teoria 15 chopper pwm igbt

Teoria 15 Conversor CC/CC Chopper - Modulador PWM (Pulse Width Modulation) - IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

15.1 Técnicas de Modulação para Variação de Potência em Conversores:

Uma vez que as fontes de alimentação são, tipicamente, de valor de tensão constante, sejam elas CA ou CC, caso seja preciso variar ou controlar a potência aplicada a uma carga, é necessário o emprego de algum tipo de dispositivo que seja capaz de "dosar" a quantidade de energia a ser transferida para a carga.

Se a variação ou controle for feito pela manipulação da tensão, o elemento de controle deve ter uma posição em série entre a fonte de alimentação e a carga, como indicado nas figuras a seguir:

Pode-se ter um elemento atuador linear (a), sobre o qual tem-se uma queda de tensão proporcional à sua impedância. Mas a queda de tensão sobre a impedância do elemento atuador associada à corrente que flui por este e que segue suprindo a carga, certamente representa uma significativa perda de energia sobre o elemento atuador.

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A maneira mais eficiente e

simples de manobrar valores elevados de potência é por meio de chaves (b). Como uma chave ideal apresenta apenas dois estados estáveis:

• Condução (a corrente é grande, porém a tensão sobre a chave é nula); • Bloqueio (a tensão é considerável, porém a corrente pela chave é nula).

Devido a variável nula, então não existe dissipação de potência sobre ela, garantindo a alta

eficiência energética deste tipo de arranjo.

Obviamente este tipo de variação não é uma variação contínua, mas sim pulsada (chaveada). No entanto, dada a característica de armazenadores de energia presentes nas aplicações com cargas como os motores e como na maior parte dos casos práticos, a freqüência de comutação da chave é muito maior do que a constante de tempo deste tipo de carga, então a própria carga acaba atuando como um filtro, extraindo da tensão instantânea aplicada sobre ela o seu valor médio. 15.2 Modulação por Pulsos:

Neste curso até o presente momento estudamos uma técnica de modulação para variação de potência em conversores que tomando alimentação a partir da rede CA, a transformavam tendo como objetivo uma tensão contínua média na saída para alimentar a carga (motor CC).

Quando a tensão de alimentação é alternada, é mais usual o uso de tiristores como interruptores, seja para um ajuste na própria tensão CA (variador de tensão CA), seja para a conversão de uma tensão CA em CC (retificação), utilizando a técnica de controle de fase, no qual, dado um

semi-ciclo da rede, a chave (tiristor) é acionada em um determinado ângulo (α), fazendo com que a carga esteja conectada à entrada por um intervalo de tempo menor ou igual a um semi-ciclo.

A técnica de modulação utilizada neste caso foi a Modulação por Posição de Pulso (em inglês: Pulse Position Modulation -PPM). Nessa técnica a potência é convertida por meio da manutenção constante da duração e da amplitude do pulso, mas deslocando o pulso de sua posição original, segundo a amplitude do sinal modulante (Tensão de controle do CI TCA 785);

De agora em diante focalizaremos novas técnicas de modulação por pulsos, com objetivo de escolher uma de técnica de modulação adequada para conversão de potência para um conversor que toma energia a partir de uma fonte de corrente contínua, pois essa técnica contempla aplicações as quais permitem o controle tanto de um motor CC (conversores CC/CC), quanto o controle de um motor de indução trifásico (Conversores CC/CA usado nos Conversores de Freqüência ou Inversores).

A modulação por pulsos iniciou a partir da teoria da amostragem, a qual estabelece que a

informação contida em qualquer sinal analógico pode ser recuperada a partir de amostras do sinal tomadas a intervalos regulares de tempo.

A modulação por pulsos pode ser analógica ou digital. No caso analógico, os valores das amostras do sinal são transferidos ou para a amplitude, ou para a duração ou para a posição de pulso de formato fixo conhecido. No caso digital, os valores das amostras são convertidos para números binários que por sua vez são codificados em seqüências de pulsos que representam cada um dos valores binários.

As técnicas de modulação são importantes não apenas para aplicações de variação de potência em conversores, mas também para as aplicações em sistemas de transmissão digital de telecomunicações. 15.3 Teoria da Amostragem:

Nyquist provou, através da teoria da amostragem, que valores de um sinal analógico (o qual é continuo no tempo e em nível, contendo uma infinidade de valores) se tomados (amostrados) a intervalos regulares TA contém a mesma informação do sinal original desde que a taxa de amostragem seja maior que o dobro da largura de faixa do sinal analógico, ou seja, que a freqüência de amostragem (freqüência do sinal da portadora), seja maior que o dobro da maior freqüência contida no sinal a ser amostrado (sinal modulante):

Bf S ⋅> 2 onde: B é a largura de faixa do sinal analógico;

f S freqüência de amostragem A

S Tf 1=

A relação acima é denominada segundo critério de Nyquist. “Aliasing” é a distorção que

ocorre num sinal amostrado quando a taxa de amostragem não respeita a taxa mínima conforme Nyquist, impedindo a correta recuperação do sinal e denominada Aliasing que nada mais é do que a superposição dos espectros de cada raia por falta de espaço na banda.

É obvio que quando maior a freqüência de amostragem, mais fácil será reproduzir o sinal, mas

elevando-se demais a freqüência da portadora, haverá desperdício de banda ocupada, exigindo chaves semicondutoras mais rápidas, sem nenhuma melhoria na qualidade. É possível o uso de filtros passa-baixa para retirar componentes indesejáveis devido ao chaveamento.





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Teoricamente, um sinal analógico pode ser transmitido através da amostragem:

• Ideal: onde as amplitudes de um trem de impulsos correspondem aos valores das Amostras;

• Natural: onde as amplitudes de um trem de pulsos são moduladas pelo sinal Analógico;

• Instantânea: onde as amplitudes um trem de pulsos correspondem aos valores das Amostras;

As amostras de um sinal analógico podem ser transmitidas em uma portadora pulsada de

várias formas. As quatro formas usuais são:

• PAM – Pulse Amplitude Modulation (Modulação de Amplitude de Pulso); • PWM – Pulse Width Modulation (Modulação de Largura de Pulso); • PPM – Pulse Position Modulation (Modulação de Posição de Pulso); • PCM – Pulse Code Modulation (Modulação Codificada de Pulso).

As figuras seguintes ilustram o principio da amostragem, com um exemplo de PAM - Modulação de amplitude de pulso:





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15.4 Modulador PWM:

Os valores das amostras de um sinal analógico podem ser expressos através das durações de pulsos retangulares, sendo que este processo é denominado modulação da duração (largura) de pulsos (PWM - Pulse Width Modulation). As vantagens do PWM incluem: maior imunidade com relação ao ruído e à distorção não-linear.

Os motores de indução trifásicos controlados e de aplicação industrial são usualmente alimentados com inversores de fonte de tensão modulados por largura de pulso PWM ("pulse width modulation"). Essa estratégia, na sua versão mais simples, permite obter uma corrente na carga aproximadamente senoidal a uma desejada freqüência f1, realizando a comparação entre um sinal senoidal de controle na desejada freqüência f1 (freqüência moduladora) com um sinal de forma de onda triangular de freqüência fp (freqüência portadora). O resultado dessa comparação é a geração de sinais de chaveamento do inversor (pulsos de modulação), que dessa forma controla a seqüência e os tempos de ligado e desligado das chaves do inversor (largura de pulsos), fazendo com que se varie a tensão média aplicada ao motor bem como a sua freqüência; os inversores PWM que se utilizam desse método são chamados de senoidal-triangular ou senoidal-rampa. A implementação tradicional deste método de modulação é analógica; embora, atualmente existam algoritmos simples e eficientes para a sua implementação digital.

O modulador PWM utiliza:

• Um gerador de onda dente-de-serra com período igual ao intervalo de amostragem Ts; • Um circuito comparador, o qual produz a tensão de controle a partir a diferença aritmética da

tensão de referência e da tensão de realimentação.

O arranjo pode ser implementado na forma de um circuito eletrônico discreto baseado em Amplificador Operacional:

Enquanto o valor instantâneo da tensão de controle for maior que o valor instantâneo da portadora tem-se um valor positivo constante na saída do circuito cuja duração será proporcional à amplitude da tensão de controle no momento de transição quando o valor instantâneo da tensão de controle se passa a ser menor que o valor instantâneo da portadora.





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Os pulsos de saída do PWM (sinal modulado) são utilizados para comandar o chaveamento dos IGBT’s do circuito Chopper. 15.5 Conversores CC/CC (Choppers): Os conversores CC/CC são aplicáveis onde a fonte de alimentação disponível é em CC, proveniente de um retificador sem controle (com diodos), ou um banco de baterias e a carga necessita de uma tensão CC variável. A tensão CC fixa é convertida em uma tensão CC variável, através das técnicas de modulação por freqüência ou, mais usualmente, por Modulação de Largura de Pulso (PWM). Os conversores CC/CC são aplicados em acionamentos e controle de máquinas de corrente contínua (tração elétrica): em locomotivas de trens e metrôs (onde uma tensão de cerca de 4000V do sistema de distribuição é transformada em 300V na alimentação de um motor CC), empilhadeiras, trolebus, automóveis elétricos, em máquinas-ferramenta de dois ou mais eixos, fontes chaveadas em geral (fonte do PC), etc. Permitem frenagens regenerativas com economia de energia em sistemas com freqüentes partidas e paradas.

Simbologia

Tomemos o circuito mostrado na figura a seguir na qual se tem um circuito alimentado por uma fonte CC (E) e do qual se deseja obter na saída uma tensão CC, mas de valor variável (no caso igual ou menor que a entrada).





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Considerando a chave T como uma chave semicondutora ideal: a chave está ou no estado de

bloqueio ou no estado de plena condução. Considere então que a chave é manobrada em intervalos de tempo regulares, permanecendo aberta por um certo tempo e fechada por outro de tempo. À soma destes dois intervalos de tempos chamamos de período de chaveamento. A tensão média de saída depende da razão entre o intervalo em que a chave permanece fechada (TON) e o período de chaveamento (TTOT).

Define-se como ciclo de trabalho (largura de pulso ou razão cíclica) a relação entre o intervalo de condução da chave e o período de chaveamento. Em Modulação por Largura de Pulso (em inglês. Pulse Width Modulation – PWM) opera-se com uma freqüência de chaveamento constante, ou seja, com período de chaveamento (TTOT) fixo, variando-se apenas o tempo em que o interruptor permanece em condução (TON) que pode ser ajustado pelo controle desde zero até o máximo ( TTOT ≥ TON ≥ 0 ). O dispositivo semicondutor opera a uma freqüência alta, quando comparada com variações na tensão de entrada.

O sinal de comando de manobra para a chave é obtido, geralmente, pela comparação de um sinal de controle (VC), o qual chamamos de modulante, com uma onda periódica, o qual chamamos de portadora (VP). A figura a seguir ilustra estas formas de onda.

Para que a relação entre o sinal de controle e a tensão média de saída seja linear, como

desejado, o sinal da portadora deve apresentar uma variação linear (como uma forma de onda "dente-de-serra", por exemplo) e, além disso, a sua freqüência deve ser além de fixa, bem maior (nos casos prático um bom critério é dez vezes maior) do que a freqüência de variação da modulante, de modo que seja relativamente fácil filtrar o valor médio do sinal modulado, recuperando, sobre a carga, uma tensão contínua proporcional à tensão do sinal de controle. 15.6 Projetos Clássicos de Inversores:

Inversores normalmente alimentam cargas RL (que são uma combinação de resistência e indutância como, por exemplo, motores Elétricos, transformadores, etc.) Esta combinação de indutância e resistência dá origem a uma corrente de carga que tem uma forma de onda triangular. A maioria dos inversores produzem de algum tipo de tensão de saída de forma de onda retangular que é





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aplicada à carga. A indutância da carga "integra" a tensão aplicada e as variações de corrente ocorrem durante todo o tempo das porções altas e das porções baixas da forma de onda da tensão de saída. Veja diagrama ao lado.

A teoria da eletrônica de potência clássica é baseada nesta idéia de aplicar uma forma de onda retangular a uma carga indutiva que resulta em uma corrente triangular que flui do inversor pela carga. Note que a corrente de carga está a seu máximo quando a tensão muda polaridade de valor alto para valor baixo, assim os componentes ativos no inversor têm que comutar sob uma potência significativa.

A taxa de variação da corrente (inclinação da

rampa) depende da constante de tempo L/R da carga em contraponto ao período de chaveamento. Com cargas altamente indutivas a corrente tende a uma reta horizontal.

15.7 Tipos Básicos de Conversores CC/CC Chopper:

• Conversor abaixador ou conversor buck (step-down); • Conversor elevador ou conversor boost (step-up); • Conversor abaixador-elevador ou conversor buck-boost • Conversor CC operando em quatro quadrantes (H-Bridge) • Conversor Cúk.

15.8 Característica E/S dos Conversores Choppers:





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15.8.1 Conversor CC/CC de operação abaixadora – Buck:

Esta operação transfere energia de uma fonte de maior tensão para outra de menor tensão e

apresenta característica de fonte de tensão na entrada e fonte de corrente na saída. A corrente da carga

é praticamente contínua se a constante de tempo ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛RL da carga for maior que o período de

chaveamento . ( )21 tt + Quanto maior a freqüência de chaveamento e a indutância na saída, menor a ondulação da

corrente da carga. A tensão de saída conserva a polaridade da tensão de entrada. Modo 1 – Chave fechada; Modo 2 – Chave aberta.

15.8.2 Conversor CC-CC de operação elevadora – Boost:





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OBS: Modo 1 – Chave fechada; Modo 2 – Chave aberta.

• O conversor Boost pode elevar uma tensão sem auxílio de um transformador; • Apresenta condução contínua na corrente da fonte; • Altos picos de corrente na chave durante t1; • A tensão de saída apresenta difícil regulação para k>0,5; • A polaridade da tensão de saída é a mesma da tensão de entrada; • É robusto contra curto-circuito na chave ou na carga.; • Transfere energia de uma fonte de menor tensão para outra de maior tensão; • Apresenta característica de fonte de corrente na entrada e fonte de tensão na saída.

15.7.3 Conversor CC-CC Abaixador / Elevador or Buck/Boost:

• A tensão de saída pode, teoricamente variar entre (0 e ∞), dependendo do valor de k; • A polaridade da tensão de saída é invertida em relação à da entrada; • Em caso de falha na chave a corrente de curto é limitada pela indutância; • A corrente de entrada é descontínua, logo, altos picos de corrente circulam pela chave; • A tensão de saída será buck ou boost dependendo do ciclo de trabalho. O conversor será abaixador para k<0,5 e ser elevador para k>0,5. • Apresenta característica de fonte de tensão na entrada e na saída.

15.9 Classificação dos Conversores CC Choppers:

A classificação do circuito Chopper é determinada em função do quadrante em que o mesmo pode operar.

Dependendo dos Sentidos dos Fluxos da Corrente e da Tensão, o Chopper pode ser classificado em cinco tipos;

1. Chopper CLASSE A:

• Operação somente no 1º quadrante; • Tensão e Corrente sempre positivos; • Fluxo de Potência da Fonte para a Carga.

Em Máquinas CC esta é uma operação de Aceleração com sentido de Rotação Definido.

2. Chopper CLASSE B:

• Operação somente no 2º quadrante;





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• Tensão sempre Positiva, mas Corrente sempre Negativa; • Fluxo de Potência da Carga para a Fonte;

Em Máquinas CC esta é uma operação de Frenagem. 3. Chopper CLASSE C:

• Operação somente no 1º e 2º Quadrante; • Tensão sempre Positiva, mas Corrente podendo ser Positiva ou Negativa; • Fluxo de Potência Bidirecional.

Em Máquinas CC esta é uma operação de que combina Aceleração e Frenagem com

sentido de rotação definido.

4. Chopper CLASSE D:

• Operação em 1º e 4º Quadrante; • Corrente sempre Positiva, mas Tensão podendo ser Positiva ou Negativa; • Fluxo de Potência da Bidirecional.

5. Chopper CLASSE E:

• Operação em nos 4 Quadrantes; • Tensão e Corrente podem ser Positiva ou Negativa; • Fluxo de Potência Bidirecional;

Em Máquinas CC é possível se realizar a inversão do Sentido de Rotação (entre 1º Quadrante

e 3º Quadrante e vice-versa e fazer Frenagem nos dois sentidos). 15.10 Conversores CC/CC de Dois Quadrantes:

A combinação de operação das chaves (diodos e transistores) determina se o chopper será abaixador ou elevador:

Chopper de dois quadrantes

O chopper será abaixador quando S1 conduz durante t1, transferindo energia da fonte para a carga. Quando S1 abre, a corrente de carga, que é indutiva, circulará por D2. Em ambas as situações a tensão e a corrente na carga são positivas:





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Operação no primeiro quadrante

O chopper elevador é composto pela operação de S2 e por D1 durante o tempo em que S2

permanece aberta. Neste modo, quando S2 está conduzindo e é comandada a bloquear, a corrente da carga é transferida para o diodo D1, havendo regeneração de energia.

Operação no segundo quadrante

15.11 Conversores CC/CC de Quatro Quadrantes:





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Há várias possibilidades de operação, mas é importante ressaltar que o funcionamento da estrutura está relacionado com o tipo de carga entre A e B e a estratégia de comando das chaves. O conversor de 4-Q permite o fluxo de energia entre carga e fonte em qualquer direção pelo controle de k e escolha das chaves. É um conversor extremamente versátil.

S1e S4 estão ligadas:

• A tensão positiva é aplicada à carga aumentando a corrente de carga no sentido positivo.

• Se S1 e desligada, D2 conduz, fazendo com que a corrente decresça na mesma direção positiva.

• Se S4 e desligada, D3 conduz, fazendo com que a corrente decresça na mesma direção positiva.

• S1 e S4 estão ligadas e conduzindo, e são comandadas a bloquear, a corrente indutiva regenerará para fonte através de D1 e D4.

Regenerando carga ativa: S1e S4 estando conduzindo e são comandados a bloquear. A corrente de carga é transferida

para D2 e D3, havendo regeneração da energia armazenada na indutância. Deve-se observar que, mesmo havendo sinal de base ativo, as chaves S2 ou S3 não podem conduzir enquanto a corrente estiver circulando por D2 e D3. Tornando-se nula a corrente por D2 e D3, a energia armazenada em E é dissipada em R, circulando por S2 e D4. Comandando-se S2 a abrir, a energia de E é regenerada para fonte através de D1e D4.





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15.12 Semicondutor de Potência IGBT:

Desde a invenção do primeiro tiristor de junção PNPN, pelos laboratórios Bell em 1957, houve um grande avanço nos dispositivos semicondutores de potência.

Os dispositivos semicondutores de potência devem ser capazes de suportar elevadas

correntes e elevadas tensões reversas em suas operações de chaveamento. Além disso, em muitas aplicações de eletrônica de potência, há ainda a necessidade de se operar os dispositivos semicondutores em elevadas freqüências de chaveamento. Dessa forma, os dispositivos semicondutores devem possuir baixas perdas de potência durante o chaveamento.

Até os anos 70, os tiristores convencionais foram usados de forma exclusiva para o controle de

potência em aplicações industriais. Desde então, vários outros tipos de dispositivos semicondutores de potência foram sendo desenvolvidos e alguns vieram a se tornaram disponíveis comercialmente.

Além dos diodos de potência, e dos tiristores em geral (SCR, GTO, GCT, SITh), em termos de

transistores os dispositivos semicondutores de potência encontram-se atualmente divididos em quatro categorias:

• Transistores Bipolares de Potência; • Transistores de Efeito de Campo de Porta Isolada (MOSFET’s) de Potência; • SIT’s (Static Induction Transistor); • IGBT’s (Insulated Gate Bipolar Transistor).

O IGBT reune em um único componente duas importantes características:

• Característica de comutação dos Transistores Bipolares de Potência; • Característica de elevada impedância de entrada dos transistores de efeito de

campo de porta isolada (MOSFET’s).

O IGBT se torna cada vez mais popular nos circuitos de controle de potência de uso industrial e até mesmo em eletrônica de consumo e embarcada.

Os transistores bipolares de potência possuem características que permitem sua utilização no

controle de elevadas correntes com baixas perdas quando no estado de condução. No entanto trazem certas desvantagens nas aplicações de potência, uma vez que suas características de entrada exigem que as correntes de base sejam elevadas, já que operam como amplificadores de corrente.

Por outro lado, os MOSFET’s de potência podem também controlar potências elevadas, com a

vantagem de serem dispositivos controlados por tensão, tendo assim alta impedância de entrada. A intensidade do campo elétrico gerado pela aplicação da tensão a porta (Gate) controla a largura do canal que dá passagem à corrente elétrica principal. Mas têm como desvantagem que para altas correntes não pode operar em altas velocidades de comutação devida às capacitâncias parasíticas de porta (Gate). Tais capacitâncias parasíticas tendem a aumentar com a elevação da intensidade da corrente que deve ser controlada. No entanto, para baixas correntes de condução através do canal, o MOSFET pode operar com freqüências bastante elevadas, normalmente superiores à freqüência máxima de operação de um Transistor Bipolar de Potência (TBPs).

O IGBT reúne a facilidade de acionamento dos MOSFET’s e sua elevada impedância de

entrada com as pequenas perdas em condução dos Transistores Bipolares de Potência. Sua velocidade de chaveamento é determinada, a princípio, pelas características mais lentas – as quais são devidas às

características dos Transistores Bipolares de Potência. Assim, a velocidade dos IGBT’s é semelhante à dos Transistores Bipolares de Potência; no entanto, nos últimos anos tem crescido gradativamente, permitindo a sua operação em freqüências de até algumas dezenas de kHz, em componentes para correntes na faixa de dezenas e até centenas de Ampères.

Juntando o que há de melhor nesses dois tipos de transistores, o IGBT é um componente que

vem se tornando cada vez mais recomendado para comutação de carga de alta corrente em regime de alta velocidade. De fato, praticamente todos os conversores modernos, sejam conversores CA/CC ou sejam Conversores de Freqüência (CA/CA ou Inversores) têm a unidade de potência constituída principalmente de IGBTs

Abaixo, apresentamos um gráfico cujo conteúdo permite comparações entre os principais

dispositivos semicondutores de potência atuais quanto às suas características de tensão, corrente e freqüência de operação. Nesta figura podemos constatar entre outras coisas que:

• Os tiristores são os dispositivos que conseguem suportar os maiores valores de corrente e

tensão, mas não podem operar em freqüências de chaveamento elevadas;

• Os IGBT’s possuem uma capacidade de suportar maiores tensões e podem operar em freqüências mais altas que os transistores bipolares de potência;

• Os IGBT’s podem suportar maiores tensões e correntes que os MOSFET’s de potência;

• A região de operação segura do IGBT é maior que as regiões reservadas ao MOSFET e ao

transistor bipolar, o que era desejado.

Apresentamos aqui nesta dissertação como operam fisicamente os IGBT’s e apresentaremos o

modelo para descrição do seu funcionamento. Serão também mostradas as páginas do manual de um fabricante de IGBT para ilustrar as características de operação deste dispositivo. Por fim, será apresentada uma aplicação dos IGBT’s em eletrônica de potência para mostrar a utilidade do dispositivo.





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15.13 Operação Física do IGBT: Na figura a seguir, apresentamos a estrutura típica de um IGBT de canal tipo N.

Apresentaremos os princípios relacionados com o dispositivo de canal tipo N. O dispositivo de canal tipo P é análogo e possui uma operação física complementar àquela apresentada para o de canal tipo N.

A estrutura do IGBT é de certa forma semelhante à de um transistor MOSFET. No caso o

IGBT, temos uma dupla difusão de uma região do tipo P e uma do tipo N. Abaixo da região da porta (Gate), uma camada de inversão pode ser formada a partir da

aplicação de uma certa tensão entre a porta e o emissor (emitter), tal como é feito em um MOSFET para fazê-lo entrar em condução.

A principal diferença entre essa estrutura do IGBT e a de um MOSFET é a inclusão de um

substrato P+ (Os símbolo “+” e “-“ ou nenhum são usados para indicar o grau da intensidade de dopagem) onde é conectado o terminal de coletor. Esta mudança tem como efeito a inclusão de características bipolares ao dispositivo. Esta camada P+ tem como objetivo a inclusão de portadores positivos – lacunas – na região de arrasto (Drift region) como é feito em um transistor bipolar do tipo PNP.

Na estrutura do IGBT, é importante notar que o terminal de porta está conectado à duas

regiões – isoladas do material semicondutor através de uma camada isolante de óxido de silício (SiO2) – ao invés de ser apenas uma região como costumamos ver em MOSFET’s. Assim, como veremos, o IGBT apresenta formação de dois canais ao invés de apenas um.

O IGBT é freqüentemente utilizado como uma chave, alternando os estados de saturação (On-state) e corte (Off-state) os quais são controlados pela tensão aplicada ao terminal de porta, assim como em um MOSFET.





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Se aplicarmos uma pequena tensão positiva no terminal de porta em relação ao terminal de emissor, a junção J1 ficará reversamente polarizada e nenhuma corrente irá circular através dessa junção. No entanto, esta aplicação de tensão positiva no terminal de porta faz com que se forme um campo elétrico na região de óxido de silício responsável pela repulsão das lacunas pertencentes ao substrato tipo P e a atração de elétrons livres desse mesmo substrato para a região imediatamente abaixo da porta.

Estrutura do IGBT

Enquanto não houver condução de corrente na região abaixo dos terminais de porta, não haverá condução de corrente entre o emissor e o coletor porque a junção J2 estará reversamente polarizada, bloqueando a corrente. Nesta situação somente uma corrente muito pequena flui entre o coletor e o emissor e a esta corrente damos o nome de corrente de fuga (leakage current).





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Uma característica desta região de operação é a tensão direta de breakdown, determinada pela tensão breakdown da junção J2. Este é um fator extremamente importante, em particular para dispositivos de potência, onde grandes tensões e correntes estão envolvidas. A tensão de breakdown da junção J2 é dependente da intensidade da dopagem da região N- da região de arrasto que é mais levemente dopada que a região tipo P da região de corpo (Body) para garantir um bom nível de tensão de breakdown. Os IGBT’s comerciais geralmente são projetados para tensões de breakdown entre 600 V e 1200 V.

Como vimos, aplicando-se uma tensão positiva entre a porta e o emissor do dispositivo, faz com que um campo elétrico se forme entre o terminal de porta e a porção de semicondutor P logo abaixo da porta. Isso ocorre pois estes elementos estão isolados pelo oxido de silício, que atua como o dielétrico em um capacitor. Assim, na entrada do IGBT temos uma capacitância parasítica e uma corrente de pequena intensidade e de bem curta duração circula pela porta de forma a carregar a capacitância parasítica que existe entre a porta e a porção semicondutora logo abaixo do terminal de porta. Isso ocorre enquanto o campo elétrico está se formando ou variando de intensidade.

Este campo elétrico atrai alguns elétrons livres da própria região tipo P e alguns elétrons livres das porções N+ localizadas dentro desse substrato P, em virtude do fato de essa região estar fortemente dopada. Ao aumentarmos a tensão entre a porta e o emissor, conseqüentemente, aumentamos a intensidade desse campo elétrico, e mais portadores negativos serão atraídos para a região imediatamente abaixo do terminal de porta.

Quando a tensão entre a porta e o emissor atinge um determinado valor limite – que depende

do dispositivo – conhecida como tensão de limiar (threshold voltage), simbolizada por Vth, a quantidade de elétrons livres atraídos pelo campo elétrico é tamanha que a região imediatamente abaixo da porta acaba por se transformar do tipo P para o tipo N, fenômeno conhecido como inversão – sendo a camada que sofreu o processo recebe o nome de camada de inversão, mais comumente conhecida como canal.

Com a formação deste canal, temos uma ligação do tipo N entre a pequena região N+ e a região de arrasto. Tal canal permite a condução de corrente através de uma pequena região na junção J1 que estava reversamente polarizada antes de a tensão entre porta e emissor atingir o valor limiar. Dessa forma, elétrons serão transportados através deste canal até a região de arrasto onde irão fazer parte da corrente que circula pela junção J3 que está diretamente polarizada, fazendo com que o “diodo” formado pela junção J3 entre em condução. Com este efeito, temos que a camada P+ conectada ao coletor injeta lacunas (cargas positivas) na região de arrasto N-.

Essa injeção de lacunas da região de arrasto causa a modulação da condutividade da região de arrasto onde as densidades de ambos os portadores, elétrons livres e lacunas, atingem valores muito mais elevados que àquela que a região N- geralmente apresenta. É esta modulação de condutividade que dá ao IGBT sua baixa tensão de condução entre os terminais de coletor e emissor (VCE) do IGBT por causa da reduzida resistência da região de arrasto – isto se deve ao fato de que a condutividade de um material semicondutor é proporcional à densidade de portadores deste material. Assim, o IGBT poderá drenar correntes elevadas com poucas perdas de potência, assim como o que ocorre em um transistor bipolar.

Algumas das lacunas injetadas na região N- são recombinadas nesta mesma região com os elétrons livres desta camada. No entanto, a maior parte das lacunas que alcançam a região não se recombinam e alcançam a junção J2 que está reversamente polarizada. Assim, as lacunas encontram um campo elétrico favorável ao seu movimento, justamente por causa da polarização reversa da junção. Com este campo elétrico da junção J2, as lacunas serão arrastadas por meio da corrente de difusão pela região de arrastamento atravessando a junção J2 até serem coletadas pela região do tipo P onde está conectado o terminal de coletor.

Esta operação física do IGBT é ilustrada na figura apresentada abaixo:

Analisando a figura acima e verificando como é a operação física do IGBT, podemos facilmente deduzir um modelo para descrever o funcionamento do dispositivo usando apenas componentes eletrônicos conectados de forma a funcionar de modo equivalente ao IGBT. Olhando a figura acima, vemos que temos ao longo do dispositivo três fatias de semicondutores formando uma junção PNP que é a mesma que forma um transistor bipolar de potência cuja base é conectada à região central e os terminais de coletor e emissor são conectados do mesmo modo que no TBP. Na parte de cima da figura, temos uma estrutura que opera exatamente como um MOSFET de potência cuja corrente de dreno é injetada na região de arrastamento que corresponde à base do transistor PNP de potência que temos ao longo do IGBT. Essa corrente de dreno do MOSFET atua como o disparo do transistor. Assim, podemos modelar o IGBT pelo circuito equivalente da figura abaixo.

Operação Física do IGBT

A figura 3 (b) mostra um modelo mais completo para o circuito equivalente do IGBT que inclui o transistor parasita pela região tipo N+ da fonte do MOSFET, a região de corpo do MOSFET do tipo P e a região de arrastamento tipo N-. Neste modelo também é apresentada a resistência lateral da região tipo P da região de corpo. Se a corrente fluindo através dessa resistência for elevada o suficiente, teremos uma queda de tensão que irá polarizar diretamente a junção entre esta camada semicondutora e a região N+ ativando o transistor parasita que forma um tiristor parasita juntamente com o transistor PNP principal da estrutura do IGBT. Uma vez que o tiristor tenha sido disparado, há uma elevada injeção de elétrons livres oriundos da região tipo N+ na região tipo P do substrato do MOSFET, fazendo com que a tensão de gate não influa mais na operação do dispositivo – assim como o que ocorre com os tiristores – fazendo com que o controle da operação do IGBT seja perdido. Este fenômeno – denominado latch-up –, quando ocorre, geralmente conduz à destruição do dispositivo. Geralmente, os fabricantes de IGBT constroem o molde da superfície do emissor em forma de uma





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tira estreita, enquanto que a geometria utilizada em MOSFET’s é baseada em células concentradas, tal fato permite que se evite o disparo do tiristor parasita existente na estrutura do IGBT.

Na figura apresentada a seguir, temos o símbolo utilizado em circuitos para designar o IGBT.

Neste símbolo vemos detalhes que lembram tanto o símbolo usado para transistores bipolares como o símbolo usado para MOSFET’s. Também apresentamos um desenho do aspecto do IGBT produzido como componente discreto pela International Rectifier.

IGBT produzido pela empresa International Rectifier

Os IGBT’s são componentes usados principalmente como comutadores em conversores CA/CC,

conversores de freqüência, inversores etc. Nestas aplicações, normalmente uma carga indutiva é ligada e desligada, podendo com isso aparecer tensões inversas elevadas, contra as quais o dispositivo deve ser protegido. Essa proteção é feita com o uso de diodos ligados em paralelo com o coletor e o emissor para evitar que uma elevada tensão reversa seja aplicada ao IGBT. Quando o IGBT liga novamente, o fluxo de corrente no diodo funciona inicialmente como se fosse praticamente um curto. A carga armazenada tem que ser removida inicialmente para que o diodo bloqueie a tensão. Isso faz com que apareça uma corrente que se soma à corrente de carga a qual é chamada de corrente reversa de recuperação do diodo IRR. O máximo de corrente IRR ocorre quando a soma das tensões instantâneas sobre o IGBT e o diodo se iguala à tensão de alimentação. Quando o IGBT desliga, o resultado é uma variação de corrente, e isso faz com que o pico de sobretensão apareça devido à variação de corrente nas indutâncias parasitas. Este pico de tensão é responsável por perdas e exige um aumento no tempo morto entre a condução de dois dispositivos semelhantes quando estes são usados numa configuração de meia-ponte, como o que será mostrado no exemplo de aplicação desse dispositivo.

Um ponto importante que deve ser levado em consideração em todo dispositivo de comutação é

o Efeito Miller. O Efeito Miller nada mais é do que a realimentação da tensão entre coletor-emissor (VCE)

através da capacitância existente entre a porta e o coletor do dispositivo (CGC). Isso que dizer que uma variação da tensão entre o coletor e emissor (VCE) tem o mesmo efeito

que uma fonte de corrente interna no circuito de polarização , onde a intensidade desta corrente é dada pela expressão:

( )t

V V C I CE

CEGCG ∂∂

=

Infelizmente, CGC não è constante, mudando de valor com a tensão entre coletor e emissor. As

maiores variações de CGC ocorrem justamente com pequenas tensões entre emissor e coletor. Em conseqüência disso temos explicações para alguns comportamentos do IGBT:





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Quando o IGBT liga (turn-on) - partindo de Vce alto e VGE igual a zero ou negativo – com uma

corrente constante carregando a porta, um aumento linear da tensão de porta é obtido. Com a queda da tensão entre coletor e emissor VCE a corrente de polarização de porta é usada

para carregar CGC, e a tensão de porta permanece constante. Mais tarde, quando a tensão entre o coletor e o emissor cai, CGC aumenta de valor de tal forma

que, uma pequena variação de VCE é suficiente para levar a um aumento da corrente de porta. Somente quando a corrente necessária à carga se reduz novamente é que a tensão de porta aumenta.

Quando o IGBT desliga - partindo de VCE baixa, VGE positiva ou maior que a tensão limiar –

Vth – a tensão de porta inicialmente decresce quase que linearmente (pela fonte de corrente constante de descarga). A diminuição da capacitância a qual ocorre com o aumento da carga, resulta em aumento da tensão. Como existe uma fonte de polarização que está drenando corrente da porta, a tensão entre porta e emissor se mantém constante.

Em conseqüência, VCE aumenta e a maior parte da corrente de descarga da porta é usada para

manter a tensão de porta constante. O processo de carga termina quando VCE alcança a tensão de operação.

É devido ao Efeito Miller que a corrente de porta durante a comutação (ligado ou desligado) é

usada antes de tudo para mudar a carga CGC. Isto explica porque, carregando ou descarregando , a porta tem sua velocidade de resposta reduzida. Deve ser mencionado que as mudanças de CGC e VCC regulam por si próprias de tal forma que apenas a corrente disponível na porta é usada. Isso esclarece porque um resistor de grande valor ligado em série com a porta faz que todos os eventos que envolvam a comutação de uma IGBT tenham seu tempo de duração aumentado.

As características de tensão e corrente de um IGBT se assemelham muito com as características

de um transistor MOSFET e de um transistor bipolar de potência. Para uma visualização das características de um IGBT real, apresentamos aqui o manual dos IGBT’s fabricados pela Mitsubishi, no formato .PDF. 15.14 Aplicações do IGBT – Um Inversor de Tensão:

Uma das aplicações do IGBT das mais utilizadas em eletrônica de potência é na construção de inversores de tensão, os quais produzem tensão alternada através de tensão contínua. Tal processo é muito utilizado em sistemas de transmissão de energia elétrica CA na construção de filtros ativos de potência e em sistemas de transmissão HVDC (High Voltage Direct Current). A Usina de Itaipu pertencente ao Brasil e ao Paraguai (que durante muitos anos foi a maior usina hidrelétrica do mundo) produz energia com o sistema de corrente alternada, sendo que metade da produção (pertencente ao Brasil) é gerada em 60Hz e a outra metade (pertencente ao Paraguai) é gerada em 50Hz. No entanto, boa parte da energia produzida pela parte paraguaia é vendida ao Brasil que consome tensão alternada em 60Hz. O problema foi resolvido instalando-se um retificador de potência que transforma a tensão a ser transmitida em tensão contínua e a energia é transmitida em DC até os centros consumidores (o principal é a cidade de São Paulo) onde é novamente alternada, agora em 60Hz para ser enviada aos transformadores que irão abaixar a tensão para a distribuição entre os consumidores de energia. Este inversor de tensão pode geralmente ser construído com o uso de GTO’s (Gate Turn-Off Thyristor) ou IGBT’s. No caso de inversores de tensão que serão aplicados na construção de filtros ativos de potência dá-se preferência ao emprego de IGBT’s devido à sua possibilidade de operar em elevadas freqüências.

http://www.gta.ufrj.br/grad/01_1/igtb/IGBT_manual.pdf

O bloco básico de construção de um inversor de tensão usando IGBT’s é apresentado no esquema abaixo:





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As tensões de porta de cada um dos IGBT’s são controladas a partir de uma Máquina de

Estados Finitos, onde cada estado corresponde ao chaveamento de:

• Sempre três (e apenas três) IGBT’s são ligados simultaneamente de cada vez; • Nunca são ligados simultaneamente dois IGBT’s da mesma associação em série; • Nunca são acionados simultaneamente todos os três da parte de cima, nem todos os três

da parte de baixo;

A ordem de chaveamento é mostrada na tabela a seguir:

GQ1 GQ2 GQ3 GQ4 GQ5 GQ6

1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0

AB

C

Nos gráficos apresentados a seguir temos as tensões que são conectadas para a carga por cada

uma das chaves com o intervalo de tempo da comutação e a tensão total entre a fase C e o neutro da associação em Y na saída do transformador apresentado na figura acima.

Assim, vemos que a forma de onda da tensão na fase C com respeito ao neutro é formada por seis segmentos idealmente retos, como mostrado na figura. Por isso, este bloco funcional é denominado de um inversor de 6 segmentos. As formas de onda nas demais fases apresentam a mesma forma de onda que a da fase C, com apenas uma diferença de fase de 120° de uma em relação à outra.

Esta forma de onda na saída é semelhante a uma forma de onda senoidal, embora ainda possua muita distorção harmônica (possui componentes harmônicos de freqüências mais altas). Para melhorar o desempenho do inversor, geralmente o que se usa é a associação de mais blocos de inversores de 6 segmentos como o mostrado acima em série, da seguinte forma apresentada na figura abaixo:





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Cada um dos inversores mostrados na figura acima é idêntico ao inversor de 6 segmentos do

esquema anterior e geram as mesmas formas de onda. No entanto, o primeiro transformador é do tipo Y-Y, fazendo com que a forma de onda na saída não apresente nenhuma defasagem com relação ao sinal original; já no caso do segundo transformador do tipo Δ-Y, temos que a saída será defasada em 30° com relação à forma de onda original. Assim, a saída deste inversor será formada pela forma de onda de 6 segmentos normal somada a esta mesma forma de onda deslocada de 30°, o que irá gerar uma forma de onda na saída de 12 segmentos como mostrado abaixo:

Como podemos ver, essa forma de onda se aproxima mais de uma senóide do que a forma de onda anterior. Para suavizar esta forma de onda de modo que ela se aproxime mais de uma forma senoidal, é necessário que ser utilize um filtro passa-baixas, que elimine as componentes de altas freqüências, as quais são responsáveis pelas transições abruptas dessa forma de onda e causam um elevado fator de distorção harmônica.

Este exemplo foi apresentado aqui para ilustrar uma forma de aplicação do IGBT na prática,

como uma chave em aplicações de elevadas potências.

Allenz 2005-2007





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teoria 15 chopper pwm igbt

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