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 19 Chaves Eletrônicas 1

2 Conversão Estática e Processamento de Energia Ação dos dispositivos de processamento de energia => interruptores Para o processamento de energia, é necessário em diversas aplicações, ações diferentes de controle para os dispositivos interruptores Chave SPST (single-polesingle-throw)-polaridades de tensão e corrente definidas Todos os dispositivos semicondutores de potência funcionam com chaves SPST 2

3 Quadrantes de operação: Exemplo de operação da chave em um quadrante: ON-state: OFF-state: i v > > 0 0 3

4 Quadrantes de operação: 4

5 Três maneiras de implentar chaveamento em 4 quadrantes: 5

6 Área de atuação Potência x Frequência: Observa-se que as dificuldades do processamento estático de energia aumentam com a potência processada e freqüência de operação dos interruptores 6

7 Dispositivos semicondutores de potência: 1. Diodos de potência 2. MOSFETs de potência 3. Transistores Bipolares de potência (BPT) 4. Insulated Gate Bipolar Transistors(IGBTs) 5. Tiristores(SCR, GTO, TRIAC, DIAC, MCT) Resistência de condução x tensão de ruptura x tempos de comutação Portadores minoritários e dispositivos de portadores majoritários 7

8 Diodo de potência: Chave passiva Operação em um quadrante Conduz quando diretamente polarizado e bloqueia quando i<0 V AC > 0 Circuito equivalente Característica estática ideal 8

9 Diodo de potência: Polarização reversa - bloqueio Característica estática real Polarização direta - condução 9

10 Características dinâmicas (considera-se D real): Tempo de recuperação reversa-t rr Bastante significativo em aplicações de chaveamento em alta velocidade provocam substâncias perdas e sobrecorrentes O diodo real não passa, em um único instante, do estado de condução para o de não-condução (comutação abrupta) Nesse momento uma corrente reversa flui por um breve período, e o diodo continua conduzindo devido aos portadores minoritários que permanecem na junção pne no material semicondutor propriamente dito Os portadores minoritários requerem um certo tempo para recombinar com as cargas opostas e ser neutralizados C Capacitância de recuperação do diodo (da junção) Q rr carga armazenada em C durante condução 10

11 Características dinâmicas (considera-se D real): V FP V FP : máxima tensão direta na entrada em condução t r : tempo de recuperação reversa Q r : carga armazenada na capacitência de junção 11

12 Classificação quanto ao tempo de recuperação: Diodos lentos (standard-recovery) t rr > 1 μs Line frequencydiodes operação em baixa frequência, geralmente menor que 1 khz (50 ou 60Hz) Diodos rápido (fast-recovery) t rr < 200 ns Soft-recovery Variação de corrente suavizada para evitar picos de tensão Diodos ultra-rápidos (ultrafast-recovery) t rr < 70 ns Aplicação em fontes chaveadas Pode-se reduzir o circuito snubberde proteção Diodo Schottky (baixa tensão e elevada frequência) Possuem uma baixa queda de tensão de condução, tipicamente de 0,3V Baixo tempo de recuperação (Q r 0) baixa perdas por condução Circuitos Snubbers menores e menos dissipativos Aplicação em fontes de baixa tensão, nas quais as quedas sobre os retificadores são significativas 12

13 Exemplo de alguns diodos de potência comerciais: 13

14 Transistor Bipolar De Potência (BPT): Sempre do tipo NPN (menores perdas) Foram os primeiros semicondutores de potência totalmente controlados utilizados comercialmente em conversores estáticos; O BPT pode conduzir corrente somente em uma direção, e quando em estado bloqueado suporta somente tensões positivas, ou seja, ic>0 e vce >0; Em condução: Junções base-emissor e coletor-base são polarizadas diretamente; Em bloqueio: corrente de base nula ou junção base-emissorpolarizada reversamente. Coletor Base Emissor 14

15 Transistor Bipolar De Potência (BPT): 15

16 Chaveamento do BPT: Corrente de base ideal 16

17 Configuração BPT Darlington: Aumenta o ganho de corrente, para aplicações de alta tensão Utiliza dois transistores na mesma pastilha de silício O diodo D1 acelera o tempo de desligamento, retirando a carga armazenada em Q1 e Q2 17

18 Conclusões sobre o Transistor Bipolar De Potência (BPT): O BPT tem sido substituído por semicondutores mais eficientes nos últimos anos, como os MOSFETs e IGBTs, e hoje praticamente não são mais utilizados Para baixas tensões ( <500 V) o BPT tem sido substituído pelo MOSFET Para tensões acima de 500 V o BPT tem sido substituído pelo IGBT Comparado com o MOSFET, o BPT apresenta maiores tempos durante as comutações (operação em menores frequências). Contudo, o BPT apresenta menores perdas em condução Comparado com o IGBT, o BPT apresenta maiores tempos envolvidos nas comutações (maiores perdas nas comutações) e menor capacidade de corrente 18