Eletrônica de Potência II Capítulo 1 1
Componentes semicondutores em Eletrônica de Potência Diodo MOSFET IGBT GTO (Gate Turn-Off Thyristor) MCT (MOS Controlled Thyristor) IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor ) Thyristor (SCR - Silicon Controlled Rectifier) 2
Introdução Eletrônica de de Potência é uma uma ciência aplicada que que aborda a conversão e o controle de de fluxo de de energia elétrica entre dois dois ou ou mais sistemas distintos, através de de conversores estáticos de de energia. Conversor CC-CC E 1 (v 1, f 1 ) E 2 Conversor indireto de tensão Retificador Inversor Conversor indireto de freqüência (v 2, f 2 ) Conversor direto de freqüência Aplicações Fontes de alimentação Acionamento de máquinas elétricas Reatores eletrônicos Fontes alternativas de energia Transmissão em CC Compensadores estáticos de reativos... 3
Introdução O que é um conversor estático? Um conversor estático pode ser definido como um sistema constituído por elementos passivos (resistores, capacitores, indutores,...) e elementos ativos (interruptores), associados de uma forma préestabelecida para o controle de fluxo de energia elétrica 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) 4
Introdução Operações básicas desejadas Operação em um quadrante Diodo i v Operação em dois quadrantes com corrente bidirecional MOSFET IGBT com diodo em anti-paralelo i v Operação em dois quadrantes com tensão bidirecional i Operação em quatro quadrantes i Tiristor v Arranjo de diodos com transistores v 5
Introdução Fonte: Mohan, Undeland, Robbins, Power Electronics, Second edition. 6
Introdução Fonte: Bernet (2000). 7
O diodo de potência Símbolo A Característica i-v ideal i Característica i-v real on off v K Operação em um quadrante 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 8
O diodo de potência Polarização reversa (bloqueio) Polarização direta (condução) Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Second edition 9
O diodo de potência Característica dinâmica de um diodo de potência Na entrada em condução (turnon), o diodo pode ser considerado um interruptor ideal pois ele comuta rapidamente; No bloqueio, a corrente no diodo torna-se negativa por um período, chamado de tempo de recuperação reversa, antes de se tornar nula e o diodo bloquear; Durante esse período, são removidos os portadores de carga armazenados na junção durante a condução direta. Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Second edition 10
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) 11
O diodo de potência 12
O diodo de potência Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Second edition 13
O diodo de potência Fonte: International Rectifier (http://www.irf.com) 14
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 15
MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor MOSFET bloqueado MOSFET em condução Junção p-n - reversamente polarizada (sem tensão de gate) Resistência elevada (grande área de depleção) Tensão v gs positiva induz a condutividade do canal O fluxo de corrente é vertical, circulando pelo canal n -, pela região n, e saindo pelo contato do source A resistência total em condução é dada pelo somatório das resistências da região n-, do canal, e dos terminais de contato de dreno e source 16
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 sourcedrain. Assim, uma tensão negativa drain-source polariza diretamente este diodo. Esse diodo é capaz de conduzir a corrente nominal do MOSFET. Mas, os tempos e as correntes de recuperação desse diodo são normalmente elevados. As elevadas correntes que fluem durante a recuperação reversa do diodo podem causar danos ao componente adjacente (operação complementar). Uso de diodos externos para prevenir a condução do diodo intrínseco do MOSFET (aumentam perdas de condução) 17
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 Capacitância de entrada C iss = C gd + C gs Capacitância de saída C oss = C gd + C ds Os tempos de comutação são determinados pelo tempo necessário para carregar e descarregar a capacitância de entrada C iss 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) 18
MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor 19
MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor 20
MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor 21
MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor 22
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, por isso operam tipicamente em freqüências entre 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 < 600 V Muitas vezes um MOSFET é escolhido pelo valor de sua resistência em condução, ao invés da especificação de corrente 23
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 aonde se deseja tensões entre o coletor e o emissor mais elevadas. Dispositivo com características de coeficiente de temperatura positivo, facilitando o paralelismo (também existem com coeficiente negativo) 24
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor Circuito equivalente do IGBT Construção similar ao MOSFET, exceto devido à região p adicional O IGBT funciona como um MOSFET de canal n conectado a um transistor pnp 25
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor Características dinâmicas do IGBT 26
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor Fonte: Powerex 27
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor Fonte: R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Second edition Fonte: Powerex 28
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 29
GTO: Gate Turn-Off Thyristor Junções P-N Circuito Equivalente Tiristor x GTO 30
MCT: MOS Controlled Thyristor Circuito Equivalente 31
IGCT: Integrated Gate-Commutated Thyristor Simbolo The Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT) is a special type of thyristor similar to a GTO gate turn-off (GTO) thyristor. Like the GTO thyristor, the IGCT is a fully controllable power switch, meaning that it can be turned both on and off by its control terminal (the gate). Gate drive electronics are integrated with the thyristor device. They can be turned on and off by a gate signal, have lower conduction loss as compared to GTOs, and withstand higher rates of voltage rise (dv/dt), such that no snubber is required for most applications. 32
IGCT: Integrated Gate-Commutated Thyristor The structure of an IGCT is very similar to a GTO thyristor. In an IGCT, the gate turn off current is greater than the anode current. The very high gate currents plus fast di/dt rise of the gate current means that regular wires can not be used to connect the gate drive to the IGCT. The drive circuit PCB is integrated into the package of the device. The IGCT's much faster turn-off times compared to the GTO's allows them to operate at higher frequencies up to several of khz for very short periods of time. However, because of high switching losses, typical operating frequency up to 500 Hz. 33
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 34
Bibliografia R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Second edition. Ivo Barbi, Projetos de fontes chaveadas. Denizar C. Martins, Eletrônica de Potência Semicondutores de Potência Controlados, Conversores CC-CC Isolados e Conversores CC-CC a Tiristor (Comutação Forçada), maio 2006 (Apostila). José A. Pomilio, Eletrônica de Potência, UNICAMP. Disponível em: <http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/>. BERNET, S. Recent developments of high power converters for industry and traction applications. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 15, n. 6, p. 1102 1117, novembro 2000. 35