Aula 05 Transitores de Potência

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1 Aula 05 Transitores de Potência Prof. Heverton Augusto Pereira Universidade Federal de Viçosa - UFV Departamento de Engenharia Elétrica - DEL Gerência de Especialistas em Sistemas Elétricos de Potência Gesep heverton.pereira@ufv.br TEL: +55 (31)

2 Conteúdo 01 - Introdução Tópicos 02 - Diodos de potência e circuitos RLC chaveados 03 - Retificadores com diodos 04 - Transistores de potência 05 Conversores CC-CC 06 Tiristores 07 Retificadores controlados 08 - Controladores de tensão CA 09 - Conversores CC-CA 10 - Inversores de pulso ressonante

3 Transistores de potência Símbolos e seus significados:

4 Introdução Em termos gerais, os transistores de potência podem ser classificados em cinco categorias: MOSFETs transistores de efeito de campo de óxido metálico semicondutor. COOLMOS. BJTs transistores bipolares de junção. IGBTs transistores bipolares de porta isolada. SITs transistores de indução estática.

5 Transistores de carbeto de silício Os IGBTs de silício são utilizados em aplicações de eletrônica de potênciacomespecificaçãodetensãoentre1,2 kve6,5 kv. Propriedades do silício e de materiais semicondutores WBG:

6 Transistores de carbeto de silício Fonte: Springer Handbook of Crystal Growth, pag. 941

7 MOSFETs de potência Um MOSFET de potência é um dispositivo controlado por tensão e que requer apenas uma pequena corrente de entrada. Os dois tipos de MOSFET são: (1) depleção e(2) intensificação. Um MOSFET tipo depleção de canal n é formado sobre um substrato de silício do tipo p com duas seções de silício fortemente dopadas n+, para conexões de baixa resistência. Um MOSFET tipo intensificação de canal n não possui canal físico.

8 MOSFETs de potência MOSFET tipo depleção de canal n:

9 MOSFETs de potência MOSFET tipo depleção de canal p:

10 MOSFETs de potência MOSFET tipo intensificação de canal n:

11 MOSFETs de potência MOSFET tipo intensificação de canal p:

12 Características em regime permanente Características de transferência de MOSFETs:

13 Características em regime permanente Características de saída do MOSFET tipo intensificação:

14 Características de chaveamento Modelo de chaveamento em regime permanente dos MOSFETs:

15 Características de chaveamento Modelo de chaveamento dos MOSFETs:

16 Características de chaveamento Formas de onda e tempos de chaveamento:

17 MOSFETs de carbeto de silício A tecnologia SiC passou por avanços significativos que agora permitem a fabricação de MOSFETs capazes de superar seus primos IGBT Si, em especial em alta potência e altas temperaturas. A nova geração de MOSFETs SiC reduz a espessura da camada de arraste (drift) porcerca de um fatorde 10, enquanto possibilita que o fator de dopagem aumente simultaneamente na mesma ordem de grandeza. Oefeitoglobalresultaemumareduçãodaresistênciadearrasteaum centésimo da resistência do MOSFET equivalente em silício.

18 COOLMOS O COOLMOS, que é uma nova tecnologia para MOSFETs de alta tensão, adota uma estrutura de compensação na região vertical de arraste do MOSFET para melhorar a resistência em condução. Seção transversal de um COOLMOS:

19 Transistores de efeito de campo de junção (JFETs) Os JFETs têm um canal normalmente fechado que conecta a fonte e odreno. A porta é usada para controlar o fluxo de corrente através do canal e do dreno. De forma semelhante a dos MOSFETs, existem dois tipos de junção FET:canal necanalp. Em JFETs de canal p, um canal tipo p é formado entre duas regiões deportatipon.

20 Transistores de efeito de campo de junção Para um JFET de canal p, o dreno é mantido em um potencial negativo,eaporta,emumpotencialpositivoemrelaçãoàfonte. EstruturaesímbolodeumJFETdecanal n.

21 Transistores de efeito de campo de junção EstruturaesímbolodeumJFETdecanalp.

22 Transistores de junção bipolar (BJTs) Um transistor bipolar é formado pela adição de uma segunda região p ounaumdiododejunçãopn.

23 Transistores de junção bipolar (BJTs) Uma junção pn diretamente polarizada apresenta duas capacitâncias paralelas:umadacamadadedepleçãoeumadedifusão. Por outro lado, uma junção pn reversamente polarizada tem apenas a capacitância de depleção. Em regime permanente, essas capacitâncias não desempenham nenhum papel. No entanto, em condições transitórias, elas influenciam os comportamentos de entrada em condução e bloqueio do transistor.

24 IGBTs UmIGBTcombinaasvantagensdosBJTscomasdosMOSFETs. Um IGBT tem uma elevada impedância de entrada, como os MOSFETs, e baixas perdas em condução, como os BJTs. Além disso, ele não apresenta o problema de segunda avalanche, como os BJTs. Por meio do projeto e da estrutura da pastilha, a resistência equivalente dreno-fonte RDS é controlada para se comportar como a deumbjt.

25 IGBTs Símbolo e circuito para um IGBT:

26 SITs Um SIT é um dispositivo de potência e frequência altas. Seção transversal e símbolo dos SITs:

27 SITs Características típicas de SITs:

28 Revisão 1. Não possuem segunda avalanche como os TBJs 2. Velocidade de chaveamento alta 3. Baixas perdas de comutação MOSFETs TBJ COOLMOS SITs IGBTs 1. Problemas devido a descarga eletrostática 2. Difícil de proteger durante faltas ou curtocrcuito 3. Altas perdas de condução

29 Revisão 1. Menores perdas de condução que os MOSFETs 2. Diminuição de colunas opostas a dopagem 3. Grande precisão de fabricação 4. Possuem diodo reverso intrinsíco:assim qualquer oscilação parasitas que poderiam causar valores negativos dreno-fonte são grampeados pelo diodo COOLMOS TBJ MOSFETs SITs IGBTs 1. Problemas devido a descarga eletrostática 2. Difícil de proteger durante faltas ou curtocrcuito 3. Altas perdas de condução

30 Revisão 1. Simples construção 2. Apresentam coeficiente de temperatura positivo facilitando o paralelismo JFETs TBJ MOSFETs SITs IGBTs 1. São substituídos pelos MOSFETs para baixa tensão

31 Revisão 1. Caminhos paralelos resultando em baixa resistência de condução TBJ JFETs MOSFETs SITs IGBTs 1. XX

32 Revisão 1. Combinam as vantagens do TBJ (baixa perda de condução) com o MOSFET (elevada impedância de entrada) IGBT JFETs MOSFETs SITs IGBTs 1. Velocidade de chaveamento é inferior ao MOSFET

33 Revisão 1. Para alta potência e alta velocidade de chaveamento 2. Não está sujeito a limitação de área 3. Os canais verticais diminuem a resistência do canal SIT JFETs MOSFETs SITs IGBTs 1. Alta queda de tensão em condução 2. Tensão negativa para desligar

34 Limitações de di/dt e dv/dt Duranteaentradaem condução, acorrentedecoletorsobe, eadi/dt é Durante o desligamento, a tensão coletor-emissor deve subir em relaçãoàquedadacorrentedecoletor,eadv/dté

35 Limitações de di/dt e dv/dt O circuito RLC é, em geral, criticamente amortecido a fim de evitar oscilações. Para um amortecimento crítico unitário, d = 1, Um tempo de descarga de um terço do período de chaveamento Ts é geralmente adequado. Ou

36 Operação em série e em paralelo Os transistores podem operar em série para aumentar a capacidade de tensão. Os transistores são conectados em paralelo se um dispositivo não puderlidarcomademandadacorrentedecarga.

37 Circuito de acionamento de MOSFET Primeiramente vamos entender as características de um MOSFET real. Fonte:

38 Circuito de acionamento de MOSFET Primeiramente vamos entender as características de um MOSFET real. Fonte:

39 Circuito de acionamento de MOSFET Primeiramente vamos entender as características de um MOSFET real. Fonte:

40 Circuito de acionamento de MOSFET O tempo para ligar um MOSFET depende do tempo de carga da capacitância de entrada Circuito de acionamento rápido da porta consiste em adicionar um circuito TO, para carregar mais rapidamente a capacitância de entrada:

41 Circuito de acionamento de MOSFET Circuito de acionamento com arranjo totem-pole e adequação da borda do pulso. Transistores operam na região linear Sinal de comando gerado por um amplificador

42 Circuito de acionamento de MOSFET Fonte:

43 Circuito de acionamento de MOSFET Fonte:

44 Circuito de acionamento de JFET Fonte:

45 Circuito de acionamento de JFET Fonte:

46 Circuito de acionamento de JFET JFET são chaves normalmente ligadas. Para desligar essa chave é necessário um sinal de tensão porta-dreno negativa menor que a tensão de pinçamento

47 Circuito de acionamento de JFET Acionador em dois estágios para JFET SiC normalmente desligado: Acionamento estático Acionamento dinâmico: altas correntes

48 Circuito de acionamento de JFET Acionador em dois estágios para JFETs SiC normalmente desligados:

49 Circuito de acionamento de TBJ Fonte:

50 Circuito de acionamento de TBJ Forma de onda da corrente de acionamento de base:

51 Circuito de acionamento de TBJ Pico da corrente na base durante o fechamento:

52 Circuito de acionamento de TBJ Pico da corrente na base durante o fechamento e o desligamento:

53 Circuito de acionamento de TBJ Circuito proporcional de comando de base:

54 Circuito de acionamento de TBJ Circuito de grampeamento do coletor:

55 Isolação dos circuitos de acionamento A importância de aplicar o sinal de comando de um transistor entre seus terminais porta e fonte pode ser demonstrada com a figura a seguir, em que a resistência de carga está conectada entre o terminal fonteeoterra. A tensão porta-fonte efetiva é Existem basicamente duas formas de isolar ou desprender o sinal de comando em relação ao terra: 1. Transformadores de pulso 2. Optoacopladores

56 Isolação dos circuitos de acionamento 1. Transformadores de pulso 2. Optoacopladores Fonte: