é requerida alta frequência de chaveamento.

Diferente do BJT, o MOSFET pertence a uma classe de dispositivos UNIPOLARES,

pois utilizam apenas os portadores majoritários para condução.

São intrinsecamente mais rápidos que os TBJs pois não apresentam excesso de

portadores minoritários a serem removidos durante os transitórios de ligamento e

desligamento, as únicas cargas a serem removidas são das capacitâncias internas.

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MOSFET de Potência

Características:

O MOSFET de potência utiliza uma estrutura de canal

vertical para aumentar a capacidade de potência.

Estrutura interna de um MOSFET canal-n

Simbologia

Canal-n

Canal-p

O gate está isolado do corpo pelo SiO2.

n+ : 1019 cm-3 (alta dopagem) n- : 1014 cm-3 (baixa dopagem) p : 1016 cm-3 (média dopagem)

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MOSFET de Potência

Curvas de

Operação:

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MOSFET de Potência

Funcionamento:

Bloqueio

Duas junções p-n, não há passagem de corrente qualquer que seja a polarização.

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MOSFET de Potência

Funcionamento:

Efeito de

campo.

Um capacitor

de alta

qualidade é

formado.

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MOSFET de Potência

Funcionamento:

Condução

A corrente de dreno é controlada a partir da tensão aplicada na porta !

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MOSFET de Potência

Transitórios de chaveamento:

Circuito utilizado para analisar os

transitórios de chaveamento:

Acionamento de uma carga

indutiva.

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MOSFET de Potência

Transitórios de chaveamento:

Desligado – Ligado:

Não há pico de corrente nem

atraso de resposta como no TBJ.

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Perdas no MOSFET de Potência

Perdas:

Perdas no estado ligado:

Perdas no estado desligado:

Perdas no chaveamento:

Total:

Comparando com o TBJ, o MOSFET apresenta menor perda durante o chaveamento,

porém maior perda no estado ligado.

PLigado= I D2 R DS (ON )

tON

T

PComutação

=V

DS (max )× I

D× t

Comutação

6× f

S

Perdas= PLigado+ PDesligado+ PComutação

PDesligado= V DS ( MAX ) I DSS

tOFF

T

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MOSFET de Potência

Exemplo: Considerando que um MOSFET tem os seguintes parâmetros: RDS(ON)=0,3 Ω, ciclo

de trabalho 50%, ID=6 A, VDS=100V, t(off-on)=100 ns e t(on-off)=200 ns e que a frequência de

chaveamento é 40 kHZ, calcule as perdas no estado ligado e no chaveamento.

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MOSFET de Potência

Exemplo: Considerando que um MOSFET tem os seguintes parâmetros: RDS(ON)=0,3 Ω, ciclo

de trabalho 50%, ID=6 A, VDS=100V, t(off-on)=100 ns e t(on-off)=200 ns e que a frequência de

chaveamento é 40 kHZ, calcule as perdas no estado ligado e no chaveamento.

Resposta:

Ts = 1/fs = 25 µ s d = TLigado /(Ts - Tcomut)

Como o ciclo de trabalho d=0,5 -> tLigado = 0,5 x (25 – 0,1 – 0,2) = 12,35 µ s

P

ON=

62× 0,3× 12 ,35× 10

− 6

25× 10− 6= 5,33W P

OFF=

100× 2× 10− 3

× 12 ,35× 10− 6

25× 10− 6= 0,099W

PCOMUTAÇÃO=100× 6× 300× 10

− 9

6× 40× 103= 1,2W PTOTAL= 5,33+ 0 .099+ 1,2= 6,629W

DEE

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5. Transistores Bipolares de Gate Isolado (IGBT)

DEE 54/80

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Mescla características de baixa queda de tensão no estado ligado (do TBJ) com o

excelentes características de chaveamento (do MOSFET).

Os IGBTs vem substituindo os MOSFET em aplicações de alta tensão onde as

perdas de condução precisam ser mantidas em valores baixos.

Embora a velocidade de chaveamento dos IGBT seja maior que a dos TBJ, são

inferiores à alcançada pelos MOSFET.

O IGBT é acionado por tensão (assim como o MOSFET) e apresenta baixa

resistência no estado ligado (como o TBJ).

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IGBT

Simbologia

Estrutura interna

Modelo equivalente

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IGBT

Características estáticas:

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IGBT

Perdas:

Perdas no estado ligado:

Perdas no chaveamento:

Perdas no estado desligado:

Total:

PLigado= VCE ( sat )× IC(avg )× TLigado× f S

S

C(MAX))CE(fτ

IVP

6

max

Comutação

Perdas= PLigado+ PComutação+ PDesligado

SDesligadoC(Fuga)CC fTIVP Comutação

DEE

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6. Tiristores

DEE

59/80

Tiristores

Tiristor é o nome dado a uma família de

semicondutores que apresenta uma

estrutura com 4 camadas (pnpn);

Operam em regime chaveado

(controlado pelo terminal de gate);

São capazes de suportar altos valores

de tensão e corrente (entre os terminais

de anodo e catodo).

+

VAK

-

IA

IG

Simbologia Estrutura

interna

DEE

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Tiristores

O tiristor mais difundido é o SCR (Retificador Controlado de Silício – Silicon

Controlled Rectifier);

Outros tiristores:

TRIAC (tiristor triodo bidirecional);

DIAC

GTO (tiristor comutado pela porta);

LASCR (SCR ativado pela luz).

DEE

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Funcionamento Básico

Corrente majoritária: A-K;

Bloqueio para tensão reversa (VAK<0 J1 e J3 reversamente polarizadas e J2

diretamente polarizada);

A condução para tensão direta (VAK>0 J1 e J3 diretamente polarizadas e J2

reversamente polarizada) está condicionada à existência de uma corrente

positiva no gate (IG>0 diminuição da barreira de J2 , permitindo a passagem

da corrente, que se mantém mesmo na ausência de IG).

Dispositivos Semicondutores – Eduardo Simas

Sentido de

condução

DEE

62/80

Modelo Equivalente com 2 Transistores

VAK<0 não há condução pois as junções dos dois

transistores estão reversamente polarizadas.

VAK>0 é necessário que VG>0 para iniciar a

condução.

Uma vez que a corrente IA começa a circular, VG não

é mais necessária para manter a condução

Modelo equivalente

com dois transistores

DEE

63/80

Modos de Disparo de um Tiristor

Corrente positiva no gate: modo mais usual de disparo. A barreira J2 é

atenuada pela corrente de gate, o que leva à condução se VAK>0.

Tensão: em polarização positiva, a alta taxa de variação (dV/dt) pode levar o

tiristor à condução. Em alguns casos, a tensão direta pode iniciar (na

ausência da corrente de gate) um processo de avalanche que leva à

condução.

Temperatura: altas temperaturas levam ao aumento da corrente de fuga

numa junção pn reversamente polarizada (J2).

Energia Radiante: energia radiante incidindo e penetrando no cristal pode

elevar o número de portadores livre (elétrons e lacunas) levando à

condução. Este é o princípio utilizado no LASCR.

DEE

64/80

Curva Característica Tensão-Corrente

Vbr – Tensão de ruptura reversa;

Vbo – Tensão de ruptura direta;

IL – Corrente mínima de disparo;

Von – Tensão de condução.

DEE

65/80

Parâmetros Básicos de Tiristores

• Máxima corrente de anodo (Iamax);

• Máxima temperatura de operação (Tjmax);

• Resistência térmica (Rth);

• Máxima taxa de crescimento da tensão direta Vak (dv/dt);

• Máxima taxa de crescimento da corrente de anodo (di/dt);

• Corrente de manutenção de condução (IH);

• Corrente de disparo (IL);

• Tempo de disparo (ton);

• Tempo de desligamento (toff);

• Corrente de recombinação reversa (Irqm).

DEE

66/80

Associação de Tiristores

Embora os tiristores possam atingir altos valores de tensão e corrente

(~ 5kV / 4kA), em alguns casos é preciso utilizar mais de um dispositivo

para elevar a capacidade de trabalho.

Associação em paralelo: aumenta a capacidade de condução de corrente

do conjunto.

Associação em série: aumenta o valor da tensão máxima que pode ser

aplicada ao conjunto.

DEE

67/80

Circuitos de Acionamento (Disparo)

O terminal de gate tem limites de dissipação de potência muito menores

que os de anodo e catodo.

Para o acionamento podem ser utilizados circuitos de desacoplamento:

Ou circuitos micro-processados (por exemplo para acionamentos por PWM)

DEE

68/80

Retificador Controlado de Silício (SCR)

É um dos tipos mais comuns de tiristor (em alguns casos os termos SCR

e tiristor são usados como sinônimos).

Encapsulamentos

DEE

69/80

Tiristor Comutado pelo gate (GTO)

Estrutura de 4 camadas típica dos tiristores.

Funcionamento semelhante ao do SCR, porém pode ser levado ao estado de

bloqueio (desligado) pela aplicação de uma corrente negativa na porta (gate).

Condução Desligamento

DEE

70/80

Tiristor Comutado pelo gate (GTO)

Embora criado desda a década de 1960, não era muito utilizado devido ao

baixo desempenho.

Com a evolução nos processos de fabricação de dispositivos

semicondutores :

Maiores valores nominais de tensão e corrente

Aumento na utilização do GTO .

Desvantagens do GTO:

Podem não apresentar adequado bloqueio de tensão reversa.

Para não haver chaveamento indesejado é conveniente manter as

correntes de gate (positiva condução ou negativa bloqueio).

DEE

71/80

Tiristor Triodo Bidirecional (TRIAC)

É capaz de conduzir nos dois

sentidos;

O disparo é condicionado à

aplicação de tensão no gate;

O pulso de chaveamento deve

ter a mesma polaridade da

polarização do dispositivo.

É limitado a frequências de

operação mais baixas. Simbologia Estrutura

interna

DEE

72/80

Tiristor Triodo Bidirecional (TRIAC)

Característica V-I: Condução nos dois

sentidos.

Modelo equivalente: dois SCRs conectados

em anti-paralelo.

Curva Característica

DEE

73/80

Tiristor Diodo Bidirecional (DIAC)

O único modo de levar o DIAC ao estado ligado é

exceder a tensão de disparo.

Pode ser ligado com tensões positivas ou negativas.

Os DIACs são utilizados em circuitos de disparo de SCRs

ou TRIACs.

Curva Característica

Simbologia

Ânodo 1 Ânodo 2

Estrutura

interna

DEE

74/80

Aplicações (SCR)

Retificadores Controlados:

Utilizados na conversão AC-DC com controle de potência:

Retificador monofásico de

meia onda controlado Sendo o ângulo de disparo

DEE

75/80

Aplicações (Transistores / GTO)

Conversão DC-DC:

Conversor Abaixador

(Step-down ou Buck)

DEE

76/80

Aplicações (Transistores / GTO)

Inversores (conversão DC-AC):

Inversor de fonte de tensão (VSI) monofásico em meia ponte

DEE

77/80

Aplicações (SCR + Transistores / GTO)

Controle de Motores AC:

Sistema de controle de velocidade de motor de indução

DEE

78/80

Aplicações (DIAC e TRIAC)

Controle de Iluminação:

Circuito simples para controle da iluminação (dimmer)

DEE

79/80

Exercícios de Fixação (parte 1 de 2):

1. Compare os diversos semicondutores de potência considerando a potência máxima e a frequência de chaveamento.

2. Comente a respeito da estrutura interna de um diodo de potência e dos seus efeitos nas características dinâmicas do dispositivo.

3. Considerando um circuito com um diodo de potência em série com um resistor de 100 Ω sendo alimentado por uma fonte de tensão em onda quadrada (± 300V) de frequência igual a 1kHz e ciclo de trabalho 50%, sabendo que o tempo de recuperação reversa é de 2 µs, a taxa de subida de corrente é 40 A/micro s, a taxa de queda de corrente é 30 A/µs, calcule as perdas no dispositivo considerando que VF=1,1V e IR = 0,2 mA.

4. Compare o diodo Schottky com o diodo de potência de junção p-n.

5. Comente a respeito da estrutura interna de um transistor bipolar de potência e dos seus efeitos nas características dinâmicas do dispositivo.

6. Para o circuito da Figura 1, sabendo que VCC = 150 V, VCE (sat) = 0,9 V, VBE(sat) = 1,1 V, RC = 100 Ω e RB = 1 kΩ, sabendo que a tensão VB é uma onda quadrada simétrica, encontre o valor máximo necessário para produzir a configuração de polarização em saturação (conforme especificado).

7. Para o transistor da questão 06, encontre a perda no dispositivo se a frequência do sinal VB for 2 kHz e o ciclo de trabalho 60%. Considere que os tempos de ligamento e desligamento do dispositivo são respectivamente 0,5 µs e 0,9 µs e que a corrente de fuga é aproximadamente 0,1 mA.

8. Comente a respeito da estrutura interna de um MOSFET de potência e dos seus efeitos nas características dinâmicas do dispositivo.

9. Considerando que um MOSFET tem os seguintes parâmetros: RDS(ON)=0,4 Ω, ciclo de trabalho 80%, ID=7 A, VDS=170V, t(off-on)=130 ns e t(on-off)=150 ns e que a frequência de chaveamento é 30 kHZ, calcule as perdas no estado ligado e no chaveamento.

10. Repita a questão 09 para uma frequência de chaveamento igual a 300 Hz e compare os resultados obtidos.

11. Comente a respeito da estrutura interna de um IGBT e dos seus efeitos nas características dinâmicas do dispositivo.

12. No circuito da Figura 2, Vs = 220 V, RL = 10 Ω, fs = 1 kHz e d= 0,6. Considerando as características do IGBT: tON = 2,5 µs, tOFF = 1 µs e VCE (sat) = 2 V, determine:

a. A corrente média na carga. b. As perdas no dispositivo.

Figura 1

Figura 2

DEE

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Leitura indicada:

Rashid, Muhammad H. Power Electronics Handbook, Devices, Circuits and Applications, Segunda Edição, Elsevier, 2007.

Mohan, Undeland and Robins, Power Electronics, Converters, Applications and Design, Wiley

Pomilio, José Antenor. Eletrônica de Potência , Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, UNICAMP, 1998, Revisado em 2002.

A. Ahmed. Eletrônica de Potência. Prentice Hall, 2006.

Exercícios de Fixação (parte 2 de 2):

13. Compare os transistores TBJ de potência, MOSFET de potência e IGBT em termos das perdas , dos tempos e transitórios de chaveamento.

14. Compare os diversos dispositivos tiristores estudados considerando a estrutura interna, o funcionamento, as curvas características, etc.

15. Um SCR tem os seguintes valores nominais: tensão ânodo-cátodo no estado ligado ≈ 1,5 V, tensão porta-cátodo no estado ligado 0,6 V. Considerando o circuito da Figura 3 e que a tensão VIN = 4 V, determine a perda de potência total no estado ligado.

16. A perda de potência durante o chaveamento num SCR pode ser estimada a partir de Pchav = (Vbloq x IDireta x tchav x fs)/6 . Considerando ainda o circuito da Figura 3, se uma fonte em onda quadrada (Vs) de ± 100 V e frequência 250 Hz é conectada ao resistor RL, estime as perdas de chaveamento sabendo que tON = 5 µs, tOFF = 25 µs e que o SCR é disparado uma vez a cada dois ciclos da tensão.

17. Esboce a forma de onda da tensão na carga do circuito da questão 16 sabendo que o SCR é disparado com um atraso de 0,5 ms em relação à subida da tensão de alimentação.

Figura 3

+ Vs -

Algumas figuras utilizadas nesta apresentação foram retiradas das referências citadas acima.