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Eletrônica de Potência II

Capítulo 1

1Prof. Janderson Duarte

Introdução

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Interruptoresi

+ 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

3Fonte: Mohan, Undeland, Robbins, “Power Electronics”, Second edition.

Introdução

4

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

� 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


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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)


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8

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


9

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

MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor

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Símbolo

i

v



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)

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 édependente 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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� MOSFETs possuem reduzidos tempos de comutação (freqüências típicas de dezenas àcentenas 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 corrente

IGBT: Insulated Gate Bipolar

Transistor

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Símbolo

i

v



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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Transistor

Características dinâmicas do IGBT

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Transistor

Fonte: Powerex

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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

Símbolo Característica 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 gatereversas

� 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;


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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