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Eletrônica de Potência II

Capítulo 1

Prof. Luís M. [email protected]

1

Componentes semicondutores em

Eletrônica de Potência

• Diodo

• MOSFET

• IGBT

• GTO

2Prof. Luís M. Nodari

Introdução

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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

Retificador

Inversor

ConversorCC-CC

Conversor diretode freqüência

E1 (v1, f1)

(v2, f2)E2

Conversorindireto

de tensão

Conversorindireto defreqüência

Aplicações

� Fontes de alimentação

� Acionamento de

máquinas elétricas

� Reatores eletrônicos

� Fontes alternativas de

energia

� Transmissão em CC

� Compensadores

estáticos de reativos

� ...

Prof. Luís M. Nodari

Introdução

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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 pré-

estabelecida para o controle de fluxo de energia elétrica”

Interruptores

i

+ v -

CARACTERÍSTICAS IDEAIS

� Queda de tensão deve ser nula em condução

� Corrente deve ser nula quando bloqueado

� Tempos de comutação nulos (entrada em

condução e bloqueio instantâneos)

ESTÁGIOS DE OPERAÇÃO

� Aberto, desligado ou bloqueado

� Fechado, ligado ou conduzindo

� Durante a comutação entre os estágios

descritos acima


Introdução

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• Operações básicas desejadasOperação emum quadrante i

v

i

v

i

v

i

v

Operação em dois quadrantes com

corrente bidirecional

Operação em dois quadrantes com

tensão bidirecional

Operação emquatro quadrantes

� Diodo� MOSFET

� IGBT com diodo

em anti-paralelo

� Tiristor � Arranjo de

diodos com

transistores


Introdução

6

Fonte: Mohan, Undeland, Robbins, “Power Electronics”, Second edition.Prof. Luís M. Nodari

Introdução

7

Fonte: Bernet (2000).


O diodo de potência

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Símbolo

i

v

Característica

i-v ideal

Característica

i-v real

� 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

� 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

A

K

on

off



Polarização reversa

(bloqueio)

Polarização direta

(condução)

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Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, “Fundamentals of Power Electronics”, Second edition



10

Característica dinâmica de um diodo de potência

� Na entrada em condução (turn-

on), 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.

Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, “Fundamentals of Power Electronics”, Second editionProf. Luís M. Nodari


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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)



12Prof. Luís M. Nodari


13




14

Fonte: International Rectifier (http://www.irf.com)


MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor

Field Effect Transistor

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Símbolo

i

v

Característica

i-v ideal

Característica

i-v real

D (dreno)

S (source)

on

offG (gate)

on(condução reversa)

� Possui um diodo intrínseco em anti-paralelo,

também conduzindo correntes negativas

� O diodo intrínseco possui tempos de

comutação maiores do que o MOSFET

� A resistência em condução RDSon possui

coeficiente de temperatura positivo,

facilitando a operação em paralelo

� Semicondutor totalmente controlado, através

de uma tensão aplicada entre gate e o source

� 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)


MOSFET bloqueado MOSFET em condução

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� Junção p-n- reversamente polarizada (sem

tensão de gate)

� Resistência elevada (grande área de

depleção)

� Tensão vgs positiva induz a condutividade do

canal

� O fluxo de corrente é vertical, circulando

pelo canal n-, pela região n, e saindo pelo

contato do source

� A resistência total em condução é dada pelo

somatório das resistências da região n-, do

canal, e dos terminais de contato de dreno e

sourceProf. Luís M. Nodari

Diodo intrínseco em anti-paralelo

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� Junção p-n- resulta em um diodo em anti-

paralelo com sentido de condução dreno-

source

� 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


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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-oncapacitive losses)


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20




21




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23




� 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 correnteProf. Luís M. Nodari

IGBT: Insulated Gate Bipolar

Transistor

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Símbolo

i

v

Característica

i-v ideal

Característica

i-v real

C (coletor)

E (emissor)

on

offG (gate)

off

� Tempos de comutação maiores do que os

MOSFETs

� Aplicável onde se desejam elevadas tensões

entre o coletor e o emissor

� Dispositivo com características de

coeficiente de temperatura positivo,

facilitando o paralelismo (também existem

com coeficiente negativo)

� Quando uma tensão vge adequada é aplicada,

o IGBT entra em condução, conduzindo

correntes positivas (i > 0)

� Quando a tensão vge é removida, o IGBT

bloqueia, podendo suportar tensões negativas


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Circuito equivalente

do IGBT

� Construção similar ao MOSFET, exceto

devido à região p adicional

� O IGBT funciona como um MOSFET de

canal n conectado a um transistor pnp


Transistor


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Transistor

Características dinâmicas do IGBT


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Transistor

Fonte: PowerexProf. Luís M. Nodari

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Transistor

Fonte: Powerex



GTO: Gate Turn-Off Thyristor

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0

vAK

iA

On

Off

iA

vAK

+

_

K

A

G

iG

SímboloCaracterística

i-v ideal

� 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

� 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;

Característica

i-v real


Diodo rápido

Combinação de semicondutores

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0

v

i

v

+

_

i

On

Off

IGBT com diodo em anti-paralelo(bidirecional em corrente)

Interruptores para operação em quatro quadrantes


Bibliografia

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• 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.


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