Prof. Amauri Assef. UTFPR Campus Curitiba 1

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA Disciplina de Eletrônica de Potência ET66B Aula 20 Chaves Eletrônicas 1

2 Eletrônica de Potência DIAC DIAC O DIAC é um tiristorbidirecional (capaz de bloquear ou conduzir uma corrente nos dois sentidos) bastante utilizado na proteção de circuitos e no disparo de TRIACs Conduz quando recebe uma tensão maior que sua tensão de trabalho V BO, sendo ela positiva ou negativa Curva característica Exemplo: DB3 (DO-35) V BO = 28V a 36V 2

3 Eletrônica de Potência MOSFET de Potência MOSFET de Potência Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor O MOSFET é uma chave ativa com camadas semicondutoras N e P, cujo controle de condução é feito por um terminal isolado chamado de gate (porta) É um semicondutor totalmente controlado, através de uma tensão aplicada entre o gatee o source 3

4 Eletrônica de Potência MOSFET de Potência 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 Símbolo (Canal N) Curva v x i (ideal) Curva v x i (real) G(gate) D(dreno) S (source) 4

5 Eletrônica de Potência MOSFET de Potência Possui um diodo intrínseco em anti-paralelo, também conduzindo correntes negativas O diodo intrínseco possui tempo de comutação maiores do que o MOSFET A resistência de condução R DSon possui coeficiente de temperatura positivo, facilitando a operação em paralelo 5

6 Eletrônica de Potência MOSFET de Potência Diodo intrínseco em anti-paralelo A junção p-n - resulta em um diodo em anti-paralelo (bodydiode) com sentido de condução dreno-source Assim, uma tensão negativa dreno-source polariza diretamente este diodo, com capacidade de conduzir a corrente nominal do MOSFET Mas,os tempos de recuperação deste diodo são normalmente significativos Aselevadas correntes que fluem durante a recuperação reversa do diodo podem causar danos ao componente 6

7 Eletrônica de Potência MOSFET de Potência Circuito de prevenir a condução do diodo intrínseco Característica do MOSFET de potência MOSFET de potência e bodydiode Uso de diodos externos para prevenir a condução do diodo intrínseco 7

8 Eletrônica de Potência MOSFET de Potência Circuito equivalente do MOSFET C gs : elevada e praticamente constante C gd : pequena e altamente não linear C ds : média e altamente não linear Os tempo de comutação são determinados pelo tempo necessário para carregar e descarregar estas capacitâncias 8

9 Eletrônica de Potência MOSFET de Potência Características de MOSFETs de Potência comerciais R DSon aumenta rapidamente com o valor de Vdssuportável Os MOSFETS normalmente são utilizados para aplicações com Vds < 400V 9

10 Eletrônica de Potência MOSFET de Potência Exemplo: 10

11 Eletrônica de Potência MOSFET de Potência Conclusões: A principal vantagem dos MOSFETsé que são acionados por nível de tensão, ou seja, não há necessidade de grandes potências no circuito de disparo, resultando em circuitos para disparo mais simples Estes semicondutores estão disponíveis em faixas de até mais de 1000V, porém com baixas potências, da ordem de 100W, e baixas tensões Os tempos de comutação são de 50n a 200 ns. Em tensões superiores a 400 e 500V, os dispositivos formados por portadores minoritários (IGBT por exemplo) possuem uma queda direta menor. A única exceção é em aplicações onde a velocidade de comutação é mais importante do que o custo do semicondutor para obter queda em condução aceitável. 11

12 Eletrônica de Potência GTO Tiristores Gate-turn-off(GTO) Os GTOs, basicamente, são SCRscom controle de desligamento, ou seja, possuem mais um terminal de porta, que serve para parar sua condução. A figura a seguir ilustra seu símbolo, bem como um circuito simplificado típico de supressão (snubber), obrigatório neste caso, que reduz os picos de tensão quando conectado a cargas indutivas. 12

13 Eletrônica de Potência GTO Necessitam circuito de disparo mais complexo, devido aos parâmetros de tempo de disparo e de desligamento, e elevada corrente de desligamento (baixo ganho) Utilizado em circuitos de alta potência, uma vez que pode trabalhar com tensões acima de 4,5kV, altas correntes (ka) e a uma frequência de chaveamento de algumas centenas de Hertz a 10kHz 13

14 Eletrônica de Potência IGBT IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Os IGBTs(Transistores Bipolares com GateIsolado) são semicondutores que combinam as características dos BJT com as dos MOSFETs Símbolo Circuito equivalente C(coletor) G(gate) E(emissor) 14

15 Eletrônica de Potência IGBT Quando uma tensão V ge adequada é aplicada, o IGBT entra em condução, conduzindo correntes positivas (i > 0) Quando uma tensão V ge é removida, o IGBT bloqueia,podendo suportar tensões negativas Tempos de comutação maioresdo que os MOSFETs Aplicávelonde se desejam elevadas tensões entre o coletor e emissor Dispositivocom características de coeficiente de temperatura positivo, facilitando o paralelismo (também existem com coeficiente negativo) 15

16 Eletrônica de Potência IGBT Os IGBTs, como os BJTs, têm baixas tensões de acionamento/desligamento, trabalhando com altas tensões (1000V, por exemplo) Tempos de chaveamento estão na ordem de 1μs, em blocos com tensão e corrente de 1700V e 1200A (> MOSFETs) Outra característica aproveitada do MOSFET é que o circuito de acionamento precisa de baixas correntes de acionamento Atualmente as freqüências típicas de conversores com IGBT são de 1 a 30 khz O preço pago por reduzir a tensão direta do IGBT é o aumento dos tempos de comutação, especialmente os tempos de desligamentos O IGBT no desligamento apresenta uma corrente de calda current tailing. 16

17 Eletrônica de Potência IGBT Características dinâmicas (corrente de calda) 17

18 Eletrônica de Potência IGBT Características de IGBT comerciais 18

19 Eletrônica de Potência IGBT Exemplo: 19

20 Conclusões: Eletrônica de Potência IGBT Está se tornando o dispositivo de escolha para aplicações entre 500 e 1700V, com níveis de potência de 1 a 1000kW Coeficiente de temperatura positivo para alta corrente facilidade no paralelismo e construção de módulos Facilidade no drive similar ao MOSFET Queda de tensão direta: diodo em série com a on-resistance: 2-4V típico Mais lento que o MOSFET, porém mais rápido que o GTO, Darlingtone SCR Frequência de chaveamento típica entre 1 a 30 khz A tecnologia do IGBT está avançando rapidamente com dispositivos para maiores frequências e tensões (> 2500V) 20