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Prof. Heverton Augusto Pereira – Departamento de Engenharia Elétrica – UFV

ELT 313 – ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

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Aula 05 – Transitores de Potência

Prof. Heverton Augusto PereiraUniversidade Federal de Viçosa - UFV

Departamento de Engenharia Elétrica - DEL Gerência de Especialistas em Sistemas Elétricos de Potência – Gesep

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www.gesep.ufv.br

TEL: +55 (31) 3899-3266



Conteúdo

Tópicos01 - Introdução

02 - Diodos de potência e circuitos RLC chaveados

03 - Retificadores com diodos

04 - Transistores de potência

05 Conversores CC-CC

06 Tiristores

07 Retificadores controlados

08 - Controladores de tensão CA

09 - Conversores CC-CA

10 - Inversores de pulso ressonante



Transistores de potência

� Símbolos e seus significados:



• Em termos gerais, os transistores de potência podem serclassificados em cinco categorias:

• MOSFETs — transistores de efeito de campo de óxido metálicosemicondutor.

• COOLMOS.

• BJTs — transistores bipolares de junção.

• IGBTs— transistores bipolares de porta isolada.

• SITs — transistores de indução estática.

Introdução



• Os IGBTs de silício são utilizados em aplicações de eletrônica depotência com especificação de tensão entre 1,2 kV e 6,5 kV.

• Propriedades do silício e de materiais semicondutoresWBG:

Transistores de carbeto de silício



Transistores de carbeto de silício

Fonte: Springer Handbook of Crystal Growth, pag. 941



• Um MOSFET de potência é um dispositivo controlado por tensão eque requer apenas uma pequena corrente de entrada.

• Os dois tipos de MOSFET são: (1) depleção e (2) intensificação.

• Um MOSFET tipo depleção de canal n é formado sobre umsubstrato de silício do tipo p com duas seções de silício fortementedopadas n+, para conexões de baixa resistência.

• UmMOSFET tipo intensificação de canal n não possui canal físico.

MOSFETs de potência



• MOSFET tipo depleção de canal n:




� MOSFET tipo depleção de canal p:




• MOSFET tipo intensificação de canal n:




• MOSFET tipo intensificação de canal p:




• Características de transferência de MOSFETs:

Características em regime permanente



• Características de saída do MOSFET tipo intensificação:

Características em regime permanente



• Modelo de chaveamento em regime permanente dos MOSFETs:

Características de chaveamento



• Modelo de chaveamento dos MOSFETs:




• Formas de onda e tempos de chaveamento:




• A tecnologia SiC passou por avanços significativos que agorapermitem a fabricação de MOSFETs capazes de superar seus primosIGBT Si, em especial em alta potência e altas temperaturas.

• A nova geração de MOSFETs SiC reduz a espessura da camada dearraste (drift) por cerca de um fator de 10, enquanto possibilita que ofator de dopagem aumente simultaneamente na mesma ordem degrandeza.

• O efeito global resulta em uma redução da resistência de arraste a umcentésimo da resistência do MOSFET equivalente em silício.

MOSFETs de carbeto de silício



• O COOLMOS, que é uma novatecnologia para MOSFETs de altatensão, adota uma estrutura decompensação na região vertical dearraste do MOSFET para melhorar aresistência em condução.

• Seção transversal de um COOLMOS:

COOLMOS



• Os JFETs têm um canal normalmente fechado que conecta a fonte eo dreno.

• A porta é usada para controlar o fluxo de corrente através do canal edo dreno.

• De forma semelhante a dos MOSFETs, existem dois tipos de junçãoFET: canal n e canal p.

• Em JFETs de canal p, um canal tipo p é formado entre duas regiõesde porta tipo n.

Transistores de efeito de campo de junção (JFETs)



• Para um JFET de canal p, o dreno é mantido em um potencialnegativo, e a porta, em um potencial positivo em relação à fonte.

• Estrutura e símbolo de um JFET de canal n.

Transistores de efeito de campo de junção



• Estrutura e símbolo de um JFET de canal p.

Transistores de efeito de campo de junção



• Um transistor bipolar é formado pela adição de uma segunda região pou n a um diodo de junção pn.

Transistores de junção bipolar (BJTs)



• Uma junção pn diretamente polarizada apresenta duas capacitânciasparalelas: uma da camada de depleção e uma de difusão.

• Por outro lado, uma junção pn reversamente polarizada tem apenas acapacitância de depleção.

• Em regime permanente, essas capacitâncias não desempenhamnenhum papel.

• No entanto, em condições transitórias, elas influenciam oscomportamentos de entrada em condução e bloqueio do transistor.

Transistores de junção bipolar (BJTs)



• Um IGBT combina as vantagens dos BJTs com as dos MOSFETs.

• Um IGBT tem uma elevada impedância de entrada, como osMOSFETs, e baixas perdas em condução, como os BJTs.

• Além disso, ele não apresenta o problema de segunda avalanche,como os BJTs.

• Por meio do projeto e da estrutura da pastilha, a resistênciaequivalente dreno-fonte RDS é controlada para se comportar como ade um BJT.

IGBTs



• Símbolo e circuito para um IGBT:

IGBTs



• Um SIT é um dispositivo de potência e frequência altas.

• Seção transversal e símbolo dos SITs:

SITs



• Características típicas de SITs:

SITs



1. Não possuem segundaavalanche como osTBJs

2. Velocidade dechaveamento alta

3. Baixas perdas decomutação

Revisão

SITsIGBTs

TBJCOOLMOS

MOSFETs1. Problemas devido a

descarga eletrostática2. Difícil de proteger

durante faltas ou curto-crcuito

3. Altas perdas decondução



1. Menores perdas decondução que osMOSFETs

2. Diminuição de colunasopostas a dopagem

3. Grande precisão defabricação

4. Possuem diodo reversointrinsíco:assimqualquer oscilaçãoparasitas que poderiamcausar valoresnegativos dreno-fontesão grampeados pelodiodo

Revisão

SITsIGBTs

TBJMOSFETs

COOLMOS1. Problemas devido a

descarga eletrostática2. Difícil de proteger

durante faltas ou curto-crcuito

3. Altas perdas decondução



1. Simples construção2. Apresentam coeficiente

de temperaturapositivo facilitando oparalelismo

Revisão

SITsIGBTs

TBJMOSFETs

JFETs1. São substituídos pelos

MOSFETs para baixatensão



1. Caminhos paralelosresultando em baixaresistência decondução

Revisão

SITsIGBTs

JFETsMOSFETs

TBJ1. XX



1. Combinam asvantagens do TBJ(baixa perda decondução) com oMOSFET (elevadaimpedância deentrada)

Revisão

SITsIGBTs

JFETsMOSFETs

IGBT1. Velocidade de

chaveamento é inferiorao MOSFET



1. Para alta potência e altavelocidade dechaveamento

2. Não está sujeito alimitação de área

3. Os canais verticaisdiminuem a resistênciado canal

Revisão

SITsIGBTs

JFETsMOSFETs

SIT1. Alta queda de tensão

em condução2. Tensão negativa para

desligar



• Durante a entrada em condução, a corrente de coletor sobe, e a di/dté

• Durante o desligamento, a tensão coletor-emissor deve subir emrelação à queda da corrente de coletor, e a dv/dt é

Limitações de di/dt e dv/dt



• O circuito RLC é, em geral, criticamente amortecido a fim de evitaroscilações.

• Para um amortecimento crítico unitário, d = 1,

• Um tempo de descarga de um terço do período de chaveamento Ts égeralmente adequado.

• Ou

Limitações de di/dt e dv/dt



• Os transistores podem operar em série para aumentar a capacidade detensão.

• Os transistores são conectados em paralelo se um dispositivo nãopuder lidar com a demanda da corrente de carga.

Operação em série e em paralelo



• Primeiramente vamos entender as características de umMOSFET real.

Circuito de acionamento de MOSFET

Fonte: http://www.mouser.com/ds/2/348/r6015fnx-313215.pdf



• O tempo para ligar um MOSFET depende do tempo de carga dacapacitância de entrada

• Circuito de acionamento rápido da porta consiste em adicionar umcircuito TO, para carregar mais rapidamente a capacitância deentrada:




• Circuito de acionamento com arranjo totem-pole e adequação daborda do pulso.

• Transistores operam na região linear• Sinal de comando gerado por um amplificador





Fonte: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/MC34152-D.PDF



Circuito de acionamento de JFET

Fonte: http://www.nteinc.com/specs/400to499/pdf/nte489.pdf



• JFET são chaves normalmente ligadas.• Para desligar essa chave é necessário um sinal de tensão porta-dreno

negativa menor que a tensão de pinçamento




• Acionador em dois estágios para JFET SiC normalmente desligado:


Acionamento dinâmico: altas correntes

Acionamento estático



• Acionador em dois estágios para JFETs SiC normalmente desligados:




Circuito de acionamento de TBJ

Fonte: http://www.onsemi.com/PowerSolutions/product.do?id=2N6488



• Forma de onda da corrente de acionamento de base:




• Pico da corrente na base durante o fechamento:




• Pico da corrente na base durante o fechamento e o desligamento:




• Circuito proporcional de comando de base:




• Circuito de grampeamento do coletor:




• A importância de aplicar o sinal de comando de um transistor entreseus terminais porta e fonte pode ser demonstrada com a figura aseguir, em que a resistência de carga está conectada entre o terminalfonte e o terra.

• A tensão porta-fonte efetiva é

• Existem basicamente duas formas de isolar ou desprender o sinal decomando em relação ao terra:

• 1. Transformadores de pulso• 2. Optoacopladores

Isolação dos circuitos de acionamento



• 1. Transformadores de pulso• 2. Optoacopladores

Isolação dos circuitos de acionamento

Fonte: http://www.supplier.ind.br/site/arquivosprodutos/trm480d20a28.pdf

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