Semicondutores de Potência

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina Departamento Acadêmico de Eletrônica

Eletrônica de Potência

Florianópolis, março de 2013.

Prof. Clóvis Antônio Petry.

Capítulo 2: Diodos de potência 1.  Semicondutores aplicados aos conversores CA-CC (diodos).

http://www.dee.feis.unesp.br/gradua/elepot/principal.html

http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/

www.ProfessorPetry.com.br

Semicondutores de potência (diodos) - Bibliografia

Semicondutores para eletrônica de potência

Semicondutores utilizados em eletrônica de potência:

Semicondutores para eletrônica de potência

Diodo ideal e real

Exemplo: Diodo SKN20/08 •  VRRM = 800 V; •  V(TO) = 0,85 V; •  rT = 11 mΩ; •  IDmed = 20 A; •  IR = 0,15 mA.

Característica estática

Diodo ideal e real

Demo

Demo: •  Curva de diodos:

•  Diodo zener; •  Diodo de sinal; •  Diodo de potência.

Comutação – Características dinâmicas

Primeira etapa de comutação Segunda etapa de comutação

Circuito para estudo da comutação

Bloqueio

Bloqueio

Comutação – Características dinâmicas

Diodos de carbeto de sílicio (silicon carbide): Diminuem acentuadamente o fenômeno da recuperação reversa.

http://www.infineon.com

http://www.cree.com

Comutação – Características dinâmicas

http://powerelec.ece.utk.edu/pubs/pels_letters_SiC_june_2003.pdf

Comutação – Características dinâmicas

http://www.cree.com/Products/pdf/Power_Article_1.pdf

Comutação – Características dinâmicas

Perdas nos diodos

Classificação das perdas: 1.  Condução;

2.  Comutação: •  Entrada em condução;

•  Bloqueio.

2( )TO Dmed T DefP V I r I= ⋅ + ⋅

Simulação

Simulação

Características importantes

Principais características: 1.  Tensão de pico reversa; 2.  Queda de tensão direta; 3.  Corrente de pico; 4.  Corrente média; 5.  Corrente eficaz; 6.  Tempo de recuperação reversa.

Características de diodos comerciais

Tipos de diodos de potência: 1.  Standard and fast recovery; 2.  Ultrafast rectifiers; 3.  Ultrasoft rectifers; 4.  Silicon carbide (zero recovery).

http://www.onsemi.com

http://www.cree.com

Características de diodos comerciais

Teste de diodos

Demo

Demo: •  Teste de diodos com multímetro.

Semicondutores de potência (tiristores)

Semicondutores de potência (tiristores)

www.demonstrations.wolfram.com

Capítulo 4: Dispositivos tiristores 1.  Semicondutores aplicados aos conversores CA-CC

(tiristores).

http://www.dee.feis.unesp.br/gradua/elepot/principal.html

http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/

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Semicondutores de potência (tiristores) - Bibliografia

Tiristor ideal e real

Característica estática

Curvas 1 e 2 – sem corrente de gatilho Curvas 1 e 3 – com corrente de gatilho

Funcionamento do tiristor

Estrutura interna e analogia com BJT

Funcionamento do tiristor

Curva característica V x I

Funcionamento do tiristor

Circuitos para auxiliar na proteção de tiristores e evitar disparos intempestivos

Funcionamento do tiristor

Curva característica de tiristores

Demo

Demo: •  Curva de tiristores:

•  Sem corrente de gatilho; •  Com corrente de gatilho.

Comutação – Características dinâmicas

Disparo

Disparo

•  ton – tempo de fechamento; •  td – tempo de retardo; •  tr – tempo de descida da tensão anodo-catodo.

on d rt t t= +

Influência da corrente de gatilho no tempo de retardo

Comutação – Características dinâmicas

Bloqueio

•  tq – tempo de aplicação da tensão reversa para bloquear o tiristor; •  Para tiristores rápidos é da ordem de 10 µs à 200 µs.

Comutação – Características dinâmicas

Perdas nos tiristores

Classificação das perdas: 1.  Condução;

2.  Comutação: •  Entrada em condução;

•  Bloqueio.

2( )TO Tmed T TefP V I r I= ⋅ + ⋅

Simulação

Simulação

Características importantes

Principais características: 1.  Tensão de pico reversa; 2.  Queda de tensão direta; 3.  Corrente de pico; 4.  Corrente média; 5.  Corrente eficaz; 6.  Tempo de recuperação reversa.

Características de tiristores comerciais

Tipos de tiristores de potência: 1.  SCR; 2.  Triac; 3.  Sidac; 4.  Para proteção, etc.

http://www.onsemi.com

Características de tiristores comerciais

Características de tiristores comerciais

http://www.semikron.com

Características de tiristores comerciais

Acionamento de tiristores

Acionamento de tiristores

Acionamento de tiristores

Teste de tiristores

Demo

Demo: •  Teste de tiristores com multímetro.

Capítulo 3: Transistores de potência 1.  Semicondutores aplicados a conversores CA-CA.

http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/

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Semicondutores de potência (IGBTs) - Bibliografia

Semicondutores para eletrônica de potência

Revisão - BJT

BJT – Transistor bipolar de junção

http://www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/electro/mnueltro.html

Revisão - BJT

BJT x FET

FET – Transistor de efeito de campo

FET

JFET: Operação básica.

http://jas.eng.buffalo.edu/

FET

JFET canal n e canal p

S2

R7

R8

Q2

R9

R10

Q1

3524

Positivo da Fonte Auxiliar

+ Vaux

11

12

Aplicação do JFET

FET

MOSFET

MOSFET tipo Depleção

MOSFET – Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

MOSFET: Operação básica.

MOSFET tipo Depleção

http://jas.eng.buffalo.edu/

MOSFET

MOSFET: Operação básica.

MOSFET tipo Depleção

MOSFET

MOSFET tipo Depleção

MOSFET

MOSFET tipo Intensificação

Canal n

MOSFET

MOSFET de potência

ID

iDDSV+

-G

S

GSV

D

+

-

90%V

50%

10%

50%

GS

T1

90%

10%90%

10%

(V )DD

VDS

ID

t r

t on

tD(on) t D(off) t f

(V )DD

LR

V

DD

S50

G

VD

V

Comutação do MOSFET com carga resistiva

MOSFET de potência

50S

G

DD

R

V

DI RL

D

Comutação do MOSFET com carga indutiva

MOSFET de potência

Classificação das perdas: 1.  Condução;

2.  Comutação: •  Entrada em condução e bloqueio;

•  Onde:

2( ) ( )

oncond ds on d on

tP r iT

= ⋅ ⋅

( ) ( ) ( )2com r f d on ds offfP t t i v= + ⋅ ⋅

f on

r off

t tt t

≅

≅

MOSFET de potência

Dados de catalogo:

MOSFET de potência

Quando usar MOSFET: 1.  Freqüências altas (acima de 50 kHz); 2.  Tensões muito baixas (< 500 V); 3.  Potências baixas (< 1 kW).

MOSFET de potência

Teste de MOSFETs

Demo

Demo: •  Teste de MOSFETs com multímetro.

IGBT

Características de BJT e MOSFET

IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor

Classificação das perdas: 1.  Condução;

2.  Comutação: •  Entrada em condução e bloqueio;

( )cond C CEsat B BEsat onP i V i V t f= ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅

( )12com r fP t t I E f= + ⋅ ⋅ ⋅

Detalhamento do cálculo de perdas

0

IGBT

Quando usar IGBT: 1.  Freqüências baixas (menor que 50 kHz); 2.  Tensões altas (> 500 V); 3.  Potências altas (> 1 kW).

IGBT

Quando usar IGBT: 1.  Freqüências baixas (menor que 50 kHz); 2.  Tensões altas (> 500 V); 3.  Potências altas (> 1 kW).

www.irf.com

IGBT

Encapsulamentos:

www.semikron.com.br

IGBT

Encapsulamentos:

www.irf.com

IGBT

Dados de catalogo:

IGBT

Teste de IGBTs

Demo

Demo: •  Teste de IGBTs com multímetro.

BJT x MOSFET x IGBT

MOSFET IGBT BJT Tipo de comando Tensão Tensão Corrente

Potência do comando Mínima Mínima Grande

Complexidade do comando Simples Simples Média

Densidade de corrente

Elevada em baixas tensões e Baixa em altas

tensões

Muito elevada Média

Perdas de comutação Muito baixa Baixa para Média Média para Alta

Próxima aula

Semicondutores para eletrônica de potência: •  Dimensionamento e especificação de semicondutores.

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