Componentes semicondutores em Eletrônica de Potência

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1 Componentes semicondutores em Eletrônica de Potência Diodo MOSFET IGBT Prof. Cassiano Rech 1

2 Introdução O que é um conversor estático de potência? Um conversor estático pode ser definido como um sistema constituído por elementos passivos (resistores, capacitores, indutores,...) e elementos ativos (interruptores), associados de uma forma préestabelecida para o controle de fluxo de energia elétrica Interruptores i + v - ESTÁGIOS DE OPERAÇÃO Aberto, desligado ou bloqueado Fechado, ligado ou conduzindo Durante a comutação entre os estágios descritos acima 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) Prof. Cassiano Rech 2

3 Introdução Operações básicas desejadas Operação em um quadrante Diodo i v Operação em dois quadrantes com corrente bidirecional MOSFET IGBT com diodo em anti-paralelo i v Operação em dois quadrantes com tensão bidirecional i Operação em quatro quadrantes i Tiristor v Arranjo de diodos com transistores v Prof. Cassiano Rech 3

4 Introdução Prof. Cassiano Rech Fonte: Mohan, Undeland, Robbins, Power Electronics, Second edition. 4

5 Semicondutores de Potência Evolução S Fonte: BOSE, Bimal K. Power electronics and motor drives: advances and trends. Prof. Sérgio Vidal G. Oliveira ( SiC ) 5

6 Semicondutores de Potência Evolução IGCT GTO Potência processada (VI) THYRISTOR IGBT IPM IGBT DISCRETE Fonte: BOTTENBERG, A. L.; OLIVEIRA, S.V.G. Conversor matricial indireto para acionamento de motor de indução trifásico. Disponível em: < TRIAC POWER MOSFET Prof. Sérgio Vidal G. Oliveira Freqüência de comutação [Hz] 6

7 O diodo de potência Símbolo A Característica i-v ideal i Característica i-v real on off v K Operação em um quadrante Dispositivo não controlado, que comuta em resposta ao comportamento do sistema O diodo entra em condução quando a tensão v ak torna-se positiva Permanece em condução até o instante que a corrente se tornar negativa Não são facilmente operados em paralelo, devido aos seus coeficientes térmicos de condução serem negativos Pode conduzir reversamente durante um tempo t rr, que é especificado pelo fabricante Prof. Cassiano Rech 7

8 O diodo de potência Característica dinâmica de um diodo de potência Na entrada em condução (turnon), o diodo pode ser considerado um interruptor ideal pois ele comuta rapidamente; No bloqueio, a corrente no diodo torna-se negativa por um período, chamado de tempo de recuperação reversa, antes de se tornar nula e o diodo bloquear; Durante esse período, são removidos os portadores de carga armazenados na junção durante a condução direta. Prof. Cassiano Rech Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Second edition 8

9 O diodo de potência 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) Prof. Cassiano Rech 9

10 O diodo de potência Fonte: International Rectifier ( Prof. Cassiano Rech 10

11 Semicondutores de Potência Transistores de potência Comutação de um interruptor ideal Perdas em condução ton Pon = Von Io = Von Io D Ts Perdas de comutação 1 P s = Vd. Io. fs. tc( on ) + tc( off 2 Prof. Sérgio Vidal G. Oliveira [ )] Fonte: MOHAN, N; UNDELAND, T. M; ROBBINS, W. P. Power electronics: converters, applications, and design.2nd ed. New York : John Wiley, c1995. xvii, 802 p, il. 11

12 Semicondutores de Potência Características desejáveis em interruptores totalmente controlados reduzida corrente de fuga reduzidas dv/dt e di/dt reduzida queda de tensão direta não haver sobreposição de tensão e corrente na comutação alta capacidade de bloqueio Prof. Sérgio Vidal G. Oliveira circuito de comando simplificado coeficiente de temperatura positivo 12

13 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor Símbolo D (dreno) Característica i-v ideal i Característica i-v real G (gate) S (source) on off v on (condução reversa) Semicondutor totalmente controlado, através de uma tensão aplicada entre gate e o source Quando uma tensão v gs adequada é aplicada, o MOSFET entra em condução e conduz correntes positivas (i > 0) Com a remoção da tensão v gs, o MOSFET bloqueia tensões positivas (v ds > 0) Prof. Cassiano Rech 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 R DSon possui coeficiente de temperatura positivo, facilitando a operação em paralelo 13

14 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor Circuito equivalente de um MOSFET C gs : elevada e praticamente constante C gd : pequena e altamente não linear C ds : 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 é dependente da taxa de variação da tensão v gs (definida pelo circuito de comando) A capacitância C ds leva a perdas de comutação, uma vez que a energia armazenada nessa capacitância é geralmente perdida durante a entrada em condução do MOSFET (turn-on capacitive losses) Prof. Cassiano Rech 14

15 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor Prof. Cassiano Rech Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Second edition MOSFETs possuem reduzidos tempos de comutação (freqüências típicas de dezenas à centenas de khz) R DSon aumenta rapidamente com o aumento da tensão v ds suportável MOSFETs normalmente são para aplicações com tensão v ds < 500 V Muitas vezes, um MOSFET é escolhido pelo valor de sua resistência em condução ao invés da especificação de corrente 15

16 IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor Símbolo C (coletor) Característica i-v ideal i Característica i-v real G (gate) off on off v E (emissor) Quando uma tensão v ge adequada é aplicada, o IGBT entra em condução, conduzindo correntes positivas (i > 0) Quando a tensão v ge é removida, o IGBT bloqueia, podendo suportar tensões negativas Prof. Cassiano Rech 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) 16

17 IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor Características dinâmicas do IGBT Prof. Cassiano Rech 17

18 IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor Prof. Cassiano Rech Fonte: Powerex 18

19 IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Second edition Prof. Cassiano Rech Fonte: Powerex 19

20 Cálculo de perdas nos componentes 20 Prof. Yales Rômulo de Novaes

21 Dimensionamento dos interruptores Pré-escolha dos semicondutores: a) A pré-escolha é feita com base no valor médio de corrente e tensão de bloqueio. b) Posteriormente, com uma população de opções reduzida, verifica-se as características estáticas (RDson ou VF ou Vce) c) Verifica-se também as caracterísicas dinâmicas do semiconduitor (tr, tf), de recuperação reversa (trr, Irr) ou energia envolvida nas comutações (datasheet). 21 Prof. Yales Rômulo de Novaes

22 Dimensionamento dos interruptores 22 Prof. Yales Rômulo de Novaes

23 Dimensionamento dos interruptores 23 Prof. Yales Rômulo de Novaes

24 Dimensionamento dos interruptores Uma vez realizada a pré-escolha, determinam-se as perdas totais, perdas relativas ou eficiência e Rth do dissipador. Os resultados podem ser validados via simulação numérica (modelos mais completos). A utilização de semicondutores em paralelo/série é factível e pode ser necessária (existem outras soluções para estes casos - topologias). Atenção, alguns fabricantes oferecem a opção livre de chumbo (lead free!) A escolha entre IGBT ou MOSFET deve ser feita através de cálculo. Nos dias atuais, MOSFETS (Si) têm baixas perdas de condução até 600V ou CoolMOS até 1200V. 24 Prof. Yales Rômulo de Novaes

25 Dimensionamento dos interruptores Sobre o cálculo de perdas de condução: p(t) = v(t) i(t) Valor instantâneo, [W] P 1 = v(t) i(t)dt Ts Valor médio, [W] 25 Prof. Yales Rômulo de Novaes

26 Sobre o cálculo de perdas de condução: Para um MOSFET com modelo de condução: 1 P = v(t) i(t)dt Ts Aproximação para pequenas ondulações: 1 D Ts P = IL 0 med ILmed R DSONdt Ts P = IL R D 2 med DSON IL ef IL med Prof. Yales Rômulo de Novaes Formas de onda típicas da corrente no 26 interruptor de um conversor Boost em CCM

27 Sobre o cálculo de perdas de condução: Mas sabemos que: P = IS R 2 ef DSON 1 D Ts 2 ISef = IL 0 med dt Ts IS = IL D ef med P = IL D R 2 med DSON 27 Prof. Yales Rômulo de Novaes

28 Sobre o cálculo de perdas de condução: Assim, para um MOSFET ou outro componente com característica de condução puramente resistiva vale: P = IS R 2 ef DSON 28 Prof. Yales Rômulo de Novaes

29 Sobre o cálculo de perdas de condução: O que não deve ser feito: P = IS R med 2 med med DSON IS = IL D P = IL D R 2 2 med DSON IL D R IL D R med DSON med DSON 29 Prof. Yales Rômulo de Novaes

30 Sobre o cálculo de perdas de condução: Atenção RDSon varia com a temperatura 30 Prof. Yales Rômulo de Novaes

31 Sobre o cálculo de perdas de condução: E para IGBTs ou diodos? Seja o modelo de condução: Em alta frequência e correntes não muito altas, RF pode ser desprezado. P 1 = Ts v(t) i(t)dt Para pequenas ondulações (ripple) VCE é quase constante: 1 D Ts P = IL 0 med VCE dt Ts P = IL V D med CE 31 Prof. Yales Rômulo de Novaes

32 Sobre o cálculo de perdas de condução: Mas achamos que: P = IS V med CE 1 D Ts ISmed = IL 0 meddt Ts IS = IL D med med P = IL D V e que está correto med CE 32 Prof. Yales Rômulo de Novaes

33 Sobre o cálculo de perdas de condução: O que não deve ser feito: P = IS V 2 ef CE 1 D Ts 2 ISef = IL 0 med dt Ts IS = IL D ef med P = IL D V 2 med CE IL D V IL D V 2 med CE med CE 33 Prof. Yales Rômulo de Novaes

34 No caso de componentes com modelo do tipo diodo ou IGBT e em situações em que ocorre grande variação de corrente enquanto o interruptor estiver em condução, pode-se considerar a utilização da curva VCE(IC, Tj). Com o auxílio de programa numérico e do gráfico, é possível aproximar a curva para uma expressão do tipo (ou maior ordem): Sobre o cálculo de perdas de condução: V (Ic) = V + Ic R CE CE F 0 Dessa forma obtém-se maior precisão no cálculo de perdas, pois VCE é variável com a corrente. 34 Prof. Yales Rômulo de Novaes

35 Comentários finais Atenção para o Absolute Maximum Ratings Prof. Yales Rômulo de Novaes 35

36 Comentários finais A tensão de bloqueio do interruptor depende da topologia do conversor (não é sempre Vi ou Vo!) Respeitar SOA (Safe Operating Area) Perdas de comutação (próxima aula) dependem da topologia e modo de operação do conversor 36 Prof. Yales Rômulo de Novaes

37 Comentários finais Alguns fabricantes de semicondutores: International Rectifier SGS Thomson (ST micro) Motorola (On Semiconductor) Infineon Semikron Ixys Powerex Microsemi Intersil Dynex ABB 37 Prof. Yales Rômulo de Novaes

38 Comentários finais a) Para o IGBT da figura abaixo, obtenha os parâmetros de uma expressão que represente adequadamente a curva da tensão VCE em função da corrente Ic (125 oc). 38 Prof. Yales Rômulo de Novaes

39 Cálculo térmico Perdas nos semicondutores: Condução associada à potência processada pelo conversor Comutação associada à freqüência de comutação do conversor significativa para conversores de alta freqüência (khz) Propósito do cálculo térmico: Calcular um sistema de dissipação que evite que a temperatura de junção ultrapasse o máximo valor permitido na pior condição de temperatura ambiente na pior condição de operação 39 Prof. Leandro Michels

40 Cálculo térmico Verificar as duas condições: Regime permanente: Potência média evitar que a temperatura da junção ultrapasse o valor máximo pela falta de tamanho do dissipador Regime transitório: Potência de pico evitar que a temperatura da junção ultrapasse o valor máximo pela dificuldade de transferir rapidamente o calor da junção para o dissipador 40 Prof. Leandro Michels

41 Cálculo térmico regime permanente Circuito elétrico equivalente: Legenda: P potência T temperatura R resistência térmica Rja Índices: j junção semicondutora c encapsulamento (case) d ou s dispositivo (device) ou dissipador (sink) a ambiente Prof. Leandro Michels Dispositivos sem dissipador disponibilizam o valor de R ja 41

42 Cálculo térmico regime permanente Projeto: 1) Dados T j, T a e P, calcular R ja P calculado a partir da corrente que circula pelo dispositivo, empregando os dados de catálogo T j obtido a partir do valor máximo obtido no catálogo do semicondutor T a obtido considerando-se a máxima temperatura ambiente de operação do conversor R ja = T j T P a 42 Prof. Leandro Michels

43 Cálculo térmico regime permanente 2) Dados R ja, R jc e R cd, calcular R da R ja obtido da etapa anterior R jc obtido no catálogo do semicondutor R cd obtido no catálogo do semicondutor Rda = Rja Rjc Rcd 3) Dado R da, obter um dissipador cuja resistência térmica seja menor (em dissipadores de comprimento ajustável, calcular o comprimento mínimo) Prof. Leandro Michels 43

44 Cálculo térmico regime permanente Dissipadores de alumínio (ex. HS Dissipadores) Escolha do perfil e valores da resistência (comprimento de 4 polegadas) Compensação por uso de ventilação forçada Ex.: 0.73 o C/W 44

45 Cálculo térmico regime permanente Dissipadores de alumínio: Compensação da diferença de comprimento Prof. Leandro Michels 45

46 Cálculo térmico regime permanente Dissipadores de alumínio: Compensação da altitude (ar rarefeito) Prof. Leandro Michels 46

47 Cálculo térmico considerações finais Regras práticas: Impedir que a temperatura da junção ultrapasse o valor de 80% o valor máximo permissível (aumenta o MTBF do dispositivo) T a deve ser considerado o valor de 40º para instalação em ambiente ventilado ou um valor maior para conversor instalado em ambiente enclausurado Caso seja preciso isolar o dispositivo do dissipador, usar isolante (mica, teflon, mylar). Considerar sua resistência térmica Recomenda-se usar pasta térmica para evitar bolhas de ar entre o dispositivo e o dissipador 47 Prof. Leandro Michels

48 Cálculo térmico Múltiplos componentes 48