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Florianópolis, fevereiro de 2014. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina Departamento Acadêmico de Eletrônica Pós-Graduação em Desen. de Produtos Eletrônicos Conversores Estáticos e Fontes Chaveadas Semicondutores, Perdas e Cálculo Térmico Prof. Clovis Antonio Petry. Prof. Joabel Moia.

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Page 1: Semicondutores, Perdas e Cálculo Térmico · Florianópolis, fevereiro de 2014. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina! Departamento Acadêmico

Florianópolis, fevereiro de 2014.

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

Pós-Graduação em Desen. de Produtos Eletrônicos!Conversores Estáticos e Fontes Chaveadas

Semicondutores, Perdas e Cálculo Térmico

Prof. Clovis Antonio Petry.!Prof. Joabel Moia.

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Biografia para Esta Aula

www.ProfessorPetry.com.br

Semicondutores para eletrônica de potência: • Semicondutores; • Perdas; • Cálculo térmico.

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Nesta AulaSemicondutores de potência:

• Semicondutores para eletrônica de potência; • Diodos ideais; • Diodos reais; • Comutação de diodos; • Perdas em diodos; • Características importantes de diodos; • Revisão de BJT; • BJT x FET; • FETs; • MOSFETs; • IGBTs; • Cálculo térmico; • Outros componentes importantes.

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Semicondutores de Potência

Semicondutores aplicados à eletrônica de potência:

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Diodo Ideal x Diodo RealExemplo: Diodo SKN20/08

• VRRM = 800 V; • V(TO) = 0,85 V; • rT = 11 mΩ; • IDmed = 20 A; • IR = 0,15 mA.

Característica estática

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Comutação de DiodosBloqueio:

Circuito para estudo da comutação

Primeira etapa de comutação Segunda etapa de comutação

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Comutação de DiodosBloqueio:

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Comutação de DiodosNo bloqueio do diodo (comutação crítica):

diFdt

= − EL1

trr ≅3QrrdiFdt

⎜⎜⎜

⎟⎟⎟

IRM ≅ 43QrrdiFdt

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

Derivada da corrente depende da indutância

Tempo de recuperação reversa

Corrente máxima devido a recuperação reversa

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

Comutação de Diodos

www.infineon.com

www.cree.com

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Comutação de Diodos

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

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Comutação de Diodos

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

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Perdas nos Diodos

Classificação das perdas: 1. Condução; !!!

2. Comutação: • Entrada em condução; !

!

• Bloqueio. !

P =V(TO) ⋅ IDmed + rT ⋅ IDef2

P1 = 0,5 VFP −VF( ) Io ⋅ trf ⋅ f

P2 = Qrr ⋅E ⋅ f

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Principais características: • Tensão de pico reversa; • Queda de tensão direta; • Corrente de pico; • Corrente média; • Corrente eficaz; • Tempo de recuperação reversa.

Características de Diodos Comerciais

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

www.onsemi.com

Características de Diodos Comerciais

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www.cree.com

Características de Diodos Comerciais

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Semicondutores de Potência

Semicondutores aplicados à eletrônica de potência:

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Semicondutores de Potência

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Revisão - BJTBJT - Transistor bipolar de junção

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Comutação do BJT com carga resistiva

Comutação do BJT com carga indutiva+

-

VB

E

C

LR

BR

BI

CE

+VCC

CI

BR

+

-

D

D

i

+VCC

L

Li

VBE+

-

IB1

IB2VB2

BJT

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Comutação do BJT com carga resistiva

BJT

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Comutação do BJT com carga indutiva

Bloqueio

Entr

ada

em c

ondu

ção

BJT

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SIC BJT

www.fairchildsemi.com

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BJT x FETFET - Transistor de efeito de campo

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FET

JFET: Operação básica

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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

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MOSFET tipo Depleção

MOSFETMOSFET – Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

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MOSFET: Operação básica.

MOSFET

MOSFET tipo Depleção

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

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MOSFET: Operação básica.

MOSFET

MOSFET tipo Depleção

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MOSFET

MOSFET tipo Depleção

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Canal n

MOSFET

MOSFET tipo Intensificação

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ID

iDDSV+

-G

S

GSV

D

+

-

MOSFET

MOSFET de Potência

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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

MOSFET de Potência

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50S

G

DD

R

V

DI RL

D

Comutação do MOSFET com carga indutiva

MOSFET

MOSFET de Potência

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MOSFET

Classificação das perdas: 1. Condução; !!!

2. Comutação: • Entrada em condução e bloqueio; !

• Onde:

!

Pcond =tonT

⋅rds(on) ⋅ id (on)2

t f ≅ tontr ≅ toff

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MOSFETQuando usar MOSFET:

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

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Características de BJT e MOSFET

IGBT

IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor

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Detalhamento do cálculo de perdas

0

IGBT

Pcond = iC ⋅VCEsat + iB ⋅VBEsat( ) ⋅ ton ⋅ f

Pcom =12tr + t f( ) ⋅ I ⋅E ⋅ f

Classificação das perdas: 1. Condução; !!!

2. Comutação: • Entrada em condução e bloqueio; !

• Onde:

!

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IGBTQuando usar IGBT:

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

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IGBT

www.irf.com

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

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IGBT

www.irf.com

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IGBT

www.irf.com

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Encapsulamentos:

IGBT

www.semikron.com

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IGBT

Encapsulamentos:

www.irf.com

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MOSFET IGBT BJT

Tipo de comando Tensão Tensão Corrente

Potência do comando Mínima Mínima Grande

Complexidade do comando Simples Simples Média

Densidade de correnteElevada em baixas tensões e Baixa em

altas tensõesMuito elevada Média

Perdas de comutação Muito baixa Baixa para Média Média para Alta

BJT x MOSFET x IGBT

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• Tj = temperatura na junção (oC); • Tc = temperatura na cápsula (oC); • Td = temperatura no dissipador (oC); • Ta = temperatura ambiente (oC); • Rjc = resistência térmica entre junção e cápsula (oC/W); • Rcd = resistência térmica entre cápsula e dissipador (oC/W); • Rda = resistência térmica entre dissipador e ambiente (oC/W); • P = potência dissipada no componente (W).

Cálculo TérmicoCálculo térmico:

• Objetivo de verificar a necessidade de uso de dissipador de calor ou não. • Modelo térmico:

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Cálculo Térmico

Rja = Rjc + Rcd + Rda

Tj −Ta = Rja ⋅P

Rda = Rja − Rjc − Rcd

Rja =Tj −TaP

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Cálculo Térmico

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CapacitoresA capacitância depende de:

• Dielétrico (permissividade); • Área das placas; • Distância entre as placas.

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RSE LSEC

Modelo equivalente do capacitor

Onde: • C = Capacitância; • RSE = Resistência série equivalente; • LSE = Indutância série equivalente.

Perdas devido à RSE:

Capacitores

P = RSE ⋅ Ief2

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RSE LSEC

Ondulação da tensão:

t

( )Li t

2sT

sT

Capacitores

ΔV = RSE ⋅ ΔI

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Tecnologias de capacitores: • Filtro do retificador de entrada – São empregados capacitores eletrolíticos de alta tensão e

grandes capacitâncias; !• Filtro de saída dos conversores – Empregam-se capacitores eletrolíticos alumínio com baixa

RSE; !• Circuitos de grampeamento (snubber) – São utilizados capacitores com dielétricos de

polipropileno para regime intermitente de funcionamento.

Capacitores

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Capacitores

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Fusíveis de ação lenta: • Vidro; • Areia; • Cerâmica.

Fusíveis de ação rápida: • Vidro; • Areia; • Cerâmica.

Resistores fusíveis.

Fusíveis

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NR25 – 1 Ω < R < 15 Ω

Fusíveis

www.vishay.com

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Termistor: • Resistor cuja resistência é sensível à variação da temperatura.

Termistores

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Próxima Aula

www.ProfessorPetry.com.br

Conversores ca-cc: • Retificadores e filtro capacitivo.