1.3. Dispositivos Características dos Semicondutores de Potência. Fundamentos de Eletrônica de Potência 56

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1 Fundamentos de Eletrônica de Potência Dispositivos Características dos Semicondutores de Potência Os principais dispositivos empregados em eletrônica de potência têm evoluído consideravelmente nos últimos anos. Cada vez mais tem se desenvolvido dispositivos para processar mais potência, como pode se verificar na figura abaixo (extraído de Mohan, 2002).

2 Fundamentos de Eletrônica de Potência Diodos Características Principais É um dispositivo não-controlado (comuta somente espontaneamente); Conduz quando diretamente polarizado (V ak >0) e bloqueia quando i<0; Possui uma queda de tensão intrínseca quando em condução (V F ~ 1V); Não são facilmente operados em paralelo, devido ao seus coeficientes térmicos de condução serem negativos. Pode conduzir reversamente durante um tempo t rr, que é especificado pelo fabricante. Estrutura de um diodo de potência: Suas características estáticas ideais e reais são dadas por: Observa-se que existe uma tensão máxima reversa de bloqueio V rated, a partir da qual o diodo entra em avalanche, que leva o componente à sua destruição. Suas características dinâmicas são mostradas na figura a seguir:

3 Fundamentos de Eletrônica de Potência 58 Verifica-se que quando um diodo de potência é submetido a uma comutação abrupta, ou seja, quando outro dispositivo desvia de maneira muito rápida a sua corrente, aparecem significativas perdas durante a comutação. Na figura, se verifica que o tempo de recuperação reversa (t rr ) e a carga armazenada na junção (Q rr ) estão relacionadas diretamente com as perdas de comutação. Este tempos podem ser calculados por: As perdas em diodos podem ser obtidas, de forma aproximada, com base na figura do desempenho dinâmico (obtida em data sheets de fabricantes): P total = P on + P rec + P off

4 Fundamentos de Eletrônica de Potência 59 Para um sinal periódico, temos que : Perdas em condução: P on = I F. V F. D Perdas de recuperação: P rec = 0.5. t b. V R. I REC. f Perdas em bloqueio: P off = I R. V R. (1 D) D: razão cíclica (tempo médio em que o diodo conduz) f: freqüência de comutação do diodo, em Hz. I F, V F, I R, V R, t b, V R, I REC : obtidos do data-sheet do fabricante Tipos Diodos de uso geral Estes diodos são os mais comuns no mercado, e também são conhecidos com line-frequency diodes ou standard recovery diodes. São os diodos que foram desenvolvidos para operar em freqüências muito baixas, geralmente menor que 1kHz.. Possuem baixa queda em condução, desta forma estes diodos estão aptos para operar até vários kv de tensão e ka de corrente. Como o tempo de recuperação desses dispositivos é elevado (dezenas ou centenas de microsegundos), estes dispositivos não são indicados para trabalharem em altas freqüências. A figura a seguir mostra um exemplo de abertura e fechamento de um diodo de uso geral, onde as correntes (acima) e as tensões (abaixo) estão mostradas. Diodos rápidos (fast recovery diodes) Diodos rápidos possuem trr da ordem de, no máximo, poucos micro-segundos, enquanto nos diodos normais é de dezenas ou centenas de micro-segundos. O retorno da corrente a zero, após o bloqueio, devido à sua elevada derivada e ao fato de, neste momento, o diodo já estar desligado, é uma fonte importante de sobretensões produzidas por indutâncias parasitas associadas aos componentes por onde circula tal corrente. A fim de minimizar este fenômeno foram desenvolvidos os diodos soft-recovery, nos quais esta variação de corrente é suavizada, reduzindo os picos de tensão gerados. São dispositivos projetados para o uso em aplicações envolvendo alta freqüência, onde um pequeno tempo de recuperação é necessário. Em elevados níveis de potência, possui t rr de poucos microssegundos ou até ns, além disso, esta classe possui baixa queda em condução direta.

5 Fundamentos de Eletrônica de Potência 60 Diodos ultra-rápidos (ultrafast diodes) É uma família melhorada dos diodos rápidos. São semelhantes aos diodos rápidos em termos de queda em condução, porém possuem menor tempo de recuperação. Como recuperação ocorre de forma suave, se elimina o uso de snubbers na maioria das aplicações. Sendo um dispositivo de portadores minoritários, sua queda em condução é pequena, de tal forma que pode ser aplicado em altas tensões de bloqueio. É muito empregado em fontes chaveadas de alta freqüência de alta eficiência, nos quais se incluem aqueles que operaram com comutação ZVS e ZCS. Diodo Schottky São dispositivos basicamente de portadores majoritários, usados quando é necessária uma queda de condução direta quase desprezível em circuitos com baixa tensão de saída. Possuem baixos tempos de recuperação, podendo operar em altas freqüências. Estes diodos possuem uma queda de tensão em condução muito baixa, tipicamente de 0,3V. Entretanto, a máxima tensão suportável por estes diodos é de cerca de 100V, sendo difícil serem encontrados diodos Shottky para tensões reversas maiores que 45V. Além disso, as correntes de fuga reversas são altas se comparáveis aos diodos por junção P-N. Note que, diferentemente dos diodos convencionais (mostrado em uma figura anterior), assim que a corrente se inverte a tensão começa a crescer, o que indica que esse dispositivo não possui portadores minoritários. A aplicação deste tipo de diodos ocorre principalmente em fontes de baixa tensão, nas quais as quedas sobre os retificadores são significativas. Para ilustrar, mostramos o diferente comportamentos dos diodos durante as comutações: Aplicações A tabela a seguir mostra uma comparação das tecnologias de diodos apresentadas. Observa-se uma grande diferença entre as características dos diodos, principalmente em relação

6 Fundamentos de Eletrônica de Potência 61 aos tempos de comutação. Obviamente, dispositivos com características de desempenho melhor são muito mais caros, e só devem ser considerados em projeto quando estritamente necessários. Parâmetro Tipo de diodo (valores típicos) Uso geral Rápido Ultra-rápido Shottky I F (Av) 60A 60A 60A 60A V 1600V 600V 400V 45V V F 1.3V 1.1V 1.25V 0.69V t rr 400ns 70ns 8,5 ns 20ns T J o C o C o C o C I rr - 3.4A 8.8 A 2A Q rr µc 375 nc 800 nc Componente 40HF 60HFU EPU04 MBR6045WT Obs.: Os componentes exemplos são todos da International Rectifier MOSFETs Características Principais É um dispositivo de três terminais, sendo um deles responsável pelo controle da comutação; É um dispositivo baseado em portadores majoritários, apresentando, por isso, uma comutação rápida; É um dispositivo controlado em tensão, com característica FET, ou seja, opera por campo elétrico sem corrente de polarização. Os MOSFETs comutam de forma controlada quando V gs >10V. Devido à característica FET, o dispositivo drena uma pequena quantidade de corrente para acionamento, sendo que quase toda a dissipação de potência no circuito de comando ocorre nos instantes de comutação para carregar/descarregar as capacitânicas intrínsecas do gate. Possui um diodo parasita intrínseco de sua estrutura, que dá ao dispositivo uma característica bi-direcional em corrente. Este diodo parasita é de característica lenta, apresentando elevada recuperação reversa;

7 Fundamentos de Eletrônica de Potência 62 Não possui uma queda de tensão intrínseca quando em condução, por não aprasentar uma junção com barreira de potencial a ser mantida; Apresenta baixíssimas resistências de condução (R on ) quando projetados para operar com baixa tensão de bloqueio (<100V). Quando a tensão de bloqueio é grande, R on aumenta substancialmente, o que limita a sua aplicação em potências mais elevadas. Não são facilmente operados em paralelo, devido ao seus coeficientes térmicos de condução serem negativos; Estrutura de um MOSFET de potência: Modelo do MOSFET de potência:

8 Fundamentos de Eletrônica de Potência 63 Característica estática ideal e real do MOSFET: Ideal Real Perdas em MOSFETs: As perdas nos MOSFETs podem ser aproximadas pelas perdas em comutação e das perdas em condução. P T = P sw + P on As perdas em condução são as seguintes: 2 P on = R on I rms E as perdas em comutação, são dadas por P sw = V gs Q gs f sw + V ds Q ds f sw Onde Q gs e Q ds são as cargas armazenadas entre o gate e o source e entre o dreno e o source, respectivamente. Nos manuais, se irá encontrar as capacitâncias como sendo C iss = Cgs + Cgd, com Cds curto-circuitada, Crs = Cgd e Coss ~ Cds + Cgd.. Área de operação segura (AOS) do MOSFET:

9 Fundamentos de Eletrônica de Potência 64 Características de comutação dos MOSFETs Entrada em condução Saída de condução Tipos Basicamente, os MOSFETs são divididos em dois grandes tipos: de canal tipo N e canal tipo P. Os MOSFET de canal tipo N possuem portadores majoritários, sendo, portanto, rápidos. Os MOSFETs de canal tipo P são dispositivos de portadores minoritários, e, portanto, lentos. Por esse motivo, em eletrônica de potência, praticamente só se utiliza MOSFETs tipo N. Existem várias gerações de MOSFET. A geração mais recente, a quinta, emprega carboneto de silício (silicon carbine - SiC) ao invés de silício como substrato. Esse novo material diminui consideravelmente as perdas de comutação dos dispositivos. Uma outra classificação para os MOSFETs que se pode dar é quanto a sua tensão de bloqueio. Abaixo de 100V, são chamados MOSFETs de baixa tensão e acima de 100V, MOSFET de alta tensão Aplicações A tabela a seguir mostra algumas informações relevantes obtidas em Data Sheets de MOSFETs:

10 Fundamentos de Eletrônica de Potência 65 1) IRF1407 V ds =75V

11 Fundamentos de Eletrônica de Potência 66 2) IRF740A V ds =400V

12 Fundamentos de Eletrônica de Potência 67 3) IRFPG50 V ds =1000V

13 Fundamentos de Eletrônica de Potência IGBTs Características Principais É um dispositivo de três terminais, sendo um deles responsável pelo controle da comutação; É um dispositivo baseado em portadores minoritários, apresentando, por isso, uma comutação não tão rápida; É um dispositivo controlado em tensão, com característica de acionamento FET, ou seja, opera por campo elétrico sem corrente de polarização. Os MOSFETs comutam de forma controlada quando V gs >10V. Devido à característica FET, o dispositivo drena uma pequena quantidade de corrente para acionamento, sendo que quase toda a dissipação de potência no circuito de comando ocorre nos instantes de comutação para carregar/descarregar as capacitânicas intrínsecas do gate. Apresenta uma queda de tensão intrínseca quando em condução, por possuir em sua estrutura um transistor PNP de saída; Apresenta baixas resistências de condução, mesmo para altas tensões. Podem ser facilmente operados em paralelo, devido ao seus coeficientes térmicos de condução serem negativos; Estrutura de um IGBT de potência: Característica estática ideal e real do IGBT:

14 Fundamentos de Eletrônica de Potência 69 I C On Off V CE Ideal Real Área de operação segura (AOS) do IGBT: Características de comutação dos IGBT

15 Fundamentos de Eletrônica de Potência Tipos Existem basicamente três diferentes famílias de dispositivos com diferentes freqüências de operação: Padrão, Rápida e Ultrarápida. Os IGBTs Padrão, têm sido otimizadas nas quedas de tensão e perdas de condução e tem baixas quedas de tensão por unidade de densidade de corrente, eles estão hoje disponíveis no mercado. Os IGBTs Ultrarápidos têm sido otimizados nas perdas de chaveamento e têm as mais baixas perdas de chaveamento por unidade de densidade de corrente. Como é evidente na Figura 24, estes dispositivos possuem velocidades de chaveamento que são comparáveis a aquelas dos MOSFETs de potência em aplicações práticas. Eles podem operar confortavelmente até 50 khz com modulação PWM e bem acima de 100 khz em circuitos ressonantes ou em ZVS/ZCS. Os IGBTs Rápidos oferecem uma combinação de baixas perdas de chaveamento e baixas perdas de condução, o que é similar às caraterísticas de chaveamento da maioria dos populares BJTs. A tabela III mostra as melhores características das três famílias. Os IGBTs Rápidos e Ultrarápidos estão também disponíveis em versões classificadas como de curto-circuito para aquelas aplicações, tais como comandos de motores, os quais são requeridos.

16 Fundamentos de Eletrônica de Potência Aplicações 1) IRG4P254S

17 Fundamentos de Eletrônica de Potência 72 2) IRGPS40B120U

18 Fundamentos de Eletrônica de Potência 73 COMPARATIVO ENTRE BJT, MOSFET e IGBT Característica BJT MOSFET IGBT Tipo de portadores minoritários tipo PNP majoritários canal N minoritários (no caminho de condução) tipo PNP Região de operação corte quase-saturação corte saturação corte quase-saturação Diodo em anti-paralelo opcional intrínseco opcional Tipo de acionamento por corrente por tensão por tensão Ganho de corrente de 5 a 10 vezes (comum) maior que (acionamento por tensão) Dependência entre o ganho de corrente (BJT) e a transcondutância (MOSFET, IGBT) em relação à corrente maior que (acionamento por tensão) alta (o ganho é limitado) reduzida reduzida Potência necessária para o comando Faixa de tensão sem danificação do comando (Vbe ou Vgs) valores típicos alta muito baixa muito baixa -20V a 0,4-0,7V (polarização direta do diodo) -20V a +20V -20V a +80V

19 Fundamentos de Eletrônica de Potência 74 Mínima tensão de comando (Vbe ou Vgs): Complexidade do circuito de acionamento 0,4V (dispositivos de alta tensão) a 0,7V (dispositivos de baixa tensão) a alimentação é em corrente depende da família 1 a 2V para dispositivos de baixa tensão e 2 a 4V para dispositivos de alta tensão depende da família típico de 10V alta baixa Baixa Densidade de corrente no dispositivo para uma dada tensão de bloqueio média alta para dispositivos de baixa tensão e média para dispositivos de alta tensão Média Máxima faixa de potência 150kVA 5kVA 100kVA Máxima tensão de bloqueio direta (Vce ou Vds) 2000V 1000V 1500V Máxima tensão de bloqueio reversa BVce ou BVds) ~40V não bloqueia (diodo intrínseco) ~20V Dependência da tensão de bloqueio (BVces ou Vgs) com a temperatura em baixas temperaturas, BVces diminui em altas temperaturas BVces diminui em baixas temperaturas, BVces diminui Perdas de chaveamento altas baixas médias Perdas em condução Principal motivo para as perdas de chaveamento Técnica de comutação para reduzir as perdas de chaveamento baixas perdas na saída em condução pela cauda de corrente devido ao pelo tempo de estocagem nas regiões P (turn-of current tail) moderadas (para pequenos Vds) e altas (para elevados Vds) perdas na entrada em condução devido à capacitância parasita entre o dreno e o source (capacitive turn-on losses) baixas perdas na saída em condução pela cauda de corrente devido ao pelo tempo de estocagem nas regiões P (turn-of current tail) ZCS ZVS ZCS Freqüência máxima de chaveamento na faixa de 20kHz - 100kW na faixa de 250kHz 5kW na faixa de 50kHz 100kW Capacitâncias parasitas Área de operação segura Cbe: ~ constante, Cbc: dependente de Vce, Cce: dependente de Vce grande (altas tensões e altas correntes) Cgs: ~ constante, Cdg: dependente de Vdg, Cds: dependente de Vdg pequena (altas correntes e baixas tensões ou altas tensões e baixas correntes Cbe: ~ constante, Cbc: dependente de Vce, Cce: dependente de Vce média a grande (altas tensões e altas correntes) Coeficiente térmico de resistividade de condução positivo negativo (na maior parte da faixa de temperaturas) positivo Limites de temperatura para a junção -55 o a 150 o C -55 o a 150 o ou 175 o C (depende do dispositivo) -55 o a 150 o C

20 Fundamentos de Eletrônica de Potência Tiristores ou (SCR) Características Principais É um dispositivo de três terminais, sendo um deles responsável pelo controle do disparo; É um dispositivo que possui três junções (4 camadas semicondutoras); É um dispositivo acionado em corrente. Após a corrente entre o anodo e catodo atingir certa amplitude, o circuito mantém-se em condução mesmo se retirando a corrente de gate. Por esse motivo, chama-se de dispositivo semi-controlado. Após acionado, não se tem mais nenhum controle sobre a condução do tiristor. Dependese do circuito externo para se efetuar sua abertura. Apresenta baixas resistências de condução, mesmo para altas tensões. É o dispositivo semicondutor com maior capacidade de processamento de energia existente; Estrutura de um tiristor: Característica estática ideal e real do tiristor:

21 Fundamentos de Eletrônica de Potência 76 I a On V ak Ideal Real Área de operação segura: Característica de comutação:

22 Fundamentos de Eletrônica de Potência Tipos Existem basicamente dois tipos de tiristores. Um deles é chamado de Phase Control SCR ou tiristor de controle de fase, projetados para controlar ângulos de fase em 50-60Hz. Já o outro tipo, Inverter SCR (tiristor para inversor) são usados em aplicações pulsadas envolvendo freqüênicas mais altas. A principal diferença entra as daus famílias está no tempo de desligamento (tq). Inverter SCR geralmente tem tq menor que 30 µs, enquanto que os similares Phase Control SCR possuem tq na ordem de centenas de microsegundos Aplicações 1) Série ST3230C..R Phase Control SCR

23 Fundamentos de Eletrônica de Potência 78 2) Série ST303C..C Inverter SCR

24 Fundamentos de Eletrônica de Potência GTOs Características Principais É um dispositivo de três terminais, sendo um deles responsável pelo controle do disparo; É um dispositivo que possui três junções (4 camadas semicondutoras); É um dispositivo acionado em corrente. Após a corrente entre o anodo e catodo atingir certa amplitude, o circuito mantém-se em condução mesmo se retirando a corrente de gate. Entretanto, ao contrário do tiristor, pode se abrir os GTOs através de um pulso negativo de corrente no gate, que é maior que o pulso de acionamento. Apresenta baixas resistências de condução, mesmo para altas tensões, mas bem superiores a tiristores similares; Necessita de significativa energia para abertura do tiristor; Em muitos casos, não suporta tensões negativas em seus terminais. É o dispositivo semicondutor controlado com maior capacidade de processamento de energia existente; Estrutura de um GTO:

25 Fundamentos de Eletrônica de Potência 80 Entrada em condução Característica estática ideal e real do tiristor: Abertura I C On Off V CE Ideal Real Característica de comutação do GTO: Tipos Os GTOs são projetados para operar entre 200 e 500 Hz para a maior parte das aplicações, apresentando comutações lentas (na ordem de 10 a 30us). Os GTOs requerem snubbers de turnon e turn-off, sendo o primeiro um inductor em série e o segundo um capacitor em paralelo. Asymmetric GTOs: São os GTOs convencionais, mas que não permitem tensão reversa em seus terminais. Fast GTOs: São GTOs com rápidos tempos de comutação, que permitem a utilização de snubbers menores e apresentam menos perdas de comutação.

26 Fundamentos de Eletrônica de Potência 81 Transparent Emitter GTOs: São dispositivos rápidos, com reduzidas perdas de comutação e condução, mas exigem snubbers dimensionados como para os Asymmetric GTOs e os mesmos requisitos de corrente de acionamento Aplicações 1) Asymmetric GTO - 5SGA 06D ABB