Eletrônica de Potência II Capítulo 1. Prof. Janderson Duarte

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1 Eletrônica de Potência II Capítulo 1 Prof. Janderson Duarte 1

2 Introdução Interruptores i + v - ESTÁGIOS DE OPERAÇÃO Aberto, desligado ou bloqueado Fechado, ligado ou conduzindo Durante a comutação entre os estágios descritos acima CARACTERÍSTICAS IDEAIS Queda de tensão deve ser nula em condução Corrente deve ser nula quando bloqueado Tempos de comutação nulos (entrada em condução e bloqueio instantâneos) 2

3 Introdução Fonte: Mohan, Undeland, Robbins, Power Electronics, Second edition. 3

4 Introdução Fonte: Bernet (2000). 4

5 O diodo de potência Símbolo A Característica i-v ideal i Característica i-v real on off v K Dispositivo não controlado, que comuta em resposta ao comportamento do sistema O diodo entra em condução quando a tensão v ak torna-se positiva Permanece em condução até o instante que a corrente se tornar negativa Não são facilmente operados em paralelo, devido aos seus coeficientes térmicos de condução serem negativos Pode conduzir reversamente durante um tempo t rr, que é especificado pelo fabricante 5

6 O diodo de potência Tipos de diodos de potência Diodos convencionais (standard) Tempo de recuperação reversa não é especificado Operação normalmente em 50 Hz ou 60 Hz Diodos rápidos e ultra-rápidos (fast/ultra-fast) Tempo de recuperação reversa e carga armazenada na capacitância de junção são especificados pelos fabricantes Operação em médias e altas freqüências Diodos Schottky Praticamente não existe tempo de recuperação (carga armazenada praticamente nula) Operação com freqüências elevadas e baixas tensões (poucos componentes possuem capacidade de bloqueio superior à 100 V) 6

7 O diodo de potência 7

8 O diodo de potência Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Second edition 8

9 O diodo de potência Fonte: International Rectifier ( 9

10 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor Símbolo D (dreno) Característica i-v ideal i Característica i-v real G (gate) S (source) on off v on (condução reversa) Semicondutor totalmente controlado, através de uma tensão aplicada entre gate e o source Quando uma tensão v gs adequada é aplicada, o MOSFET entra em condução e conduz correntes positivas (i > 0) Com a remoção da tensão v gs, o MOSFET bloqueia tensões positivas (v ds > 0) Possui um diodo intrínseco em anti-paralelo, também conduzindo correntes negativas O diodo intrínseco possui tempos de comutação maiores do que o MOSFET A resistência em condução R DSon possui coeficiente de temperatura positivo, facilitando a operação em paralelo 10

11 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor Diodo intrínseco em anti-paralelo Junção p-n - resulta em um diodo em antiparalelo com sentido de condução drenosource Assim, uma tensão negativa dreno-source polariza diretamente este diodo Esse diodo é capaz de conduzir a corrente nominal do MOSFET Mas, os tempos de recuperação desse diodo são normalmente significativos As elevadas correntes que fluem durante a recuperação reversa do diodo podem causar danos ao componente Uso de diodos externos para prevenir a condução do diodo intrínseco do MOSFET 11

12 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor Circuito equivalente de um MOSFET C gs : elevada e praticamente constante C gd : pequena e altamente não linear C ds : média e altamente não linear Os tempos de comutação são determinados pelo tempo necessário para carregar e descarregar essas capacitâncias A taxa de variação da corrente de dreno é dependente da taxa de variação da tensão v gs (definida pelo circuito de comando) A capacitância C ds leva a perdas de comutação, uma vez que a energia armazenada nessa capacitância é geralmente perdida durante a entrada em condução do MOSFET (turn-on capacitive losses) 12

13 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor 13

14 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor 14

15 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor 15

16 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor 16

17 MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Second edition MOSFETs possuem reduzidos tempos de comutação (freqüências típicas de dezenas à centenas de khz) R DSon aumenta rapidamente com o aumento da tensão v ds suportável MOSFETs normalmente são para aplicações com tensão v ds < 500 V Muitas vezes, um MOSFET é escolhido pelo valor de sua resistência em condução ao invés da especificação de corrente 17

18 IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor Símbolo C (coletor) Característica i-v ideal i Característica i-v real G (gate) off on off v E (emissor) Quando uma tensão v ge adequada é aplicada, o IGBT entra em condução, conduzindo correntes positivas (i > 0) Quando a tensão v ge é removida, o IGBT bloqueia, podendo suportar tensões negativas Tempos de comutação maiores do que os MOSFETs Aplicável onde se desejam elevadas tensões entre o coletor e o emissor Dispositivo com características de coeficiente de temperatura positivo, facilitando o paralelismo (também existem com coeficiente negativo) 18

19 IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor Características dinâmicas do IGBT 19

20 IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor Fonte: Powerex 20

21 IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Second edition Fonte: Powerex 21

22 GTO: Gate Turn-Off Thyristor Símbolo Característica i-v ideal Característica i-v real i A A i A On G + v AK _ 0 Off v AK i G K Como um tiristor, o GTO pode entrar em condução aplicando um pulso de corrente no gate quando a tensão v ak é positiva; Um vez em condução, ele continua nesse estado mesmo que corrente de gate seja removida, se comportando como um diodo; Ao contrário do tiristor, o GTO pode ser bloqueado ao aplicar uma tensão negativa no gate-cátodo, causando uma corrente negativa de valor elevado no gate; O ganho de corrente do gate para o bloqueio é tipicamente baixo (entre 2 e 5), implicando em elevadas correntes de gate reversas 22

23 Combinação de semicondutores IGBT com diodo em anti-paralelo (bidirecional em corrente) i i + On _ v 0 Off v Interruptores para operação em quatro quadrantes Diodo rápido 23

24 Bibliografia R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Second edition. Ivo Barbi, Projetos de fontes chaveadas. José A. Pomilio, Eletrônica de Potência, UNICAMP. Disponível em: < BERNET, S. Recent developments of high power converters for industry and traction applications. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 15, n. 6, p , novembro