Semicondutores e Circuitos Periféricos

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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 e Circuitos Periféricos Prof. Clóvis Antônio Petry. Florianópolis, abril de 2013.

2 Nesta aula Estágio de potência da fonte chaveada 1. Semicondutores; 2. Perdas; 3. Acionamento; 4. EMI; 5. Componentes passivos; 6. Circuitos auxiliares.

3 Semicondutores de potência

4 Diodo ideal e real Exemplo: Diodo SKN20/08 V RRM = 800 V; V (TO) = 0,85 V; r T = 11 mω; I Dmed = 20 A; I R = 0,15 ma. Característica estática

5 Diodo real - comutação Bloqueio Circuito para estudo da comutação Primeira etapa de comutação Segunda etapa de comutação

6 Diodo real - comutação Bloqueio

7 Diodo real - comutação No bloqueio do diodo (comutação crítica): Bloqueio dif dt = E L 1 Derivada da corrente depende da indutância t rr 3Q rr dif dt Tempo de recuperação reversa 4 dif IRM Qrr 3 dt Corrente máxima devido a recuperação reversa

8 Diodo real - comutação Diodos de carbeto de sílicio (silicon carbide): Diminuem acentuadamente o fenômeno da recuperação reversa.

9 Diodo real - comutação

10 Diodo real - comutação

11 Perdas nos diodos Classificação das perdas: 1. Condução; P= V I + r I ( TO) Dmed T Def 2 2. Comutação: Entrada em condução; Bloqueio. ( ) P = V V I t f 1 0,5 FP F o rf P2 = Qrr E f

12 Diodos Principais características: 1. Tensão de pico reversa; 2. Queda de tensão direta; 3. Corrente de pico; 4. Corrente média; 5. Corrente eficaz; 6. Tempo de recuperação reversa.

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

14 Diodos

15 Diodos

16 Diodos

17 Diodos

18 Diodos

19 Semicondutores de potência

20 BJT PNP NPN BJT Transistor bipolar de junção

21 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 + I B 2 + V BE -

22 BJT Comutação do BJT com carga resistiva

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

24 SiC BJT

25 BJT x FET FET Transistor de efeito de campo

26 FET JFET: Operação básica.

27 FET JFET canal n e canal p Positivo da Fonte Auxiliar + Vaux 11 Q1 Aplicação do JFET 3524 R9 R8 S2 12 R10 R7 Q2

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

29 MOSFET MOSFET tipo Depleção MOSFET: Operação básica.

30 MOSFET MOSFET tipo Depleção MOSFET: Operação básica.

31 MOSFET MOSFET tipo Depleção

32 MOSFET MOSFET tipo Intensificação Canal n

33 MOSFET de potência ID D G + V GS D i + V DS - - S

34 MOSFET de potência VDD R L V D 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

35 MOSFET de potência VDD I DRL R G D 50 S Comutação do MOSFET com carga indutiva

36 MOSFET de potência Classificação das perdas: 1. Condução; 2. Comutação: Entrada em condução e bloqueio; Onde: P = t r i T on 2 cond ds( on) d ( on) P = f t + t i v 2 ( ) ( ) ( ) com r f d on ds off t t f r t t on off

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

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

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

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

41 IGBT

42 IGBT

43 IGBT Encapsulamentos:

44 IGBT Encapsulamentos:

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

46 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).

47 Cálculo térmico Rja = Rjc + Rcd + Rda Tj Ta = Rja P R ja = T j T P a Rda = Rja Rjc Rcd

48 Cálculo térmico

49 EMI + Rede E - + V C Terra - Fonte chaveada estrutura típica

50 EMI V C T/2 ( E ) 2 Tensão no interruptor ζ db Espectro harmônico -20dB/dec ( -E/2 ) -40dB/dec n 10 00

51 EMI F C N R T Correntes parasitas assimétricas queda de tensão de modo comum

52 EMI F C N R T Correntes parasitas simétricas queda de tensão de modo diferencial

53 EMI F L 2 a N C X L 3 b R T Filtro de rede para correntes simétricas

54 EMI F L 1 C N R R Cy Cy T Filtro de rede para correntes assimétricas

55 EMI L2 F C y 5mH 4,7nF 0,1 µ F C X 5mH C y 4,7nF N L 3 Filtro completo de rede

56 Capacitores Capacitância depende de: Dielétrico (permissividade); Área das placas; Distância entre as placas.

57 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

58 Capacitores C RSE LSE Ondulação da tensão: il ( t) Δ V = RSE ΔI ΔI T s 2 T s t

59 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.

60 Capacitores

61 Partida do estágio de potência O problema:

62 Partida do estágio de potência 400V v C 200V 0V 200A i C 100A 0A 0,0ms 1,0ms 2,0ms 3,0ms 4,0ms 5,0ms

63 Partida do estágio de potência

64 Partida do estágio de potência R 1 =10 Ω R 1 =1 Ω

65 Partida do estágio de potência Resistores série

66 Partida do estágio de potência Resistores série temporariamente

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

68 Fusíveis NR25 1 Ω < R < 15 Ω

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

70 Grampeamento da tensão no interruptor - V L V * out + L + V CE - C int Sobretensão causada por Ll Conversor Flyback

71 Grampeamento da tensão no interruptor V in I L I C Controle da sobretensão com o snubber D S ICS C S R S Emprego de snubber

72 Grampeamento da tensão no interruptor Cálculo do snubber: Medir ou estimar a indutância parasita; Fixar a tensão máxima sobre o interruptor; Cálculo do capacitor; Estimar um tempo de descarga do capacitor via resistor; Calcular o resistor. 1 1 L I = C V 2 2 C s = 2 2 l pk s CE L l V I 2 CE 2 pk t min = 3 τ = 3 R C on s s t = D T onmin R s = D min min 3 C T s s 1 P = E F = L I F s 2 2 R l pk s s

73 Grampeamento da tensão no interruptor Dispersão de 50 µh 100 ns Importância do passo de cálculo 1 us Sobretensão de 800 V

74 Grampeamento da tensão no interruptor C R s s PR s 2 2 Ll Ipk 50µ 0,3 = = = V 450 D 2 2 CE T 0, pf 6 min s = = = 57kΩ 12 3 Cs ,3 2 = µ = 0,045 W 2 Sobretensão de 553 V

75 Grampeamento da tensão no interruptor R = 57kΩ 51kΩ s

76 Grampeamento da tensão no interruptor C = 22 pf 44 pf s R = 57kΩ 51kΩ s

77 Próxima aula Estágio de entrada de uma fonte chaveada: 1. Retificador; 2. Filtro capacitivo; 3. Metodologia de projeto.