Semicondutores, Perdas e Cálculo Térmico

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1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina! Departamento Acadêmico de Eletrônica! Pós-Graduação em Desen. de Produtos Eletrônicos! Conversores Estáticos e Fontes Chaveadas Semicondutores, Perdas e Cálculo Térmico Florianópolis, fevereiro de Prof. Clovis Antonio Petry.! Prof. Joabel Moia.

2 Biografia para Esta Aula Semicondutores para eletrônica de potência: Semicondutores; Perdas; Cálculo térmico.

3 Nesta Aula Semicondutores de potência: Semicondutores para eletrônica de potência; Diodos ideais; Diodos reais; Comutação de diodos; Perdas em diodos; Características importantes de diodos; Revisão de BJT; BJT x FET; FETs; MOSFETs; IGBTs; Cálculo térmico; Outros componentes importantes.

4 Semicondutores de Potência Semicondutores aplicados à eletrônica de potência:

5 Diodo Ideal x Diodo Real Exemplo: Diodo SKN20/08 VRRM = 800 V; V(TO) = 0,85 V; rt = 11 mω; IDmed = 20 A; IR = 0,15 ma. Característica estática

6 Comutação de Diodos Bloqueio: Circuito para estudo da comutação Primeira etapa de comutação Segunda etapa de comutação

7 Bloqueio: Comutação de Diodos

8 Comutação de Diodos No bloqueio do diodo (comutação crítica): di F dt = E L 1 Derivada da corrente depende da indutância t rr 3Q rr di F dt Tempo de recuperação reversa I RM 4 3 Q rr di F dt Corrente máxima devido a recuperação reversa

9 Comutação de Diodos Diodos de carbeto de silício (silicon carbide): Diminuem acentuadamente o fenômeno da recuperação reversa.

10 Comutação de Diodos

11 Comutação de Diodos

12 Perdas nos Diodos Classificação das perdas: 1. Condução;!!! 2. Comutação:!! Entrada em condução; Bloqueio.! P = V (TO) I Dmed + r T I Def 2 P 1 = 0,5( V FP V ) F I o t rf f P 2 = Q rr E f

13 Principais características: Tensão de pico reversa; Queda de tensão direta; Corrente de pico; Corrente média; Corrente eficaz; Características de Diodos Comerciais Tempo de recuperação reversa.

14 Características de Diodos Comerciais Tipos de diodos: 1. Standard and fast recovery; 2. Ultrafast rectifiers; 3. Ultrasoft rectifers; 4. Silicon carbide (zero recovery).

15 Características de Diodos Comerciais

16 Semicondutores de Potência Semicondutores aplicados à eletrônica de potência:

17 Semicondutores de Potência

18 Revisão - BJT BJT - Transistor bipolar de junção

19 BJT +VCC R L I C C R + B B VCE I B - E Comutação do BJT com carga resistiva Comutação do BJT com carga indutiva +VCC L i L D i D R B I B 1 - V B 2 + IB2 + V BE -

20 BJT Comutação do BJT com carga resistiva

21 BJT Bloqueio Entrada em condução Comutação do BJT com carga indutiva

22 SIC BJT

23 BJT x FET FET - Transistor de efeito de campo

24 FET JFET: Operação básica

25 FET

26 FET JFET canal n e canal p Positivo da Fonte Auxiliar + Vaux Aplicação do JFET 11 Q R9 R8 S2 12 R10 R7 Q2

27 MOSFET MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor MOSFET tipo Depleção

28 MOSFET MOSFET tipo Depleção MOSFET: Operação básica.

29 MOSFET MOSFET tipo Depleção MOSFET: Operação básica.

30 MOSFET tipo Depleção MOSFET

31 MOSFET MOSFET tipo Intensificação Canal n

32 MOSFET MOSFET de Potência ID D G + D i + V DS - V GS - S

33 MOSFET VDD R L V D MOSFET de Potência VG 50 S VGS 90% 50% 50% 10% T 1 V DS (V ) DD 10% 90% (V ) DD I D 90% 10% t r td(on) t D(off) t f t on Comutação do MOSFET com carga resistiva

34 MOSFET VDD I DRL MOSFET de Potência R G D 50 S Comutação do MOSFET com carga indutiva

35 MOSFET Classificação das perdas: 1. Condução;!!! 2. Comutação:! Entrada em condução e bloqueio; P cond = t on T r i 2 ds(on) d (on)! Onde: t f t on t r t off

36 Dados de catalogo: MOSFET

37 MOSFET Quando usar MOSFET: 1. Freqüências altas (acima de 50 khz); 2. Tensões muito baixas (< 500 V); 3. Potências baixas (< 1 kw).

38 IGBT IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor Características de BJT e MOSFET

39 IGBT Classificação das perdas: 1. Condução;!!! 2. Comutação:! Entrada em condução e bloqueio; P cond = ( i C V CEsat + i B V BEsat ) t on f 0! Onde: P com = 1 ( 2 t + t r f ) I E f Detalhamento do cálculo de perdas

40 IGBT Quando usar IGBT: 1. Freqüências baixas (menor que 50 khz); 2. Tensões altas (> 500 V); 3. Potências altas (> 1 kw).

41 IGBT Quando usar IGBT: 1. Freqüências baixas (menor que 50 khz); 2. Tensões altas (> 500 V); 3. Potências altas (> 1 kw).

42 IGBT

43 IGBT

44 IGBT Encapsulamentos:

45 IGBT Encapsulamentos:

46 Dados de catalogo: IGBT

47 BJT x MOSFET x IGBT MOSFET IGBT BJT Tipo de comando Tensão Tensão Corrente Potência do comando Mínima Mínima Grande Complexidade do comando Simples Simples Média Densidade de corrente Elevada em baixas tensões e Baixa em altas tensões Muito elevada Média Perdas de comutação Muito baixa Baixa para Média Média para Alta

48 Cálculo Térmico Cálculo térmico: Objetivo de verificar a necessidade de uso de dissipador de calor ou não. Modelo térmico: T j = temperatura na junção ( o C); T c = temperatura na cápsula ( o C); T d = temperatura no dissipador ( o C); T a = temperatura ambiente ( o C); R jc = resistência térmica entre junção e cápsula ( o C/W); R cd = resistência térmica entre cápsula e dissipador ( o C/W); R da = resistência térmica entre dissipador e ambiente ( o C/W); P = potência dissipada no componente (W).

49 Cálculo Térmico R ja = R jc + R cd + R da T j T a = R ja P R ja = T j T a P R da = R ja R jc R cd

50 Cálculo Térmico

51 Capacitores A capacitância depende de: Dielétrico (permissividade); Área das placas; Distância entre as placas.

52 Capacitores C RSE LSE Modelo equivalente do capacitor Onde: C = Capacitância; RSE = Resistência série equivalente; LSE = Indutância série equivalente. Perdas devido à RSE: P = RSE I ef 2

53 Capacitores C RSE LSE Ondulação da tensão: ΔV = RSE ΔI il t ( ) ΔI T s 2 T s t

54 Capacitores Tecnologias de capacitores: Filtro do retificador de entrada São empregados capacitores eletrolíticos de alta tensão e! grandes capacitâncias; Filtro de saída dos conversores Empregam-se capacitores eletrolíticos alumínio com baixa! RSE; Circuitos de grampeamento (snubber) São utilizados capacitores com dielétricos de polipropileno para regime intermitente de funcionamento.

55 Capacitores

56 Fusíveis Fusíveis de ação lenta: Vidro; Areia; Cerâmica. Fusíveis de ação rápida: Vidro; Areia; Cerâmica. Resistores fusíveis.

57 Fusíveis NR25 1 Ω < R < 15 Ω

58 Termistores Termistor: Resistor cuja resistência é sensível à variação da temperatura.

59 Conversores ca-cc: Próxima Aula Retificadores e filtro capacitivo.